本發(fā)明屬于電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)，具體涉及一種多相永磁電機(jī)主動(dòng)缺相運(yùn)行控制方法，可應(yīng)用于諸如風(fēng)力發(fā)電、船舶電力推進(jìn)器等多三相電驅(qū)系統(tǒng)應(yīng)用場(chǎng)合。

背景技術(shù)：

21世紀(jì)以來(lái)，世界性的能源短缺，環(huán)境污染和全球變暖等問(wèn)題的嚴(yán)重性，引起了世界各國(guó)對(duì)節(jié)能技術(shù)的廣泛關(guān)注，對(duì)于節(jié)能降耗的考慮已經(jīng)到了刻不容緩的地步。電力工業(yè)既是產(chǎn)能大戶，也是耗能大戶，電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能降耗已成為當(dāng)前全球共同關(guān)注的話題。除了大力加快推廣高效率電機(jī)外，采用大功率變頻調(diào)速系統(tǒng)具有十分明顯的節(jié)能效果。實(shí)現(xiàn)大功率調(diào)速的主要途徑有多電平電機(jī)系統(tǒng)和多相電機(jī)系統(tǒng)兩種，前者在過(guò)去的十多年中已在高壓場(chǎng)合得到廣泛應(yīng)用，而后者在低壓大電流調(diào)速場(chǎng)合更具優(yōu)勢(shì)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

技術(shù)問(wèn)題：本發(fā)明針對(duì)多三相電驅(qū)系統(tǒng)輕負(fù)載時(shí)功率變換器損耗較高、電機(jī)系統(tǒng)效率不高等問(wèn)題，提出一種多相永磁電機(jī)主動(dòng)缺相運(yùn)行控制系統(tǒng)，采用新穎的諧波電流注入式主動(dòng)缺相運(yùn)行控制方法，解決主動(dòng)缺相電流在線求解和無(wú)擾運(yùn)行等問(wèn)題，可有效提高系統(tǒng)運(yùn)行效率，本發(fā)明的內(nèi)容是圍繞一種多相永磁電機(jī)的主動(dòng)缺相驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)而進(jìn)行設(shè)計(jì)的。

技術(shù)方案：為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明從系統(tǒng)運(yùn)行效率的角度，給出電機(jī)不同主動(dòng)缺相運(yùn)行方案中，對(duì)應(yīng)多相永磁電機(jī)及變流器的功耗。并在此基礎(chǔ)上，提出可提高系統(tǒng)綜合運(yùn)行效率的主動(dòng)缺相運(yùn)行方法；同時(shí)從瞬態(tài)切換轉(zhuǎn)矩出發(fā)，給出了容錯(cuò)切換型的投切方式。具體如下：

一種多相永磁電機(jī)主動(dòng)缺相運(yùn)行控制方法，所述永磁電機(jī)相數(shù)M＝N×3，N為正整數(shù)；所述控制方法包括如下兩種情況：

第一、在負(fù)載率大于(N-1)/N時(shí)，采用N套三相繞組運(yùn)行方式，即：永磁電機(jī)正常工作；須滿足相電流和為零的約束條件，諧波子空間電流分量為在給定基波直軸電流控制下，忽略空載反電勢(shì)內(nèi)的諧波成分，調(diào)節(jié)給定基波交軸電流即可調(diào)節(jié)電磁轉(zhuǎn)矩；

第二、在負(fù)載率小于1/N時(shí)，采用三相繞組運(yùn)行方式，負(fù)載率在(λ-1)/N～λ/N(1<λ<N)時(shí)，采用λ套三相繞組運(yùn)行方式，即：永磁電機(jī)主動(dòng)缺相；要求輸出轉(zhuǎn)矩與所有永磁電機(jī)均工作時(shí)相同，則維持基波交軸電流不變，同時(shí)須滿足相電流和為零的約束條件，結(jié)合定子銅耗最小邊界條件，進(jìn)行拉格朗日乘數(shù)法求解后，各諧波子空間電流分量表示為：

