三相和五相PMSM缺相運行的仿真分析

張金輝

（1.河南理工大學,河南 鄭州，454001；2.河南工業(yè)和信息化職業(yè)學院，河南 鄭州454001）

由于受到電力系統(tǒng)的限制，長期以來交流傳動系統(tǒng)主要集中在單相和三相電機上。近年來，隨著電力電子技術(shù)和微處理器的發(fā)展，電力變換器已經(jīng)擺脫了電力系統(tǒng)中標準三相電流的限制，多相電機驅(qū)動控制技術(shù)領(lǐng)域得到了充分的發(fā)展空間［1］。

1 仿真

本文對4.4KW三相PMSM和4.4KW五相PMSM電流和速度雙閉環(huán)控制的缺相運行情況進行仿真，仿真圖如下圖1所示。仿真參數(shù)的具體設(shè)置如下所述。

1.1 三相PMSM缺相運行部分仿真參數(shù)的設(shè)置

三相PMSM參數(shù)：定子相電阻R=0.129Ω，電機的電樞電感Lam=1.53mH，電機的永磁磁鏈ψf=0.1821Wb，轉(zhuǎn)動 慣 量J=3.334e-3（kg·m2），電 機 的 摩 擦 因 數(shù)μf=0.000425，極對數(shù)p=4，額定輸出轉(zhuǎn)矩設(shè)置為7N·m；

PI積 分器：Integral參 數(shù) 為3，Proportional參 數(shù)0.4，Minimum andmaximum outputs參數(shù)為[-150，150］；

Fault operation command 1：Time為[0 0.09］，Amplitude為[1 0］；

Faultoperation command（與斷路器相連）：Time為[0 0.06］，Amplitude為［1 0］。

1.2 五相PMSM缺相運行部分仿真參數(shù)的設(shè)置

五相PMSM參數(shù)：定子相電阻R=0.12Ω，電機的電樞電感Lam=1.35e-3mH，電機的永磁磁鏈ψf=0.05Wb，轉(zhuǎn)動慣量J=0.002（kg·m2），電機的摩擦因數(shù)μf=0.02，極對數(shù)p=4，額定輸出轉(zhuǎn)矩設(shè)置為7N·m。［2］

PI積分器：Integral參數(shù)為11，Proportional參數(shù)20，Minimum andmaximum outputs參數(shù)為［-150，150］；

Fault operation command：Time為［0 0.09 0.15］，Amplitude為［2 1 0］；

Faultoperation command（與A相斷路器相連）：Time為［0 0.06］，Amplitude為［1 0］；

Faultoperation command（與B相斷路器相連）：Time為［0 0.12］，Amplitude為［1 0］。

1.3 仿真算法為：可變步長ode23tb（stiff/TRBDF2），相對轉(zhuǎn)矩為1e-4。

由上述設(shè)置參數(shù)可知，自仿真起始時間開始，兩臺電機全相正常運行。當仿真時間t=0.06s時，兩臺電機的A相同時故障，電機缺相運行。當仿真時間t=0.12s時，五相PMSM的B相也發(fā)生故障，電機缺相情況更加嚴重。

在上述仿真算法的條件下，運行圖1的模型，可以得到當三相PMSM和五相PMSM缺相運行時，永磁電機轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的仿真結(jié)果分別如下圖所示：

圖1 三相PMSM和五相PMSM缺相故障仿真運行

圖2 三相PMSM和五相PMSM轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩比較圖

2 分析

由 圖2可 知，當t=0.06s時，三 相PMSM和 五 相PMSM同時發(fā)生A相故障，但五相PMSM比三相PMSM的調(diào)節(jié)能力強，電機轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的波形能夠迅速自動恢復穩(wěn)定狀態(tài)。而對于三相PMSM，只有當t=0.09s時，每個控制器的電流參考被用于補償相位缺失之后，電機轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的波形才可再次達到穩(wěn)定狀態(tài)。當t=0.12s時，五相PMSM的B相開路，缺相情況更加嚴重，這時就不能單靠五相PMSM的自動恢復能力，而需要在t=0.15s時，每個控制器的電流參考被用于補償相位缺失來促進電機轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩達到穩(wěn)定運行［3］。

三相PMSM和五相PMSM在缺相發(fā)生瞬間，定子側(cè)電流都會存在短暫波動，但最終都趨向于正弦波。此外，需要注意的是，缺相側(cè)的定子相電流變?yōu)?。如三相永磁同步電機A相開路定子電流圖2（a）左圖a）所示，最終A相定子電流為0；五相永磁同步電機A、B相開路定子電流圖2（a）右圖b）所示，最終A、B兩相定子電流都為0。

通過在Matlab中仿真分析可以得出結(jié)論，五相PMSM對比與三相2PMSM，具有更強的容錯控制能力。除此之外，需要著重注意的是，對于三相電機，如果故障發(fā)生在其中一相，只能把母線中性點和電機中性點相連接來保證電機正常運轉(zhuǎn)，使得電機旋轉(zhuǎn)磁動勢恒定。而對于五相電機，在一相發(fā)生故障時，可以通過電機自身的自動調(diào)節(jié)，來保證電機的正常運行。

［1］Leila Parsa，H.A.Toliyat.Multi-Phase Permanent Magnet Motor Drives.IEEE IASAnnualMeeting.2003:401-408.

［2］ToliyatH.A.Waikar S.P.Lipo T.A.Analysis and simulation of five-phase synchronous reluctance machines including third harmonic of airgap MMF.Industry Applications，IEEE Transactions.1998，2:332-339.

［3］Shuai Lu，Keith Corzine.Multilevel Multi-phase Propulsion Drives.IEEE Electric Ship Technologies Symposium.2005:363-370.