六相電機斷相時轉矩波動最小化容錯控制方法與流程
2023-05-01 18:34:06 1
本發明屬於電機技術領域，特別是涉及一種基於定子磁動勢中的負序合成分量的容錯控制方法，適用於多相電機。
背景技術：
隨著經濟的快速發展，我國的汽車產量持續快速地增長，汽車產量的增長直接導致了我國石油資源的嚴重消耗和環境的嚴重汙染。而電動汽車的出現在一定程度上緩解了這些問題，與傳統燃油汽車相比，電動汽車具有諸多優點，電動汽車驅動電機不僅具有較高的效率，而且在制動時能夠轉化為發電機運行，從而將汽車運行的動能轉化成電能存入蓄電池，大大地提高了能源利用率。
然而電動汽車的主要核心部件是驅動電機，驅動電機的好壞直接決定著電動汽車性能的優劣。所以對電動汽車驅動電機的研究在電動汽車研究領域中佔有重要的地位。電動汽車要求驅動電機具有低脈動、高效率、高可靠性等特點。而傳統三相永磁同步電機容錯能力較差，不適用於高可靠性的場合，因此，多相永磁同步電機引起了研究人員的關注。多相永磁同步電機具有高轉矩密度、高效率、高可靠性等優點，在電動汽車驅動系統中具有廣闊的應用前景。
作為電動汽車用電機，應該具有較高的安全性和可靠性，多相永磁同步電機在很多方面有著傳統三相永磁同步電機無法比擬的優勢。在一些對電機連續運行要求苛刻的場合，電機不可避免地會發生一些故障問題，從而會影響整個電機系統的工作運行。電機斷相故障是常見且比較嚴重的故障。當電機出現斷相故障時，雖然相對於三相永磁同步電機，六相永磁同步電機仍能輸出轉矩來維持電動汽車運行，但電機會有很大的波動，又因為電動汽車對電機的要求比較高，所以需要採取一些方法來降低電機的轉矩波動。
技術實現要素：
發明目的：針對上述斷相時多相永磁同步電機轉矩波動問題，結合六相繞組結構特點，本發明提供一種基於定子磁動勢中負序合成分量為零的容錯方法，其目的是解決以往所存在的問題，它是消除磁動勢中的負序分量，使磁動勢成為圓形旋轉磁動勢，從而降低電機的轉矩波動。
技術方案：
一種六相電機斷相時轉矩波動最小化容錯控制方法，其特徵在於:該方法在六相電機單相斷相後，將剩餘相磁動勢分解為正序旋轉分量和負序旋轉分量，進而消除合成磁動勢中的負序合成分量，使定子合成磁動勢近似為圓形旋轉磁動勢。
六相電機斷相後，在無法改變繞組各相之間相位角的前提下，利用優化剩餘相繞組電流的時間相位角。
本方法設a1繞組空間軸線作為空間坐標原點，並選擇使a1相電流達到最大值的瞬間作為時間坐標零點，這裡假設c1相繞組斷相；當六相電機a1相繞組斷相時，使c1相繞組電流的相位角滯後b1相60°電角度；當b1相繞組斷相時，使c1相繞組電流的相位角超前a1相60°電角度；當c1相繞組斷相時，使b1相繞組電流的相位角滯後a1相60°電角度；當a2相繞組斷相時，使c2相繞組電流的相位角滯後b2相60°電角度；當b2相繞組斷相時，使c2相繞組電流的相位角超前a2相60°電角度；當c2相繞組斷相時，使b2相繞組電流的相位角滯後a2相60°電角度。
基於快速查表法，無需複雜的相角計算，有效地提高響應速度和容錯能力。
本方法設a1繞組空間軸線作為空間坐標原點，並選擇使a1相電流達到最大值的瞬間作為時間坐標零點，這裡假設c1相繞組斷相；
六相繞組看成兩套三相繞組，即三相繞組{a1、b1、c1}，和三相繞組{a2、b2、c2}；當六相永磁同步電機c1相繞組出現斷相故障時，即ic1＝0，剩餘五相繼續工作，其中a2、b2、c2三相看成一套三相繞組，能夠產生圓形旋轉磁動勢，不存在負序分量；而a1、b1兩相繞組產生橢圓形旋轉磁動勢，存在負序分量；所以通過調整a1、b1兩相的電流相位角來消除磁動勢中的負序分量；
