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关键词： 高功率密度   IGBT模块   液冷板   流动传热分析   冷却策略  

摘要： 在我国“双碳”目标的发展战略下,风力发电的占比不断攀升。IGBT模块作为风力发电装置中的重要角色,其功率密度随着电子技术的发展日益升高。相比于传统的电力电子器件,应用在风力发电系统中的IGBT模块具有的功率密度及尺寸更大,导致其在工作时的温度也更高。而过高的温度会大幅降低其寿命及可靠性,对此通常会采用强制冷却方式来控制设备温度,例如采用液体冷却。然而,IGBT模块在实际工作过程中并非长期处于稳定的工况,通常是工作于如启停及负载不断改变的变工况条件下。因此需要制定相应的冷却策略,来匹配冷却液的质量流量与IGBT模块的散热负荷,实现精确冷却,从而节省能源消耗,响应节能减排号召。 为了改善上述IGBT模块散热功率密度高且散热负荷随工况变化的问题,散热器的液冷板设计及其冷却强度调节策略是解决该问题的关键。本文以某款风力发电系统中高功率密度IGBT模块液冷板为对象,开展了以下研究工作: (1)搭建液冷板热平衡测试平台,开展试验系统的整体方案设计及关键部件的选型,开展试验配套的测控系统开发,并对基础设计方案对应的液冷板试件进行热平衡测试。 (2)构建液冷板的流固耦合传热模型,以液冷板的基础设计方案为仿真算例进行分析研究,并通过台架试验结果验证仿真计算的准确性。 (3)采用仿真手段研究液冷板的主要结构参数对液冷板性能的影响规律,包括翅片数量、翅片宽度、翅片高度及翅片拔模斜度,并进行各参数的敏感性分析。 (4)采用仿真手段研究液冷板的主要运行参数对液冷板性能的影响规律,包括冷却液的质量流量、冷却液的入口温度、冷却液的种类以及散热负荷,并制定相应的冷却策略。

关键词： 永磁同步电机驱动系统   IGBT开路故障   故障检测与定位   模型预测电流控制  

摘要： 永磁同步电机因其效率高、响应速度快等特性,已逐步应用到智能制造、轨道交通等领域。电机驱动系统的工作方式决定了绝缘栅双极晶体管(Insulated-Gate Bipolar Transistor,IGBT)需要频繁的开断,这就使得IGBT在高温下还要承受极大的电应力,增加了开路故障的概率。因此,对IGBT进行开路故障检测与定位,对于提高电机驱动系统运行可靠性和降低维护成本具有显著意义。在电机驱动控制方法中,模型预测电流控制(Model Predictive Current Control,MPCC)动态响应快,可以灵活处理非线性系统中的多约束和多变量问题,近年来在状态监测与故障诊断技术领域获得了广泛关注。本文以内置式永磁同步电机(Interior Permanent Magnet Synchronous Motor,IPMSM)为研究对象,以保障电机驱动系统健康、稳定运行为主要目标,开展了 IPMSM驱动系统逆变器IGBT开路故障诊断方法研究。论文的具体研究内容如下:(1)快速性是故障检测方法中的关键指标之一,而电流检测法的诊断时间至少需要一个相电流周期。针对电流检测法检测时间较长的问题,本文研究了一种基于MPCC的误差电流极性法,该方法将MPCC中代价函数的变化和电流检测法相结合,可有效缩短故障检测时间。(2)MPCC容易受到电机参数变化的影响,负载转矩、转速变化都可能导致电机参数变化或不匹配,进而影响代价函数的输出导致误诊。针对负载转矩、转速变化导致误诊的问题,本文在基于MPCC的误差电流极性法中对故障检测指标进行了归一化处理并加入了计数法,使该方法在保证准确性的基础上进一步提高了鲁棒性。最后,本文通过Matlab2016b/Simulink仿真软件和以TMS320F28335为控制核心的2kWIPMSM驱动系统逆变器IGBT开路故障诊断实验平台分别进行了仿真和实验验证。仿真和实验结果均表明:本文研究方法将代价函数和定子电流的变化作为诊断指标,可以实现对18种开路故障类型的检测与定位,且在转矩和转速变化时不会造成误诊断的现象,具有良好的鲁棒性。

