三相永磁同步電機(jī)缺相運(yùn)行分析

摘 要：文章三相永磁同步電機(jī)的缺相運(yùn)行進(jìn)行了分析，通過(guò)對(duì)其磁場(chǎng)定向控制的磁勢(shì)計(jì)算，進(jìn)而推倒出三相永磁同步電機(jī)在缺相時(shí)的磁勢(shì)和電磁轉(zhuǎn)矩，為后期建立仿真模型，增強(qiáng)電機(jī)容錯(cuò)控制能力奠定了理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：三相永磁同步電機(jī)；缺相運(yùn)行；磁勢(shì)計(jì)算

1 概述

在許多應(yīng)用場(chǎng)合，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的故障會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的后果，甚至對(duì)人身安全構(gòu)成威脅。因此，要求驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在發(fā)生故障時(shí)仍然能夠安全運(yùn)行這一問(wèn)題就顯得格外重要。在電機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)中，最常見(jiàn)的兩種故障類型分別是逆變器故障和電機(jī)本體故障。逆變器是電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制中最重要的部分，對(duì)電機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速實(shí)際上就是反復(fù)開(kāi)關(guān)逆變器中的電力電子器件，從而達(dá)到控制電機(jī)的目的。正因?yàn)槿绱?，逆變器成為了?qū)動(dòng)系統(tǒng)中工作最頻繁的一個(gè)部分，其發(fā)生故障的概率要高于其它故障原因。此外，需要注意的是，電機(jī)繞組可以通入電流感應(yīng)磁場(chǎng)，是實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的主要部件，因此，當(dāng)繞組發(fā)生故障后也將直接影響到電機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行。這兩種主要故障又可以細(xì)分為多種故障情況，具體如下：電機(jī)繞組開(kāi)路故障；電機(jī)繞組短路故障；逆變器功率開(kāi)關(guān)器件開(kāi)路故障；逆變器功率開(kāi)關(guān)器件短路故障。

當(dāng)電機(jī)在運(yùn)行中出現(xiàn)上述故障后，將會(huì)出現(xiàn)一系列的不良影響，這將造成整個(gè)電機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)可靠性的下降，主要表現(xiàn)為：電機(jī)的平均轉(zhuǎn)矩降低；電機(jī)的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)變大；氣隙主磁場(chǎng)發(fā)生畸變，由于一相或幾相發(fā)生故障，原本在空間中呈對(duì)稱分布的定子線電壓和線電流變?yōu)椴粚?duì)稱分布；電機(jī)損耗增加，從而使得電機(jī)效率降低；電機(jī)溫升顯著提高，對(duì)電機(jī)內(nèi)各部分的絕緣層造成破壞。文章主要針對(duì)三相永磁同步電動(dòng)機(jī)（PMSM）的缺相運(yùn)行來(lái)展開(kāi)研究。

2 三相PMSM運(yùn)用磁場(chǎng)定向控制方法時(shí)的磁勢(shì)計(jì)算

三相靜止坐標(biāo)系包含的三相PMSM永磁同步電機(jī)的磁勢(shì)向量圖如圖1可見(jiàn)，已知想要讓定子線圈里流過(guò)的電流可以在電機(jī)內(nèi)部達(dá)到幅值固定、轉(zhuǎn)速均勻的圓形磁動(dòng)勢(shì)，定子線圈流過(guò)的電流一定得符合下列公式所示：

im為各相定子電流的幅值，θ為相應(yīng)相的電流的相位差在各自空間上形成的夾角，Ns是各自有效串聯(lián)的線圈數(shù)，以A相為中點(diǎn)和氣隙附近空間位置形成的電角度為β。

三相PMSM定子線圈發(fā)出的總磁勢(shì)在三相穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)下的表達(dá)式為：

由磁場(chǎng)定向控制的學(xué)說(shuō)可知，ψf與d軸重合，三相PMSM定子繞組產(chǎn)生的定子總磁勢(shì)所有都在q軸上，d軸和q軸成九十度夾角，即？琢=？茁=90°，而且定子總磁勢(shì)與永磁體磁鏈彼此影響發(fā)出電磁轉(zhuǎn)矩，采用磁場(chǎng)定向法永磁同步電機(jī)d-q坐標(biāo)系下的磁勢(shì)圖如圖2，電磁轉(zhuǎn)矩的表達(dá)式為：

3 三相PMSM一相開(kāi)路時(shí)磁勢(shì)與電磁轉(zhuǎn)矩分析

如三相PMSM定子線圈其中有某相開(kāi)路，那么此開(kāi)路相里沒(méi)有電流流過(guò)，即不存在產(chǎn)生磁勢(shì)的可能，為了便于推倒分析，這里設(shè)定開(kāi)路相為A。其余正常運(yùn)行相的電流和其產(chǎn)生的磁勢(shì)如下：

由Fs公式可以知道這時(shí)定子總磁勢(shì)可以視作為3個(gè)分量的集合，一個(gè)反轉(zhuǎn)分量，一個(gè)大于ω的正轉(zhuǎn)分量，還有一個(gè)是以ω運(yùn)行的正轉(zhuǎn)分量。

利用隔離硬件故障的辦法，可以把電機(jī)線圈斷線、功率器件接觸不良和短路等電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中頻繁出現(xiàn)的故障變換成電機(jī)缺相運(yùn)行，從而簡(jiǎn)化控制的復(fù)雜性。所以文章通過(guò)對(duì)三相永磁同步電機(jī)采用磁場(chǎng)定向控制方法時(shí)的磁勢(shì)計(jì)算，并對(duì)三相PMSM在一相開(kāi)路時(shí)磁勢(shì)和電磁轉(zhuǎn)矩進(jìn)行分析，建立了合理的數(shù)學(xué)模型，為后期創(chuàng)建仿真模型，增強(qiáng)電機(jī)容錯(cuò)控制能力奠定了學(xué)術(shù)基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：張金輝（1983，12-），男，碩士，研究方向：電氣工程及其自動(dòng)化，河南工業(yè)和信息化職業(yè)學(xué)院。