選擇使a1相電流達到最大值的瞬間作為時間坐標零點時；a1相繞組的電流為：
令b1相繞組電流的相位角為x，所以b1相繞組的電流為：
當繞組斷相時，繞組空間位置無法改變，依然是b1相繞組軸線在空間上滯後a1相120°，所以，a1、b1兩相繞組的磁動勢為：
式中，為每相繞組磁動勢基波幅值；
分別將a1、b1兩相繞組的磁動勢分解成正序分量和負序分量，得
將a1、b1兩相繞組的磁動勢相加得到兩相繞組的合成磁動勢為：
其中，磁動勢中的負序合成分量為：
在一相斷相時，為了實現轉矩波動的最小化，令負序分量為零，從而求得一相斷相時，轉矩波動最小所需的b1相繞組電流的相位角；所以
解得x＝60°，所以b1相繞組電流的相位角為60°；
通過以上公式推導得出，當六相永磁同步電機c1相繞組斷相時，調整b1相繞組電流的相位角滯後a1相60°電角度，能夠消除磁動勢中存在的負序分量，降低轉矩波動；
同理得到，當a1相繞組斷相時，使c1相繞組電流的相位角滯後b1相60°電角度，當b1相繞組斷相時，使a1相繞組電流的相位角滯後c1相60°電角度，或使c1相繞組電流的相位角超前a1相60°電角度，從而消除磁動勢中的負序分量。在計算過程中，仍然以a1繞組空間軸線作為空間坐標原點，並選擇使a1相電流達到最大值的瞬間作為時間坐標零點，並保證斷相所在相組剩餘兩相的超前相繞組電流時間相位不變，以此推算滯後相需要調整的時間相位角。
優點效果：
永磁同步電動機的旋轉是靠定子磁動勢和轉子磁動勢的相互作用的結果。對永磁同步電動機來說，轉子的磁動勢恆定的前提下，要保證定子合成磁動勢形成圓形旋轉磁場，才能保證電機的平穩運行。而形成圓形旋轉磁場的前提就是對稱繞組通入對稱電流，因此定子磁動勢是和電流的時間相位相關的函數，又是和繞組空間相位相關的函數。
由交流電機繞組磁動勢理論可知，單相繞組磁動勢可以分解為幅值相同的正序旋轉分量和負序旋轉分量，因此，六相電機定子合成磁動勢亦可分解成正序分量和負序分量，當六相繞組通入對稱電流時，負序分量合為零，各繞組電流只合成正序磁動勢分量，形成圓形旋轉磁場。如果六相永磁同步電動機在斷相運行時，電機各繞組電流產生的磁動勢中就存在負序分量，從而造成電機輸出波動較大的轉矩。為了降低電機的轉矩波動，就要消除定子合成磁動勢中存在的負序分量。
綜上，本發明是利用消除定子合成磁動勢中負序分量，以削弱斷相時轉矩波動為目標的容錯控制方法。在六相永磁同步電機發生一相繞組斷相故障時，通過調整剩餘相繞組電流的相位角，使磁動勢接近圓形旋轉磁動勢，從而降低電機的轉矩波動。
附圖說明
圖1是六相雙y移30°繞組的空間分布圖；
圖2是本發明調整b1相繞組電流相位角後的電流相量圖；
圖3是為電機的轉矩波動隨b1相繞組電流相位角變化波形圖；
圖4是本發明一種實施例的調整剩餘相電流相位角之前和之後的轉矩波形圖，其中，圖(a)為調整剩餘相電流相位角之前的轉矩波形圖，圖(b)為調整b1相電流相位角之後的轉矩波形圖。
具體實施方式
下面結合附圖對本發明一種實施案例做進一步說明。
本發明提出通過調整剩餘相的電流相位角來消除負序分量，降低轉矩波動。為了便於研究，本發明設a1繞組空間軸線作為空間坐標原點，並選擇使a1相電流達到最大值的瞬間作為時間坐標零點，從繞組的空間對稱性可知，任意一相斷相分析方法和結果相同，因此這裡假設c1相繞組斷相進行研究。
六相繞組實際上可看成兩套三相繞組，即三相繞組{a1、b1、c1}，和三相繞組{a2、b2、c2}。當六相永磁同步電機c1相繞組出現斷相故障時，即ic1＝0，剩餘五相繼續工作，其中a2、b2、c2三相可以看成一套三相繞組，能夠產生圓形旋轉磁動勢，不存在負序分量。而a1、b1兩相繞組產生橢圓形旋轉磁動勢，存在負序分量。所以通過調整a1、b1兩相的電流相位角來消除磁動勢中的負序分量。
