CN107171601A - 六相电机断相时转矩波动最小化容错控制方法 - Google Patents
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Abstract
六相电机断相时转矩波动最小化容错控制方法,该方法在六相电机单相断相后，将剩余相磁动势分解为正序旋转分量和负序旋转分量，进而消除合成磁动势中的负序合成分量，使定子合成磁动势近似为圆形旋转磁动势。本发明是利用消除定子合成磁动势中负序分量，以削弱断相时转矩波动为目标的容错控制方法。在六相永磁同步电机发生一相绕组断相故障时，通过调整剩余相绕组电流的相位角，使磁动势接近圆形旋转磁动势，从而降低电机的转矩波动。
Description
技术领域
本发明属于电机技术领域，特别是涉及一种基于定子磁动势中的负序合成分量的容错控制方法，适用于多相电机。
背景技术
随着经济的快速发展，我国的汽车产量持续快速地增长，汽车产量的增长直接导致了我国石油资源的严重消耗和环境的严重污染。而电动汽车的出现在一定程度上缓解了这些问题，与传统燃油汽车相比，电动汽车具有诸多优点，电动汽车驱动电机不仅具有较高的效率，而且在制动时能够转化为发电机运行，从而将汽车运行的动能转化成电能存入蓄电池，大大地提高了能源利用率。
然而电动汽车的主要核心部件是驱动电机，驱动电机的好坏直接决定着电动汽车性能的优劣。所以对电动汽车驱动电机的研究在电动汽车研究领域中占有重要的地位。电动汽车要求驱动电机具有低脉动、高效率、高可靠性等特点。而传统三相永磁同步电机容错能力较差，不适用于高可靠性的场合，因此，多相永磁同步电机引起了研究人员的关注。多相永磁同步电机具有高转矩密度、高效率、高可靠性等优点，在电动汽车驱动系统中具有广阔的应用前景。
作为电动汽车用电机，应该具有较高的安全性和可靠性，多相永磁同步电机在很多方面有着传统三相永磁同步电机无法比拟的优势。在一些对电机连续运行要求苛刻的场合，电机不可避免地会发生一些故障问题，从而会影响整个电机系统的工作运行。电机断相故障是常见且比较严重的故障。当电机出现断相故障时，虽然相对于三相永磁同步电机，六相永磁同步电机仍能输出转矩来维持电动汽车运行，但电机会有很大的波动，又因为电动汽车对电机的要求比较高，所以需要采取一些方法来降低电机的转矩波动。
发明内容
发明目的：针对上述断相时多相永磁同步电机转矩波动问题，结合六相绕组结构特点，本发明提供一种基于定子磁动势中负序合成分量为零的容错方法，其目的是解决以往所存在的问题，它是消除磁动势中的负序分量，使磁动势成为圆形旋转磁动势，从而降低电机的转矩波动。
技术方案：
一种六相电机断相时转矩波动最小化容错控制方法，其特征在于:该方法在六相电机单相断相后，将剩余相磁动势分解为正序旋转分量和负序旋转分量，进而消除合成磁动势中的负序合成分量，使定子合成磁动势近似为圆形旋转磁动势。
六相电机断相后，在无法改变绕组各相之间相位角的前提下，利用优化剩余相绕组电流的时间相位角。
本方法设A1绕组空间轴线作为空间坐标原点，并选择使A1相电流达到最大值的瞬间作为时间坐标零点，这里假设C1相绕组断相；当六相电机A1相绕组断相时，使C1相绕组电流的相位角滞后B1相60°电角度；当B1相绕组断相时，使C1相绕组电流的相位角超前A1相60°电角度；当C1相绕组断相时，使B1相绕组电流的相位角滞后A1相60°电角度；当A2相绕组断相时，使C2相绕组电流的相位角滞后B2相60°电角度；当B2相绕组断相时，使C2相绕组电流的相位角超前A2相60°电角度；当C2相绕组断相时，使B2相绕组电流的相位角滞后A2相60°电角度。
基于快速查表法，无需复杂的相角计算，有效地提高响应速度和容错能力。
本方法设A1绕组空间轴线作为空间坐标原点，并选择使A1相电流达到最大值的瞬间作为时间坐标零点，这里假设C1相绕组断相；
