基于MSC的五相感應電機缺兩相容錯控制

2021-02-28 02:44:36周銀萍趙鏡紅程海軍馬遠征

微特電機 2021年2期

周銀萍，趙鏡紅，程海軍，馬遠征

(海軍工程大學電氣工程學院，武漢 430033)

0 引言

大容量感應電機因其結構簡單，維護方便，易于控制等優點得到了廣泛的應用[1-2]，作為艦船動力系統重要一環，對其穩定性要求很高[3]。在艦船正常行駛過程中一旦發生不可逆轉的重大故障，要能夠自我修復或調節，以保證系統正常運行，保障艦船能夠在海上正常行駛和保護航海人員的安全。為此，多相感應電機的高可靠性、高容錯率已成為國內外研究的熱點課題。目前，多相感應電機最常見的故障方式就是功率變換電路故障[4-7]，即功率管斷路故障或功率管直通故障，斷路故障又分為一相斷路和兩相斷路故障[8]。國內外關于功率管一相斷路的研究已經很成熟了，但是功率管斷兩相的研究還有待加強[9-11]。

文獻[12]在五相永磁同步電機發生兩相開路故障時，提出一種矢量脈寬調制技術來保證電機在開路故障下高品質運行，但是此方法用于感應電機容錯控制，計算量較大，不易實現；文獻[13-14]基于電機正常運行時磁勢為恒定圓形的容錯控制調節，以多相感應電機缺相后磁動勢平衡為容錯控制策略，對集中整距繞組的五相電機進行容錯控制，約束磁動勢不變，使五相感應電機能夠保證在缺相狀態下保持正常運行,但磁動勢不變時電機轉矩就得不到相應保證，對于有高工作需求的電機來說無法實現；文獻[15-17]將多相感應電機等效為多相等效電路，基于該等效電路對缺相系統進行容錯控制，但是未考慮電機缺多相運行的情況；文獻[18]以效率優化和銅損最小化為前提，提出一種全轉矩范圍效率優化容錯控制策略，但該方法在控制效率和銅耗方面有一定的局限性；文獻[19]提出一種雙平面同步旋轉變換的間接矢量控制方法，通過控制五相感應電機的氣隙磁場來達到容錯目的，但是該方法采用的電流滯環控制會產生開關頻率不穩定，電流波動大等問題。

本文以五相感應電機為主要研究對象，提出了一種以轉矩脈動最小為前提，應用對稱分量法(以下簡稱MSC)對五相感應電機缺兩相運行系統進行容錯控制的方法，以提高五相感應電機在斷路故障時的穩定性。通過約束轉矩脈動最小，控制剩余各相電流的幅值和相位來實現控制五相感應電機正常運行，并在容錯控制時采用空間矢量脈寬調制(SVPWM)技術，減少原始電流滯環控制所帶來的問題。對該容錯方法進行仿真分析，得到了容錯控制后各相電流合成磁勢為圓形，且轉矩脈動最小化，驗證MSC應用于五相感應電機容錯控制的可靠性。

1 基于MSC的五相感應電機缺相分析

1.1 基于MSC的五相感應電機缺相模型

電力系統的正常運行一般是對稱的，對于健康的情況，五相電機可以象三相電機一樣處理，其中基本序列是唯一的功能序列。為此，五相系統通常基于具有多個子空間的傳統d,q模型來建模。對于這種建模技術，通常假設只考慮兩個子空間(基波和三次諧波磁通分量)的主空間諧波，且這兩個子空間相互正交，相繞組沿定子周邊對稱分布(飽和度、滯后和趨膚效應被忽略)。根據MSC原理和五相感應電機等效電路圖，五相系統在基波條件下的電流可變換出五個對稱分量。因此，通過求解一組同步電流方程來確定相應的繞組電流，然后計算其他電機變量是本文研究的主要問題。此時，利用MSC將發生缺相故障的五相電機系統分解為4個序分量和1個零序分量并進行各對稱序分量之間的電路計算。

本文只研究了MSC下五相感應電機基波狀態下缺兩相的情況，此時令a=e-2πj/5，可得五相感應電機基波下的MSC變換模型：

(1)

式中：I11～I14為基本子空間的四個電流序分量;I10為零序分量。

根據瞬態對稱分量法[17]，可以列出非正弦供電時的五相電機缺相后不對稱系統的基本子空間瞬時轉矩：

Te(t)=Tem(t)+ΔTe14(t)+ΔTe32(t)

(2)

式中：

(3)