選擇使a1相電流達到最大值的瞬間作為時間坐標零點時。a1相繞組的電流為：
令b1相繞組電流的相位角為x，所以b1相繞組的電流為：
當繞組斷相時，繞組空間位置無法改變，依然是b1相繞組軸線在空間上滯後a1相120°，所以，a1、b1兩相繞組的磁動勢為：
式中，為每相繞組磁動勢基波幅值。
分別將a1、b1兩相繞組的磁動勢分解成正序分量和負序分量，可得
將a1、b1兩相繞組的磁動勢相加得到兩相繞組的合成磁動勢為：
其中，磁動勢中的負序合成分量為：
因為磁動勢的負序合成分量是產生轉矩波動的直接原因，所以在一相斷相時，為了實現轉矩波動的最小化，令負序分量為零，從而求得一相斷相時，轉矩波動最小所需的b1相繞組電流的相位角。所以
解得x＝60°，所以b1相繞組電流的相位角為60°。
通過以上公式推導可以得出，當六相永磁同步電機c1相繞組斷相時，調整b1相繞組電流的相位角滯後a1相60°電角度，能夠消除磁動勢中存在的負序分量，降低轉矩波動。
同理可以得到，當a1相繞組斷相時，應該使c1相繞組電流的相位角滯後b1相60°電角度，當b1相繞組斷相時，應該使a1相繞組電流的相位角滯後c1相60°電角度，或使c1相繞組電流的相位角超前a1相60°電角度，從而消除磁動勢中的負序分量。在計算過程中，仍然以a1繞組空間軸線作為空間坐標原點，並選擇使a1相電流達到最大值的瞬間作為時間坐標零點，並保證斷相所在相組剩餘兩相的超前相繞組電流時間相位不變，以此推算滯後相需要調整的時間相位角。
實施案例：
六相繞組從繞組空間排布結構來看，可以排布成60°相帶角的對稱六相繞組和30°相帶角的不對稱六相繞組。然而對稱六相電機磁動勢諧波含量為不對稱六相電機的兩倍，過多的磁動勢諧波會使電機的永磁體損耗增加，並影響電機的轉矩波動，所以本發明主要研究了不對稱六相繞組。不對稱六相繞組又可稱為六相雙y移30°繞組，它是由兩套互差120°電角度的三相繞組組成的，兩套繞組之間互差30°電氣角度。
如圖1所示，為六相雙y移30°繞組的空間分布圖；本發明採用六相雙y移30°繞組永磁同步電機，當一相繞組c1相斷相後，調整b1相繞組電流的相位角滯後a1相60°電角度，如圖2所示為本發明調整b1相繞組電流相位角後的電流相量圖。
本發明為了驗證解析推導結果的正確性，以36槽6極六相雙y移30°繞組永磁同步電機為例，轉子採用內置式v型結構。本發明實施例中，電機具體尺寸見表1。
表1
本發明利用ansoft有限元軟體對六相雙y移30°繞組永磁同步電機模型進行仿真分析，對b1相繞組電流的相位角分別滯後a1相30°、60°、90°、120°、150°、180°、210°、240°、270°、300°、330°不同角度進行仿真，得到的轉矩結果如表2所示。
表2
根據六相雙y移30°繞組永磁同步電機的仿真分析結果，由圖3可得，b1相繞組電流的相位角為60°時，六相雙y移30°繞組永磁同步電機的轉矩波動最小，從而驗證了解析分析方法的正確性。
從圖4可得，調整相位角之前，電機的轉矩波動為36.2％，調整b1相繞組電流的相位角60°後，電機的轉矩波動為25.1％，降低了11.1％，這證明了當六相雙y移30°繞組永磁同步電機出現一相斷相故障時，調整剩餘相繞組電流的相位角，能消除磁動勢中的負序分量，使剩餘相產生圓形的旋轉磁動勢，降低電機轉矩波動。另外，從表2看出，六相雙y移30°繞組永磁同步電機在一相斷相後，電機轉矩輸出最大化控制方法為調整b1相繞組電流的相位角滯後a1相90°電角度。