8/6極電勵磁雙凸極電機單相開路故障容錯控制拓撲*

王蘭鳳，　陳志輝，　何海翔，　趙凱弟，　張卓然

(南京航空航天大學 多電飛機電氣系統(tǒng)重點實驗室，江蘇 南京　210000)

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8/6極電勵磁雙凸極電機單相開路故障容錯控制拓撲*

王蘭鳳，陳志輝，何海翔，趙凱弟，張卓然

(南京航空航天大學 多電飛機電氣系統(tǒng)重點實驗室，江蘇 南京210000)

容錯型電機驅(qū)動系統(tǒng)成為國內(nèi)外學者的研究熱點。提出了8/6極電勵磁雙凸極電機(WFDSM)單相開路容錯型拓撲結(jié)構(gòu)，借助有限元電磁場分析技術(shù)，在分析電磁轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生機理基礎(chǔ)上，對此拓撲結(jié)構(gòu)的控制策略以及電機在正常運行、單相開路及單相開路容錯這三種不同工作狀態(tài)下的運行特性進行了分析研究。仿真結(jié)果表明，此拓撲結(jié)構(gòu)可以有效地降低故障對電機運行產(chǎn)生的影響，驗證了該拓撲結(jié)構(gòu)的有效性。

電勵磁雙凸極電機； 開路故障； 有限元分析； 容錯控制

0　引　言

隨著電機驅(qū)動系統(tǒng)應用領(lǐng)域愈加寬泛，特別是航空航天、軍用、工業(yè)及其自動化等高可靠性要求的場合，對電機驅(qū)動系統(tǒng)提出了故障容錯的需求[1]。

電勵磁雙凸極電機(Wound-Field Doubly Salient Motor, WFDSM)憑借其結(jié)構(gòu)簡單可靠、功率密度高、勵磁調(diào)節(jié)方便及容易實現(xiàn)故障滅磁等優(yōu)點，愈來愈受到國內(nèi)外學者的關(guān)注。目前針對容錯型雙凸極電機驅(qū)動方面的研究主要集中在電機本體和控制策略這兩個方向[2-5]。

對于容錯電機本體設(shè)計方面，文獻[6]以一臺電勵磁雙凸極發(fā)電機為原理樣機，通過在定子設(shè)置空間上相差180°機械角且結(jié)構(gòu)上互相串聯(lián)為一相的兩套電樞繞組，實現(xiàn)了雙通道并聯(lián)發(fā)電。文獻[7]對一種用于直驅(qū)風力發(fā)電機的五相容錯電勵磁雙凸極發(fā)電機進行了研究，該電機帶有容錯齒，對開路故障及理想短路故障進行了靜態(tài)空載仿真分析研究，但沒有對加載時的開路和短路故障進行詳細分析，且沒有分析勵磁電流對故障輸出電壓的影響，容錯性的結(jié)論還沒有進行試驗驗證。文獻[8-9]推導了五相容錯型電勵磁雙凸極發(fā)電機應滿足的定轉(zhuǎn)子極數(shù)比，并通過分析一臺20/16 DSEG樣機在單相開路、相鄰兩相開路、非相鄰兩相開路以及單相短路情況下的運行特性，說明該電機具有良好的容錯性能，同時驗證了該理論的正確性，但其局限性在于該理論只適用于五相電機。

對于容錯型控制策略方面，文獻[10]針對三相四橋臂逆變器，通過電流解耦控制，對系統(tǒng)中的短路故障進行容錯控制。文獻[11]對雙凸極電機驅(qū)動系統(tǒng)中全橋變換器的單相故障進行了分類、檢測與診斷，通過引入雙向開關(guān)對故障后的驅(qū)動系統(tǒng)進行變換器重構(gòu)，并給出故障容錯運行時系統(tǒng)的換相邏輯與電流控制方法。試驗結(jié)果說明了該方案能夠?qū)崿F(xiàn)故障之后的重構(gòu)運行，同時維持系統(tǒng)輸出特性。文獻[12]以8/6極永磁雙凸極電機為研究對象，通過將電機內(nèi)的繞組重新組合，實現(xiàn)逆變器故障隔離。正常運行時，電機工作于四相全橋功率變換器狀態(tài)，為兩相運行模式；故障容錯運行時，電機四相彼此獨立，為四相半橋功率變換器狀態(tài)。文獻[13]對四相8/6極WFDSM在并聯(lián)橋發(fā)電方式下的短路故障特性進行了分析，試驗結(jié)果表明該電機作為發(fā)電機使用時具有一定的容錯性能。

