CN108599647B - 永磁同步电机定子绕组不对称故障的直接转矩控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种永磁同步电机定子绕组故障的直接转矩控制方法，首先，利用转速PI调节器获得转矩参考值；然后，在已知定子绕组不对称故障的故障相以及故障程度情况下，根据定子绕组铜损耗最小的约束条件，得到直轴电流参考值与交轴电流参考值的关系，进而计算磁链参考值与转矩参考值的关系；最后，将转矩参考值与计算出的转矩进行比较，把比较结果输入磁链滞环比较器中，将磁链参考值与计算出的磁链进行比较，并将结果输入到转矩滞环比较器中，综合转矩和磁链滞环比较器的输出结果与磁链矢量所在空间位置进行结合来选择电压矢量作用于变换器，进而控制永磁同步电机运行。本发明降低了铜损耗，实现了永磁同步电机的带故障运行。

Description

永磁同步电机定子绕组不对称故障的直接转矩控制方法

技术领域

本发明是一种永磁同步电机定子绕组不对称故障的直接转矩控制方法，发明属于电机驱动与控制领域。

背景技术

近年来，永磁同步电机具有高转矩密度、高效率、高可靠性等优势，已在在动车、高铁、航空航天等大功率等高性能应用场合得到了广泛运用。永磁同步电机工作时，具有复杂的机电能量转换过程，在长期运行中，受负载工况和运行环境的影响，某些部件会逐渐失效或损坏。其中，定子绕组不对称故障是很常见故障之一。在定子绕组不对称故障情况下，铜损耗将会使定子绕组以及电机内部温度升高，这对电机的安全性以及电机的寿命都带来极大的威胁，特别针对大功率电机。因此，在不影响电机系统工作情况下，需要采取一定的措施来降低铜损耗，从而降低定子绕组温度进而保护电机。就目前而言，大部分的容错控制都是针对于变换器或定子绕组开路故障，常用的有三相转两相容错方法，三相四桥臂容错方法等。目前都是关于定子绕组不对称故障的诊断，还未见到有文献报道关于定子绕组不对称故障控制研究。

发明内容

本发明目的是为了针对定子绕组不对称故障，提供一种永磁同步电机定子绕组故障的直接转矩控制方法，使得当永磁同步电机发生定子绕组不对称故障时，电机的铜损耗降低，避免电机因温度过高而引起的进一步损坏，提高了电机系统的带故障运行能力。

本发明采用的技术方案为：一种永磁同步电机定子绕组故障的直接转矩控制方法，包括如下步骤：

(1)利用转速PI调节器获得转矩参考值；

(2)在已知定子绕组不对称故障的故障相以及故障程度情况下，根据定子绕组铜损耗最小的约束条件，得到直轴电流与交轴电流的关系，进而计算出磁链参考值与转矩参考值的关系；

(3)将转矩参考值与计算出的转矩进行比较，把比较结果输入磁链滞环比较器中，将磁链参考值与计算出的磁链进行比较，并将结果输入到转矩滞环比较器中，综合转矩和磁链滞环比较器的输出结果与磁链矢量所在空间位置进行结合来选择电压矢量作用于变换器，进而控制永磁同步电机运行。

作为优选，所述步骤(1)具体为：将转速参考值ω*与实际转速ω的差值e_n 输入转速PI调节器，根据式(1)获得交轴转矩参考值T_e为

式中：K_p和K_i分别为转速PI调节器的比例增益和积分增益。

作为优选，所述步骤(2)具体为：假设定子绕组不对称故障发生在a相，那么永磁同步电机定子绕组的电压方程在abc坐标系下表示为

式中：u_a，u_b和u_c为三相定子电压，i_a，i_b和i_c为三相定子电流，L是定子绕组自感，M是定子绕组互感，R_s是永磁同步电机正常时的定子绕组电阻，R_{add_a}是定子绕组不对称故障发生在a相的附加电阻，e_a，e_b和e_c是三相定子绕组的反电动势。

