首页 > 科学研究 > 研究方向简介 > 内容

交流电力传动与控制

1)交流电机数字控制

本学科在国内较早开展异步电机磁场定向矢量控制系统的研究。“十五”期间,主要从事高性能、大容量、全数字化交流电机控制系统的理论和应用研究,尤其是在交流电机矢量控制和转矩直接控制及其数字化实现和无速度传感器运行等方面提出自己的控制方法和理论,并将非线性自抗扰控制器用于异步电机高性能控制,对电机参数辨识、无速度传感器矢量控制的速度估计、电流控制策略及调节器参数自调整的研究已经取得一批有重要参考意义的结果,受到国内外同行的高度评价。已经完成的项目还有“全数字化交流永磁电机伺服系统”,“最优状态观测器在交流伺服系统速度位置检测中的应用”等。

本研究方向的特色是:采用新型高频电力电子器件(IGBT)、数字信号处理器(DSP)和现代控制理论及矢量控制、转矩直接控制技术,研究新一代全数字化高性能交流调速及伺服系统。应用基础研究瞄准国际前沿,应用研究紧密结合国民经济主战场,依托一批长期稳定合作的企业,在高压大容量变频调速系统、数控机床驱动及其它工业自动化设备驱动方面开展了深入的研发工作,为我国相关行业的发展作出了贡献,创造了较好的社会效益和经济效益。

在新一代全数字化高性能交流调速及伺服系统中,进一步研究无机械传感器的调速系统,利用定子端信号并应用现代控制理论计算转子的位置和速度及转动惯量,并辨识参数,使系统运行更经济可靠。同时开展“基于永磁体状况动态监测的永磁电机控制策略和失磁分析方法研究”(国家自然科学基金项目50607010)。最后,研究新一代全数字化交流调速系统的控制策略及各种控制策略的积木式组合方案。

“十五”期间在该方向上培养的博士后2名(冬雷、肖曦),博士生有2名(李明才、吴学智),硕士生有6名(王文森、孙涓涓、梁艳、张猛、郑泽东、郭宇婕、赵铁夫)。

 “十五”期间代表性成果有:

[1]  李永东主编,《交流电机数字控制系统》,机械工业出版社,2002

[2]  黄立培,《电动机控制》,清华大学出版社,2003

[3]  Feng, Guang; Liu, Yan-Fei; Huang, LipeiA new robust algorithm to improve the dynamic performance on the speed control of induction motor driveIEEE Transactions on Power Electronics, 2004,19(6): 1614-1627EI04508712812SCI收录:868FY

[4]  冯光,黄立培,朱东起“采用自抗扰控制器的高性能异步电机调速系统”,中国电机工程学报,2110期,55-582001.10EI02126893900

[5]  冯光,黄立培,朱东起,“异步电动机转子参数的自校正辨识方法的研究”,清华大学学报,Vol.41 no.9  9-12,2001.9EI02116885800

[6]  郭宇婕,黄立培,邱阳,“交流伺服系统的转动惯量辨识及调节器参数自整定”, 清华大学学报,vol42.no.9,1180-1183,2002(EI03027313232)

[7]  刘亚东,吴学智,黄立培,“改善直接转矩控制性能的SVPWM方法”,清华大学学报,第44卷,第7期,869-8722004年,(EI04448438516)

[8]  王文森,李永东,王光辉,陈杰,李明才.基于PI 自适应法的无速度传感器异步电动机矢量控制系统. 电工技术学报,2002V17(1):1-5.

[9]  李明才,李永东.异步电机高性能控制系统励磁电感的准确测量.清华大学学报.2004,V44(7):876-879.(EI:04448438518)

[10] 冬雷,李永东。无速度传感器异步电动机极低转速下的矢量控制.清华大学学报。2003V439):11691172.EI04078020840

[11]  孙涓涓,李永东.异步电机定子电压定向矢量控制系统的改进.电工技术学报,2002V17(2):29-33.

