基于基波电流调控法的六相永磁同步电动机转矩波动抑制方法研究

六相永磁同步电动机一相开路故障时,绕组中的三次反电势将与基波电流相互作用产生较大的转矩波动。针对六相永磁同步电机一相开路故障,以绕组铜耗最小为优化目标,故障前后转矩恒定分量不变和三次谐波电势产生的转矩波动最小为约束条件,建立拉格朗日方程,得到容错运行时相电流的最优解析解。采用数值方法对故障前后电机额定工作状态进行了仿真分析,验证了解析解的正确性。提出的转矩波动抑制方法可以通过调整基波电流的幅值和相位实现对三次谐波反电势所引起转矩波动的抑制,无需对非故障相绕组注入谐波电流,提高了多相电机的容错运行工程实用性。     

基于四桥臂的三次谐波注入式永磁同步电机转矩密度优化

与传统绕组星形连接的永磁同步电机相比,基于四桥臂拓扑的永磁同步电机绕组中性点与第四桥臂相连接,为三次谐波电流提供通道,通过外部注入三次谐波电流,可提高电机的电磁转矩。建立三相四桥臂永磁同步电机系统的数学模型,并设计了矢量控制系统,在相电流幅值不变的前提下注入三次谐波电流,分别实现对基波和三次谐波的闭环控制,得到谐波注入后转矩密度显著提高,通过仿真验证了该方案的可行性。     

基于双平面同步旋转变换的五相感应电机气隙磁场间接矢量控制

在五相集中整距绕组感应电机系统中,通过注入特定3次谐波电流,可以减小电机气隙磁密幅值,从而减小电机铁磁饱和度,提高电机铁磁材料利用率与转矩密度。该文建立了五相集中整距绕组感应电机在d1-q1-d3-q3坐标系下的矢量控制数学模型;为了满足准方波气隙磁场的控制要求,分析了气隙磁链基波与3次谐波分量之间的关系,建立了3次谐波电流交轴、直轴分量与基波之间的非线性函数关系表达式。在此基础上,提出了通过注入3次谐波电流来改善感应电机气隙磁场的控制方法,并应用该方法对一台5.5 kW五相集中整距绕组感应电机进行了Matlab/Simulink仿真和实验。结果表明,该方法满足电机气隙磁场为准方波的控制要求,采用该方法后系统具有良好的运行性能。     

谐波注入式九相永磁同步电机矢量控制策略

用绕组函数法分析了多相永磁同步电机绕组磁势波的谐波构成,提出注入适当的谐波电流可以提高输出转矩,并且降低铁芯磁饱和。在旋转坐标系下建立了九相永磁同步电机数学模型,通过分析电磁转矩的构成,定量地分析了谐波电流在提升电磁转矩中的作用。推导出了基于最大逆变器功率约束的最优谐波注入比。最后,在simulink下搭建了九相矢量控制系统的仿真模型,对比了注入谐波前后电机输出转矩及电流波形的变化,并验证了注入谐波时电机的动态特性。仿真验证了理论方法的正确性和谐波电流注入的可行性。     

三次谐波注入式五相永磁同步电机转矩密度优化

为了提高三次谐波注入式五相永磁同步电动机的转矩密度,通过理论推导及有限元分析方法,提出了在定子电流幅值不变的前提下,使转矩密度达到最优的三次谐波注入率优选方法。通过五维空间矢量解耦变换,得到了2个二维正交子空间d1-q1和d3-q3下的数学模型,并设计了双空间矢量控制系统,以实现对基波和三次谐波分量的解耦控制。设计了一台气隙磁场为梯形波的五相永磁同步电动机样机及其五相电压源逆变器驱动系统,在单片XC3S1200E型号的FPGA中实现了双空间矢量控制数字算法,实验结果表明所提出的双空间矢量控制算法可以独立控制基波和三次谐波电流。在不增加功率变换器容量和电机本体尺寸的前提下,通过三次谐波注入率的优选,可将五相电机的转矩密度提高约20%。     

基于非正弦供电方式的多相感应电动机建模

非正弦供电下多相电动机的磁动势与磁通密度分析表明,注入一定的3次谐波励磁电流有利于提高电动机铁磁材料的利用率和增加电动机的输出转矩。据此推导了考虑基波与3次谐波共同作用时的十五相感应电动机数学模型,通过三维插值实现了计及基波和3次谐波共同作用下的主磁路饱和因素,并在PSCAD/EMTDC平台中建立了相应的仿真模型。仿真与实验结果的一致性表明了建模方法的正确性,该模型的建立为非正弦供电方式下的多相感应电动机优化设计、运行性能分析等提供了理论基础。     

基于定子谐波电流的六相永磁同步电动机双电机串联系统的仿真

电压型逆变器驱动多相电机运行时,虽然降低了转矩脉动,但却在定子绕组中出现了明显的低次谐波电流.抑制多相电机定子谐波电流的方法是串联电抗滤波器,电抗器与多相电机定子绕组电磁结构类似,使在多相电机中不产生旋转磁场的谐波电流在滤波电抗器中产生旋转磁场来抵抗谐波电流.据此提出一种新颖的两电机串联驱动系统,将电抗器换作一台多相电机,使谐波电流在这台电机中产生旋转磁场输出转矩,并且实现对两台电机转矩的独立控制.以双Y移30°六相永磁同步电动机(PMSM)为例,对两电机串联驱动系统建立数学模型并进行了仿真分析,仿真结果验证了串联驱动系统的可行性.     

