九相永磁同步推進電機系統主動切套運行控制策略

翟自斌，鄭曉欽，李修東

九相永磁同步推進電機系統主動切套運行控制策略

翟自斌，鄭曉欽，李修東

（青島大學電氣工程學院，山東 青島 266071）

主動切套運行是多套多相電機特有的一種對稱故障運行方式，可根據負載率選擇最佳的運行繞組套數，以優化電機系統效率。本文以三套三相繞組構成的九相永磁同步推進電機系統為研究對象，研究了電機主動切套的控制方法，通過考慮切套前后推進電機本體及其逆變器損耗的變化，得到九相永磁同步推進電機系統全轉矩范圍內損耗最小的切套運行方式。通過對9kW九相永磁同步推進電機原理樣機進行Simulink仿真計算，驗證了理論分析的正確性。

九相永磁同步電機；切套控制；損耗分析

0 前言

電力推進分系統作為艦船綜合電力系統中的主要分系統，也是電能需求量最大的分系統，其重要性不言而喻[1]。高效率、高轉矩密度、高可靠性是對大容量推進電機系統的基本要求[2]。推進電機系統損耗的降低成了提高效率的關鍵因素，需要綜合考慮推進電機本體以及逆變器的損耗[3]。

相比于傳統的勵磁電機，永磁同步電機能夠獲得更高的效率與轉矩密度，特別適合在空間受限的多功能艦船上使用[4]。同時，繞組經多相化設計后，可使用低壓開關器件實現大功率驅動，轉矩脈動減小，可靠性提高，具有更多的控制資源和自由度[5]。鑒于多相永磁電機的諸多優勢，已逐步應用于各國大容量艦船的推進系統中[6]。

不同于傳統多相繞組結構，多相永磁推進電機常采用多套多相繞組結構。一方面，當電機某相繞組發生故障時，可將故障相所在的整套繞組切出，犧牲部分帶載能力，最大程度的保證故障電機平穩運行；另一方面，在艦船作業與巡航減速航行時，為避免功率逆變器在輕載工況產生不必要的損耗，可根據負載需要主動切套運行，以提高推進系統效率。因此，為提高整個推進系統的可靠性和高效性，開展多相永磁推進電機切套運行研究勢在必行。文獻[7]針對九相磁通切換永磁電機輕載運行工況，主動關閉其中部分相繞組，使用一套或兩套三相繞組工作就可以滿足輸出要求，減小逆變器損耗，優化推進系統的效率。文獻[8]針對四套三相繞組構成的十二相永磁推進電機系統，研究了分組控制的驅動系統容錯控制方式。當某相出現故障時，切出故障相所在的整套繞組及控制通道，保證故障電機可靠運行。文獻[9]針對三套五相繞組構成的十五相感應推進電機切套減額運行工況，得到電機切套減額運行時與負載相適應的最大輸出轉矩。

本文針對三套三相繞組構成的九相永磁推進電機系統，研究了推進系統全轉矩范圍內，主動切出不同套數繞組運行的控制方式，以及同時考慮不同切套運行時推進電機本體及其逆變器的系統損耗變化，得出與負載相適應的最優切套運行方式。

1 九相永磁同步電機繞組結構

本文研究的九相永磁同步電機定子繞組由三套三相開端繞組構成，每兩套三相繞組互成p/9電角度，采用H橋逆變電路分別驅動各相[9]。圖1所示為電機切套運行前后的繞組變化。圖2所示為九相H橋逆變電路的拓撲結構。

圖1 九相永磁推進電機切套減額運行前后繞組變化

圖2 九相H橋逆變電路拓撲結構

2 九相永磁同步電機切套運行數學模型

2.1 電機正常運行時的數學模型

九相永磁同步電機是一個高階、非線性、強耦合的多變量系統，在a-b-c坐標系下對其數學模型進行分析較為復雜，為簡化分析，將其數學模型解耦到0坐標系中，解耦矩陣及其逆矩陣為：