[12] Xiao Xi, Li Yongdong, Zhang Meng. A Novel Control Strategy for Brushless DC Motor Drive With Low Torque Ripples. 31st Annual Conference of IEEE Industrial Electronics Society 2005: 1660-1664.EI: 064210180089

[13] Zhang Meng, Li Yongdong, Zhao Tiefu, Liu Zhichao, Huang Lipei. A speed fluctuation reduction method for sensorless PMSM-compressor system. 31st Annual Conference of IEEE Industrial Electronics Society 2005: 1633-1637.EI: 064210180084

[14] Xiao Xi, Li Yongdong et, al. Performance control of PMSM drives using a self-tuning PID. 2005 IEEE International Conference on Electric Machines and Drives 2005: 1053-1057. (EI: 064010147693)

[15] Liu Yongheng, Li Yongdong, Hou Xuan, Su Pengsheng. PWM strategy for an open-end winding induction motor drive using two-level inverters with separate DC supplies. 4th International Power Electronics and Motion Control Conference 2004:636-639. (EI: 05189075158)

[16]  李永东,刘永恒,候轩. 三相异步电机绕组双端供电变频调速驱动装置. 发明专利,专利号:ZL 02117868.2

[17]  刘智超,赵铁夫,黄立培. 无速度传感器永磁同步电机-空调压缩机系统的控制方法. 发明专利, 专利号:ZL20041007814.1

[18]  柴建云,肖曦. “交流永磁电机的机械逆变装置”, 发明专利,专利号:ZL 03136185.4

2 电动汽车电机驱动技术

本学科在电动汽车宽范围调速异步电机矢量控制研究方面取得了新进展。“十五”期间,承担了863电动汽车重大专项子课题项目《燃料电池城市客车电机及其控制系统》(课题编号分别为2001AA5011212003AA5011232005AA501130)的研究工作。研制并装车运行了额定功率100kW,最大功率160kW,最高转速6000/分的异步电机及其全数字矢量控制系统,经过不断研究与改进,性能指标已逐步接近国外同类产品。同时锻炼培养了研究队伍,研究水平得到了进一步提升。尤其在电动汽车宽范围调速异步电机矢量控制研究方面取得了较大进展。提出了一种高速下异步电机转子磁场准确定向的控制方法,该方法采取了对转子磁链位置实时校正调节的控制策略,大大提高了矢量控制对电机模型和参数的鲁棒性。承担的课题都按时通过了科技部的验收,并且又得到了科技部“十一五”863电动汽车项目的继续支持。并与株洲电力机车研究所建立了紧密合作关系,组成了产学研一体的合作研究团队,实现优势互补,为将研究成果更有效地转化为生产力创造了良好的条件。

“十五”期间,在该方向上培养毕业的博士生2名(宇文博,陆海峰),硕士生4名(谭瑞民、胡星波、张旭、黄斌)。具有代表性的部分研究成果如下:

[1] 陆海峰,瞿文龙,张磊,陈伟,一种基于无功功率的异步电机矢量控制转子磁场准确定向方法,中国电机工程学报,2005年第16期,p.116-120。(EI: 05419405650

[2] 陆海峰,谭瑞民,瞿文龙,减小死区影响的准单极性PWM调制方法。清华大学学报,2005-10,Vol.45 No.10 p.1296-1300(EI: 06029637190)

[3] 中国发明专利:陆海峰,瞿文龙,《采用电压闭环实现异步电机转子磁场准确定向的控制方法》,专利授权公告日:2006111日,专利号:ZL 2004 1 0009718.3

[4] Lu Haifeng, Qu Wenlong, Huang Bin, Nonlinear modeling and simulation of induction machine, TENCON 2004. IEEE Region 10 Conference, Chiang Mai, Thailand, vol. 3, 2004. pp: 504-507 EI05489516155

[5] Huang Bin, Qu Wenlong Lu Haifeng, A Novel On-line Rotor Resistance Estimation Method for DFO Controlled Induction Motor Drive,  IPEMC2004, 2004.8.14~16, Xi an, p655~660。(EI05189075163

[6] 张磊, 肖伟, 瞿文龙, 直接检测无刷直流电机转子位置信号的方法, 清华大学学报(自然科学版), 20064, Vol. 46, No. 4, pp: 453-456. (EI06269966477)

[7] 张磊,瞿文龙,肖伟,陆海峰,季学武,陈奎元,一种降低无刷直流电机EPS系统损耗的PWM控制策略,电工技术学报,20068月,Vol. 21, No. 8,p.83-89. (EI064110165849)

[8] 张磊, 瞿文龙, 陆海峰, 肖伟, 一种新颖的无刷直流电机无位置传感器控制系统, 电工技术学报, 200610, Vol. 21, No. 10, pp: 26-30.

