CN105811818A - 用于45°相带角四相永磁同步电机一相绕组开路故障容错控制的电流设定方法 - Google Patents

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用于45°相带角四相永磁同步电机一相绕组开路故障容错控制的电流设定方法，属于电机领域，本发明为解决常规45°相带角的四相永磁同步电机在一相绕组开路故障时，电机转矩输出能力弱的问题。本发明方案：常规45°相带角的四相永磁同步电机采用四相全桥逆变器进行供电，当电机发生一相绕组开路故障情况下，为了使电机能够输出最大平滑转矩，需要在使合成磁动势中的反向旋转分量为零的前提下，使正向旋转分量的幅值最大；这样气隙中就会产生一个幅值最大的正向圆形旋转磁场。调整剩余各相绕组的输入电流，与传统的绕组开路故障容错控制方法相比，本发明方法可以提高四相永磁同步电机在一相绕组开路故障下的转矩输出能力。

Description

用于45°相带角四相永磁同步电机一相绕组开路故障容错控制的电流设定方法
技术领域
本发明属于电机领域。
背景技术
21世纪以来，随着能源危机和环境污染问题的日益严重，以电动汽车为代表的新能源汽车获得了越来越多的关注。对于电动汽车而言，其电驱动系统的安全性和可靠性至关重要。然而，传统的三相永磁同步电机在电机发生绕组开路或短路故障的时候，电机的输出转矩会发生剧烈变化，甚至于不能工作。四相永磁同步电机由于其相数的冗余，具有良好的容错运行能力，因此，四相永磁同步电机在电动汽车，舰船推进等对电驱动系统可靠性要求较高的场合具有很好的应用潜力。
从电机本体结构上，四相永磁同步电机可分为90°相带角四相永磁同步电机和45°相带角四相永磁同步电机。与90°相带角四相永磁同步电机相比，45°相带角四相永磁同步电机的气隙磁动势谐波含量少、转矩脉动更小。45°相带角四相永磁同步电机的各相电流相位互差45°电角度，正常通电时，各相电流和不为零，故一般需要使用四相全桥或四相六桥臂逆变器进行驱动(如图1和图2所示)。目前，当45°相带角四相永磁同步电机发生一相绕组开路故障的时候，通常是通过逆变器调整剩余相绕组的电流，在绕组总铜耗最小的限制条件下使气隙中能够形成圆形旋转磁场。然而，这种方法会导致剩余三相绕组电流的幅值不相等，虽然电机的铜耗较小，但是电机在一相绕组开路故障下的转矩输出能力减弱，这在实际应用中是不利的。因为电机在故障状态下最重要的是要保证转矩输出能力，而不是要求电机的铜耗最小。
发明内容
本发明目的是为了解决常规45°相带角的四相永磁同步电机在一相绕组开路故障时，电机转矩输出能力弱的问题，提供了一种用于45°相带角四相永磁同步电机一相绕组开路故障容错控制的电流设定方法。
本发明所述用于45°相带角四相永磁同步电机一相绕组开路故障容错控制的电流设定方法，四相永磁同步电机正常工作时，定子绕组的A、B、C和D相通以幅值为Im、角频率为ω、初相角为各相电流相位互差45°电角度的四相正弦电流IA、IB、IC和ID，即：
定子绕组在气隙中产生正向圆形旋转磁场；
当其中任意一相绕组发生开路故障时，所述开路故障容错控制的电流设定方法为：
当D相绕组开路时，通过调整A、B、C相绕组的电流设定，以维持定子绕组在气隙中依然产生正向圆形旋转磁场，来保证电机的平稳运行；调整A、B、C相绕组的电流按如下表达式进行工作：
式中：I'A为调整后A相电流，I'B为调整后B相电流，I'C为调整后C相电流，I'm为调整后其余相绕组的电流幅值；
当C相绕组开路时，通过调整A、B、D相的电流设定，以维持定子绕组在气隙中依然产生正向圆形旋转磁场，来保证电机的平稳运行；调整A、B、D相绕组的电流按如下表达式进行工作：
式中：I'D为调整后D相电流；
当B相绕组开路时，通过调整A、C、D相的电流设定，以维持定子绕组在气隙中依然产生正向圆形旋转磁场，来保证电机的平稳运行；调整A、C、D相绕组的电流按如下表达式进行工作：
当A相绕组开路时，通过调整其他B、C、D相的电流设定，以维持定子绕组在气隙中依然产生正向圆形旋转磁场，来保证电机的平稳运行；调整B、C、D相绕组的电流按如下表达式进行工作：