一种抑制三次谐波转矩脉动的双绕组电机结构

电机驱动与蓄电池充电一体化拓扑结构通过电气元件和电机绕组的复用提升车载充电系统在体积、质量、成本等方面的竞争力,但同时也为零序电流提供通路,增加电机驱动时的损耗和转矩脉动。针对零序电流产生三次谐波转矩脉动的问题,研究了一种双绕组六相电机结构,以抑制零序电流对转矩脉动的影响。仿真结果表明,该电机结构能消除零序电流产生的三次谐波转矩,有效抑制转矩脉动。     

三次谐波注入式五相永磁同步电机矢量控制策略

从矢量空间解耦的观点出发,建立了含有3次谐波磁场的五相永磁同步电机(permanent magnetic synchronous motor,PMSM)在旋转坐标系下的数学模型,揭示了绕组中各次谐波电流对机电能量转换所产生的不同作用,通过注入一定含量的3次谐波激磁电流,可以在提高电机输出转矩的同时,降低电机定子铁心的磁饱和程度。根据谐波注入前后逆变器功率容量保持不变的原则,通过理论推导和仿真分析,得到了电机输出转矩随3次谐波注入率的变化趋势,为五相PMSM的优化设计和性能分析提供了理论基础。设计了基于转子磁场定向的五相PMSM矢量控制系统,实现了对基波和3次谐波电流的解耦控制。仿真和实验结果验证了方法的正确性和可行性。     

用于抑制多相异步电动机定子谐波电流的电抗滤波器

电压型逆变器驱动多相异步电动机运行时,虽然降低了转矩脉动和转子谐波损耗,却在定子绕组出现了明显的低次谐波电流.在总结现有的方法基础上,提出一种新型的电抗滤波方法.电抗器采用和多相交流电机定子类似的电磁结构,适当调整绕组的分布,使在多相电机中不产生旋转磁场的谐波电流在滤波电抗器中产生旋转磁场.这些谐波电流在多相异步电动机中仅遇到漏电抗,在滤波电抗器中却遇到高值的耦合电抗,因而有选择地对定子中的显著谐波电流进行滤波.以六相移30°的绕组结构为例,对包括滤波器的多相异步电动机建立了数学模型并进行了仿真分析,仿真结果验证了电抗器的有效性.     

多相电机中谐波电流与谐波磁势间的关系

为了分析定子绕组流过非正弦电流时,多相异步电机的运行性能,必须了解谐波电流与谐波磁势的关系。对异步电机中的非正弦的谐波电流进行了傅里叶分解,将其分解为基波电流和一系列的谐波电流,然后分别计算各次谐波电流的产生的不同的谐波磁势。通过对五相、十五相异步电机在非正弦供电情况下谐波电流与谐波磁势的定量关系的分析,归纳出谐波电流与谐波磁势的一般关系式,以及各次谐波磁势之间的比例关系。     

非正弦供电十五相感应电机谐波电压确定

通过确定非正弦供电十五相感应电机的3次谐波注入电压,为电机PWM调制提供理论依据。把注入3次谐波电压的十五相感应电机气隙磁动势峰值下降幅度最大作为电机理想运行准则,得到基波磁动势与3次谐波磁动势之间空间位置关系与磁动势幅值间数值关系。以十五相感应电机基波等值电路与3次谐波等值电路为基础并从相应的激磁电流出发,计算基波电压与3次谐波电压有效值,求出3次谐波负幅值点与基波正幅值点间相位差,并通过电机空载实验对计算方法的准确性进行了验证。在额定基波电压下,计算了对应于不同给定转差率的基波激磁电流与3次谐波激磁电流,进而得到3次谐波电压有效值及磁动势波形间相位差,最终通过线性插值来获得任意转差率下的3次谐波电压。     