[9] Zhang Xu, Qu Wenlong. A Novel compensation method of Stator flux Estimation in Low Speed Region. ICEMS2003, Nov. 9-11, Beijing, China, p623-626

[10] Tan Ruimin, Qu Wenlong, Zhang Xu. A new method to obtain the rotor constant of induction motor based on vector control. ICEMS2001, August 18-20, 2001 Shenyang, China, p.47~50.

[11] Qu Wenlong, Yang Yi, Feng Jianghua. Control strategies of direct torque control of induction motor applied to traction. ICEMS2001, August 18-20, 2001 Shenyang, China, p.1226~1229.

[12]   星,瞿文龙,陆海峰。一种能消除直流偏置和稳态误差的电压型磁链观测器。电工电能新技术,第25 1期,20061月,p39-43

[13] 陈伟,瞿文龙,陆海峰。一种基于MRAS的异步电机速度辨识方法。电工电能新技术,20064月,Vol.25, No.2p52-55

3 高性能变换器控制技术

本方向围绕高性能变流装置的控制、设计、制造等的技术进行研究开发及推广应用,提高我国电力电子技术的研究和应用水平,同时带动学科的建设和发展。在“十五”期间,主要研究矩阵变换器、多电平变频器、逆变电源数字控制的控制策略。对矩阵变换器的研究主要集中在:新型电力半导体器件RB-IGBT驱动与保护电路、组合控制策略、输出电压补偿方案,换流及故障保护控制、平均电压调制策略;对多电平变换器的研究主要集中在:SVPWM策略、中点电压平衡、输入谐波、研制电机输出转矩脉动等问题;逆变电源数字控制的研究主要集中在:逆变电源的并联均流控制、数字控制等。

本研究方向的特色是:应用基础研究依托承担的各类基金项目,应用研究依托和国际大公司及国内企业的合作,使研究成果得到应用。其中,与三菱电机、富士电机、杰士汤浅等围绕“电力半导体器件热耗散分析”、“逆阻式IGBT的驱动与保护及其应用”、 “数字控制UPS研制”等,开展了多项国际科研合作,促进了国际学术交流,同时还使我们的研究和国际学术界和产业界保持同步,已经取得一批重要成果。相关成果具有自主知识产权,申请了多项国内外发明专利,由科学出版社出版《大容量多电平变换器》,应机械工业出版社约稿,将出版《矩阵式变换器技术及其应用》。

本方向将继续依托自然科学基金项目,“基于虚坐标系的多电平变换器的控制及应用研究”(项目编号:50677033)、“新型双级矩阵式变换器驱动永磁同步电机调速系统研究”(项目编号:50607012),在变流装置主电路的新拓扑、变流装置的高性能控制、新型电力半导体器件的驱动、保护和串并联以及热损耗分析等方面取得突破。

“十五”期间在该方向上培养了博士后2名(邢岩、王莉娜),博士生有3名(蒋志宏、侯轩、孙凯),硕士生有4名(浦志勇、李敏、邓毅晟、刘智超)。

“十五”期间代表性成果有:

发表论文和专著

[1] Yang Mei, Kai Sun, Daning Zhou, Lipei Huang, Xuansan Cai. Novel improvements for matrix converter fed adjustable speed drive system. HAIT Journal of Science and Engineering, 2005, vol. 2, Issue 5-6, pp.787-807, Israel

[2]  Dewei Xu; Haiwei Lu; Lipei Huang; Azuma, S.; Kimata, M.; Uchida, R. Power loss and junction temperature analysis of power semiconductor devices. IEEE Transactions on Industry Applications, 2002 ,38(5): 1426-1431 (EI02477222392SCI597MX)

[3] 周大宁,孙凯,孔鹏举,黄立培. 一种新颖的RB-IGBT驱动电路及其在矩阵式变换器中的应用. 清华大学学报. 200649(4):1-4 EI06269966480

[4] 刘亚东,邢岩,黄立培. 采用死区补偿和输出电流补偿的数控UPS 逆变器.清华大学学报(自然科学版),2006 46(1)17-20EI06169831151

