CN106411214A - 一种多相永磁电机主动缺相运行控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多相永磁电机主动缺相运行控制方法，其特征在于：利用多相***多三相组的冗余特性及谐波电流注入原理，当***轻载时，通过机组主动缺相运行的方式，按照不同功率要求，运行不同绕组***，来提高***运行效率，满足如兆瓦级风力发电、船舶电力推进***等大容量应用领域对***高效率运行的要求；多相永磁电机的设计，保留该特种电机高功率密度的同时提高了控制自由度。该装置包括直流电压源、电容、三相组电压型逆变器、继电器、多相永磁电机、编码器、矢量控制策略、电流滞环比较器、主动缺相机制。所述三相组电压型逆变器中点与多相永磁电机绕组中性点电气隔离。

Description

一种多相永磁电机主动缺相运行控制方法

技术领域

本发明属于电机驱动技术，具体涉及一种多相永磁电机主动缺相运行控制方法，可应用于诸如风力发电、船舶电力推进器等多三相电驱***应用场合。

背景技术

21世纪以来，世界性的能源短缺，环境污染和全球变暖等问题的严重性，引起了世界各国对节能技术的广泛关注，对于节能降耗的考虑已经到了刻不容缓的地步。电力工业既是产能大户，也是耗能大户，电机***节能降耗已成为当前全球共同关注的话题。除了大力加快推广高效率电机外，采用大功率变频调速***具有十分明显的节能效果。实现大功率调速的主要途径有多电平电机***和多相电机***两种，前者在过去的十多年中已在高压场合得到广泛应用，而后者在低压大电流调速场合更具优势。

发明内容

技术问题：本发明针对多三相电驱***轻负载时功率变换器损耗较高、电机***效率不高等问题，提出一种多相永磁电机主动缺相运行控制***，采用新颖的谐波电流注入式主动缺相运行控制方法，解决主动缺相电流在线求解和无扰运行等问题，可有效提高***运行效率，本发明的内容是围绕一种多相永磁电机的主动缺相驱动***而进行设计的。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明从***运行效率的角度，给出电机不同主动缺相运行方案中，对应多相永磁电机及变流器的功耗。并在此基础上，提出可提高***综合运行效率的主动缺相运行方法；同时从瞬态切换转矩出发，给出了容错切换型的投切方式。具体如下：

一种多相永磁电机主动缺相运行控制方法，所述永磁电机相数M＝N×3，N为正整数；所述控制方法包括如下两种情况：

第一、在负载率大于(N-1)/N时，采用N套三相绕组运行方式，即：永磁电机正常工作；须满足相电流和为零的约束条件，谐波子空间电流分量为在给定基波直轴电流控制下，忽略空载反电势内的谐波成分，调节给定基波交轴电流即可调节电磁转矩；

第二、在负载率小于1/N时，采用三相绕组运行方式，负载率在(λ-1)/N～λ/N(1<λ<N)时，采用λ套三相绕组运行方式，即：永磁电机主动缺相；要求输出转矩与所有永磁电机均工作时相同，则维持基波交轴电流不变，同时须满足相电流和为零的约束条件，结合定子铜耗最小边界条件，进行拉格朗日乘数法求解后，各谐波子空间电流分量表示为：

其中，

主动缺相机制的解析式为：

其中，

i_q1指基波转矩电流分量，由转速闭环PI调节器得到，i_dh、i_qh指主动缺相运行时在线生成的谐波电流分量，h指谐波次数，h＝3,5,…，K_h1到K_h4表示为第h次谐波同构系数，A指主动缺相矩阵，与主动缺相数k有关，每主动缺一相矩阵A行数加1，B指基波子矩阵，C指谐波子矩阵，θ指转子电角度。同时该算法仅与主动缺相相数组合相关。因此，***在主动缺相运行时，控制软件无需离线计算复杂方程组及算法切换，便可实现***的主动缺相无扰运行控制。