本发明的优点：本发明公开一种用于45°相带角四相永磁同步电机一相绕组开路故障容错控制的电流设定方法，与传统的45°相带角四相永磁同步电机一相绕组开路故障的容错控制相比，本发明的电流设定方法可以显著提高电机在故障后的转矩输出能力，具体表现在：在不增加电流激励幅值的前提下，45°相带角四相永磁同步电机在一相开路情况下可以输出更大的转矩。
附图说明
图1是四相全桥逆变器拓扑示意图；
图2是四相六桥臂逆变器拓扑示意图；
图3是45°相带角四相永磁同步电机的绕组空间示意图；
图4是本发明D相绕组开路后由剩余的A、B、C相三相绕组通电保证电机输出平滑转矩的各相电流的向量图；
图5是本发明C相绕组开路后由剩余的A、B、D相三相绕组通电保证电机输出平滑转矩的各相电流的向量图；
图6是本发明B相绕组开路后由剩余的A、C、D相三相绕组通电保证电机输出平滑转矩的各相电流的向量图；
图7是本发明A相绕组开路后由剩余的B、C、D相三相绕组通电保证电机输出平滑转矩的各相电流的向量图。
具体实施方式
具体实施方式一：下面结合图1至图7说明本实施方式，本实施方式所述用于45°相带角四相永磁同步电机一相绕组开路故障容错控制的电流设定方法，本实施方式给出的是调整前后电流幅值不变的情况。
45°相带角四相永磁同步电机供电的原理示意图如图1和图2所示，图2所公开的拓扑结构在公开号为CN103051226A的中国专利“具有高容错能力的四相六桥臂逆变器”中有详细记载。45°相带角四相永磁同步电机的绕组空间示意图如图3所示。45°相带角四相永磁同步电机A、B、C、D相绕组的每相串联匝数为N，各相绕组轴线在空间上依次相差45°电角度，当A、B、C、D相绕组通入表达式为：
的四相正弦电流时，在距离A相绕组轴线θs处，A、B、C、D相绕组的磁动势分别为：
A、B、C、D相绕组在气隙中产生的合成磁动势为：
该合成磁动势在气隙中产生正向圆形旋转磁场，式中N为A、B、C、D相绕组的每相串联匝数。
当D相绕组开路时，ID＝0，调整剩余其他A、B、C相绕组输入电流的设定值，假设此时A、B、C相绕组通入电流的表达式为：
α分别为A相和C相绕组电流相对于B相绕组的电角度。此时，A、B、C相绕组的磁动势分别为：
那么，D相绕组开路时，A、B、C相绕组在气隙中产生的合成磁动势为：
可以看出，此时该合成磁动势在气隙中同时产生正向和反向旋转磁场，正向旋转磁场部分的幅值为反向旋转磁场部分的幅值为
D相绕组发生开路故障后，为了使电机能够输出最大平滑转矩，需要在使合成磁动势中的反向旋转分量为零的前提下，使正向旋转分量的幅值最大；这样气隙中就会产生一个幅值最大的正向圆形旋转磁场。也就是在满足条件2cos(α+π/4)+1＝0时，求取2cos(α-π/4)+1的最大值，则有α＝5π/12。
此时，
此时该合成磁动势在气隙中产生正向圆形旋转磁场。对应的，D相开路故障后，剩余其他A、B、C相绕组通入电流的表达式为：
此时，通入A、B、C相剩余的三相绕组的电流向量图如图4所示。
按照D相绕组开路时剩余相绕组电流的计算方法，可以计算出其他相绕组开路时的电流表达式。
当C相绕组开路时，其他A、B、D相绕组的电流表达式如下：
对应的，通入A、B、D相剩余的三相绕组的电流向量图如图5所示。
当B相绕组开路时，其他A、C、D相绕组的电流表达式如下：
对应的，通入A、C、D相剩余的三相绕组的电流向量图如图6所示。
当A相绕组开路时，其他B、C、D相绕组的电流表达式如下：
对应的，通入B、C、D相剩余的三相绕组的电流向量图如图7所示。
具体实施方式二：本实施方式对实施方式一作进一步说明，I'm＝Im。并给出一个具体实施例。
采用本发明所述的用于45°相带角四相永磁同步电机一相绕组开路故障容错控制的电流设定方法，可以显著提高电机在故障后的转矩输出能力，具体表现在：在不增加电流激励幅值的前提下，传统的容错控制方法在一相开路故障后输出的转矩是正常状态下的63.3％，而采用本发明方法，在一相开路故障后输出的转矩是正常状态下的68.3％。
具体实施方式三：本实施方式对实施方式一作进一步说明，在电机发生一相绕组开路故障情况下，逆变器按照本发明所述方法调整剩余各相绕组电流的相位关系，而电流的幅值可以按照比例关系进行同时缩放。
I'm＝kIm，式中k为缩放系数，k为正数。
如D相绕组开路，若k＝1.2，则A、B、C三相电流均调整为原来的1.2倍。