式中，子矩陣為：

式中，表示繞組套數，取值為1,2,3。

解耦后0坐標系各軸電流分量仍為交流量，為方便控制，需將其轉化為d-q-0坐標系下的直流量，變換矩陣為：

式中，為同步角位移，有=d，為電角速度。

九相永磁同步電機在d-q-0坐標系下的電壓方程、磁鏈方程、轉矩方程和運動方程分別為：

式中，有：

2.2 切套運行對數學模型的影響

多相永磁同步電機切出不同套數繞組運行時，部分參數會發生變化[10]，需要重新計算。根據文獻[11]可知，兩相繞組重合時的主電感m表達式為：

式中，0為空氣相對磁導率；定子極距；ef為定子有效長度；為定子繞組每相串聯匝數；wv為定子繞組基波繞組因數；p為極對數；ef為氣隙有效長度。

由式（8）可以看出，定子兩相間的主電感m僅與電機結構有關，與相數無關。因而，電機切套運行時，m不發生變化。

定子漏感sσ是計及所有相繞組共同作用時的定子每相漏感。根據文獻[12]可知，定子漏抗受相數影響較大，且沒有規律可循，因此只能重新計算。定子漏感主要包括端部漏感、槽漏感、諧波漏感三部分。根據文獻[13]介紹的方法，可分別計算九相永磁同步電機不同切套運行時的漏感參數，詳見表1。

表1 切套前后定子漏感參數變化

3 九相永磁同步電機切套運行的實現

3.1 切套運行控制策略

圖3所示為基于三d-q模型的九相永磁同步電機切套控制框圖。整個控制回路由轉速外環和電流內環組成，設置了轉速調節器和電流調節器來進行控制。

圖3 基于三d-q模型的九相永磁同步電機切套控制框圖

圖3中三個虛線框的內容為三套三相繞組的控制部分。每切一套三相繞組運行時，就有一個虛線框中的控制部分退出運行，剩余繞組繼續工作，保證了電機的不間斷運行。仿真電機參數見表2。

表2 九相永磁同步電機參數

對九相永磁同步電機正常運行、切一套三相繞組運行和切兩套三相繞組運行分別了進行仿真。圖4~6所示為相應運行條件下加載后的電流和轉矩。

圖4 九相永磁同步電機正常運行時電流、轉矩波形

圖5 九相永磁同步電機切一套三相繞組運行時電流、轉矩波形

圖6 九相永磁同步電機切兩套三相繞組運行時電流、轉矩波形

3.2 推進電機系統的損耗分析

3.2.1 電機本體損耗

電機本體損耗的增加會導致電機運行效率降低。九相永磁同步電機運行時主要的電磁損耗包括：鐵耗、永磁體渦流損耗和銅耗[14]。文獻[7]建立了電機損耗模型，并分析出電機缺相運行時，電機內部損耗發生改變的只有銅耗，其余損耗變化不大。因此，進行切套控制損耗分析時，電機本體損耗只需計算銅耗的增加。

九相永磁同步電機銅耗計算與切套后電流大小有關，通過對切套控制后的電流進行分析，可得到切套控制電機內部損耗的變化。

由文獻[8]得知，在電機系統不過載的情況下，三相繞組運行時，負載率不得超過33%；六相繞組運行時，負載率不得超過66%；九相繞組運行時，加載不得超過額定負載。電機進行切套控制時，在系統不過載的前提下，得到了計及運行繞組相數和負載率的銅耗，見表3。

