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永磁同步電機（Permanent Magnet Synchronous Motor, PMSM）具有功率密度大、能量轉(zhuǎn)換效率高、振動噪聲低等優(yōu)點，而且通過采用多相設(shè)計，能降低單相驅(qū)動的容量，實現(xiàn)容錯運行，提高可靠性，同時電機相數(shù)越多，電樞反應(yīng)磁動勢的正弦度就越高，其轉(zhuǎn)矩脈動也越小，因此多相永磁電機在船舶電力推進系統(tǒng)中的應(yīng)用越來越多。

例如，武漢712研究所針對多相電機在艦船推進中的應(yīng)用做了大量的研究工作，并開始了試驗船的設(shè)計。華中科技大學、西安交通大學和北京凱奇公司以數(shù)控機床等工業(yè)應(yīng)用場合為背景對十五相電機調(diào)速系統(tǒng)進行了研究。哈爾濱工業(yè)大學以載人離心機直接驅(qū)動系統(tǒng)的研制為背景，對十五相無刷直流電機調(diào)速系統(tǒng)進行了研究。

缺相運行是多相電機的一大優(yōu)點，在繞組斷相情況下，如按正常情況時的電流給定進行跟蹤調(diào)制，剩余各相繞組將形成不對稱分布狀態(tài)，電機將出現(xiàn)二倍或四倍頻的轉(zhuǎn)矩波動。要保持光滑的圓形氣隙旋轉(zhuǎn)磁場，需要選取新的變換矩陣，將不對稱的電機模型變換成解耦的對稱模型，以實現(xiàn)矢量控制。

但基于降維數(shù)學模型的容錯控制策略需要建立缺相后的降維數(shù)學模型，不同中性點連接方式以及不同相數(shù)開路情況下對應(yīng)的解耦變換陣不同，需要分別建模，使得容錯控制策略實現(xiàn)比較復雜，尤其是故障運行與容錯運行之間的在線切換。

為了提高電機驅(qū)動系統(tǒng)的容錯性能，多相電機可以采用多單元并聯(lián)控制技術(shù)，通常將三個互差120°的繞組當作一個單元，按普通三相電機的方法來控制。多個單元可同時運行，也可部分運行或單獨運行。如法國熱蒙公司為智利海軍“蝎子”級潛艇制造的3 300kW永磁電力推進系統(tǒng)，就采用了二十四個H橋逆變器給兩套十二相繞組供電。

十二相永磁推進系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，推進單元分成了四個通道，在每個通道內(nèi)，由三個H橋或一個三相全橋逆變器給一套空間對稱的三相繞組供電，電機每個繞組的中性點相互獨立。

圖  十二相永磁電機驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

當某相出現(xiàn)故障時，控制系統(tǒng)將切除故障相所在的通道，不影響其他通道正常工作，保證了系統(tǒng)不間斷運行，即工作在容錯模式。這種控制方式在船舶電力推進廣泛采用，特別是對可靠性要求高的軍用船舶，不足之處是繞組成套切除將帶來功率損失。在這種容錯工作方式下，容錯控制是否與缺相位置有關(guān)，以及切除不同單元時轉(zhuǎn)矩輸出有什么變化，這些問題要建立在對多相電機建模及容錯控制策略的基礎(chǔ)上進行分析。

海軍工程大學電氣工程學院、海軍工程大學研究生院的研究人員選擇相移15°的十二相永磁同步電機為研究對象，首先在建立dq坐標系下多相永磁同步電機多Y數(shù)學模型的基礎(chǔ)上，分析容錯模式時的電機轉(zhuǎn)矩輸出能力，并將矢量控制與分組控制結(jié)構(gòu)相結(jié)合，以相繞組最大電流為約束條件建立驅(qū)動系統(tǒng)的容錯控制策略，保證永磁同步電動機缺相時輸出轉(zhuǎn)矩的平穩(wěn)性。

圖 H橋型逆變器實物照片

最后，對十二相永磁電機驅(qū)動系統(tǒng)的斷相故障狀況進行仿真和實驗，驗證了采用基于多Y數(shù)學模型的分組控制方式，更適用于對可靠性要求高的多相電機調(diào)速系統(tǒng)。當出現(xiàn)缺相故障時，系統(tǒng)自動切除故障單元，并且限制其他正常單元的輸出電流，實現(xiàn)了故障狀態(tài)下的降額運行。

以上研究成果發(fā)表在2019年第21期《電工技術(shù)學報》，論文標題為“十二相永磁電機驅(qū)動系統(tǒng)的容錯控制策略”，作者為魏永清、康軍、曾海燕、朱鵬。