进一步的，包括直流电压源、电容、三相组电压型逆变器、继电器、多相永磁电机、编码器、矢量控制策略、电流滞环比较器、主动缺相机制；利用光电编码器的脉冲信号，计算出电机转子的位置θ_r及转速ω_r，在同步旋转坐标下，利用转速环的PI调节器得到给定基波转矩电流分量结合主动缺相矩阵A和权利要求1中各谐波子空间电流分量计算公式，直接算出主动缺相时相绕组的给定电流再利用电流滞环比较器将主动缺相时相绕组的给定电流与检测到的实际相电流i₁～i_M比较后得到相应的PWM脉动信号，最后通过三相组电压型逆变器作用于多相永磁电机上，达到调速及主动缺相运行控制的目的；同时结合主动缺相矩阵A在线求解3、5、…、h次谐波子空间电流分量值，去补偿基波磁势损失即维持恒定，间接地重构了剩余工作相的电流瞬时值。整个主动缺相运行过程不需控制策略及算法切换，并且保证***主动缺相运行后恒定转矩输出，同时电机输出转速不变，实现***的无扰运行。当电机的绕组发生主动缺相时，不用离线计算具体剩余工作相电流方程，而只用上述的电流直接控制法，结合主动缺相矩阵A，不需要算法切换，电机从多相正常态平滑过渡到主动缺相运行状态，同时输出转速、转矩均不变，实现***的无扰主动缺相运行控制。

进一步的，多相***矢量控制策略采用电流滞环比较器，由三相组电压型逆变器分别供电多相永磁电机N套三相绕组。

所述三相组电压型逆变器中点与多相永磁电机绕组中性点电气隔离。

诸如风力发电机、船舶电力推进器等多三相电驱动***应用场合，在带轻负载时输出功率很小，如果电机全部绕组均等地输出功率，则每个绕组和功率变换器都处于轻载状态，功率变换器将产生不必要的开关损耗。如主动关闭其中部分相组，由其余的一组或某几组对称三相子***工作就可满足输出要求，从而提高工作状态功率变换器的负载率，减小功率变换器的损耗，优化电驱动***效率。因此，在***轻载的情况下，机组可以采取主动缺相运行的方式，按照不同功率要求，运行不同绕组***，来提高运行效率。此时，相应的电力电子功率变换电路也需适应多套电枢绕组，提高功率变换器在电机及自身故障情况下的可靠性，这对整个电驱动***的运行方式选择、效率分析与优化具有重要意义。

因此基于多相永磁电机主动缺相运行控制的研究，对于推动多相电机***在新能源发电领域及电力推进等领域的应用具有重大理论意义和应用价值。

有益效果：

(1)在***轻载的工况下，电机及其控制***按照不同功率要求，采取主动缺相运行的方式，可以提高***运行效率。

(2)保证电机及其控制***主动缺相运行时，电机的输出转速、转矩均不变，实现***的无扰主动缺相运行控制。

(3)从基波磁势不变及定子铜耗最小边界条件两个角度对剩余工作相进行谐波电流补偿重构，能维持稳定的转矩输出同时减少瞬态切换转矩。

(4)不需要停机，只需通过在线求解各子空间谐波电流分量便可实现多相电机在线主动缺相运行。

(5)整个主动缺相运行控制算法对电机参数的依赖性小，使得控制程序具有很好的移植性及通用性，便于工程调试。

(6)可推广到任意多三相绕组主动缺相运行电机***。

附图说明

图1基于谐波电流补偿的多相永磁电机缺相容错控制***。

其中有：直流电压源(1)、电容(2)、三相组电压型逆变器(3)、继电器(4)、多相永磁电机(5)、编码器(6)、矢量控制策略(7)、电流滞环比较器(8)、主动缺相机制(9)。

图1中的符号名称分别是：-给定转速，ω_r-实际转速，-给定基波直轴电流，-给定基波交轴电流/基波转矩电流分量，θ_r-电机转子的位置，-M相绕组的给定电流，i₁～i_M-M相绕组的实际电流，T^-1-旋转坐标系至自然坐标系变换矩阵。T^-1的表达式为：