其中，

主動(dòng)缺相機(jī)制的解析式為：

其中，

i_q1指基波轉(zhuǎn)矩電流分量，由轉(zhuǎn)速閉環(huán)PI調(diào)節(jié)器得到，i_dh、i_qh指主動(dòng)缺相運(yùn)行時(shí)在線生成的諧波電流分量，h指諧波次數(shù)，h＝3,5,…，K_h1到K_h4表示為第h次諧波同構(gòu)系數(shù)，A指主動(dòng)缺相矩陣，與主動(dòng)缺相數(shù)k有關(guān)，每主動(dòng)缺一相矩陣A行數(shù)加1，B指基波子矩陣，C指諧波子矩陣，θ指轉(zhuǎn)子電角度。同時(shí)該算法僅與主動(dòng)缺相相數(shù)組合相關(guān)。因此，系統(tǒng)在主動(dòng)缺相運(yùn)行時(shí)，控制軟件無(wú)需離線計(jì)算復(fù)雜方程組及算法切換，便可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的主動(dòng)缺相無(wú)擾運(yùn)行控制。

進(jìn)一步的，包括直流電壓源、電容、三相組電壓型逆變器、繼電器、多相永磁電機(jī)、編碼器、矢量控制策略、電流滯環(huán)比較器、主動(dòng)缺相機(jī)制；利用光電編碼器的脈沖信號(hào)，計(jì)算出電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置θ_r及轉(zhuǎn)速ω_r，在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)下，利用轉(zhuǎn)速環(huán)的PI調(diào)節(jié)器得到給定基波轉(zhuǎn)矩電流分量結(jié)合主動(dòng)缺相矩陣A和權(quán)利要求1中各諧波子空間電流分量計(jì)算公式，直接算出主動(dòng)缺相時(shí)相繞組的給定電流再利用電流滯環(huán)比較器將主動(dòng)缺相時(shí)相繞組的給定電流與檢測(cè)到的實(shí)際相電流i₁～i_M比較后得到相應(yīng)的PWM脈動(dòng)信號(hào)，最后通過(guò)三相組電壓型逆變器作用于多相永磁電機(jī)上，達(dá)到調(diào)速及主動(dòng)缺相運(yùn)行控制的目的；同時(shí)結(jié)合主動(dòng)缺相矩陣A在線求解3、5、…、h次諧波子空間電流分量值，去補(bǔ)償基波磁勢(shì)損失即維持恒定，間接地重構(gòu)了剩余工作相的電流瞬時(shí)值。整個(gè)主動(dòng)缺相運(yùn)行過(guò)程不需控制策略及算法切換，并且保證系統(tǒng)主動(dòng)缺相運(yùn)行后恒定轉(zhuǎn)矩輸出，同時(shí)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速不變，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的無(wú)擾運(yùn)行。當(dāng)電機(jī)的繞組發(fā)生主動(dòng)缺相時(shí)，不用離線計(jì)算具體剩余工作相電流方程，而只用上述的電流直接控制法，結(jié)合主動(dòng)缺相矩陣A，不需要算法切換，電機(jī)從多相正常態(tài)平滑過(guò)渡到主動(dòng)缺相運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)輸出轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩均不變，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的無(wú)擾主動(dòng)缺相運(yùn)行控制。

