三相和五相PMSM缺相運行的仿真分析

張金輝

（1.河南理工大學,河南 鄭州，454001；2.河南工業和信息化職業學院，河南 鄭州454001）

由于受到電力系統的限制，長期以來交流傳動系統主要集中在單相和三相電機上。近年來，隨著電力電子技術和微處理器的發展，電力變換器已經擺脫了電力系統中標準三相電流的限制，多相電機驅動控制技術領域得到了充分的發展空間［1］。

1 仿真

本文對4.4KW三相PMSM和4.4KW五相PMSM電流和速度雙閉環控制的缺相運行情況進行仿真，仿真圖如下圖1所示。仿真參數的具體設置如下所述。

1.1 三相PMSM缺相運行部分仿真參數的設置

三相PMSM參數：定子相電阻R=0.129Ω，電機的電樞電感Lam=1.53mH，電機的永磁磁鏈ψf=0.1821Wb，轉動 慣 量J=3.334e-3（kg·m2），電 機 的 摩 擦 因 數μf=0.000425，極對數p=4，額定輸出轉矩設置為7N·m；

PI積 分器：Integral參 數 為3，Proportional參 數0.4，Minimum andmaximum outputs參數為[-150，150］；

Fault operation command 1：Time為[0 0.09］，Amplitude為[1 0］；

Faultoperation command（與斷路器相連）：Time為[0 0.06］，Amplitude為［1 0］。

1.2 五相PMSM缺相運行部分仿真參數的設置

五相PMSM參數：定子相電阻R=0.12Ω，電機的電樞電感Lam=1.35e-3mH，電機的永磁磁鏈ψf=0.05Wb，轉動慣量J=0.002（kg·m2），電機的摩擦因數μf=0.02，極對數p=4，額定輸出轉矩設置為7N·m。［2］

PI積分器：Integral參數為11，Proportional參數20，Minimum andmaximum outputs參數為［-150，150］；

Fault operation command：Time為［0 0.09 0.15］，Amplitude為［2 1 0］；

Faultoperation command（與A相斷路器相連）：Time為［0 0.06］，Amplitude為［1 0］；

Faultoperation command（與B相斷路器相連）：Time為［0 0.12］，Amplitude為［1 0］。

1.3 仿真算法為：可變步長ode23tb（stiff/TRBDF2），相對轉矩為1e-4。

由上述設置參數可知，自仿真起始時間開始，兩臺電機全相正常運行。當仿真時間t=0.06s時，兩臺電機的A相同時故障，電機缺相運行。當仿真時間t=0.12s時，五相PMSM的B相也發生故障，電機缺相情況更加嚴重。

在上述仿真算法的條件下，運行圖1的模型，可以得到當三相PMSM和五相PMSM缺相運行時，永磁電機轉速和轉矩的仿真結果分別如下圖所示：

圖1 三相PMSM和五相PMSM缺相故障仿真運行

圖2 三相PMSM和五相PMSM轉速、轉矩比較圖

2 分析

由 圖2可 知，當t=0.06s時，三 相PMSM和 五 相PMSM同時發生A相故障，但五相PMSM比三相PMSM的調節能力強，電機轉速和轉矩的波形能夠迅速自動恢復穩定狀態。而對于三相PMSM，只有當t=0.09s時，每個控制器的電流參考被用于補償相位缺失之后，電機轉速和轉矩的波形才可再次達到穩定狀態。當t=0.12s時，五相PMSM的B相開路，缺相情況更加嚴重，這時就不能單靠五相PMSM的自動恢復能力，而需要在t=0.15s時，每個控制器的電流參考被用于補償相位缺失來促進電機轉速和轉矩達到穩定運行［3］。

三相PMSM和五相PMSM在缺相發生瞬間，定子側電流都會存在短暫波動，但最終都趨向于正弦波。此外，需要注意的是，缺相側的定子相電流變為0。如三相永磁同步電機A相開路定子電流圖2（a）左圖a）所示，最終A相定子電流為0；五相永磁同步電機A、B相開路定子電流圖2（a）右圖b）所示，最終A、B兩相定子電流都為0。

通過在Matlab中仿真分析可以得出結論，五相PMSM對比與三相2PMSM，具有更強的容錯控制能力。除此之外，需要著重注意的是，對于三相電機，如果故障發生在其中一相，只能把母線中性點和電機中性點相連接來保證電機正常運轉，使得電機旋轉磁動勢恒定。而對于五相電機，在一相發生故障時，可以通過電機自身的自動調節，來保證電機的正常運行。

［1］Leila Parsa，H.A.Toliyat.Multi-Phase Permanent Magnet Motor Drives.IEEE IASAnnualMeeting.2003:401-408.

［2］ToliyatH.A.Waikar S.P.Lipo T.A.Analysis and simulation of five-phase synchronous reluctance machines including third harmonic of airgap MMF.Industry Applications，IEEE Transactions.1998，2:332-339.

［3］Shuai Lu，Keith Corzine.Multilevel Multi-phase Propulsion Drives.IEEE Electric Ship Technologies Symposium.2005:363-370.