永磁同步電機(jī)(Permanent Magnet Synchronous Motor, PMSM)因其結(jié)構(gòu)簡單可靠、功率密度大、控制精度高等優(yōu)勢,在工業(yè)、交通及軍事等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。在傳統(tǒng)PMSM系統(tǒng)中,電機(jī)是通過單一逆變器進(jìn)行供電,但受限于開關(guān)器件的耐壓等級,PMSM在大功率場合下的應(yīng)用受到了限制。
為此相關(guān)學(xué)者提出了將開繞組結(jié)構(gòu)應(yīng)用于PMSM的思路,即通過將傳統(tǒng)PMSM的定子繞組中性點(diǎn)打開并額外接入一個(gè)逆變器,使得電機(jī)通過兩個(gè)逆變器同時(shí)進(jìn)行供電,稱為開繞組永磁同步電機(jī)(Open-Winding PMSM, OW-PMSM)。因此,在相同功率等級的開關(guān)器件下,OW-PMSM額定功率可以增加一倍。此外,兩個(gè)逆變器供電使得OW-PMSM系統(tǒng)呈現(xiàn)出多電平調(diào)制特性,且具備了較強(qiáng)的容錯(cuò)運(yùn)行能力。
根據(jù)OW-PMSM系統(tǒng)中電機(jī)兩側(cè)的逆變器是否采用同一個(gè)電壓源進(jìn)行供電,可以將其分為隔離直流母線系統(tǒng)與共直流母線系統(tǒng),兩種結(jié)構(gòu)分別如圖1a和圖1 b所示。與圖1a所示隔離母線系統(tǒng)相比,圖1b中的共直流母線系統(tǒng)僅需一個(gè)電壓源,可以有效降低系統(tǒng)的成本和體積,是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。
圖1 開繞組電機(jī)系統(tǒng)兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
但是這種系統(tǒng)中存在零序電流(Zero-Sequence Current, ZSC),會造成轉(zhuǎn)矩脈動和額外損耗,影響OW-PMSM系統(tǒng)運(yùn)行性能。因此,抑制ZSC已經(jīng)成為共直流母線OW-PMSM系統(tǒng)中的一個(gè)熱點(diǎn)研究問題。
傳統(tǒng)PMSM結(jié)構(gòu)在出現(xiàn)斷相故障時(shí),必須對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)才可以實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)運(yùn)行。基于此,中國礦業(yè)大學(xué)、淮陰師范學(xué)院的研究人員,提出了斷相故障下共直流母線OW-PMSM系統(tǒng)的控制策略。
圖2 繞組斷相下OW-PMSM系統(tǒng)控制框圖
在OW-PMSM系統(tǒng)正常狀態(tài)下,ZSC可以通過對三相定子繞組電流求和取平均的方式得到。但這種ZSC的獲取方法在相繞組斷相故障下不再適用。考慮到斷相故障下剩余兩相電流的相位關(guān)系,研究人員通過建立靜止坐標(biāo)系下電流分量、同步軸系下電流分量及ZSC之間的數(shù)學(xué)模型,深入分析同步軸系下二倍頻及四倍頻電流分量與ZSC的關(guān)聯(lián)。進(jìn)而設(shè)計(jì)了基于比例積分諧振(Proportional Integral Resonance, PIR)控制的OW-PMSM系統(tǒng)在斷相故障下的ZSC抑制方案。
此外,根據(jù)斷相故障下OW-PMSM系統(tǒng)電壓矢量分布的特點(diǎn),提出了一種通過兩個(gè)互相垂直的非零電壓矢量來調(diào)制參考電壓矢量的方法。最后在實(shí)驗(yàn)平臺上對本文提出的共直流母線OW-PMSM系統(tǒng)在斷相故障下的ZSC抑制策略進(jìn)行了驗(yàn)證。
圖3 實(shí)驗(yàn)平臺
研究人員最后得出以下結(jié)論:
1)斷相故障下由于原有的三相電流平衡關(guān)系被打破,導(dǎo)致同步軸系下OW-PMSM電流分量中含有較大的二倍頻分量及四倍頻分量,造成這些諧波分量的主要有a、b相電流的相位差及ZSC。
2)針對同步軸系中電流諧波分量的分析結(jié)果,設(shè)計(jì)了基于PIR控制的ZSC抑制方案,該方案可以對同步軸系下電流中的二倍頻及四倍頻分量進(jìn)行有效的控制,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對ZSC的抑制。
3)根據(jù)斷相故障下OW-PMSM系統(tǒng)電壓矢量分布的特點(diǎn),提出了一種基于正交電壓矢量調(diào)制合成參考電壓的統(tǒng)一調(diào)制法,可以根據(jù)參考電壓的大小和極性判別直接生成調(diào)制脈沖序列,從而簡化了斷相故障下共直流母線OW-PMSM系統(tǒng)調(diào)制的復(fù)雜性。