Claims (4)

1.用于45°相带角四相永磁同步电机一相绕组开路故障容错控制的电流设定方法，其特征在于，四相永磁同步电机正常工作时，定子绕组的A、B、C和D相通以幅值为Im、角频率为ω、初相角为各相电流相位互差45°电角度的四相正弦电流IA、IB、IC和ID，即：
定子绕组在气隙中产生正向圆形旋转磁场；
当其中任意一相绕组发生开路故障时，所述开路故障容错控制的电流设定方法为：
当D相绕组开路时，通过调整A、B、C相绕组的电流设定，以维持定子绕组在气隙中依然产生正向圆形旋转磁场，来保证电机的平稳运行；调整A、B、C相绕组的电流按如下表达式进行工作：
式中：I'A为调整后A相电流，I'B为调整后B相电流，I'C为调整后C相电流，I'm为调整后其余相绕组的电流幅值；
当C相绕组开路时，通过调整A、B、D相的电流设定，以维持定子绕组在气隙中依然产生正向圆形旋转磁场，来保证电机的平稳运行；调整A、B、D相绕组的电流按如下表达式进行工作：
式中：I'D为调整后D相电流；
当B相绕组开路时，通过调整A、C、D相的电流设定，以维持定子绕组在气隙中依然产生正向圆形旋转磁场，来保证电机的平稳运行；调整A、C、D相绕组的电流按如下表达式进行工作：
当A相绕组开路时，通过调整其他B、C、D相的电流设定，以维持定子绕组在气隙中依然产生正向圆形旋转磁场，来保证电机的平稳运行；调整B、C、D相绕组的电流按如下表达式进行工作：
2.根据权利要求1所述用于45°相带角四相永磁同步电机一相绕组开路故障容错控制的电流设定方法，其特征在于，四相永磁同步电机采用四相全桥或四相六桥臂逆变器进行供电。
3.根据权利要求1所述用于45°相带角四相永磁同步电机一相绕组开路故障容错控制的电流设定方法，其特征在于，I'm＝Im。
4.根据权利要求1所述用于45°相带角四相永磁同步电机一相绕组开路故障容错控制的电流设定方法，其特征在于，I'm＝kIm，式中k为缩放系数，k为正数。
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