关键词：
多相电机
矢量控制
低谐波调制
辅助电流矢量
故障诊断
容错运行
摘要：
相比于传统三相电机,多相电机因其具备容错能力强、输出功率大、控制资源丰富等优势,逐步应用于电气化交通等更加强调可靠性的领域。然而现有矢量控制存在某些工况下谐波含量较多、转矩脉动较大、容错能力不强等问题,高性能多相电机调制算法以及故障诊断、容错控制策略有待进一步研究。本文基于多相感应电机矢量控制技术,对低谐波含量正常运行技术、精准快速故障诊断方法、低转矩脉动与低损耗容错运行策略进行系统深入研究,主要研究内容如下:
首先,针对多相电机正常运行时过调制区域谐波含量多的问题,提出了一种基于序贯优化的多相感应电机过调制算法。采用空间坐标变换矩阵,建立了七相感应电机数学模型,研究了线性调制区域无谐波注入的调制策略。在过调制区域,以多平面低谐波协同注入为目标,在辅助坐标系中进行谐波注入寻优推导。以七相感应电机为研究对象,该序贯优化的过调制方法采用两个分区步骤将过调制区域细分为六个区域,根据调制比的不同,激活不同的谐波平面,可显著减少电流谐波。并对不同优化次序的调制方案进行讨论,确定产生最小的电流谐波的最优调制策略。
其次,为实现多重开路故障的快速有效诊断,提出了一种基于辅助电流矢量的级联开路故障在线诊断策略。通过对空间解耦变换后的电流进行分析,发现在单开关故障情况下谐波电流矢量存在唯一指向性,而在多重开关故障下,矢量轨迹不存在明显特征。进而引入了辅助电流矢量概念,通过结合反馈电流以及参考电流,对每一相设计了具有特异方向性的谐波电流矢量,单独谐波平面电流即可提供足够的故障诊断的信息。基于辅助电流矢量的概念,解决了基于谐波电流矢量的现有故障检测方案无法诊断多重开路故障的问题,进一步优化了故障诊断的流程,快速准确进行多种开路故障的识别。
再次,为实现开路故障后低转矩脉动调制,提出了降低转矩脉动的降阶重构和自然容错调制策略。针对单相开路故障,采用所提的降阶重构调制技术,设计考虑故障的降阶解耦矩阵,得到故障后的非零电压矢量,并对其在基波平面与谐波平面分布情况进行分析,将降阶重构后的电压空间矢量重新进行扇区划分,根据剩余控制自由度选择电压矢量,实现对称调制,降低转矩脉动;针对多相开路故障,为了进一步简化调制方案,通过所提的自然容错调制技术,将虚拟矢量的概念引入调制算法中,仅对基波平面电压矢量进行调制,解决了各平面矢量冲突的问题,实现自然容错调制,同时设计了相应的简化故障诊断方案,降低故障后的控制算法调整所带来的计算负担。
最后,为实现开路故障后最小铜损的全转矩范围运行,提出了一种基于解析方程的最大转矩最小铜损容错策略。这一策略的研究重点在于容错参考电流的计算问题,与前文中讨论的容错调制构成了在缺相状态下实现高性能运行的两个关键方面。理清基于磁动势不变原则的容错运行机理,结合最大转矩容错策略与最小铜损容错策略的优势,建立了统一容错方程。该解析方程基于两种策略既定的谐波平面参考电流的系数,根据基波平面电流幅值的变化实时调节故障后的容错参考电流,可实现低复杂度全转矩运行范围最小铜损。所提容错策略不需要借助任何优化算法,解决了传统方法高存储空间占用与计算资源消耗的问题。
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