單相缺相故障下雙三相永磁同步電機矢量控制策略研究*

雷 津 耿 攀 張 平 徐正喜

(1.海軍駐719所軍事代表室 武漢 430064)(2.武漢第二船舶設(shè)計研究所 武漢 430064)

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單相缺相故障下雙三相永磁同步電機矢量控制策略研究*

雷 津1耿 攀2張 平2徐正喜2

(1.海軍駐719所軍事代表室 武漢 430064)(2.武漢第二船舶設(shè)計研究所 武漢 430064)

論文研究了單相缺相故障下不對稱雙三相永磁同步電機的矢量控制策略。從繞組解耦角度出發(fā)構(gòu)造了虛擬等效的兩相定子電流分量，提出了一種坐標(biāo)變換的方法，有效地實現(xiàn)了不對稱電機系統(tǒng)向?qū)ΨQ電機系統(tǒng)的變換，實現(xiàn)了不對稱三相電機的解耦控制問題，在控制上獲得與直流他勵電動機性能相似的結(jié)果。通過進行仿真，認(rèn)為該策略使得雙三相電機在運行的過程中電磁轉(zhuǎn)矩脈動的問題能夠有效減小，實現(xiàn)虛擬磁場定向解耦控制。

雙三相永磁同步電機; 不對稱繞組; 坐標(biāo)變換; 解耦控制

Class Number TM301

1 引言

與傳統(tǒng)的三相電機驅(qū)動相比，雙三相電機驅(qū)動系統(tǒng)優(yōu)勢明顯，其可靠性極高，冗余度較大。當(dāng)出現(xiàn)了一個或者是多個定子繞組損失時，對性能要求不高的情況下其還能夠連續(xù)運行。因此，對三相電機在故障運行狀態(tài)下的容錯控制方法進行研究，能夠有效地發(fā)揮雙三相電機的優(yōu)良性能，意義非常重大[1～2]。雙三相電機故障后的容錯控制之一是對故障后剩余相的電流幅值以及相位進行調(diào)整，進而使得故障前后的定子繞組產(chǎn)生完全一樣的瞬時磁動勢，有效地實現(xiàn)磁勢的補償控制[1,3]。此方法在改善調(diào)速系統(tǒng)的性能方面起到了關(guān)鍵作用，但是存在一定缺陷，其沒有對故障后電機的電磁參數(shù)改變進行考慮，導(dǎo)致控制性能嚴(yán)重下降。當(dāng)在不對稱組結(jié)構(gòu)情況下，如何有效地實現(xiàn)對解耦控制，使得雙三相永磁同步電機的可靠性有明顯提高，將具有非常重要的意義[4]。

本文通過對旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換進行改進，有效地解決了在單相缺相故障的雙三相永磁電機的不對稱問題，真正地實現(xiàn)解耦控制和矢量控制。

2 單相缺相時兩相靜止坐標(biāo)系下的電機模型

本文以雙三相電機F相缺相故障為例進行分析。

(1)

上式滿足αβT=0。

對于定子磁勢來說，其分布是根據(jù)正弦規(guī)律分布，剩余的五相繞組的總磁勢等于兩相繞組總磁勢時，在α-β軸上的，兩套繞組瞬時磁勢應(yīng)該具有相等的投影[6～7]，因此有：

(2)

在進行坐標(biāo)變換時，磁動勢以及功率不發(fā)生變化，據(jù)此原則，進行坐標(biāo)系間變換時，矩陣必須為單位正交矩陣。首先，在αβ二相系統(tǒng)上添加正交零序分量3個，令z1、z2、z3為其正交變換矢量，根據(jù)下式獲得[1,3,8]：

(3)

把式(1)和由式(3)解得的五個正交向量單位化，得到如下的單位正交矩陣：

(4)

則其對應(yīng)的逆矩陣為[2～3]

(5)

(6)

五相自然坐標(biāo)系下不對稱雙三相電機方程為

(7)

(8)

記Lsα=3Lms+Lls,Lsφ=2Lms+Lls。

則有

(9)

(10)

通過以上分析可知，F(xiàn)相斷相時雙三相永磁電機，在機電能量相關(guān)的α-β子平面中，其不是一個對稱的二相電機，但是對于z1-z2-z3子平面，其是零平面，且與α-β子平面正交[2～4,9]。

此時，雙三相電機將不具備對稱性，傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換將不再適用，不能對其進行解耦，即不能對其進行矢量控制[9～11]。要想對其進行坐標(biāo)變換，需要進行改進，得到新的dq坐標(biāo)系下的解耦的電機方程，進而有效的實現(xiàn)矢量控制。

3 改進旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的雙三相電機矢量控制模型

將等效αβ繞組匝數(shù)以及定子磁動勢αβ軸分量分別設(shè)為N1和N2以及Fα和Fβ，則：

(11)

設(shè)同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，定子繞組磁動勢dq軸分量分別為Fd和Fq,則[5～6]：

(12)

實際上，定子繞組的匝數(shù)比即為對應(yīng)軸互感之比。即：

(13)

故有：

(14)

(15)

上式實現(xiàn)了對新型旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換的構(gòu)造，如圖1所示。上述的坐標(biāo)變換方法有效地保證了變換前后定子磁勢的等效，使得不對稱繞組的對稱化有效地實現(xiàn)，從而實現(xiàn)不對稱繞組解耦控制。

圖1 繞組不對稱時的繞組等效對稱變換圖

(16)

擴展為5階矩陣得:

(17)

則有：

(18)

