團隊介紹

趙文祥，博士、教授、博士生導師，國家杰青。主持國家自然基金重大項目課題、國家科技重大專項等20余項科研項目。獲國家技術發明二等獎、軍隊科技進步一等獎、教育部自然科學一等獎、IET Premium Awards等獎項。曾赴香港大學、英國謝菲爾德大學學習。第一/通訊作者發表SCI一區期刊論文40余篇，第一發明人授權發明專利20余件。

本文提出了基于飛跨電容拓撲的高功率因數弱磁控制策略。結合電機低功率因數的特點，通過功率解耦理論，解耦電機運行所需有功功率、無功功率，并將無功功率分配給電容逆變器，使主逆變器運行于單位功率因數。結合反饋弱磁控制拓寬控制系統調速范圍。通過實驗驗證了所提控制策略的有效性。

研究背景

磁場調制永磁直線(Field-Modulated Permanent Magnet Linear , FMPML)電機具有定子結構簡單、力密度度高等優點，在軌道交通等長行程應用領域具有很好的應用前景。但是，該類電機存在低功率因數的缺點。為此，提出了基于飛跨電容開繞組拓撲的控制策略，可有效提升電機系統的運行性能。在此基礎上，研究了弱磁控制以拓寬電機的調速范圍。

論文方法及創新點

本文在飛跨電容開繞組拓撲的基礎上，引入弱磁控制，圖1為基于飛跨電容開繞組拓撲的高功率因數弱磁控制框圖。

圖1 高功率因數弱磁控制側

圖2為電壓電流矢量相位關系圖。其中，uactive為系統所需的有功電壓分量，ureactive為系統所需的無功電壓分量，Is為系統的電流矢量，qvi為uMI電壓矢量與電流矢量Is的夾角，φ為功率因數角。系統穩定運行時，us和功率因數角均恒定，因此系統有功電壓分量 uactive和無功電壓分量 ureactive均恒定。uMI、uCI和 uactive之間的關系表示為：

圖2 電壓電流矢量相位關系圖

由上可知，當qvi=0時，系統所需的有功電壓分量完全由主逆變器承擔，無功電壓分量完全由電容逆變器承擔，即：

弱磁控制是拓寬電機調速范圍的有效手段，通過將弱磁控制與高功率因數理論相結合，可以在飛跨電容開繞組拓撲的基礎上進一步拓寬電機的調速范圍。具體實施手段為將主逆變器直流母線電壓的根三分之一作為弱磁給定值以實現弱磁控制，弱磁電流的產生為：

其中，Udc為主逆變器母線電壓；PI_out為弱磁PI調節器輸出。

實驗結果表明，本文所提的控制策略可以有效的拓寬電機的調速范圍。

結論

本文提出了一種用于飛跨電容開繞組拓撲的高功率因數弱磁控制策略。分析了高功率因數運行原理，并指出其可以有效的彌補FMPML電機低功率因數的缺點，降低了直流電源的無功壓力。并且在此基礎上引入反饋弱磁控制策略進一步擴展了電機控制系統的調速范圍，同時通過實驗驗證了該控制策略的有效性和可行性。

引用本文

宋鑫鑫, 趙文祥, 成瑀. 開繞組磁場調制永磁直線電機的單位功率因數弱磁控制[J]. 電工技術學報, 2021, 36(5): 893-901. Song Xinxin, Zhao Wenxiang, Cheng Yu. Unity Power Factor Field Weakening Control of Field-Modulated Permanent Magnet Linear Modulation Motor with Open Winding. Transactions of China Electrotechnical Society, 2021, 36(5): 893-901.