关键词： 半集中式   开绕组   共直流母线   矢量控制   模型预测控制   零序电流抑制   执行时间   DSP  

摘要： 在城市轨道交通领域,直线电机可以直接产生推力。相较于传统旋转电机,直线电机不会受摩擦力限制。然而,出于安全考虑,永磁直线电机气隙较大,使得电感较小而难以采用弱磁控制,故调速范围受到限制。开绕组结构是一种典型的宽调速方案。但是,常规开绕组技术要求牵引变流器数量翻倍,将显著增加牵引系统重量、成本、故障率。为此,本课题提出半集中式开绕组拓扑,只增加一台复用变流器即可构成开绕组结构,是一种低成本、易实现的提速方案。但是,复用变流器增加了牵引系统控制方法的复杂度。因此,针对半集中式开绕组初级永磁直线电机牵引系统强耦合特征,提出了适用于不同运行场景的模型预测相电压控制（Phase Model Predictive Voltage Control,PMPVC）和通用最大电压利用率控制（Unified Maximum Voltage Utilization Control,UMVUC）等多种控制方法。具体如下: （1）基于相电压组合的模型预测相电压控制 本课题利用开绕组电机相电压独立的特点,首次提出了独立相控制单元概念,并进一步提出有限集式PMPVC,将N台电机所需的遍历次数从8N+1次大幅减少至3×2N+1次。进一步地,本课题提出了基于复用桥臂优先原则的简化式PMPVC,彻底消除了指数项,在维持良好控制性能的同时,使得计算量只会随着电机数N线性增长。 （2）基于相电压矢量的模型预测相电压控制 本课题首次提出相电压矢量（Phase Voltage Vector,PVV）的概念。依据基本PVV与参考PVV空间距离的物理意义,提出定位式PMPVC,对参考PVV进行快速定位,跳过遍历环节,大幅缩短执行时间。通过引入脉宽调制技术,提出四矢量式PMPVC,实现对参考相电压矢量的无差合成,提高旅客的乘坐舒适度,并对PMPVC进行调制度分析。 （3）基于空间矢量调制的通用最大电压利用率控制 为兼容现有控制框架,本课题提出了基于最小覆盖圆（Smallest Enclosing Circle,SEC）的UMVUC方法,将N台电机的参考电压矢量以实现最大电压利用率的方式分配给N+1台变流器,并优化计算流程,提高UMVUC的执行效率。同时,提出了适配的阶梯式零矢量分配策略,通过判断各电机零序电流极性,调整相应变流器的零矢量时间分配比例,抑制零序电流。 （4）搭建半集中式开绕组初级永磁直线电机牵引系统实验平台。本课题以TMS320F28377D双核微控制器为核心,搭建了半集中式开绕组初级永磁直线电机牵引系统软件和硬件设施,并实验验证了所提协同控制方法的可行性。