記Ld5=3Lms,Lq5=2Lms

通過對上述進行分析得改進后的同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)下的發(fā)生F相單相開路的電機電磁模型：

(19)

控制isd=0時，上式可簡化為

(20)

在上式中，當(dāng)永磁體磁鏈ψf以及極對數(shù)np不變時，仍然能夠?qū)崿F(xiàn)對雙三相電機的解耦控制瞬時值進行控制，就能夠?qū)崿F(xiàn)不對稱雙三相永磁同步電機電磁轉(zhuǎn)矩的瞬時控制[11～12]。

其控制框圖如圖2所示。

圖2 優(yōu)化的不對稱雙三相電機矢量控制框圖

永磁體磁鏈d軸電感q軸電感漏感定子電阻極對數(shù)額定轉(zhuǎn)矩額定轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動慣量0．175Wb8．5mH5．87mH0．6mH1Ω317．5N．m300rpm0．089kg?m2

4 仿真驗證與結(jié)果分析

在本節(jié)，仿真研究了上節(jié)所改進的基于旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換的不對稱雙三相電機磁場定向控制。在進行仿真的過程中，電流的采取滯環(huán)控制，在0.2s時，F(xiàn)相缺相故障發(fā)生，0.2s以后將本文所提出的優(yōu)化矢量控制策略應(yīng)用其中。不對稱雙三相永磁電機的仿真參數(shù)如表1所示。

圖3是將不對稱雙三相電機矢量控制進行優(yōu)化以后，其穩(wěn)態(tài)運行狀態(tài)圖，在圖中，由上到下，依次對六相電壓、電流以及電機轉(zhuǎn)速和電磁轉(zhuǎn)矩波形進行分析。對于每幅圖，都包含了三種不同的運行狀態(tài)， 0～0.2s，無故障的雙三相永磁電機基于電流滯環(huán)的矢量控制運行狀態(tài)；而后的0.2s，是F相缺相故障下電機系統(tǒng)未采用優(yōu)化的控制策略時的系統(tǒng)運行狀態(tài)；0.4s～0.6s是采用了本文提出的故障下優(yōu)化的矢量控制策略的電機系統(tǒng)運行狀態(tài)。從圖中可以看出，本文提出的不對稱雙三相電機優(yōu)化策略下的電機電磁轉(zhuǎn)矩脈動約為3N·m，比正常的脈動分量稍大，但是與優(yōu)化前的單相缺相故障的轉(zhuǎn)矩脈動相比明顯減少。此策略使得單相缺相故障有效減少，使得電機運行狀態(tài)更加穩(wěn)定。通過對其進行優(yōu)化，使得不對稱電機的定子繞組電流基本與故障前保持一致，但是有效增加了相電壓幅值，使得F缺相所導(dǎo)致的功率損失得到有效補償，從而保持系統(tǒng)運行狀態(tài)的穩(wěn)定。通過上分析，能夠看出在本文所提出的缺相故障下的雙三相永磁同步電機的改進同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換方法，能夠使得不對稱繞組的解耦控制有效實現(xiàn)。當(dāng)雙三相電機發(fā)生單相缺相故障時依然具備直流他勵電機的優(yōu)良控制特性。

圖3 不對稱雙三相電機矢量控制穩(wěn)態(tài)運行狀態(tài)圖

5 結(jié)語

本文對F相缺相時的雙三相永磁電機的電機模型進行了研究，通過公式推導(dǎo)，提出了基于虛擬定子電流分量的雙同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系控制策略。該策略通過建立虛擬的同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，實現(xiàn)對不對稱雙三相永磁同步電機系統(tǒng)的解耦，使得其成為對稱的電機系統(tǒng)，從而實現(xiàn)了電機兩套虛擬同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)分量之間獨立的線性控制。仿真研究表明，本文研究的改進方法有效地實現(xiàn)了不對稱繞組的解耦控制，穩(wěn)定電機轉(zhuǎn)速，抑制電磁轉(zhuǎn)矩的脈動，保持不對稱雙三相電機的穩(wěn)定運行。

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Vector Control of DTP-PMSM with Missing Phase

LEI Jin1GENG Pan2ZHANG Ping2XU Zhengxi2

(1.Naval Representive Office in 719 Institute, Wuhan 430064)(2.Wuhan Second Ship Design and Research Institute, Wuhan 430064)

In this paper, single-phase phase vector asymmetric double fault phase permanent magnet synchronous motor control is studied. Decoupled from winding angle construct virtual equivalent of two-phase stator current component a method of coordinate transformation is proposed, the transformation of asymmetric motor system to symmetrical motor system is achieved, the three-phase asymmetry decoupling motor control problems are implemented effectively, him excited DC motor performance similar results are gotten in the control. Through simulation, that the policy making process in the two-phase motor running problem of electromagnetic torque ripple can be effectively reduced, virtual flux orientated decoupling control is realized.

dual three-phase permanent magnet synchronous motor, asymmetric winding, rotating coordinate transformation, winding decomposition control

2016年5月13日,

2016年6月21日

雷津，男，碩士，高級工程師，研究方向：船舶電氣。耿攀，男，碩士，高級工程師，研究方向：船舶電力系統(tǒng)、電力電子技術(shù)和電磁場防護。張平，男，碩士，工程師，研究方向：船舶電電力電子技術(shù)和電磁場防護。徐正喜，男，碩士，研究員，研究方向：船舶電電力電子技術(shù)和電磁場防護。

TM301

10.3969/j.issn.1672-9730.2016.11.037