六相绕组看成两套三相绕组，即三相绕组{A1、B1、C1}，和三相绕组{A2、B2、C2}；当六相永磁同步电机C1相绕组出现断相故障时，即iC1＝0，剩余五相继续工作，其中A2、B2、C2三相看成一套三相绕组，能够产生圆形旋转磁动势，不存在负序分量；而A1、B1两相绕组产生椭圆形旋转磁动势，存在负序分量；所以通过调整A1、B1两相的电流相位角来消除磁动势中的负序分量；
选择使A1相电流达到最大值的瞬间作为时间坐标零点时；A1相绕组的电流为：
令B1相绕组电流的相位角为x，所以B1相绕组的电流为：
当绕组断相时，绕组空间位置无法改变，依然是B1相绕组轴线在空间上滞后A1相120°，所以，A1、B1两相绕组的磁动势为：
式中，为每相绕组磁动势基波幅值；
分别将A1、B1两相绕组的磁动势分解成正序分量和负序分量，得
将A1、B1两相绕组的磁动势相加得到两相绕组的合成磁动势为：
其中，磁动势中的负序合成分量为：
在一相断相时，为了实现转矩波动的最小化，令负序分量为零，从而求得一相断相时，转矩波动最小所需的B1相绕组电流的相位角；所以
解得x＝60°，所以B1相绕组电流的相位角为60°；
通过以上公式推导得出，当六相永磁同步电机C1相绕组断相时，调整B1相绕组电流的相位角滞后A1相60°电角度，能够消除磁动势中存在的负序分量，降低转矩波动；
同理得到，当A1相绕组断相时，使C1相绕组电流的相位角滞后B1相60°电角度，当B1相绕组断相时，使A1相绕组电流的相位角滞后C1相60°电角度，或使C1相绕组电流的相位角超前A1相60°电角度，从而消除磁动势中的负序分量。在计算过程中，仍然以A1绕组空间轴线作为空间坐标原点，并选择使A1相电流达到最大值的瞬间作为时间坐标零点，并保证断相所在相组剩余两相的超前相绕组电流时间相位不变，以此推算滞后相需要调整的时间相位角。
优点效果：
永磁同步电动机的旋转是靠定子磁动势和转子磁动势的相互作用的结果。对永磁同步电动机来说，转子的磁动势恒定的前提下，要保证定子合成磁动势形成圆形旋转磁场，才能保证电机的平稳运行。而形成圆形旋转磁场的前提就是对称绕组通入对称电流，因此定子磁动势是和电流的时间相位相关的函数，又是和绕组空间相位相关的函数。
由交流电机绕组磁动势理论可知，单相绕组磁动势可以分解为幅值相同的正序旋转分量和负序旋转分量，因此，六相电机定子合成磁动势亦可分解成正序分量和负序分量，当六相绕组通入对称电流时，负序分量合为零，各绕组电流只合成正序磁动势分量，形成圆形旋转磁场。如果六相永磁同步电动机在断相运行时，电机各绕组电流产生的磁动势中就存在负序分量，从而造成电机输出波动较大的转矩。为了降低电机的转矩波动，就要消除定子合成磁动势中存在的负序分量。
综上，本发明是利用消除定子合成磁动势中负序分量，以削弱断相时转矩波动为目标的容错控制方法。在六相永磁同步电机发生一相绕组断相故障时，通过调整剩余相绕组电流的相位角，使磁动势接近圆形旋转磁动势，从而降低电机的转矩波动。
附图说明
图1是六相双Y移30°绕组的空间分布图；
图2是本发明调整B1相绕组电流相位角后的电流相量图；
图3是为电机的转矩波动随B1相绕组电流相位角变化波形图；
图4是本发明一种实施例的调整剩余相电流相位角之前和之后的转矩波形图，其中，图(a)为调整剩余相电流相位角之前的转矩波形图，图(b)为调整B1相电流相位角之后的转矩波形图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明一种实施案例做进一步说明。
本发明提出通过调整剩余相的电流相位角来消除负序分量，降低转矩波动。为了便于研究，本发明设A1绕组空间轴线作为空间坐标原点，并选择使A1相电流达到最大值的瞬间作为时间坐标零点，从绕组的空间对称性可知，任意一相断相分析方法和结果相同，因此这里假设C1相绕组断相进行研究。