式中:Tem(t)為基波子空間平均轉矩； ΔTe14(t)和ΔTe32(t)為基波子空間轉矩脈動。

因為兩個子空間的電流分量具有相同的頻率，所以基波下由兩個子空間引起的總轉矩脈動幅度：

(4)

1.2 基于MSC的容錯控制約束條件

五相感應電機有5個對稱分量，其中包括有4個電流序分量和1個零序電流分量。在沒有諧波電流注入的情況下，星型連接的五相感應電機中性點隔離，零序電流分量為零。由于定子繞組開路后，基波電流產生的磁動勢不再為零，使得無效磁動勢大量增加，所以本文以容錯電流為主要研究對象，設定各相容錯電流不能超過額定值，總銅損最小原則以及轉矩脈動最小原則為約束條件，同時求出最優解。即需要滿足如下條件1：

Intol≤Inrated

(5)

式中:Intol為容錯電流；Inrated為額定電流。

電機在基波供電狀態下除零序電流分量外的4個電流序分量分別為I11～I14，當電機正常運行時只有基波磁動勢I11不為零，但是當五相感應電機發生缺相故障時，I11～I14均不為零，而為了方便分析，且使電機能夠在缺相狀態下也能達到最佳狀態，一般令轉矩脈動最小，基于MSC下的電機轉矩由4個電流序分量組成，其中脈動轉矩由兩部分構成ΔTe14和ΔTe32，而轉矩脈動ΔTe14的系數是ΔTe32系數的3倍，所以要使轉矩脈動最小，就要令ΔTe14=0。為了方便分析五相電機缺相故障時的容錯電流，使得轉矩脈動最小，磁動勢不變，可得各相電流序分量約束條件2：

(6)

2 基于MSC的五相感應電機容錯控制

2.1 基于MSC的五相感應電機缺A，B相容錯控制

五相感應電機缺兩相運行可以有兩種情況：一種是相鄰兩相斷路；另一種是不相鄰兩相斷路。首先分析相鄰兩相斷路的情況，假設A，B兩相斷路，那么A，B兩相相電流就為零，即IA=IB=0。根據MSC確定各序分量之間的關系，可知缺A，B相時五相感應電機的各相電流脈動轉矩分量表達式：

(7)

進行容錯控制時，在磁動勢不變的情況下，當轉矩脈動最小時，就有I14=0，I11依舊保持不變，根據反變換原則，可以得到容錯控制時各序分量關系：

(8)

(9)

計算得到的五相感應電機缺A,B兩相運行的容錯電流如下：

(10)

2.2基于MSC的五相感應電機缺A，C相容錯控制

當五相系統缺A，C兩相時，有IA=IC=0，就有反變換約束條件如下：

(11)

同理，I11保持不變，I14=0，得到：

(12)

(13)

解得二、三序分量容錯后電流方程如下：

(14)

2.3 容錯控制實現方式

電機缺相運行時，與正常運行時的方程基本相同，控制方式也與正常運行時保持一致，只是在正常運行的基礎上加入容錯環節，使原本矢量控制的5/2變換變為3/2變換。為了減少開關頻率大、電流不穩定等問題，本文將原始的電流滯環控制改為SVPWM控制，并重新計算相關電感參數即可。容錯控制框圖如圖1所示。

圖1 基于MSC的五相感應電機容錯控制框圖

3 仿真及分析

根據圖1的容錯控制框圖，下面驗證理論分析的正確性，電機模型的參數如表1所示。

表1 五相感應電機參數

為了驗證理論分析，將計算得出的容錯電流代入仿真進行驗證，得到五相感應電機缺A，B相運行時的缺相電流和容錯電流以及缺相時的電流合成磁勢對比圖如圖2～圖4所示。

圖2 五相感應電機缺A，B相電流

從圖4可以看出，五相感應電機缺A，B兩相未進行容錯時，定子相電流不對稱，且各相電流均明顯增大，d,q軸電流合成磁勢軌跡畸變為向左傾斜的橢圓形。而從圖3容錯后的電流波形可以看出，采用MSC計算得到的電機缺A，B相運行時容錯電流對系統重新進行控制，容錯電流將缺相后變換到d,q軸的電流合成磁勢軌跡由橢圓重新調整為圓形，產生基波正轉圓形磁場，有效地抑制了轉矩脈動，使電機缺相時不產生振動和過大的噪聲，按照原工作內容繼續平穩運行。

五相感應電機缺A，C相運行時的缺相電流和容錯電流以及缺相前后電流合成磁勢對比圖如圖5～圖7所示。