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永磁同步電機(jī)（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(diǎn)，而且通過采用多相設(shè)計(jì)，能降低單相驅(qū)動的容量，實(shí)現(xiàn)容錯運(yùn)行，提高可靠性，同時(shí)電機(jī)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(jī)在船舶電力推進(jìn)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(jī)在艦船推進(jìn)中的應(yīng)用做了大量的研究工作，并開始了試驗(yàn)船的設(shè)計(jì)。華中科技大學(xué)、西安交通大學(xué)和北京凱奇公司以數(shù)控機(jī)床等工業(yè)應(yīng)用場合為背景對十五相電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行了研究。哈爾濱工業(yè)大學(xué)以載人離心機(jī)直接驅(qū)動系統(tǒng)的研制為背景，對十五相無刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行了研究。

缺相運(yùn)行是多相電機(jī)的一大優(yōu)點(diǎn)，在繞組斷相情況下，如按正常情況時(shí)的電流給定進(jìn)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(jī)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(jī)模型變換成解耦的對稱模型，以實(shí)現(xiàn)矢量控制。

但基于降維數(shù)學(xué)模型的容錯控制策略需要建立缺相后的降維數(shù)學(xué)模型，不同中性點(diǎn)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(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜，尤其是故障運(yùn)行與容錯運(yùn)行之間的在線切換。

為了提高電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的容錯性能，多相電機(jī)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(dāng)作一個單元，按普通三相電機(jī)的方法來控制。多個單元可同時(shí)運(yùn)行，也可部分運(yùn)行或單獨(dú)運(yùn)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(jìn)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(jìn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，推進(jìn)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(jī)每個繞組的中性點(diǎn)相互獨(dú)立。

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

當(dāng)某相出現(xiàn)故障時(shí)，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(yùn)行，即工作在容錯模式。這種控制方式在船舶電力推進(jìn)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(shí)轉(zhuǎn)矩輸出有什么變化，這些問題要建立在對多相電機(jī)建模及容錯控制策略的基礎(chǔ)上進(jìn)行分析。

海軍工程大學(xué)電氣工程學(xué)院、海軍工程大學(xué)研究生院的研究人員選擇相移15°的十二相永磁同步電機(jī)為研究對象，首先在建立dq坐標(biāo)系下多相永磁同步電機(jī)多Y數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，分析容錯模式時(shí)的電機(jī)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(jī)缺相時(shí)輸出轉(zhuǎn)矩的平穩(wěn)性。

圖 H橋型逆變器實(shí)物照片

最后，對十二相永磁電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的斷相故障狀況進(jìn)行仿真和實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了采用基于多Y數(shù)學(xué)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(jī)調(diào)速系統(tǒng)。當(dāng)出現(xiàn)缺相故障時(shí)，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(shí)現(xiàn)了故障狀態(tài)下的降額運(yùn)行。

以上研究成果發(fā)表在2019年第21期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》，論文標(biāo)題為“十二相永磁電機(jī)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。