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电气化行业的最新科研集锦(二十二

2023-09-28


01.基于电流谐波最小的永磁同步电机无差拍预测电流控制

基于空间矢量调制(SVM)的无差拍预测电流控制(DBPCC)具有原理简单、动态响应快、开关频率固定等优点,在永磁电机高性能控制中得到了广泛应用。但是传统的无差拍预测电流控制采用单一的7段式矢量序列,在高速重载等高调制比工况下电流谐波相对较大。已有研究表明,高调制比时采用母线钳位空间矢量调制能获得更小的电流谐波,但优化矢量序列的选择比较复杂且仅在开环运行下进行验证。在解析推导基于4种电压矢量序列的空间矢量调制的电流谐波基础上,提出了一种变序列SVM无差拍预测电流控制策略。该策略根据调制比在线选择使电流谐波最小的优化电压矢量序列,不仅计算量小,而且有效降低了电流谐波。仿真和实验结果表明,相比基于单一矢量序列的传统无差拍预测电流控制,所提出的方法在全调制比下都可以获得最小的电流谐波和THD。在调制比大于0.92时,电流THD可减小30%以上。

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02.实心圆柱式超高速永磁电机建模与极限设计

实心圆柱式超高速永磁电机转子线速度大、损耗密度高,其设计受到多物理场约束。针对上述问题,建立了圆柱永磁转子的应力解析模型,能够考虑离心应力、热应力和过盈配合的共同作用计算转子应力以及合金护套的最小厚度。提出了计及涡流效应的电枢反应解析模型,分析转子涡流损耗及其分布。基于应力模型,分析装配奥氏体不锈钢护套时转子在特定热态温升下的极限转速,并将转子涡流损耗代入有限元软件计算转子温升。结合应力分析和温升计算,分析转子在该热态温升下的极限功率以及对应的控制策略,实现转子的极限设计。将以上模型和分析方法用于一台40 kW、60 000 r/min超高速永磁电机的设计,并制造样机用于超临界二氧化碳发电。有限元仿真和样机实验结果验证了模型的准确性和设计的有效性。

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03.不同绕组绕法对高频变压器分布电容及波形的影响

针对开关电源开关器件频率升高带来的高频变压器原边出现电流尖峰问题,设计了C型、Z型、分段式3种不同绕法的高频变压器模型。通过推导不同绕法高频变压器分布电容的差异,分析了电流尖峰产生的机理,提出采用分段式绕法能有效减小分布电容的大小,进而减小原边电流尖峰。在实验中通过磁路耦合的方法搭建了高频变压器有限元分析工作电路,在推挽电路模型中具体仿真分析了3种不同绕法高频变压器对原边电流尖峰的影响。本文实际绕制了3种不同绕法的高频变压器样机,利用谐振原理测量了分布电容大小,并在开关电源中针对高频变压器的实际工作电路,通过控制变量实际测量了3种不同绕法的高频变压器原边电流波形。仿真及实验结果均验证了其有效性。

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04.基于混合逻辑动态模型的PMSM系统开路故障诊断方法

针对永磁同步电机驱动系统功率器件开路故障问题,提出了一种基于混合逻辑动态模型和剩余电流的开路故障诊断方法,以提高永磁同步电机驱动系统的安全性与可靠性。通过研究电机驱动系统离散开关信号和连续电流状态变量,建立永磁同步电机系统的混合逻辑动态模型对电机电流进行估计;然后,利用估计模型与实际电流的残差极性与残差间的差值极性作为诊断特征量,通过查找设计的故障状态表以实现故障器件定位。该方法利用控制策略中已使用的变量实现开路故障诊断,避免使用额外的传感器,并且可有效消除转速和负载变化对诊断结果准确性的影响。仿真与实验结果表明,该方法具有诊断时间短、准确度高、鲁棒性强等优点,且诊断时间均小于基本电流周期的60%。