非正弦供电十五相感应电机气隙磁势分析

根据非正弦供电十五相感应电机不同次谐波电流可以产生同速气隙磁势的特点,说明利用3次谐波磁势降低基波磁势幅值以改善电机性能指标的理论根据,并确定叠加磁势峰值达到最小时的3次谐波激磁电流表达式。对感应电机中的非正弦电流进行傅里叶分解,通过计算各次谐波电流产生的不同次谐波磁势,揭示了谐波电流产生同次谐波磁势时、其转速为同步速之规律。以叠加磁势数学表达式为基础,通过求导计算叠加磁势峰值,再由优化方法中的直接法确定出叠加磁势最小峰值以及相应3次谐波激磁电流有效值和相位角。分析了磁势峰值降低后电机性能指标改善及功率密度提高的原因,为十五相感应电机优化提供了理论基础。     

电枢磁动势谐波对转子涡流损耗的影响分析

永磁电机多采用变频器供电,变频器输出的电流中除包含基波电流外还存在谐波电流,由其产生的电枢磁动势空间谐波会在转子中产生涡流损耗。基于对各次电枢磁动势空间谐波幅值及其相对于转子交变频率的详细分析,提出涡流损耗强度的概念,用于评估不同的电枢磁动势空间谐波对转子涡流损耗的影响程度。对采用整数槽和分数槽绕组的永磁电机转子涡流损耗做了解析对比和有限元分析,证明了利用涡流损耗强度评估电枢磁动势谐波对转子涡流损耗影响的有效性。     

六相永磁同步电机谐波电流抑制技术

多相电机由于各相之间耦合影响,即使磁场出现很小畸变,也能导致很大谐波电流。针对这个问题,首先建立六相永磁电机数学模型,分析谐波电流原因,并提出一种新的解耦矩阵。将六相永磁同步电机中基波电流与谐波电流实现解耦,将不同频率的交流电流分别转换为不同平面直流量,从而实现对多相电机谐波电流控制。采用本文提出电流解耦控制与传统将六相电机当作两个三相电机控制方法进行对比仿真分析和实验对照,结果表明本文提出方法能够有效抑制谐波电流,有利于提高控制性能。     

Optimal pulse patterns of a nine-phase voltage source PWM inverter for use with a triple three-phase wound ac motor

The authors have already described the nine-phase inverter driving system providing both the triple three-phase voltage source inverter with 180-deg conducting period and the ac motor windings with triple three-phase construction. The nine-pulse inverter driving system used three small-capacity three-phase coupling reactors having special windings for current balance and reduction of higher harmonics. In addition, for voltage control, current balance, and waveform improvement, optimal PWM pulse patterns were applied to the six-phase inverter driving system using a three-phase coupling reactor to provide double three-phase construction. In the system based on the mode in the title, the PWM control was applied to the nine-phase inverter driving system described in the foregoing. The coupling reactors in the system balance the fundamental currents of three sets of three-phase inverters and also absorb higher harmonic voltages other than 18p±1 (p = 1, 2, …) orders. The optimal pulse patterns found by the approach to make the performance index minimum using the Lagrange multiplier method can be applied to the PWM to reduce the higher harmonic currents greater than those calculated by the modulation method comparing the sinusoidal signal wave with triangular carrier signal. This system can have a larger capacity than the six-phase PWM inverter driving system in which coupling reactors absorb higher harmonic voltages other than the 12p±1 orders and also improve output current waveforms. In addition, the system includes the capacity of coupling reactors slightly larger than the six-phase PWM inverter driving system but enables operation with smaller torque ripples and electromagnetic noises in low- to high-frequency ranges.     

Harmonic Filters for Six-Phase and Other Multiphase Motors on Voltage Source Inverters

Inverter-driven motors having five, six, or more phases have smaller torque pulsations and lower rotor I2R loss due to harmonics than do their three-phase counterparts. However, they generally have higher stator harmonic currents. For example, six-phase motors, supplied by a six step voltage source inverters have fifth and seventh harmonic currents which are from two to five times as large as in a comparable three-phase motor. If the motor has five or more phases, these currents can be substantially reduced by the harmonic filter described. The filter consists of transformer-like devices connected in the leads between the inverter and motor. The coils on these are interconnected in a prescribed way so that they add negligible impedance for fundamental currents, but they add considerable impedance for most harmonics. Since the filters do not affect fundamental current, they do not affect the speed-torque characteristic. These filters are described for any number of phases, and equations to determine their inductance values for the various harmonics are developed. Their effectiveness is demonstrated by experimental results.     

Analysis of multiphase induction machines with winding faults

The paper shows how the techniques of generalized harmonic analysis may be used to simulate the steady-state behavior of a multiphase cage induction motor with any form of open-circuit or short-circuit fault in the stator winding. The analytical model is verified using a four-pole machine with a 48-slot stator. Each coil of the stator winding of this machine is brought out to a patchboard that enables the stator to be configured for single-phase, two-phase, three-phase, four-phase, six-phase, or 12-phase excitation. Experimental results are compared with computer predictions for a six-phase machine with both open-circuit and short-circuit faults.