非正弦供电下五相异步电机容错控制研究

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近年来世界对船舶电力推进、电动汽车、轨道交通和全电传飞行器等海、陆、空电气化交通领域需求越来越高,多相异步电机由于其多自由度、低压大功率、高转矩密度和高可靠性的优点已经成为各国的研究热点。本文以五相异步电机为研究对象,针对容错控制和非正弦供电技术进行了比较深入的研究,文章的主要内容如下:第一,介绍了国内外多相电机的研究情况和发展历史,对多相异步电机的非正弦供电技术和容错控制技术进行了综述,从绕组函数出发计算了多相电机的磁动势,根据空间谐波和时间谐波阐述了电机绕组结构与注入谐波电流的组合方式,并基于多相坐标变换矩阵介绍了多相异步电机任意速坐标系下的数学模型。第二,以传统谐波注入算法为例,基于五相异步电机的数学模型得到非正弦供电时的转矩增益,阐述了功率密度提高的原因。介绍了非正弦供电气隙磁密为平顶波的三个约束条件:幅值约束、相角约束和转差约束,分析了传统谐波注入方法只适合于空载运行的缺陷。为解决带载情况下传统控制方法气隙磁密畸变的缺陷,阐述了一种新颖的谐波注入算法,并在实验平台上实现。首先根据相角约束和幅值约束得到三次谐波平面MT轴电流与基波平面MT轴电流的非线性关系,在变负载下实时调节三次谐波气隙磁场的相位,使其在空载和负载下均为平顶波,从而提升了电机的转矩密度和铁芯利用率。第三,基于对称分量法对五相异步电机缺相故障进行建模,得到故障后电机的平均转矩、脉动转矩、总铜耗和效率表达式,为容错策略的设计和评价提供了依据。通过对称分量变换,基波电流和三次谐波电流均可变换出五个对称分量,由于电机中性点隔离,零序分量为零。根据脉动转矩的表达式,无论在基波供电还是谐波供电情况下,脉动转矩均由两部分构成,第一部分为第一序分量和第四序分量的函数,第二部分为第二序分量和第三序分量的函数,由于第一部分的系数是第二部分的三倍,在容错控制时为使转矩脉动最小,提出一种将脉动转矩第一部分尽可能减小的控制概念。基于此控制概念,在保证定子磁动势不变的前提下,分别对基波电流和三次谐波电流进行优化。在基波供电的情况下,第一序分量代表基波磁动势,在设计序分量分布时应保持不变,结合缺相故障下的反变换约束,若只保留基波电流的第一序分量和第二序分量或第一序分量和第三序分量,可使转矩脉动为零。通过比较两种策略的平均转矩、总铜耗和效率,发现只保留第一序分量和第二序分量的容错策略效率和平均转矩均优于后者,同时其平均转矩与最大转矩策略基本相同。在三次谐波电流优化方面,三次谐波电流的第三序分量代表三次谐波磁动势,同理,在设计序分量分布时应保持不变,若只保留三次谐波电流的第三序分量和第二序分量,并结合基波电流的优化方案,可使脉动转矩的第一部分为零,从而使得五相异步电机在三次谐波注入下转矩脉动最小。将所提策略与现有的转矩脉动最小策略和最大转矩策略进行对比,进一步说明所提策略的优势。第四,随着电机相数和故障相的增多,在磁动势不变的前提下容错电流给定的计算量逐渐增加。为降低计算量,从多目标优化的角度,以负序分量最小,正序分量最大,耦合序分量幅值最小为目标,并满足反变换后的缺相约束条件和各相电流幅值相等,使用遗传算法进行寻优,结果表明,寻优后基波电流的序分量分布与电流幅值相等法相同,而优化后的三次谐波电流的耦合序分量相比电流幅值相等法幅值明显减小,同时铜耗、平均转矩、转矩脉动、效率均有所改善。
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