关键词： 直接空冷机组   模糊C均值   广义预测控制   长短期记忆网络   多目标优化  

摘要： 我国三北地区富煤贫水,直接空冷机组在火力发电机组中广泛应用,其利用轴流风机驱动空气强制对流,与汽轮机排气进行热交换,节水效果十分显著。目前,直接空冷系统暴露在外,在自然因素与风机群集群效应的耦合作用下,空冷单元阵列的空气动力学特性不断变化,导致空冷机组的工作效率降低。同时,风机群的高耗电量进而导致火电机组净发电率降低,最终影响火电机组的经济运行。因此,研究直接空冷机组的空气动力学特性及运行优化能够改善机组的安全与经济性能。本文以某660MW机组1×8空冷阵列为研究对象,基于数模驱动下计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD),求解自然风瞬变扰动和风机随机转速下的空冷阵列瞬态数学模型,计算不同工况下运行数据,进而研究了机组运行优化。主要研究内容包括:首先,建立直接空冷系统的数值计算模型,介绍相应控制方程、湍流方程及其离散求解方法,最后模拟计算典型工况下各个空冷单元质量流率,并与直接空冷机组的实际测量数据比较,数值模型通过精度检验,为后续研究提供模型基础。其次,基于空冷岛数值模型分析自然风阶跃、风机转速阶跃工况下空冷阵列的流场分布情况,探索风机转速及自然风对风机入口流量的影响规律。研究表明:迎风面风机转速的提高恶化空冷岛冷却性能,下游轴流风机转速提高有利于空冷岛的冷却性能;自然风会恶化空冷岛的冷却性能,空冷单元排布位置不同将导致固有的抗干扰能力差异。基于上述风机群动态特性分析,利用模糊C均值对动态特性数据特征分析,提出风机群分区调节方案。再者,针对自然风向相对固定,风速较缓的夏冬季工况,设计基于多变量Hammerstein 模型的自适应广义预测控制(generalized predictive control,GPC)策略。首先,利用分层辨识原理的扩展随机梯度算法,辨识分布式Hammerstein系统模型参数;其次,基于预测控制原理同时考虑系统的非线性特性和约束条件,直接对整个非线性系统实施GPC策略。并考虑模型失配时,结合带遗忘因子最小二乘算法在线实时辨识系统模型,构成的参数自校正策略。自适应GPC控制策略具有输出偏差小、输出稳定等优点。最后,针对瞬变且随机自然风的春秋季工况,利用长短期记忆(long-term and short-term memory,LSTM)网络构建风机群非参数动态响应模型。通过改进精英策略的非支配排序遗传算法((non dominated sorting genetic algorithm with elite strategy,NSGA2),提出一种综合考虑空冷单元进口空气流量、风机能耗和机械电气损耗等性能指标,并通过模糊隶属度函数法计算各区域风机最优转速指令的多目标分布式最优控制策略。在无自然风和时变连续自然风两种工况下仿真研究,确定最优分布式控制策略,并与空冷阵列集中调速策略相比,多目标分布式最优控制在显著提高了机组冷端运行经济性的同时,降低调节过程的机械电气损耗,显著提高空冷机组的控制品质。研究结果可为直接空冷机组的优化节能安全运行,提供理论依据和工程参考。

关键词： IGBT   键合线   焊料层   老化监测   电磁干扰  

摘要： 近年来,随着电力电子技术的高速发展,电力电子装置凭借其优良的性能被广泛应用于新能源汽车、高压直流输电、航空航天、轨道交通等多种领域。功率器件作为电力电子装置的核心,是实现电力电子装置电能转换的关键。由于电力电子装置的工作环境较为严苛,功率器件的高可靠性对系统安全稳定运行至关重要。绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)凭借其开关速度快、功率密度高、开关损耗小等优良的性能成为目前应用最为广泛的功率器件。电磁干扰(Electromagnetic Interference,EMI)在高速开关的功率器件中不可避免,由于其在功率器件自身工作过程产生,会耦合功率器件内部老化信息,同温敏电参数等信号一样可以用作功率器件的老化监测。本文以IGBT模块组成的Buck变换器为研究对象,通过研究IGBT模块健康状态与EMI信号的关系,建立起IGBT模块焊料层空洞和键合线故障与共模传导干扰与辐射干扰的联系,实现了通过EMI信号对IGBT模块封装老化的完整监测。具体研究内容如下:1.介绍了IGBT模块的封装结构与老化形式、Buck电路中EMI噪声产生的基本原理;分析了封装老化成因以及封装老化对EMI噪声的影响机理;探究了Buck电路中共模干扰电流与差模干扰电流的传输路径,表明共模干扰电流的幅值与焊料层空洞程度有密切关系,以及键合线断裂根数对差模干扰电流幅值具有重要影响;阐述了键合线断裂后差模干扰电流的改变如何影响外部辐射干扰信号幅值。2.提出了基于共模传导干扰信号频谱幅值的IGBT模块焊料层空洞老化在线监测方法。首先,分析了焊料层空洞后对模块寄生电容的影响,表明模块寄生电容改变会影响共模干扰电流的幅值。其次,探究了温度变化对共模干扰的影响,表明了在低频段内共模干扰幅值不受温度影响。最后,通过低频段内共模干扰电流幅值实现对IGBT模块焊料层空洞程度的监测。3.提出了基于辐射干扰信号的IGBT模块键合线老化程度在线监测方法。首先,分析了IGBT模块键合线断裂后对寄生电感的影响,得到了寄生电感随键合线断裂根数增加而增大的结论。其次,研究了模块寄生电感对差模干扰电流的影响,并将IGBT模块等效成磁偶极子向外辐射EMI。最后,利用近场探头捕获模块的辐射干扰信号幅值来监测键合线脱落根数。

