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(jì)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(jī)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(jì)研究所 武漢 430064)

論文研究了單相缺相故障下不對(duì)稱(chēng)雙三相永磁同步電機(jī)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(shí)現(xiàn)了不對(duì)稱(chēng)電機(jī)系統(tǒng)向?qū)ΨQ(chēng)電機(jī)系統(tǒng)的變換，實(shí)現(xiàn)了不對(duì)稱(chēng)三相電機(jī)的解耦控制問(wèn)題，在控制上獲得與直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)性能相似的結(jié)果。通過(guò)進(jìn)行仿真，認(rèn)為該策略使得雙三相電機(jī)在運(yùn)行的過(guò)程中電磁轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的問(wèn)題能夠有效減小，實(shí)現(xiàn)虛擬磁場(chǎng)定向解耦控制。

雙三相永磁同步電機(jī); 不對(duì)稱(chēng)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(jī)驅(qū)動(dòng)相比，雙三相電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)明顯，其可靠性極高，冗余度較大。當(dāng)出現(xiàn)了一個(gè)或者是多個(gè)定子繞組損失時(shí)，對(duì)性能要求不高的情況下其還能夠連續(xù)運(yùn)行。因此，對(duì)三相電機(jī)在故障運(yùn)行狀態(tài)下的容錯(cuò)控制方法進(jìn)行研究，能夠有效地發(fā)揮雙三相電機(jī)的優(yōu)良性能，意義非常重大[1～2]。雙三相電機(jī)故障后的容錯(cuò)控制之一是對(duì)故障后剩余相的電流幅值以及相位進(jìn)行調(diào)整，進(jìn)而使得故障前后的定子繞組產(chǎn)生完全一樣的瞬時(shí)磁動(dòng)勢(shì)，有效地實(shí)現(xiàn)磁勢(shì)的補(bǔ)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(méi)有對(duì)故障后電機(jī)的電磁參數(shù)改變進(jìn)行考慮，導(dǎo)致控制性能?chē)?yán)重下降。當(dāng)在不對(duì)稱(chēng)組結(jié)構(gòu)情況下，如何有效地實(shí)現(xiàn)對(duì)解耦控制，使得雙三相永磁同步電機(jī)的可靠性有明顯提高，將具有非常重要的意義[4]。

本文通過(guò)對(duì)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換進(jìn)行改進(jìn)，有效地解決了在單相缺相故障的雙三相永磁電機(jī)的不對(duì)稱(chēng)問(wèn)題，真正地實(shí)現(xiàn)解耦控制和矢量控制。

2 單相缺相時(shí)兩相靜止坐標(biāo)系下的電機(jī)模型

本文以雙三相電機(jī)F相缺相故障為例進(jìn)行分析。

(1)

上式滿足αβT=0。

對(duì)于定子磁勢(shì)來(lái)說(shuō)，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(shì)等于兩相繞組總磁勢(shì)時(shí)，在α-β軸上的，兩套繞組瞬時(shí)磁勢(shì)應(yīng)該具有相等的投影[6～7]，因此有：

(2)

在進(jìn)行坐標(biāo)變換時(shí)，磁動(dòng)勢(shì)以及功率不發(fā)生變化，據(jù)此原則，進(jìn)行坐標(biāo)系間變換時(shí)，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(gè)，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(gè)正交向量單位化，得到如下的單位正交矩陣：

(4)

則其對(duì)應(yīng)的逆矩陣為[2～3]

(5)

(6)

五相自然坐標(biāo)系下不對(duì)稱(chēng)雙三相電機(jī)方程為

(7)

(8)

記Lsα=3Lms+Lls,Lsφ=2Lms+Lls。

則有

(9)

(10)

通過(guò)以上分析可知，F(xiàn)相斷相時(shí)雙三相永磁電機(jī)，在機(jī)電能量相關(guān)的α-β子平面中，其不是一個(gè)對(duì)稱(chēng)的二相電機(jī)，但是對(duì)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(shí)，雙三相電機(jī)將不具備對(duì)稱(chēng)性，傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換將不再適用，不能對(duì)其進(jìn)行解耦，即不能對(duì)其進(jìn)行矢量控制[9～11]。要想對(duì)其進(jìn)行坐標(biāo)變換，需要進(jìn)行改進(jìn)，得到新的dq坐標(biāo)系下的解耦的電機(jī)方程，進(jìn)而有效的實(shí)現(xiàn)矢量控制。

3 改進(jìn)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的雙三相電機(jī)矢量控制模型

將等效αβ繞組匝數(shù)以及定子磁動(dòng)勢(shì)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(dòng)勢(shì)dq軸分量分別為Fd和Fq,則[5～6]：

(12)

實(shí)際上，定子繞組的匝數(shù)比即為對(duì)應(yīng)軸互感之比。即：

(13)