因此，本文以8/6極WFDSM為研究對象，提出了一種基于全橋變換器的單相開路故障容錯型驅(qū)動控制拓撲結(jié)構(gòu)。當系統(tǒng)檢測到故障發(fā)生時，此拓撲結(jié)構(gòu)能夠?qū)收虾笞儞Q器和繞組進行重新組合，實現(xiàn)故障隔離從而減小故障對電機運行特性的影響，使得電機仍能維持較好的運行特性。利用有限元仿真，研究了WFDSM電磁轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生機理，推導出四相12狀態(tài)新型控制邏輯，對電機工作于正常、單相繞組開路故障及故障后容錯情況下的電磁特性進行了對比分析。結(jié)果表明，本文提出的驅(qū)動控制拓撲可以有效地降低單相開路故障對電機運行產(chǎn)生的影響。

1　電機特性

圖1為本文研究的四相8/6極WFDSM的電機截面圖。該電機僅有一套勵磁繞組，勵磁繞組跨過四個定子極，分布在相對的兩個大槽內(nèi)。A、B、C、D分別為四相定子極，呈順時針分布，空間相對的兩個定子極繞組串聯(lián)或并聯(lián)構(gòu)成一相電樞繞組。與傳統(tǒng)四相8/6極雙凸極電機不同的是，本文研究的樣機將轉(zhuǎn)子極弧系數(shù)從1/4增加到1/3，定子極寬由15°增加到20°。本文以圖1所示的位置為轉(zhuǎn)子位置起始時刻，即轉(zhuǎn)子開始滑入A相定子齒為0°機械角度。電機主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

圖1　8/6極WFDSM樣機截面圖

參數(shù)名稱參數(shù)值參數(shù)名稱參數(shù)值定子外徑/mm245轉(zhuǎn)子外徑/mm122.6定子內(nèi)徑/mm123.4轉(zhuǎn)子內(nèi)徑/mm40定子軛厚/mm37.5轉(zhuǎn)子軛厚/mm21.3氣隙/mm0.4鐵心長度/mm150鐵心材料DW310-35額定轉(zhuǎn)速/(r·min-1)240

本文利用Maxwell有限元仿真軟件，進行單相通電控制仿真，研究每相繞組產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩的機理。仿真條件如下： 勵磁電流if=10A，轉(zhuǎn)速n=240r/min，每相繞組分別通幅值為10A的恒定電流，即四相繞組分別通+10A的正向電流得到各相繞組通正向電流產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩波形，如圖2(a)所示。四相繞組分別通-10A的負向電流得到各相繞組通正向電流產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩波形，如圖2(b)所示。

圖2　單相通電轉(zhuǎn)矩波形

單相繞組產(chǎn)生正電磁轉(zhuǎn)矩的電角度區(qū)間如表2所示。各相繞組通正向電流及負向電流產(chǎn)生正轉(zhuǎn)矩的電角度范圍有所不同： 通正向電流產(chǎn)生正轉(zhuǎn)矩的持續(xù)時間為150°電角度，且相鄰導通相產(chǎn)生正轉(zhuǎn)矩范圍存在60°的重合區(qū)間；而通負向電流產(chǎn)生正轉(zhuǎn)矩的持續(xù)時間為120°電角度，且相鄰導通相產(chǎn)生正轉(zhuǎn)矩范圍存在30°電角度的重合區(qū)間。以A相電樞繞組為例，當A相繞組通正向電流時，A相繞組產(chǎn)生正電磁轉(zhuǎn)矩的電角度區(qū)間為0°～90°及300°～360°；當A相繞組通負向電流時，A相繞組產(chǎn)生正電磁轉(zhuǎn)矩的電角度區(qū)間為120°～240°。因此為充分利用A相繞組產(chǎn)生正電磁轉(zhuǎn)矩的電角度區(qū)間，應在0°～90°及300°～360°電角度內(nèi)給A相繞組通正電，在120°～240°給A相繞組通負電，其他相繞組通電規(guī)律可進行類似分析。

表2　單相通電控制時正向轉(zhuǎn)矩的電角度范圍

根據(jù)WFDSM相繞組產(chǎn)生正電磁轉(zhuǎn)矩的電角度范圍得到本文研究的四相8/6極WFDSM的四相12狀態(tài)新型控制邏輯，如圖3所示。

圖3　新型WFDSM控制規(guī)律

根據(jù)圖3中黑色實線所示的理想空載電感曲線，遵循“在電感的上升區(qū)間通入正電流，下降區(qū)間通入負電流”的兩相通電控制原則，可以確定全橋控制拓撲下的標準角控制策略，如圖4所示。