進(jìn)一步的，多相系統(tǒng)矢量控制策略采用電流滯環(huán)比較器，由三相組電壓型逆變器分別供電多相永磁電機(jī)N套三相繞組。

所述三相組電壓型逆變器中點(diǎn)與多相永磁電機(jī)繞組中性點(diǎn)電氣隔離。

諸如風(fēng)力發(fā)電機(jī)、船舶電力推進(jìn)器等多三相電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)用場(chǎng)合，在帶輕負(fù)載時(shí)輸出功率很小，如果電機(jī)全部繞組均等地輸出功率，則每個(gè)繞組和功率變換器都處于輕載狀態(tài)，功率變換器將產(chǎn)生不必要的開(kāi)關(guān)損耗。如主動(dòng)關(guān)閉其中部分相組，由其余的一組或某幾組對(duì)稱三相子系統(tǒng)工作就可滿足輸出要求，從而提高工作狀態(tài)功率變換器的負(fù)載率，減小功率變換器的損耗，優(yōu)化電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)效率。因此，在系統(tǒng)輕載的情況下，機(jī)組可以采取主動(dòng)缺相運(yùn)行的方式，按照不同功率要求，運(yùn)行不同繞組系統(tǒng)，來(lái)提高運(yùn)行效率。此時(shí)，相應(yīng)的電力電子功率變換電路也需適應(yīng)多套電樞繞組，提高功率變換器在電機(jī)及自身故障情況下的可靠性，這對(duì)整個(gè)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)行方式選擇、效率分析與優(yōu)化具有重要意義。

因此基于多相永磁電機(jī)主動(dòng)缺相運(yùn)行控制的研究，對(duì)于推動(dòng)多相電機(jī)系統(tǒng)在新能源發(fā)電領(lǐng)域及電力推進(jìn)等領(lǐng)域的應(yīng)用具有重大理論意義和應(yīng)用價(jià)值。

有益效果：

(1)在系統(tǒng)輕載的工況下，電機(jī)及其控制系統(tǒng)按照不同功率要求，采取主動(dòng)缺相運(yùn)行的方式，可以提高系統(tǒng)運(yùn)行效率。

(2)保證電機(jī)及其控制系統(tǒng)主動(dòng)缺相運(yùn)行時(shí)，電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩均不變，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的無(wú)擾主動(dòng)缺相運(yùn)行控制。

(3)從基波磁勢(shì)不變及定子銅耗最小邊界條件兩個(gè)角度對(duì)剩余工作相進(jìn)行諧波電流補(bǔ)償重構(gòu)，能維持穩(wěn)定的轉(zhuǎn)矩輸出同時(shí)減少瞬態(tài)切換轉(zhuǎn)矩。

(4)不需要停機(jī)，只需通過(guò)在線求解各子空間諧波電流分量便可實(shí)現(xiàn)多相電機(jī)在線主動(dòng)缺相運(yùn)行。

(5)整個(gè)主動(dòng)缺相運(yùn)行控制算法對(duì)電機(jī)參數(shù)的依賴性小，使得控制程序具有很好的移植性及通用性，便于工程調(diào)試。

(6)可推廣到任意多三相繞組主動(dòng)缺相運(yùn)行電機(jī)系統(tǒng)。

附圖說(shuō)明

圖1基于諧波電流補(bǔ)償?shù)亩嘞嘤来烹姍C(jī)缺相容錯(cuò)控制系統(tǒng)。

其中有：直流電壓源(1)、電容(2)、三相組電壓型逆變器(3)、繼電器(4)、多相永磁電機(jī)(5)、編碼器(6)、矢量控制策略(7)、電流滯環(huán)比較器(8)、主動(dòng)缺相機(jī)制(9)。

圖1中的符號(hào)名稱分別是：-給定轉(zhuǎn)速，ω_r-實(shí)際轉(zhuǎn)速，-給定基波直軸電流，-給定基波交軸電流/基波轉(zhuǎn)矩電流分量，θ_r-電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置，-M相繞組的給定電流，i₁～i_M-M相繞組的實(shí)際電流，T^-1-旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系至自然坐標(biāo)系變換矩陣。T^-1的表達(dá)式為：

圖2九相磁通切換電機(jī)系統(tǒng)功率損耗分析。

圖3容錯(cuò)切換響應(yīng)性能分析。

具體實(shí)施方式

下面將參照附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行說(shuō)明。

本發(fā)明的核心是低負(fù)載率時(shí)采用主動(dòng)缺相運(yùn)行控制算法的提出。主動(dòng)缺相運(yùn)行控制算法根據(jù)相電流和為零的約束條件得出，當(dāng)電機(jī)正常工作時(shí)諧波子空間電流分量可以表示為