六相绕组实际上可看成两套三相绕组，即三相绕组{A1、B1、C1}，和三相绕组{A2、B2、C2}。当六相永磁同步电机C1相绕组出现断相故障时，即iC1＝0，剩余五相继续工作，其中A2、B2、C2三相可以看成一套三相绕组，能够产生圆形旋转磁动势，不存在负序分量。而A1、B1两相绕组产生椭圆形旋转磁动势，存在负序分量。所以通过调整A1、B1两相的电流相位角来消除磁动势中的负序分量。
选择使A1相电流达到最大值的瞬间作为时间坐标零点时。A1相绕组的电流为：
令B1相绕组电流的相位角为x，所以B1相绕组的电流为：
当绕组断相时，绕组空间位置无法改变，依然是B1相绕组轴线在空间上滞后A1相120°，所以，A1、B1两相绕组的磁动势为：
式中，为每相绕组磁动势基波幅值。
分别将A1、B1两相绕组的磁动势分解成正序分量和负序分量，可得
将A1、B1两相绕组的磁动势相加得到两相绕组的合成磁动势为：
其中，磁动势中的负序合成分量为：
因为磁动势的负序合成分量是产生转矩波动的直接原因，所以在一相断相时，为了实现转矩波动的最小化，令负序分量为零，从而求得一相断相时，转矩波动最小所需的B1相绕组电流的相位角。所以
解得x＝60°，所以B1相绕组电流的相位角为60°。
通过以上公式推导可以得出，当六相永磁同步电机C1相绕组断相时，调整B1相绕组电流的相位角滞后A1相60°电角度，能够消除磁动势中存在的负序分量，降低转矩波动。
同理可以得到，当A1相绕组断相时，应该使C1相绕组电流的相位角滞后B1相60°电角度，当B1相绕组断相时，应该使A1相绕组电流的相位角滞后C1相60°电角度，或使C1相绕组电流的相位角超前A1相60°电角度，从而消除磁动势中的负序分量。在计算过程中，仍然以A1绕组空间轴线作为空间坐标原点，并选择使A1相电流达到最大值的瞬间作为时间坐标零点，并保证断相所在相组剩余两相的超前相绕组电流时间相位不变，以此推算滞后相需要调整的时间相位角。
实施案例：
六相绕组从绕组空间排布结构来看，可以排布成60°相带角的对称六相绕组和30°相带角的不对称六相绕组。然而对称六相电机磁动势谐波含量为不对称六相电机的两倍，过多的磁动势谐波会使电机的永磁体损耗增加，并影响电机的转矩波动，所以本发明主要研究了不对称六相绕组。不对称六相绕组又可称为六相双Y移30°绕组，它是由两套互差120°电角度的三相绕组组成的，两套绕组之间互差30°电气角度。
如图1所示，为六相双Y移30°绕组的空间分布图；本发明采用六相双Y移30°绕组永磁同步电机，当一相绕组C1相断相后，调整B1相绕组电流的相位角滞后A1相60°电角度，如图2所示为本发明调整B1相绕组电流相位角后的电流相量图。
本发明为了验证解析推导结果的正确性，以36槽6极六相双Y移30°绕组永磁同步电机为例，转子采用内置式V型结构。本发明实施例中，电机具体尺寸见表1。
表1
本发明利用Ansoft有限元软件对六相双Y移30°绕组永磁同步电机模型进行仿真分析，对B1相绕组电流的相位角分别滞后A1相30°、60°、90°、120°、150°、180°、210°、240°、270°、300°、330°不同角度进行仿真，得到的转矩结果如表2所示。
表2
根据六相双Y移30°绕组永磁同步电机的仿真分析结果，由图3可得，B1相绕组电流的相位角为60°时，六相双Y移30°绕组永磁同步电机的转矩波动最小，从而验证了解析分析方法的正确性。
从图4可得，调整相位角之前，电机的转矩波动为36.2％，调整B1相绕组电流的相位角60°后，电机的转矩波动为25.1％，降低了11.1％，这证明了当六相双Y移30°绕组永磁同步电机出现一相断相故障时，调整剩余相绕组电流的相位角，能消除磁动势中的负序分量，使剩余相产生圆形的旋转磁动势，降低电机转矩波动。另外，从表2看出，六相双Y移30°绕组永磁同步电机在一相断相后，电机转矩输出最大化控制方法为调整B1相绕组电流的相位角滞后A1相90°电角度。