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05.并轴式双转子永磁同步电机齿槽转矩分析

为有效分析和削弱并轴式双转子永磁同步电机的齿槽转矩,首先给出并轴式双转子永磁同步电机并接区气隙尺寸确定的一般原则,其次在计及并接区特殊结构参数的情况下给出各部分等效磁导的计算公式,进而建立并轴式双转子永磁同步电机等效磁网络模型,并通过能量差分法建立该电机齿槽转矩的解析表达式,然后以一台双8极54槽并轴式双转子永磁同步电机为例,建立其2D有限元计算模型,综合分析电机并接区气隙、永磁体、槽口宽度等不同结构的尺寸参数对齿槽转矩的影响,得到削弱并轴式双转子永磁同步电机齿槽转矩的有效方法,最后使用田口法以电机齿槽转矩为优化目标,以并接区气隙尺寸、永磁体尺寸、定子槽口宽度等不同参数作为优化变量进行优化分析,有效提高电机的性能。

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06.基于转速和母线电压的PMSM电流环自适应控制方法

永磁同步电机(PMSM)电流环解耦控制主要取决于电机参数辨识的精度,而精确的电机参数则是实现高精度、高性能电机矢量控制的重要基础。不完全解耦会造成电机在高转速区电流调节的动态性能变差,电流环出现超调与严重震荡,并且母线电压的纹波也会造成电流环调整时间变长,动态跟踪精度变差及电机扭矩抖动等问题。目前,此状态已很难满足现阶段对PMSM控制系统的快速性、抗干扰性及鲁棒性等高性能的要求。针对上述情况,文中提出一种不依赖被控对象精确数学模型的自适应模糊PI控制器,用于解决电流环不完全解耦下高转速对电流环影响带来的动态响应性能变差、电流环震荡等问题,并以补偿的形式解决母线电压纹波对电流环产生的影响。结合模糊PI控制和母线电压纹波补偿算法提出的这种自适应的电流环控制方法可以有效减小工况变化对电流环性能的影响。经过仿真和实验验证,并与经典PI控制作比较分析,提出的自适应电流环控制方法可以综合考虑并缓解工程实际中高转速和母线电压纹波对电流环带来的影响,该方法具有更好的快速响应和动态跟踪效果,有效改善了电流环的动态性能。

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07.基于粒子群算法的双三相永磁同步电机谐波优化设计

针对双三相永磁同步电机具有多自由度,通过注入谐波电流可以显著提高转矩输出能力。相比未注入谐波策略,最大转矩峰值电流比控制在保持峰值相电流不变时输出更高的转矩,其中五、七次谐波电流注入策略不需要进行硬件重构。但传统的五、七次谐波注入策略没有考虑铜耗。因此本文提出一种基于粒子群算法的五、七次谐波电流优化设计,限制峰值相电流,采用粒子群算法搜索以转矩最大和铜耗最小为目标的全局谐波电流最优值。实验结果表明,所提策略可以在兼顾转矩输出的同时有效降低铜耗。

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08.基于IT2SFNN的永磁同步电机加速自适应控制

针对永磁同步电机固有的混沌振荡和不可避免的外界干扰,研究了其动力学特性并提出了一种加速自适应控制策略,以实现高精确的轨迹跟踪。首先,基于楞次定律和基尔霍夫定律,建立了PMSM的数学模型,然后通过相图、时间历程图和Lyapunov指数图揭示了其固有的混沌现象。在控制器设计过程中,用二阶微分跟踪器来处理虚拟输入信号的‘复杂微分爆炸’问题;速度函数用于解决跟踪误差收敛慢的问题;区间二型神经网络用来逼近系统中的不确定的非线性函数。根据李亚普洛夫稳定性理论,证明了PMSM输出信号都是一致有界的。最后,仿真实验证明,在外界干扰和参数变化的情况下,所提控制方案抑制了有害的混沌震荡并具有较强的鲁棒性和抗干扰能力。

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