在控制下，忽略空載反電勢(shì)內(nèi)的諧波成分，調(diào)節(jié)交軸電流即可調(diào)節(jié)電磁轉(zhuǎn)矩。當(dāng)電機(jī)及其控制系統(tǒng)在輕負(fù)載率工況下需要主動(dòng)缺相運(yùn)行時(shí)，要輸出與正常態(tài)下相同的轉(zhuǎn)矩，則維持不變，同時(shí)須滿足相為零的約束條件，結(jié)合定子銅耗最小邊界條件，進(jìn)行拉格朗日乘數(shù)法求解后，各諧波子空間的電流分量表示為：

其中，

主動(dòng)缺相機(jī)制的解析式為：

其中，

本發(fā)明的諧波電流注入式主動(dòng)缺相運(yùn)行控制，其解析式僅有一個(gè)，因此不要算法切換，只需根據(jù)負(fù)載率的大小進(jìn)行在線繞組投切，方便實(shí)際工程應(yīng)用。

本發(fā)明公開(kāi)一種新型多相永磁電機(jī)的主動(dòng)缺相運(yùn)行控制系統(tǒng)，在矢量控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)中，從負(fù)載率匹配下的主動(dòng)缺相運(yùn)行對(duì)剩余工作相電流進(jìn)行重構(gòu)設(shè)計(jì)，并充分利用諧波電流注入控制策略，改善了低負(fù)載率時(shí)電機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行效率。

本發(fā)明采用電流滯環(huán)PWM矢量控制技術(shù)，以九相磁通切換永磁電機(jī)主動(dòng)缺失3相及6相運(yùn)行為例進(jìn)行設(shè)計(jì)?？紤]系統(tǒng)過(guò)載的情況，在負(fù)載率大于66.6％時(shí)，應(yīng)采用九相繞組運(yùn)行方式。負(fù)載率小于66.6％時(shí)分為兩個(gè)區(qū)間，第一區(qū)間為小于33.3％的負(fù)載率，此時(shí)九相磁通切換永磁電機(jī)系統(tǒng)可分別采用三相、六相或九相繞組運(yùn)行方式；第二區(qū)間為33.3％～66.6％負(fù)載率，此時(shí)系統(tǒng)可采用六相或九相繞組運(yùn)行方式。這里從系統(tǒng)運(yùn)行功耗分析，進(jìn)而討論區(qū)間內(nèi)最佳的繞組工作模式。

圖2所示為九相磁通切換永磁電機(jī)系統(tǒng)不同區(qū)間內(nèi)三種繞組工作模式下的功率損耗分析，可以看出，第一區(qū)間內(nèi)，三相繞組工作模式損耗最低，九相最高；第二區(qū)間內(nèi)，六相繞組工作模式要優(yōu)于九相繞組工作模式。

圖3所示為配合諧波電流注入的容錯(cuò)切換響應(yīng)性能，即在0.02s時(shí)三相繞組切除同時(shí)配合5、7諧波電流注入，而后在0.023s和0.024s時(shí)依次切除5次及7次諧波電流。通過(guò)主動(dòng)缺相切換方式后，九相磁通切換永磁電機(jī)系統(tǒng)能穩(wěn)定工作在六相繞組運(yùn)行模式，相電流正弦、轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)。同時(shí)，無(wú)論從瞬態(tài)相電流響應(yīng)還是從瞬態(tài)切換轉(zhuǎn)矩分析，容錯(cuò)切換型投切方式基本實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)主動(dòng)缺相的無(wú)擾運(yùn)行。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施方式，本發(fā)明的保護(hù)范圍并不以上述實(shí)施方式為限，但凡本領(lǐng)域普通技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明所揭示內(nèi)容所作的等效修飾或變化，皆應(yīng)納入權(quán)利要求書(shū)中記載的保護(hù)范圍內(nèi)。