关键词： 自适应动态规划   故障容错控制   航天器姿态控制系统   最优控制   神经网络  

摘要： 随着航天事业的蓬勃发展,越来越多的航天任务正在或即将开展。然而,系统精密且价格不菲的航天器却要长期工作在强辐射、高昼夜温差等条件恶劣的太空环境之中,这对航天器本身的安全性和可靠性提出了很高的要求。针对航天器相应系统的容错设计就是保障系统安全性和可靠性的有效手段。而由于航天器姿态控制系统的执行器需要长期保持工作,其发生故障的概率比较大,且其一旦发生故障很可能会导致航天器姿态控制性能的下降,甚至造成航天器姿态系统的失控并丢失整个航天器,所以针对航天器姿态控制系统执行器的容错控制十分必要。 本文利用自适应动态规划方法开展对航天器姿态系统执行器故障的容错控制研究,提出的容错控制方案不仅能够使故障后的航天器姿态系统保持稳定,还能对系统的控制性能进行一定程度的优化,从而实现了对故障后系统稳定性和控制性能优化的统筹兼顾。本文的主要研究工作如下: (1)针对单航天器姿态控制系统的执行器恒偏差故障和姿态运动学子系统受到的非匹配干扰,提出了一种基于自适应动态规划和自适应滑模的容错控制方案。首先使用自适应动态规划的方法设计滑模面,该滑模面可以抑制运动学子系统所受到的有界干扰。针对恒偏差故障,提出了一种由自适应估计方法获取故障信息,滑模控制方法利用该故障信息完成容错控制的方案。 (2)针对单航天器姿态控制系统执行器的时变偏差故障和时变干扰,提出了一种将自适应动态规划和基于障碍函数的新型自适应滑模控制相结合的容错控制方案。其首先为时变故障以及时变外界干扰设计了自适应辨识器,从而准确估计系统的不确定性,同时减弱了滑模控制的抖振。而后,利用自适应动态规划算法设计近似最优滑模面,从而事先给定了系统到达滑模面后的目标动态。最后使用基于障碍函数的自适应滑模控制着重处理了由有界但界未知的辨识器估计误差对系统所造成的不良影响,且控制效果良好,滑模变量可以在有限时间内到达预设的收敛区间,且能防止控制增益过估问题的出现。 (3)针对单航天器姿态控制系统执行器的部分失效故障和外界干扰,提出了一种基于自适应动态规划和积分滑模控制的容错控制方案。该方案首先利用自适应动态规划和Backstepping相结合的方法设计积分滑模控制的连续部分,其中利用自适应动态规划方法设计Backstepping方法的虚拟控制部分。而后,设计自适应估计器估计执行器故障和外界干扰的边界,最终实现了对故障航天器姿态控制系统的自适应鲁棒控制。 (4)针对多航天器姿态控制系统执行器的部分失效故障和失控故障以及干扰,提出了一种基于自适应动态规划和自适应控制分配的分层结构的容错控制方案。该方案首先设计了自适应分布式观测器,从而将领导航天器的信息传递给了每一个跟随航天器,而后基于自适应动态规划设计了鲁棒控制器来应对扰动的影响,最后利用基于模型参考自适应的控制分配方法在不需要故障检测与诊断模块的条件下实现了对故障的容错控制。 本文基于自适应动态规划方法针对航天器姿态控制系统不同类型的执行器故障所开展的容错控制研究,均经过严格的理论分析和仿真验证,其为该领域的相关设计提供了新的思路,为该领域的容错控制设计提供了有效的理论基础和工程参考。