故有：

(14)

(15)

上式實(shí)現(xiàn)了對(duì)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(shì)的等效，使得不對(duì)稱(chēng)繞組的對(duì)稱(chēng)化有效地實(shí)現(xiàn)，從而實(shí)現(xiàn)不對(duì)稱(chēng)繞組解耦控制。

圖1 繞組不對(duì)稱(chēng)時(shí)的繞組等效對(duì)稱(chēng)變換圖

(16)

擴(kuò)展為5階矩陣得:

(17)

則有：

(18)

記Ld5=3Lms,Lq5=2Lms

通過(guò)對(duì)上述進(jìn)行分析得改進(jìn)后的同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)下的發(fā)生F相單相開(kāi)路的電機(jī)電磁模型：

(19)

控制isd=0時(shí)，上式可簡(jiǎn)化為

(20)

在上式中，當(dāng)永磁體磁鏈ψf以及極對(duì)數(shù)np不變時(shí)，仍然能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)雙三相電機(jī)的解耦控制瞬時(shí)值進(jìn)行控制，就能夠?qū)崿F(xiàn)不對(duì)稱(chēng)雙三相永磁同步電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的瞬時(shí)控制[11～12]。

其控制框圖如圖2所示。

圖2 優(yōu)化的不對(duì)稱(chēng)雙三相電機(jī)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(duì)數(shù)額定轉(zhuǎn)矩額定轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)慣量0．175Wb8．5mH5．87mH0．6mH1Ω317．5N．m300rpm0．089kg?m2

4 仿真驗(yàn)證與結(jié)果分析

在本節(jié)，仿真研究了上節(jié)所改進(jìn)的基于旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換的不對(duì)稱(chēng)雙三相電機(jī)磁場(chǎng)定向控制。在進(jìn)行仿真的過(guò)程中，電流的采取滯環(huán)控制，在0.2s時(shí)，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(duì)稱(chēng)雙三相永磁電機(jī)的仿真參數(shù)如表1所示。

圖3是將不對(duì)稱(chēng)雙三相電機(jī)矢量控制進(jìn)行優(yōu)化以后，其穩(wěn)態(tài)運(yùn)行狀態(tài)圖，在圖中，由上到下，依次對(duì)六相電壓、電流以及電機(jī)轉(zhuǎn)速和電磁轉(zhuǎn)矩波形進(jìn)行分析。對(duì)于每幅圖，都包含了三種不同的運(yùn)行狀態(tài)， 0～0.2s，無(wú)故障的雙三相永磁電機(jī)基于電流滯環(huán)的矢量控制運(yùn)行狀態(tài)；而后的0.2s，是F相缺相故障下電機(jī)系統(tǒng)未采用優(yōu)化的控制策略時(shí)的系統(tǒng)運(yùn)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(jī)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)。從圖中可以看出，本文提出的不對(duì)稱(chēng)雙三相電機(jī)優(yōu)化策略下的電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)約為3N·m，比正常的脈動(dòng)分量稍大，但是與優(yōu)化前的單相缺相故障的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)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(jī)運(yùn)行狀態(tài)更加穩(wěn)定。通過(guò)對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，使得不對(duì)稱(chēng)電機(jī)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(bǔ)償，從而保持系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的穩(wěn)定。通過(guò)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(jī)的改進(jìn)同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換方法，能夠使得不對(duì)稱(chēng)繞組的解耦控制有效實(shí)現(xiàn)。當(dāng)雙三相電機(jī)發(fā)生單相缺相故障時(shí)依然具備直流他勵(lì)電機(jī)的優(yōu)良控制特性。

圖3 不對(duì)稱(chēng)雙三相電機(jī)矢量控制穩(wěn)態(tài)運(yùn)行狀態(tài)圖

5 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)F相缺相時(shí)的雙三相永磁電機(jī)的電機(jī)模型進(jìn)行了研究，通過(guò)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(guò)建立虛擬的同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，實(shí)現(xiàn)對(duì)不對(duì)稱(chēng)雙三相永磁同步電機(jī)系統(tǒng)的解耦，使得其成為對(duì)稱(chēng)的電機(jī)系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)了電機(jī)兩套虛擬同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)分量之間獨(dú)立的線性控制。仿真研究表明，本文研究的改進(jìn)方法有效地實(shí)現(xiàn)了不對(duì)稱(chēng)繞組的解耦控制，穩(wěn)定電機(jī)轉(zhuǎn)速，抑制電磁轉(zhuǎn)矩的脈動(dòng)，保持不對(duì)稱(chēng)雙三相電機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)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(jí)工程師，研究方向：船舶電氣。耿攀，男，碩士，高級(jí)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(chǎng)防護(hù)。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(chǎng)防護(hù)。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(chǎng)防護(hù)。

TM301

10.3969/j.issn.1672-9730.2016.11.037