永磁同步电机在故障情况下铜损耗P_cu的表达式为：

P_cu＝(R_s+R_{add_a})i_a ²+R_si_b ²+R_si_c ² (3)

三相abc静止坐标系和dq两相旋转坐标系之间的电流的变换关系如下：

式中：i_d和i_q为定子电流在两相旋转坐标系dq下的电流，θ是转子电角度。

根据式(4)可得：

将式(5)带入式(3)可得：

根据式(6)，要想得到永磁同步电机在定子绕组不对称故障情况下的最小铜损耗，只要dP_cu/di_d＝0成立，即可求得最小铜损耗控制时i_d的值：

式中：

对于表贴式永磁同步电机，在两相旋转坐标系dq下电磁转矩T_e方程为：

式中：p是永磁同步电机的极对数，Ψ_f是永磁磁链。

根据式(8)可得：

将式(9)带入式(7)可得：

永磁同步电机在两相旋转坐标系dq下磁链方程为：

式中：Ψ_d和Ψ_q为在两相旋转坐标系dq下的磁链。

将式(9)和(10)带入式(11)可得：

因此，最小铜损耗的永磁同步电机直接转矩控制系统磁链比较环节的磁链给定值Ψ_s,ref为：

根据式(12)和(13)即可确定最小损耗控制方式下的磁链给定。从式(12)和(13)可以看出，Ψ_s,ref与T_e密切相关，T_e为转速PI调节器的输出，在控制系统中通过T_e的值实时地调整Ψ_s,ref的大小。

有益效果：本发明提供的一种永磁同步电机定子绕组故障的直接转矩控制方法，能够克服现有控制方法的不足。本发明能使电机在发生定子绕组不对称故障时，电机的铜损耗减小，进而使电机内部温度降低，避免电机因热度过高而损坏。本发明简单、易于实现。

附图说明

图1为永磁同步电机定子绕组不对称故障的直接转矩控制框图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作更进一步的说明。

如图1所示，一种永磁同步电机定子绕组故障的直接转矩控制方法，包括如下步骤：

(1)利用转速PI调节器获得转矩参考值；

将转速参考值ω*与实际转速ω的差值e_n 输入转速PI调节器，根据式(1)获得交轴转矩参考值T_e为

式中：K_p和K_i分别为转速PI调节器的比例增益和积分增益。

(2)在已知定子绕组不对称故障的故障相以及故障程度情况下，根据定子绕组铜损耗最小的约束条件，得到直轴电流与交轴电流的关系，进而计算出磁链参考值与转矩参考值的关系；

假设定子绕组不对称故障发生在a相，那么永磁同步电机定子绕组的电压方程在abc坐标系下表示为

式中：u_a，u_b和u_c为三相定子电压，i_a，i_b和i_c为三相定子电流，L是定子绕组自感，M是定子绕组互感，R_s是永磁同步电机正常时的定子绕组电阻，R_{add_a}是定子绕组不对称故障发生在a相的附加电阻，e_a，e_b和e_c是三相定子绕组的反电动势。

永磁同步电机在故障情况下铜损耗P_cu的表达式为：

P_cu＝(R_s+R_{add_a})i_a ²+R_si_b ²+R_si_c ² (3)