[5] 孙凯, 周大宁, 黄立培, 濑户诚, 木全政弘,“矩阵式变换器在电源异常时的运行性能分析”,电工电能新技术, 2004,2: 9-12

[6] 吴学智,黄立培,“基于ANN的三电平逆变器开关矢量选择器”,清华大学学报,2003-03381-384(EI03347606101)

[7] LIU Yadong, XING Yan, HUANG Lipei, Makoto SAKANE. Progressively Converging Deadbeat Control for UPS Inverter. Proceedings IEEE APEC'06.2006, 355-361EI064110169437

[8] Wang Lina; Xu Fuyuan; Sun Kai; Huang Lipei. A novel safe shutdown strategy for matrix converter even under fault condition. IEEE APEC-2005,2005,3:1786-1790EI06249941391

[9] Yang Mei, Kai Sun, Lipei Huang, Kouki Matsuse. Application of matrix converter in auxiliary drive system for diesel locomotives. Proceedings IEEE IAS2005, 2005,4:2476-2483(EI05489515874)

[10] Daning Zhou, Kai Sun, Lipei Huang, Kiyoaki Sasagawa. A novel commutation method of matrix converter fed induction motor drive using RB-IGBT. Proceedings IEEE IAS05. 2005, 4:2347-2354 (EI062910013288)

[11] Xing Yan, Huang Lipei, Yan Yangguang,Redundant parallel control for current regulated inverters with instantaneous current sharing PESC Record - IEEE Annual Power Electronics Specialists Conference, v 3, 2003, p 1438-1442 EI03347605816

[12] 邢岩,刘亚东,黄立培,可以并联工作的正弦波逆变器, 中国发明专利, 专利号:ZL03102062.3

“十五”期间支持本方向研究的基金项目及和海外合作项目

[1] 矩阵变换器和基于自抗扰控制器的异步电动机组合控制,国家自然科学基金,项目编号:503770142004.1-2006.12

[2] 矩阵变换器在电气铁道辅机系统的应用研究,清华-铁道部科技研究基金,项目编号:t2004042004.10-2006.9

[3] “逆阻式IGBT的驱动与保护及其应用”,和日本国富士电机公司的合作项目,2003.10-2004.92004.10-2005.92006.8-2008.3

[4] 矩阵变换器与自抗扰控制器的组合控制,台达电力电子科教发展基金,2003.7-2004.7

[5] 数字控制UPS研制,和日本国汤浅(YUASA)公司的合作项目,2003.7-2004.62004.7- 2005.62005.11-2006.10

[6] UPS的并联运行,和日本国汤浅(YUASA)公司的合作项目, 2002.9-2003.2

[7] 矩阵式变换器的研究,日本国三菱电机委托研究项目, 2001.7-2002.9

[8] “通用变频器的研究与开发”,和日立公司合作研究,19982002.3.31

[9] 基于DSP的单相PFC研制,和光宝电子(东莞)有限公司合作研究项目,2003-2004

4)电力电子装置的电磁兼容研究

“十五”期间,确立了电力电子与电机系统的电磁兼容(EMC)研究方向。通过承担台达电力电子科教发展基金项目“开关电源内部EMI特性的描述和其抑制”、“元件耦合效应与非线性对EMI传播通道特性影响的研究”以及企业委托的有关电力电子与电机系统EMC的多个研究项目(包括三菱电机公司项目“PWM逆变电源供电情况下的异步电机的运行行为的研究”,1999.4.1- 2002.3.31),对电力电子与电机系统中存在的EMC问题进行了系统深入的研究。其特色是重点针对电力电子与电机系统的结构特点与工作方式,将理论分析、仿真计算和实验验证紧密相结合,研究电力电子与电机系统的高频等效电路建模方法,分析研究传导EMI的传播通道和规律,为分析、预测和提高电力电子与电机系统的EMC性能奠定基础。

主要研究内容和成果有如下三个方面:

1)电力电子装置中电磁干扰(EMI)传播通道及其特性的研究

对电力电子装置中电磁干扰源、传导EMI传播通道的构成、耦合通道的频率特性、输入滤波器元件的高频电路模型、元件间电与磁的耦合机理以及对装置性能的作用等方面进行了深入研究。以开关电源作为典型研究对象,提出了建立开关电源中无源元件以及整个电源的高频电路模型的方法,提出了开关电源内部EMI特性分析方法和抑制传导EMI的方法,深化了对传导EMI传播特性的认识,为典型电力电子装置EMC分析奠定了基础。