图2九相磁通切换电机***功率损耗分析。

图3容错切换响应性能分析。

具体实施方式

下面将参照附图对本发明进行说明。

本发明的核心是低负载率时采用主动缺相运行控制算法的提出。主动缺相运行控制算法根据相电流和为零的约束条件得出，当电机正常工作时谐波子空间电流分量可以表示为

在控制下，忽略空载反电势内的谐波成分，调节交轴电流即可调节电磁转矩。当电机及其控制***在轻负载率工况下需要主动缺相运行时，要输出与正常态下相同的转矩，则维持不变，同时须满足相为零的约束条件，结合定子铜耗最小边界条件，进行拉格朗日乘数法求解后，各谐波子空间的电流分量表示为：

其中，

主动缺相机制的解析式为：

其中，

本发明的谐波电流注入式主动缺相运行控制，其解析式仅有一个，因此不要算法切换，只需根据负载率的大小进行在线绕组投切，方便实际工程应用。

本发明公开一种新型多相永磁电机的主动缺相运行控制***，在矢量控制驱动电机***中，从负载率匹配下的主动缺相运行对剩余工作相电流进行重构设计，并充分利用谐波电流注入控制策略，改善了低负载率时电机***的运行效率。

本发明采用电流滞环PWM矢量控制技术，以九相磁通切换永磁电机主动缺失3相及6相运行为例进行设计。考虑***过载的情况，在负载率大于66.6％时，应采用九相绕组运行方式。负载率小于66.6％时分为两个区间，第一区间为小于33.3％的负载率，此时九相磁通切换永磁电机***可分别采用三相、六相或九相绕组运行方式；第二区间为33.3％～66.6％负载率，此时***可采用六相或九相绕组运行方式。这里从***运行功耗分析，进而讨论区间内最佳的绕组工作模式。

图2所示为九相磁通切换永磁电机***不同区间内三种绕组工作模式下的功率损耗分析，可以看出，第一区间内，三相绕组工作模式损耗最低，九相最高；第二区间内，六相绕组工作模式要优于九相绕组工作模式。

图3所示为配合谐波电流注入的容错切换响应性能，即在0.02s时三相绕组切除同时配合5、7谐波电流注入，而后在0.023s和0.024s时依次切除5次及7次谐波电流。通过主动缺相切换方式后，九相磁通切换永磁电机***能稳定工作在六相绕组运行模式，相电流正弦、转矩平稳。同时，无论从瞬态相电流响应还是从瞬态切换转矩分析，容错切换型投切方式基本实现了***主动缺相的无扰运行。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。

Claims (3)

1.一种多相永磁电机主动缺相运行控制方法，其特征在于：所述永磁电机相数M＝N×3，N为正整数；所述控制方法包括如下两种情况：

第一、在负载率大于(N-1)/N时，采用N套三相绕组运行方式，即：永磁电机正常工作；须满足相电流和为零的约束条件，谐波子空间电流分量为在给定基波直轴电流控制下，忽略空载反电势内的谐波成分，调节给定基波交轴电流即可调节电磁转矩；

第二、在负载率小于1/N时，采用三相绕组运行方式，负载率在(λ-1)/N～λ/N(1<λ<N)时，采用λ套三相绕组运行方式，即：永磁电机主动缺相；要求输出转矩与所有永磁电机绕组均工作时相同，则维持基波交轴电流不变，同时须满足相电流和为零的约束条件，各谐波子空间电流分量表示为：

$\left[\begin{array}{c}{i}_{dh}\\ i_{qh}\end{array}\right]=\frac{i_{q1}}{2}K\left[\begin{array}{c}sin(h+1)\mathrm{\&theta;}\\ \cos (h+1)\mathrm{\&theta;}\\ \sin (h-1)\mathrm{\&theta;}\\ \cos (h-1)\mathrm{\&theta;}\end{array}\right]$