三相abc静止坐标系和dq两相旋转坐标系之间的电流的变换关系如下：

式中：i_d和i_q为定子电流在两相旋转坐标系dq下的电流，θ是转子电角度。

根据式(4)可得：

将式(5)带入式(3)可得：

根据式(6)，要想得到永磁同步电机在定子绕组不对称故障情况下的最小铜损耗，只要dP_cu/di_d＝0成立，即可求得最小铜损耗控制时i_d的值：

式中：

对于表贴式永磁同步电机，在两相旋转坐标系dq下电磁转矩T_e方程为：

式中：p是永磁同步电机的极对数，Ψ_f是永磁磁链。

根据式(8)可得：

将式(9)带入式(7)可得：

永磁同步电机在两相旋转坐标系dq下磁链方程为：

式中：Ψ_d和Ψ_q为在两相旋转坐标系dq下的磁链。

将式(9)和(10)带入式(11)可得：

因此，最小铜损耗的永磁同步电机直接转矩控制系统磁链比较环节的磁链给定值Ψ_s,ref为：

根据式(12)和(13)即可确定最小损耗控制方式下的磁链给定。从式(12)和(13)可以看出，Ψ_s,ref与T_e密切相关，T_e为转速PI调节器的输出，在控制系统中通过T_e的值实时地调整Ψ_s,ref的大小。

(3)将转矩参考值与计算出的转矩进行比较，把比较结果输入磁链滞环比较器中，将磁链参考值与计算出的磁链进行比较，并将结果输入到转矩滞环比较器中，综合转矩和磁链滞环比较器的输出结果与磁链矢量所在空间位置进行结合来选择电压矢量作用于变换器，进而控制永磁同步电机运行。

应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims (1)

1.一种永磁同步电机定子绕组故障的直接转矩控制方法，其特征在于：包括如下步骤：

(1)利用转速PI调节器获得转矩参考值；

所述步骤(1)具体为：将转速参考值ω^*与实际转速ω的差值e_n输入转速PI调节器，根据式(1)获得交轴转矩参考值T_e为

式中：K_p和K_i分别为转速PI调节器的比例增益和积分增益；

(2)在已知定子绕组不对称故障的故障相以及故障程度情况下，根据定子绕组铜损耗最小的约束条件，得到直轴电流与交轴电流的关系，进而计算出磁链参考值与转矩参考值的关系；

所述步骤(2)具体为：假设定子绕组不对称故障发生在a相，那么永磁同步电机定子绕组的电压方程在abc坐标系下表示为

式中：u_a，u_b和u_c为三相定子电压，i_a，i_b和i_c为三相定子电流，L是定子绕组自感，M是定子绕组互感，R_s是永磁同步电机正常时的定子绕组电阻，R_{add_a}是定子绕组不对称故障发生在a相的附加电阻，e_a，e_b和e_c是三相定子绕组的反电动势；

永磁同步电机在故障情况下铜损耗P_cu的表达式为：

P_cu＝(R_s+R_{add_a})i_a ²+R_si_b ²+R_si_c ² (3)

三相abc静止坐标系和dq两相旋转坐标系之间的电流的变换关系如下：

式中：i_d和i_q为定子电流在两相旋转坐标系dq下的电流，θ是转子电角度；

根据式(4)可得：

将式(5)带入式(3)可得：

根据式(6)，要想得到永磁同步电机在定子绕组不对称故障情况下的最小铜损耗，只要dP_cu/di_d＝0成立，即可求得最小铜损耗控制时i_d的值：

式中：

对于表贴式永磁同步电机，在两相旋转坐标系dq下电磁转矩T_e方程为：

式中：p是永磁同步电机的极对数，Ψ_f是永磁磁链；

根据式(8)可得：

将式(9)带入式(7)可得：

永磁同步电机在两相旋转坐标系dq下磁链方程为：

式中：Ψ_d和Ψ_q为在两相旋转坐标系dq下的磁链；

将式(9)和(10)带入式(11)可得：

因此，最小铜损耗的永磁同步电机直接转矩控制系统磁链比较环节的磁链给定值Ψ_s,ref为：

根据式(12)和(13)即可确定最小损耗控制方式下的磁链给定；

(3)将转矩参考值与计算出的转矩进行比较，把比较结果输入磁链滞环比较器中，将磁链参考值与计算出的磁链进行比较，并将结果输入到转矩滞环比较器中，综合转矩和磁链滞环比较器的输出结果与磁链矢量所在空间位置进行结合来选择电压矢量作用于变换器，进而控制永磁同步电机运行。

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