CN108599660B - 永磁同步电机定子绕组不对称故障的矢量控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种永磁同步电机定子绕组不对称故障的矢量控制方法，用于解决永磁同步电机因定子绕组不对称故障所带来的损耗增加，避免因温度过高而破坏永磁同步电机。首先，利用转速PI调节器获得交轴电流参考值；然后，在已知定子绕组不对称故障发生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；接着通过变换得到三相永磁同步电机三相电流的参考值，将其与实测的相电流进行比较，再将比较结果输入到滞环比较器得到PWM信号去控制变换器，进而实现永磁同步电机控制。本发明实现了永磁同步电机定子绕组不对称故障的容错控制，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矢量控制方法
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矢量控制方法，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发生的情况下，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。就目前而言，大部分的容错控制都针对于变换器或定子绕组开路故障，而针对定子绕组不对称故障，目前都是关于定子绕组不对称故障诊断，还未见到有文献报道定子绕组不对称故障的控制。
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矢量控制方法，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不对称故障的矢量控制方法，包括如下步骤：
(1)利用转速PI调节器获得交轴电流参考值；
(2)在已知定子绕组不对称故障发生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；
(3)通过变换得到三相永磁同步电机三相电流的参考值，将其与实测的相电流进行比较，再将比较结果输入到滞环比较器得到PWM信号去控制变换器，进而实现永磁同步电机控制。
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en输入转速PI控制器，根据式(1)获得交轴电流参考值iq为
Figure BDA0001656137420000021
式中：Kp和Ki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
Figure BDA0001656137420000022
式中：ua，ub和uc为三相定子电压，ia，ib和ic为三相定子电流，L是定子绕组自感，M是定子绕组互感，Rs是永磁同步电机正常时的定子绕组电阻，Radd_a是定子绕组不对称故障发生在a相的附加电阻，λPM,a，λPM,b和λPM,c是三相定子绕组的磁链。
永磁同步电机在故障情况下的铜损耗的表达式为：
Figure BDA0001656137420000023
已知三相abc静止坐标系和dq两相旋转坐标系之间的电流有如下的变换关系：
Figure BDA0001656137420000024
根据式(4)可得
Figure BDA0001656137420000025
将式(5)带入式(3)可得
Figure BDA0001656137420000031
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dPcu/did＝0成立，即可求得最小铜损耗控制时id的参考值：
Figure BDA0001656137420000032
式中：id和iq分别是直轴和交轴电流参考值，Rs是永磁同步电机正常时的定子绕组电阻，Radd_a是定子绕组不对称故障发生在a相的附加电阻，θ是转子电角度。
根据式(7)所得到的就是使可控损耗最小的直轴电流，可以看出，id与iq密切相关。因此，在控制系统中根据iq的值实时地调整id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矢量控制方法，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矢量控制框图。
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矢量控制方法，包括如下步骤：
(1)利用转速PI调节器获得交轴电流参考值；
将转速参考值ω*与实际转速ω的差值en 输入转速PI控制器，根据式(1)获得交轴电流参考值iq为
Figure BDA0001656137420000033
式中：Kp和Ki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发生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；
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
Figure BDA0001656137420000041
式中：ua，ub和uc为三相定子电压，ia，ib和ic为三相定子电流，L是定子绕组自感，M是定子绕组互感，Rs是永磁同步电机正常时的定子绕组电阻，Radd_a是定子绕组不对称故障发生在a相的附加电阻，λPM,a，λPM,b和λPM,c是三相定子绕组的磁链。
永磁同步电机在故障情况下的铜损耗的表达式为：
Figure BDA0001656137420000042
已知三相abc静止坐标系和dq两相旋转坐标系之间的电流有如下的变换关系：
Figure BDA0001656137420000043
根据式(4)可得
Figure BDA0001656137420000044
将式(5)带入式(3)可得
Figure BDA0001656137420000045
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dPcu/did＝0成立，即可求得最小铜损耗控制时id的参考值：
Figure BDA0001656137420000051
式中：id和iq分别是直轴和交轴电流参考值，Rs是永磁同步电机正常时的定子绕组电阻，Radd_a是定子绕组不对称故障发生在a相的附加电阻，θ是转子电角度。
根据式(7)所得到的就是使可控损耗最小的直轴电流，可以看出，id与iq密切相关。因此，在控制系统中根据iq的值实时地调整id的大小。
(3)通过变换得到三相永磁同步电机三相电流的参考值，将其与实测的相电流进行比较，再将比较结果输入到滞环比较器得到PWM信号去控制变换器，进而实现永磁同步电机控制。
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。本发明提出的方法计算量小、易于实现、准确度高、是一种能够有效提高永磁同步电机安全和可靠性的故障诊断方法。
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不对称故障的矢量控制方法，其特征在于：包括如下步骤：
(1)利用转速PI调节器获得交轴电流参考值；
所述步骤(1)具体为：将转速参考值ω*与实际转速ω的差值en输入转速PI控制器，根据式(1)获得交轴电流参考值iq为
Figure FDA0003188967830000011
式中：Kp和Ki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发生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；
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
Figure FDA0003188967830000012
式中：ua，ub和uc为三相定子电压，ia，ib和ic为三相定子电流，L是定子绕组自感，M是定子绕组互感，Rs是永磁同步电机正常时的定子绕组电阻，Radd_a是定子绕组不对称故障发生在a相的附加电阻，λPM,a，λPM,b和λPM,c是三相定子绕组的磁链；
永磁同步电机在故障情况下的铜损耗的表达式为：
Pcu＝(Rs+Radd_a)ia 2+Rsib 2+Rsic 2 (3)
已知三相abc静止坐标系和dq两相旋转坐标系之间的电流有如下的变换关系：
Figure FDA0003188967830000013
根据式(4)可得
Figure FDA0003188967830000021
将式(5)带入式(3)可得
Figure FDA0003188967830000022
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dPcu/did＝0成立，即可求得最小铜损耗控制时id的参考值：
Figure FDA0003188967830000023
式中：id和iq分别是直轴和交轴电流参考值，Rs是永磁同步电机正常时的定子绕组电阻，Radd_a是定子绕组不对称故障发生在a相的附加电阻，θ是转子电角度；
(3)通过变换得到三相永磁同步电机三相电流的参考值，将其与实测的相电流进行比较，再将比较结果输入到滞环比较器得到PWM信号去控制变换器，进而实现永磁同步电机控制。
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