圖4　正常標準角控制邏輯

表3對新型控制規(guī)律下功率管的開關(guān)狀態(tài)進行了細分?？梢园l(fā)現(xiàn)，在該控制規(guī)律下，控制任意一相電樞繞組正向?qū)ǖ墓β使?橋臂上管)驅(qū)

表3　新型WFDSM控制策略

動信號比控制其負向?qū)ǖ墓β使?橋臂下管)驅(qū)動信號滯后30°電角度，避免了變換器出現(xiàn)直通現(xiàn)象。同時，與全橋標準角控制規(guī)律相比，任一橋臂的上管開通時刻提前了60°電角度，下管的關(guān)斷時刻滯后了30°電角度，在標準角度控制換相時刻后60°～90°電角度存在四相同時導通的時間，后90°～120°存在三相同時導通的時間，而且每相導通時間由原來的180°增加到270°電角度。WFDSM的導通方式在360°電周期內(nèi)存在兩相、四相和三相不斷切換的情況。

2　容錯型拓撲結(jié)構(gòu)

為提高8/6極WFDSM的電動容錯性能，提出了一種可以減小單相繞組開路故障影響的新型拓撲結(jié)構(gòu)，如圖5所示。圖5中，Uin是逆變器母線輸入電壓，通過三相交流電整流得到。電機的勵磁繞組為他勵結(jié)構(gòu)，Uf是勵磁電壓。Q1～Q8為控制功率管，D1～D8為并聯(lián)在功率管兩端的反相二極管，功率管關(guān)斷時起續(xù)流作用。C1、C2為并聯(lián)在母線電壓兩端的等容量分裂電容，O為分裂電容的中點。S為故障容錯控制開關(guān)，規(guī)定相電流及相繞組反電勢的正方向如圖5中所示。

圖5　8/6極WFDSM容錯控制拓撲

電機正常電動運行時，開關(guān)S為斷開狀態(tài)，驅(qū)動電路為全橋控制拓撲，可以有效地提升電機的轉(zhuǎn)矩輸出能力。當檢測到有繞組開路故障發(fā)生時，將電機四相繞組的公共端N連接至分裂電容中點O，實現(xiàn)對驅(qū)動電路拓撲結(jié)構(gòu)進行重構(gòu)，以削弱故障相對其他正常相的影響，從而減小對電機運行特性的影響。

以A相繞組發(fā)生端部開路故障為例，電機工作于單相繞組開路故障時的等效控制電路如圖6(a)所示，此時由于A相繞組開路，只有B、C、D相對電機出力有貢獻，電機處于缺相運行狀態(tài)；A相開路故障容錯運行時的工作狀態(tài)如圖6(b)所示，此時開關(guān)S閉合，驅(qū)動系統(tǒng)由四相全橋變換器結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換為四相半橋功率變換器，各相繞組之間彼此獨立，從而實現(xiàn)故障相隔離，削弱其對電機運行特性的影響。

圖6　A相開路故障下的運行狀態(tài)

3　仿真分析

3.1正常電動運行

采用全橋控制拓撲可以有效地提升電機的轉(zhuǎn)矩輸出能力，同時轉(zhuǎn)矩脈動相對較小。按圖3所示的新型通電規(guī)律給8/6極WFDSM相繞組通電，WFDSM的導通方式在360°電周期內(nèi)存在兩相、四相和三相不斷切換的情況。

利用有限元仿真軟件對電機正常運行時的電磁特性進行分析。仿真條件如下： 母線輸入電壓Uin=150V，勵磁if=10A，轉(zhuǎn)速n=240r/min，同時對相繞組電流進行滯環(huán)斬波控制，幅值變化范圍為9.5～10.5A，結(jié)果如圖7所示。

圖7　正常電動運行的磁鏈、電流及轉(zhuǎn)矩波形

初始位置時，轉(zhuǎn)子開始滑入A相定子極，Q1、Q8持續(xù)導通，A相磁鏈呈上升趨勢，A相電流幅值正向增大，由于A相電樞反應的增強使得C相磁鏈略有下降，C相電流斬波控制在負向最大值，A、C相產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩正向疊加使得電機總的輸出轉(zhuǎn)矩呈上升趨勢。30°電角度時，轉(zhuǎn)子完全滑出C相定子極，Q2、Q3開通，B、D相繞組電流幅值從零開始增大，A相繞組電流略有下降，此時電機輸出轉(zhuǎn)矩主要由A、D相繞組產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩構(gòu)成，由于A相繞組電流減小，D相繞組電流較小，使得在30°～60°電角度內(nèi)，電機的輸出轉(zhuǎn)矩呈下降趨勢。60°電角度時，Q8關(guān)斷，C相繞組電流通過D5續(xù)流，Q1、Q2持續(xù)導通，使得D相繞組電流持續(xù)增大，由于相電流的約束關(guān)系使得A相電流略有下降。此時電機輸出轉(zhuǎn)矩主要由A、D相繞組產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩構(gòu)成，由于A相繞組電流減小，D相繞組電流幅值雖然呈上升趨勢，但考慮勵磁磁阻轉(zhuǎn)矩的影響，所以電機輸出轉(zhuǎn)矩在60°～90°電角度區(qū)間內(nèi)出現(xiàn)最小值。其他區(qū)間內(nèi)的狀態(tài)可做類似分析。