Claims (5)
1.一种六相电机断相时转矩波动最小化容错控制方法，其特征在于:该方法在六相电机单相断相后，将剩余相磁动势分解为正序旋转分量和负序旋转分量，进而消除合成磁动势中的负序合成分量，使定子合成磁动势近似为圆形旋转磁动势。
2.根据权利要求1所述的六相电机断相时转矩波动最小化容错控制方法，其特征在于:六相电机断相后，在无法改变绕组各相之间相位角的前提下，利用优化剩余相绕组电流的时间相位角。
3.根据权利要求1所述的六相电机断相时转矩波动最小化容错控制方法，其特征在于:本方法设A1绕组空间轴线作为空间坐标原点，并选择使A1相电流达到最大值的瞬间作为时间坐标零点，这里假设C1相绕组断相；当六相电机A1相绕组断相时，使C1相绕组电流的相位角滞后B1相60°电角度；当B1相绕组断相时，使C1相绕组电流的相位角超前A1相60°电角度；当C1相绕组断相时，使B1相绕组电流的相位角滞后A1相60°电角度；当A2相绕组断相时，使C2相绕组电流的相位角滞后B2相60°电角度；当B2相绕组断相时，使C2相绕组电流的相位角超前A2相60°电角度；当C2相绕组断相时，使B2相绕组电流的相位角滞后A2相60°电角度。
4.根据权利要求1所述的六相电机断相时转矩波动最小化容错控制方法，其特征在于:基于快速查表法，无需复杂的相角计算，有效地提高响应速度和容错能力。
5.根据权利要求3中所述的六相电机断相时转矩波动最小化容错控制方法，其特征在于:本方法设A1绕组空间轴线作为空间坐标原点，并选择使A1相电流达到最大值的瞬间作为时间坐标零点，这里假设C1相绕组断相；
六相绕组看成两套三相绕组，即三相绕组{A1、B1、C1}，和三相绕组{A2、B2、C2}；当六相永磁同步电机C1相绕组出现断相故障时，即iC1＝0，剩余五相继续工作，其中A2、B2、C2三相看成一套三相绕组，能够产生圆形旋转磁动势，不存在负序分量；而A1、B1两相绕组产生椭圆形旋转磁动势，存在负序分量；所以通过调整A1、B1两相的电流相位角来消除磁动势中的负序分量；
选择使A1相电流达到最大值的瞬间作为时间坐标零点时；A1相绕组的电流为：
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当绕组断相时，绕组空间位置无法改变，依然是B1相绕组轴线在空间上滞后A1相120°，所以，A1、B1两相绕组的磁动势为：
式中，为每相绕组磁动势基波幅值；
分别将A1、B1两相绕组的磁动势分解成正序分量和负序分量，得
将A1、B1两相绕组的磁动势相加得到两相绕组的合成磁动势为：
其中，磁动势中的负序合成分量为：
在一相断相时，为了实现转矩波动的最小化，令负序分量为零，从而求得一相断相时，转矩波动最小所需的B1相绕组电流的相位角；所以
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解得x＝60°，所以B1相绕组电流的相位角为60°；
通过以上公式推导得出，当六相永磁同步电机C1相绕组断相时，调整B1相绕组电流的相位角滞后A1相60°电角度，能够消除磁动势中存在的负序分量，降低转矩波动；
同理得到，当A1相绕组断相时，使C1相绕组电流的相位角滞后B1相60°电角度，当B1相绕组断相时，使A1相绕组电流的相位角滞后C1相60°电角度，或使C1相绕组电流的相位角超前A1相60°电角度，从而消除磁动势中的负序分量；在计算过程中，仍然以A1绕组空间轴线作为空间坐标原点，并选择使A1相电流达到最大值的瞬间作为时间坐标零点，并保证断相所在相组剩余两相的超前相绕组电流时间相位不变，以此推算滞后相需要调整的时间相位角。
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