- 頭條十二相永磁電機驅動系統的容錯控制策略2021-02-09 作者：魏永清 康軍 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語多相電機可以實現容錯工作是其用于船舶電力推進領域的重要原因，海軍工程大學電氣工程學院、海軍工程大學研究生院的研究人員魏永清、康軍、曾海燕、朱鵬，在2019年第21期《電工技術學報》上撰文，以采用多通道控制技術的十二相永磁推進系統為研究對象，研究基于分組控制的驅動系統容錯控制方式。
永磁同步電機（Permanent Magnet Synchronous Motor, PMSM）具有功率密度大、能量轉換效率高、振動噪聲低等優點，而且通過采用多相設計，能降低單相驅動的容量，實現容錯運行，提高可靠性，同時電機相數越多，電樞反應磁動勢的正弦度就越高，其轉矩脈動也越小，因此多相永磁電機在船舶電力推進系統中的應用越來越多。
例如，武漢712研究所針對多相電機在艦船推進中的應用做了大量的研究工作，并開始了試驗船的設計。華中科技大學、西安交通大學和北京凱奇公司以數控機床等工業應用場合為背景對十五相電機調速系統進行了研究。哈爾濱工業大學以載人離心機直接驅動系統的研制為背景，對十五相無刷直流電機調速系統進行了研究。
缺相運行是多相電機的一大優點，在繞組斷相情況下，如按正常情況時的電流給定進行跟蹤調制，剩余各相繞組將形成不對稱分布狀態，電機將出現二倍或四倍頻的轉矩波動。要保持光滑的圓形氣隙旋轉磁場，需要選取新的變換矩陣，將不對稱的電機模型變換成解耦的對稱模型，以實現矢量控制。
但基于降維數學模型的容錯控制策略需要建立缺相后的降維數學模型，不同中性點連接方式以及不同相數開路情況下對應的解耦變換陣不同，需要分別建模，使得容錯控制策略實現比較復雜，尤其是故障運行與容錯運行之間的在線切換。
為了提高電機驅動系統的容錯性能，多相電機可以采用多單元并聯控制技術，通常將三個互差120°的繞組當作一個單元，按普通三相電機的方法來控制。多個單元可同時運行，也可部分運行或單獨運行。如法國熱蒙公司為智利海軍“蝎子”級潛艇制造的3 300kW永磁電力推進系統，就采用了二十四個H橋逆變器給兩套十二相繞組供電。
十二相永磁推進系統結構如圖1所示，推進單元分成了四個通道，在每個通道內，由三個H橋或一個三相全橋逆變器給一套空間對稱的三相繞組供電，電機每個繞組的中性點相互獨立。
圖 十二相永磁電機驅動系統結構框圖
當某相出現故障時，控制系統將切除故障相所在的通道，不影響其他通道正常工作，保證了系統不間斷運行，即工作在容錯模式。這種控制方式在船舶電力推進廣泛采用，特別是對可靠性要求高的軍用船舶，不足之處是繞組成套切除將帶來功率損失。在這種容錯工作方式下，容錯控制是否與缺相位置有關，以及切除不同單元時轉矩輸出有什么變化，這些問題要建立在對多相電機建模及容錯控制策略的基礎上進行分析。
海軍工程大學電氣工程學院、海軍工程大學研究生院的研究人員選擇相移15°的十二相永磁同步電機為研究對象，首先在建立dq坐標系下多相永磁同步電機多Y數學模型的基礎上，分析容錯模式時的電機轉矩輸出能力，并將矢量控制與分組控制結構相結合，以相繞組最大電流為約束條件建立驅動系統的容錯控制策略，保證永磁同步電動機缺相時輸出轉矩的平穩性。
圖 H橋型逆變器實物照片
最后，對十二相永磁電機驅動系統的斷相故障狀況進行仿真和實驗，驗證了采用基于多Y數學模型的分組控制方式，更適用于對可靠性要求高的多相電機調速系統。當出現缺相故障時，系統自動切除故障單元，并且限制其他正常單元的輸出電流，實現了故障狀態下的降額運行。
以上研究成果發表在2019年第21期《電工技術學報》，論文標題為“十二相永磁電機驅動系統的容錯控制策略”，作者為魏永清、康軍、曾海燕、朱鵬。