為表征電磁轉(zhuǎn)矩脈動情況，定義轉(zhuǎn)矩脈動系數(shù)：

式中：Tmax——轉(zhuǎn)矩最大值；

Tmin——轉(zhuǎn)矩最小值；

Tave——平均轉(zhuǎn)矩。

四相8/6極WFDSM正常運行時，各相繞組磁鏈和相繞組電流幅值接近，波形曲線變化趨勢一致，只是在相位上互差90°電角度，電機輸出電磁轉(zhuǎn)矩在一個電周期內(nèi)變化4次，電磁轉(zhuǎn)矩平均值和轉(zhuǎn)矩脈動系數(shù)分別為39.98N·m和0.68。

3.2單相開路故障運行

電機驅(qū)動系統(tǒng)為全橋控制拓撲且逆變器采用四相12狀態(tài)新型控制邏輯時，相繞組電流之間的耦合性較強，尤其在標準角度控制換相時刻后30°電角度內(nèi)，電機為兩相運行狀態(tài)。當某相繞組端部發(fā)生開路故障時，故障相繞組電流為零，同時由于非故障相繞組不能與該相繞組構(gòu)成完整的電流回路，使得此時非故障相繞組的電流也為零。在其他運行時刻，WFDSM運行在三相或者四相運行模式，相繞組電流滿足KCL約束條件：ia+ib+ic+id=0。當某相繞組發(fā)生開路故障時，該相電流為0，同時非故障相電流存在不同程度的電流缺失，使得相繞組對電機出力貢獻減小，造成電機輸出轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生缺口，轉(zhuǎn)矩脈動增加，電機性能顯著下降。

A相繞組端部開路故障時的相繞組磁鏈、相繞組電流及轉(zhuǎn)矩波形如圖8所示。由圖8可以發(fā)現(xiàn)，四相繞組磁鏈的對稱性明顯比正常運行時差。與正常電動運行時對比，A相繞組發(fā)生開路故障時，在1/4電周期內(nèi)，B、D相繞組電流值較正常運行時小，C相電流幅值受A相開路影響最大。同時，A相繞組開路后，電機的輸出轉(zhuǎn)矩幅值明顯低于正常運行時的轉(zhuǎn)矩，且在某些時刻電機輸出轉(zhuǎn)矩為負值。此時的平均轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩脈動系數(shù)分別為21.01N·m和2.67，平均轉(zhuǎn)矩較正常運行時降低了47%，轉(zhuǎn)矩脈動系數(shù)接近正常運行時的4倍，不利于電機電動運行。

圖8　A相開路運行的磁鏈、電流及轉(zhuǎn)矩波形

3.3單相開路容錯運行

當檢測到有繞組開路故障發(fā)生時，通過閉合開關(guān)S，將電機四相繞組的公共端N連接至分裂電容中點O，實現(xiàn)對驅(qū)動電路拓撲結(jié)構(gòu)進行重構(gòu)，使WFDSM驅(qū)動電路為四相半橋功率變換器結(jié)構(gòu)，四相繞組之間彼此獨立。A相開路容錯運行系統(tǒng)波形如圖9所示。

從圖9可知，A相開路容錯運行時，非故障相磁鏈與正常運行時的磁鏈特性相差無幾。正常運行時，電機驅(qū)動系統(tǒng)為全橋控制拓撲，相繞組電流之間的耦合性較強，而A相容錯運行時的拓撲能實現(xiàn)對相繞組的獨立控制，削弱了故障相對其他正常相的影響，改善了全橋控制時故障相電流缺失引起的電流不對稱問題。由圖9所示的相繞組電流波形可知，B、C、D相繞組電流幅值及變化趨勢一致，只是在相位上互差90°電角度。