2)电机与电力电子系统的EMC问题研究

对三相PWM逆变器驱动的电机调速系统中的EMC问题进行了系统的研究。重点研究了过电压和接地线上的传导EMI问题以及大容量逆变器主电路结构对功率器件开关暂态过程以及相关的EMI特性的影响。提出了系统接地线中干扰电流的分析、预测和抑制方法,对解决工程实际中电机与电力电子系统的EMC问题具有重要的指导意义。

3)电力电子装置传导EMI建模与仿真分析

对建立电力电子装置特别是大容量逆变器主电路的包括杂散参数在内的高频电路模型的方法进行了深入研究。首次提出采用部分单元等效电路(PEEC)建立接地网络的传导EMI电路模型,并提出了杂散参数的计算方法和实验测定方法。这是分析、计算和预测逆变器电磁干扰特性所必须的基础性研究工作,为提取大尺寸导体的高频电路模型参数开辟了一种可行的途径。

“十五”期间在该方向上培养了博士生2名(和军平、咸哲龙),硕士生6名(邓文、陈斌、黄江江、王春平、钟玉林、韩蓓蓓)。

“十五”期间的代表性论文有:

[1] 和军平, 姜建国, 陈斌. 电力电子装置传导电磁干扰特性测量的新方法. 电力电子技术, 2001.10, 35(5): 32-35

[2] 和军平, 陈为, 姜建国. 功率因数校正电路杂散磁场对传导干扰发射作用的分析研究. 中国电机工程学报, 2005.7, 25(14): 151-157  (EI: 05339305044)

[3] Deng Wen, Lv Chuan, Jiang Jianguo, et al. Filter design of restraining over-voltage and bearing current in induction motor fed by PWM inverter. IEEE Region 10 Annual International Conference, Proceedings/TENCON, Oct. 2002, Beijing, China, 2083-2086  (EI: 03307565246)

[4] 钟玉林, 咸哲龙, 孙旭东, . 计及部分电容的接地回路高频电路模型. 中国电机工程学报, 2005.9, 25(17): 37-41+149  (EI: 05429423722)

[5] 陈斌,姜建国,孙旭东. PWM逆变器-感应电机驱动系统中接地电流EMI问题的分析. 中国电机工程学报, 2003.2, 23(2): 58-62  (EI: 03247507026)

[6] 和军平, 姜建国. 离线式PWM开关电源传导电磁干扰的分析研究. 中国电机工程学报, 2003.6, 23(6): 91-95  (EI: 03397651791)

[7] 曹海翔, 吕川, 姜建国, 玉井伸三. PWM逆变器-交流电机过电压抑制滤波器的功率损耗分析与参数选择. 电工技术学报, 2003.10, 18(5): 74-78.

[8] 咸哲龙, 姜建国, 曹海翔, . 大型汽轮发电机定子线棒高频分布参数的测量. 中国电机工程学报, 2004.1, 24(1): 65-70  (EI: 04208164913)

[9] 和军平, 姜建国, 陈为. 离线式PWM变换器电磁干扰传播通道模型的研究. 电工技术学报, 2004.4, 19(4): 56-60  (EI: 04448436503)

[11] 咸哲龙, 姜建国, 曹海翔. 电机定子结构及其绝缘介电常数的频率特性对定子绕组电容值的影响. 中国电机工程学报, 2004.8, 24(8): 129-133  (EI: 04418404472)

[12] Wang, C P, Liu D H, Jiang Jianguo. Study of coupling effects among passive components used in power electronic devices. Conf. Proc. IPEMC Int. Power Electronics and Motion Control Conf., Aug 2004, Xi'an, China, 1500-1504  (EI: 05189075329)

[13] 咸哲龙, 钟玉林, 孙旭东, . 用于传导电磁干扰分析的接地回路模型与参数. 中国电机工程学报, 2005.4, 25(7): 156-161  (EI: 05239147315)

[14] 和军平, 陈为, 姜建国. 开关电源共模传导干扰模型的研究. 中国电机工程学报, 2005.4, 25(8): 50-55  (EI: 05269184502)