表3 計及運行繞組相數和負載率的銅耗

3.2.2 逆變器損耗

逆變器主要由IGBT和反并聯二極管組成[15]，二者進行開關時，會產生逆變器損耗。逆變器總損耗包括通態損耗和開關損耗[16]。

（1）IGBT通態損耗

IGBT的通態損耗與導通壓降、流過IGBT的電流、占空比有關。IGBT的通態損耗為：

式中，con_IGBT為IGBT通態損耗；CE()為IGBT導通壓降函數；c()為流過IGBT的電流函數；Q()為IGBT占空比函數；為調制波周期。

（2）IGBT開關損耗

IGBT的開關損耗與其開關特性有關，包括開通損耗和關斷損耗，可表示為：

式中，sw_IGBT為IGBT開關損耗；sw為開關頻率；on()為導通一次的能耗函數；off()為關斷一次的能耗函數。

（3）二極管的通態損耗

二極管的通態損耗與導通壓降、流過二極管的電流、占空比有關。二極管的通態損耗為：

式中，on_Diode為二極管的通態損耗；F()為二極管的導通壓降函數；F()為流過IGBT的電流函數；D()為二極管的占空比函數。

（4）二極管的關斷損耗

二極管的開通損耗遠小于關斷損耗，因此，只需計算二極管關斷損耗即可。二極管關斷損耗為：

式中，sw_Diode為二極管的關斷損耗；rec()為反向恢復能耗函數。

九相永磁同步電機進行切套控制時，逆變器損耗隨著相數的減少而降低。電機進行切套控制時，得到了計及運行繞組相數和負載率的逆變器損耗，見表4。

表4 計及運行繞組相數和負載率的逆變器損耗

九相永磁同步推進電機系統切套控制損耗變化包含電機內部損耗變化和逆變器損耗變化。將表3與表4中損耗相加，可得到切套控制時，推進電機系統的損耗變化，如圖7所示。

圖7 推進電機系統損耗分析圖

由圖7可知，在電機系統不過載的情況下，負載率小于0.33時，三相繞組、六相繞組和九相繞組都可以帶負載運行，在此情況下，九相繞組帶負載運行的功率損耗最大，六相繞組次之，三相繞組最小，故選擇切兩套三相繞組運行方式最優。負載率為0.33~0.66時，三相繞組投入運行，電機過載，只有六相繞組、九相繞組可以帶負載運行，在此情況下，九相繞組帶負載運行的功率損耗較大，六相繞組較小，故選擇切一套三相繞組運行方式最優。負載率為0.66~1時，為使電機不過流，必須九相繞組全部投入運行，不能選擇其他的切套方式運行。

4 結論

本文對三套三相繞組構成的九相永磁同步推進電機進行了切套控制，并進行仿真分析。綜合計算了推進電機系統運行時電機本體的銅耗和逆變器損耗，得出電機不過流情況下，全轉矩范圍內損耗最小的切套運行方式。結論如下：

（1）負載率小于0.33時，切出兩套三相繞組運行的功率損耗最小，運行方式最優；

（2）負載率為0.33~0.66時，切出一套三相繞組運行的功率損耗最小，運行方式最優；

（3）負載率為0.66~1時，九相繞組需全部投入運行。

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Active Symmetrical Fault Operation Control Strategy of Nine-phase Permanent Magnet Synchronous Propulsion Motor System

ZHAI Zibin, ZHENG Xiaoqin,LI Xiudong

(College of Electrical Engineering, Qingdao University, Qingdao 266071, China)

Active symmetrical fault operation is a unique symmetrical fault operation mode ofsynchronous motor composed of multiple sets of multi-phase windings. The optimal number of running winding sets can be selected according to the load rate to optimize the efficiency of the motor system. This paper takes the nine-phase permanent magnet synchronous propulsion motor system composed of three sets of three-phase windings as the research object, and studies the control method of the motor's active symmetrical fault. By considering the changes in the loss of the propulsion motor and its inverter during symmetrical fault operation, the symmetrical fault operation mode with the smallest loss in the full torque range of the nine-phase permanent magnet synchronous propulsion motor system is obtained. Simulink simulation calculation of a 9kW nine-phase permanent magnet synchronous propulsion motor prototype verified the correctness of the theoretical analysis.

nine-phase PMSM; symmetrical fault control; loss analysis

TM341

A

1000-3983(2021)01-0014-06

國家自然科學基金資助項目（51907093）；山東省自然科學基金資助項目（ZR2019BEE009）

2020-06-16

翟自斌（1996-），現為青島大學電機與電器方向全日制碩士研究生，研究方向為多相永磁同步電機控制。