其中，

$K=\left[\begin{array}{cccc}-K_{h1}+K_{h4}& K_{h2}+K_{h3}& K_{h1}+K_{h4}& K_{h2}-K_{h3}\\ -K_{h2}-K_{h3}& -K_{h1}+K_{h4}& -K_{h2}+K_{h3}& K_{h1}+K_{h4}\end{array}\right]$

主动缺相机制的解析式为：

$\mathrm{\&Gamma;}=-{\left({\mathrm{CC}}^T\right)}^{-1}{C}^{T}B=\&lsqb;\begin{array}{c}{K}_{31}\\ K_{33}\\ K_{51}\\ K_{53}\\ \begin{array}{c}.\\ .\\ .\end{array}\\ K_{h1}\\ K_{h3}\end{array}|\begin{array}{c}{K}_{32}\\ K_{34}\\ K_{52}\\ K_{54}\\ \begin{array}{c}.\\ .\\ .\end{array}\\ K_{h2}\\ K_{h4}\end{array}\&rsqb;$

其中，

$\begin{array}{c}A=\&lsqb;B|C\&rsqb;=\\ \&lsqb;\begin{array}{cc}\cos \left(\left(k-1\right)\mathrm{\&gamma;}\right)& \sin \left(\left(k-1\right)\mathrm{\&gamma;}\right)\\ \begin{array}{c}.\\ .\\ .\end{array}& \begin{array}{c}.\\ .\\ .\end{array}\end{array}|\begin{array}{cccc}\cos \left(3\left(k-1\right)\mathrm{\&gamma;}\right)& \sin \left(3\left(k-1\right)\mathrm{\&gamma;}\right)& ...& \sin \left(h\left(k-1\right)\mathrm{\&gamma;}\right)\\ \begin{array}{c}.\\ .\\ .\end{array}& \begin{array}{c}.\\ .\\ .\end{array}& \begin{array}{c}.\\ .\\ .\end{array}& \begin{array}{c}.\\ .\\ .\end{array}\end{array}\&rsqb;\end{array}$

i_q1指基波转矩电流分量，由转速闭环PI调节器得到，i_dh、i_qh指主动缺相运行时在线生成的谐波电流分量，h指谐波次数，h＝3,5,…，K_h1到K_h4表示为第h次谐波同构系数，A指主动缺相矩阵，与主动缺相数k有关，每主动缺一相矩阵A行数加1，B指基波子矩阵，C指谐波子矩阵，θ指转子电角度。

2.根据权利要求1所述的一种多相永磁电机主动缺相运行控制方法，其特征在于：包括直流电压源(1)、电容(2)、三相组电压型逆变器(3)、继电器(4)、多相永磁电机(5)、编码器(6)、矢量控制策略(7)、电流滞环比较器(8)、主动缺相机制(9)；利用光电编码器的脉冲信号，计算出电机转子的位置θ_r及转速ω_r，在同步旋转坐标下，利用转速环的PI调节器得到给定基波转矩电流分量结合主动缺相矩阵A和权利要求1中各谐波子空间电流分量计算公式，直接算出主动缺相时相绕组的给定电流再利用电流滞环比较器将主动缺相时相绕组的给定电流与检测到的实际相电流i₁～i_M比较后得到相应的PWM脉动信号，最后通过三相组电压型逆变器作用于多相永磁电机上，达到调速及主动缺相运行控制的目的；同时结合主动缺相矩阵A在线求解3、5、…、h次谐波子空间电流分量值，去补偿基波磁势损失即维持恒定，间接地重构了剩余工作相的电流瞬时值。

3.根据权利要求1所述的一种多相永磁电机主动缺相运行控制方法，其特征在于：多相***矢量控制策略(7)采用电流滞环比较器(8)，由三相组电压型逆变器(3)分别供电多相永磁电机N套三相绕组。