不同運行狀態(tài)下相電流有效值對比如表4所示。由于A相開路容錯運行狀態(tài)下，各相繞組之

圖9　A相開路容錯運行磁鏈、電流及轉(zhuǎn)矩波形

間彼此獨立，有效隔離了開路故障對非故障相電流的影響，同時對相電流采取滯環(huán)斬波控制使得B、C、D相繞組電流有效值與正常運行時的電流參數(shù)較為接近，明顯改善了A相開路引起的電流不對稱情況。

表4　不同工作狀態(tài)下的四相繞組電流有效值對比

通過表5所示的電磁轉(zhuǎn)矩特性可知，A相開路容錯運行時，由于驅(qū)動電路拓撲的重構(gòu)使得非故障相電流及對電機出力的貢獻不受故障相的影響，彌補了轉(zhuǎn)矩缺失，緩解了轉(zhuǎn)矩脈動情況。仿真結(jié)果表明，電磁轉(zhuǎn)矩平均值為26.52N·m，且始終為正，沒有出現(xiàn)轉(zhuǎn)矩死區(qū)；同時轉(zhuǎn)矩脈動系數(shù)為1.36，較故障狀態(tài)降低了49%，電機仍能維持較好的輸出特性。

表5　不同工作狀態(tài)下電磁轉(zhuǎn)矩特性對比

因此，圖5所示的四相8/6極WFDSM容錯控制拓撲在發(fā)生單相開路故障時能實現(xiàn)故障狀態(tài)至容錯狀態(tài)的切換，有效彌補了故障相的轉(zhuǎn)矩缺失，減小了轉(zhuǎn)矩脈動，改善了四相WFDSM在單相開路故障情況下的轉(zhuǎn)矩輸出性能，提升了驅(qū)動系統(tǒng)的容錯性和可靠性。

4　結(jié)　語

本文針對四相8/6極WFDSM的結(jié)構(gòu)及運行特性，對雙凸極電機容錯型控制拓撲進行了研究，取得了如下研究成果：

(1) 深入分析四相8/6極WFDSM各相繞組產(chǎn)生正向電磁轉(zhuǎn)矩的機理和特點，提出了新型WFDSM控制策略。

(2) 提出了一種具有單相開路容錯性能的電機驅(qū)動系統(tǒng)拓撲，當檢測到有故障發(fā)生時，通過對驅(qū)動電路拓撲結(jié)構(gòu)進行重構(gòu)，實現(xiàn)故障容錯運行。

(3) 對8/6極WFDSM在正常、單相開路及單相開路容錯運行這三種不同工作狀態(tài)下的運行特性進行了對比分析，通過有限元仿真對本文所提出的拓撲結(jié)構(gòu)進行了驗證。結(jié)果表明，當發(fā)生單相開路故障時，通過改變控制拓撲結(jié)構(gòu)將電機繞組進行重新組合，使得電機從故障狀態(tài)轉(zhuǎn)換至容錯運行狀態(tài)，實現(xiàn)故障相與非故障相隔離，有效減小開路故障對電機運行特性的影響，從而提高整個四相8/6極WFDSM驅(qū)動系統(tǒng)的容錯性能。

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Fault Tolerant Control Topology for 8/6-Pole Wound-Field Doubly Salient Motor under Single Phase Open Fault Condition*

WANGLanfeng，CHENZhihui，HEHaixiang，ZHAOKaidi,ZHANGZhuoran

(Center for More Electric Aircraft Power System, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics， Nanjing 210000， China)

It is known that fault-tolerant driving system has been of great interest for the motor drive community and marketplace. A new fault tolerant drive topology for an 8/6-pole wound-field double salient motor(WFDSM) was proposed. Based on the analysis of mechanism and properties of electromagnetic torques production, operation characteristics of the proposed topology under various conditions were simulated, including normal condition, single phase open circuit fault condition and single phase open circuit fault tolerant condition with the help of finite element analysis. The proposed topology was validated by simulation which showed that the proposed topology could effectively reduce the influence of open circuit fault on the electromagnetic performance of the motor.

wound-field doubly salient motor(WFDSM); open circuit; finite element analysis(FEA); fault tolerant control

南京航空航天大學研究生創(chuàng)新基地(實驗室)開放基金項目(kfjj20150305)；中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項資金資助項目；江蘇省產(chǎn)學研聯(lián)合創(chuàng)新資金——前瞻性聯(lián)合研究項目(BY2014003-13)

王蘭鳳(1992—)，女，碩士研究生，研究方向為電機及其控制技術(shù)。

陳志輝(1972—)，男，副教授，研究方向為航空電源系統(tǒng)、電機及其控制技術(shù)。

TM 307+.1

A

1673-6540(2016)09- 0092- 07

2016-03-17