关键词： IGBT power module   gate inductance   digital gate driver   switching loss   current overshoot   voltage overshoot   gate voltage spike  

摘要： This paper clarifies the effect of gate inductance L-g inside IGBT modules on gate voltage spikes when a digital gate driver is employed. Three IGBT modules with different L-g were fabricated to implement double pulse tests by conventional gate driving and digital control gate driving with three-step vectors. Itwas found that the tradeoff between switching loss and voltage/current overshoots can be improved by digital control, but a large gate voltage spike was generated when gate-driving vectors were changed. And the spike voltage V-g_ spike was positively correlated to the L-g. Although the V-g_ spike can also be suppressed by decreasing the difference of gate driving vectors between the first and the second steps, the improvement of the tradeoff is weakened. Therefore, it is required that the L-g inside the IGBT modules should be reduced to suppress the V-g_ spike while improving the tradeoff by the digital gate driver at the same time. Furthermore, by analyzing the oscillation of the V-g_spike, it indicates that there should be some other stray elements, which couple L-g and the stray capacitance inside IGBT chips, affecting the V-g_spike.

关键词： C0半群   共尾理论   指数稳定性   最优控制  

摘要： 可修复系统因故障停止后,通常需要一些时间来恢复或重新启动,即重启延迟.具有重启延迟的可靠性模型能够更真实地描述工程系统,因此该类模型逐渐成为可靠性领域研究的热点问题.本文研究了通过补充变量法和马尔科夫过程建立的具有重启延迟的复杂可修复系统的可靠性.本文首先介绍了由两个子系统R和T串联构成的复杂可修复系统的数学模型.再通过选取适合的状态空间,将模型转化为Banach空间中的抽象Cauchy问题.其次,利用预解正算子和C0半群理论,证明了系统动态解的存在唯一性.然后通过分析系统算子的谱分布,并利用预解正算子和共尾理论得到系统的指数稳定性.最后,通过以指标泛函作为衡量系统可控性的标准,并采用极小化序列的方法得到了系统的最优控制元.

关键词： 微纳马达   纳米颗粒集群   磁场驱动   运动行为   矢量控制   液滴机器人  

摘要： 微纳马达由于体积小、行动灵活等特点，在生物医疗、环境检测治理以及微纳米制造等领域有着广阔的应用前景。其中，磁性微纳马达由于具有可控性强、控制简单以及生物相容性好等优势，近年来受到了国内外学者的广泛关注。然而，受尺度限制，单个微纳马达无法应对大尺度环境污染、大面积组织病变等问题，极大的限制了它的应用发展。因此，具有高鲁棒性、高扩展性以及强环境适应性的磁性纳米颗粒集群技术成为近年来新兴的研究方向。本文针对现有磁性纳米颗粒集群的构型稳定性、环境适应性和复杂任务作业能力等方面的不足，搭建了可视化电磁操控实验系统，开展了磁性纳米颗粒的集群构建、多模态运动、多功能性以及自适应变形特性等方面的系统研究，主要研究内容如下:　　1）针对现有纳米颗粒集群的构型稳定性问题，本研究提出新型锯齿波磁场驱动策略，构建了具有高稳定性的盘状纳米颗粒集群。采用分子动力学仿真方法，对磁性纳米颗粒的集群构建过程进行仿真模拟，提出一种磁链步进旋转机制，以阐述薄膜状纳米颗粒集群的生成机理。同时，通过对锯齿波磁场的编程控制，实现了集群构型在圆盘形、椭圆形和长条形之间的可逆转换，并展示了盘式纳米颗粒集群在微装配领域的应用场景。　　2）针对现有纳米颗粒集群的环境适应性问题，本研究提出磁场矢量控制策略，构建了具有三维空间运动行为的轮状纳米颗粒集群。采用分子动力学仿真方法，对磁性纳米颗粒的集群构建与运动过程进行仿真模拟，并利用磁链步进旋转机制，阐释了轮式纳米颗粒集群的形成与运动机理。通过对磁场方向的调整，实现了纳米颗粒集群由水平状态向竖直状态的转换。分析了磁场频率、磁场方向对集群运动行为的影响。结果表明，竖直的轮状集群的运动速度比水平状态的集群提高了约15倍。此外，通过对锯齿波磁场的编程控制，实现了磁性纳米颗粒的多模态运动、原地站立以及原位构型转换操作，并展示了轮状纳米颗粒集群通过复杂三维地形的能力。　　3）针对现有纳米颗粒集群的复杂任务作业能力问题，本研究提出交变磁场驱动策略，构建了具有伪足功能的液滴机器人。基于对液滴内部磁性纳米颗粒群体的控制，实现了液滴机器人的伪足伸展、弯曲以及收缩等操作。同时，系统分析了溶液浓度、基材类型等因素对液滴机器人伪足的影响，并结合使用有限元仿真分析方法，明确了伪足的形成机制。此外，通过对驱动磁场的编程控制，实现了液滴机器人在单伪足、双伪足和运动模式之间的可逆转换。伪足赋予液滴机器人出色的机动性，使其可以通过复杂的三维地形，以执行试剂分析、结石去除等任务。这极大地扩展了液滴机器人在复杂生物环境中的无束缚显微操作和药物靶向递送等应用场景。

关键词： 非对齐双定子轮辐式永磁同步电动机   矢量控制   联合仿真   转矩脉动抑制  

摘要： 双定子永磁同步电动机主要应用于新能源汽车、电机压缩机、电动机车等领域。电动汽车驱动系统需要具备高转矩密度和高功率密度的特点,并且还要尽可能缩小体积以满足整车设计的要求。同时,在电机实际运行中存在转矩脉动,因此,需要在设计电机时考虑解决这些问题,以提高电机的稳定性和效率。本文以辽宁省科技厅项目“电动汽车用非对齐双定子轮辐式永磁同步电动机设计及容错控制研究”为背景,研究了非对齐双定子轮辐式永磁同步电动机（Non-aligned double stator spoke permanent magnet synchronous motor,Non-ADSPMSM）,并针对转矩脉动最小化问题,从电机本体及控制策略两方面入手,实现转矩脉动抑制。本文的主要研究内容如下: 首先,对Non-ADSPMSM内外定子结构、转子结构、永磁体充磁方式及工作原理进行了分析。开展了Non-ADSPMSM空载、负载有限元仿真,对比分析200r/min、300r/min、400r/min转速下对齐与非对齐结构的反电动势、齿槽转矩等波形,得出内外定子互差90度电角度能有效抑制齿槽转矩。 其次,本文重点讨论了齿槽转矩、时间谐波。建立了含有5次及7次谐波的Non-ADSPMSM的数学模型,考虑内外定子对齐非对齐结构特点,在矢量控制系统中加入谐波抑制模块,对比分析加入谐波电流环前后对齐与非对齐结构的电流、转矩的波形,实现5次、7次电流谐波及6次转矩脉动分量的抑制。 再次,基于ANSYS Electronics Desktop 2021与MATLAB2018b仿真软件进行谐波抑制及调速的联合仿真,通过谐波注入法消除绝大部分时间电流谐波,降低了转矩脉动。将id=0矢量控制应用到Non-ADSPMSM的调速系统中,模拟了不同工况下的调速性能,验证了所提方案的正确性。 最后,搭建了Non-ADSPMSM实验平台,给出了Non-ADSPMSM控制系统的软件及硬件设计过程,并对其空载反电动势及齿槽转矩进行了测量。为Non-ADSPMSM调速系统的实验实施奠定了基础。