开路及短路组合故障下容错型永磁磁通切换电机转矩冲量平衡控制策略的研究

为了提高容错型永磁磁通切换(FTFSPM)电机驱动系统的可靠性,该文从定子磁链幅值恒定角度对电机绕组开路及短路组合故障进行分析。对绕组正常电流缺失及短路电流扰动进行磁链补偿,从而实现对电机的容错控制。然而转速的动态性能受到传统直接转矩控制中转速环PI参数的影响,因此,该文提出基于转矩冲量平衡控制的直接转矩控制策略,利用动态过程前后转矩冲量值不变,推导系统发送前进矢量与后退矢量的作用时间,使得电机在组合故障容错后的转速动态性能达到最优。通过仿真和实验实现了电机在开路及短路组合故障下的转矩冲量平衡控制,并对不同组合故障下的动态响应进行比较,验证了所提算法的正确性与有效性。     

六相永磁容错磁通切换电机及其单相故障的容错控制

为了提高永磁电机的可靠性和容错性,研究了一种六相永磁容错磁通切换电机(FaultTolerant Flux Switching Permanent Magnet Motor,FTFSPM)。该电机继承了永磁磁通切换电机的结构特点和功率密度优势,同时具备故障隔离和抑制短路电流的能力。通过有限元仿真研究了该电机电感特性和转矩特性,分析了电机的电磁性能和容错能力。为使该电机在单相故障时仍能提供平滑转矩,提出了容错电流优化控制策略。开路故障时,利用扩展坐标变换,通过控制转子同步旋转坐标系下的交轴电流、零序电流,实现转矩脉动的补偿,同时优化转矩铜耗比。针对短路故障,提出一种故障分解补偿法,对短路电流及绕组正常电流缺失引起的转矩脉动或转矩缺失分别进行补偿,进而矢量合成,实现容错控制的同时,避免了复杂的在线计算。在原理样机上进行了带载实验及容错实验,证明了所研究的永磁容错磁通切换电机的转矩输出能力和容错性能,同时验证了所提容错控制策略的有效性。     

磁通切换电机单相及多相开路情况下转矩冲量平衡控制策略研究

容错型永磁磁通切换电机(fault tolerant flux switching permanent magnet motor,FTFSPM)转矩密度高、可靠性强,适用于全电/多电飞机系统。近年来,FTFSPM的动态性能优化及故障下容错控制成为研究热点。研究了一种转矩冲量平衡控制策略,比较了不同开路故障下动态响应的异同。该控制方式下负载突加过程唯一确定,一次电磁转矩的增减不受PI参数的影响,提高了转速的动态性能;但电磁转矩变化率决定了动态响应的快慢。电机发生开路故障时,相电压合成的空间电压矢量缺失,对电磁转矩的改变能力减弱。负载变化前后电机转速不变,结合电机运动方程,估算出不同开路故障下动态调节时间。通过实验对转矩冲量平衡控制进行验证,并比较了不同开路故障下动态响应,验证了所提出算法以及推论的有效性和正确性。     

双绕组永磁容错电机矢量控制及其容错策略分析

介绍了双绕组永磁容错电机电流矢量控制系统的基本原理,在采用直轴电流id=0控制方法的基础上,提出开路故障、短路故障及组合故障的容错控制策略。在Ansoft Maxwell 14和Simplorer 9.0环境下,建立了系统的联合仿真模型,并研究了在一相、两相、三相开路和单相短路故障下容错控制策略实施前后的电流、转矩和转速响应曲线。仿真结果表明,双绕组永磁容错电机的电流矢量控制具有较强的容错能力和良好的速度、转矩控制特性,当发生故障时,采用所提容错控制策略,能有效抑制转矩脉动,维持转速稳定。     

单绕组无轴承永磁薄片电机短路容错运行

针对无轴承永磁薄片电机因相绕组出现短路故障,导致电机无法正常工作的问题,以六相单绕组无轴承永磁薄片电机为例,具体分析了相绕组出现短路故障时的短路电流,并提出基于定子电流重构原则的短路故障容错控制方法。该方法通过对非故障相定子电流加入悬浮力与转矩补偿,满足了电机稳定运行所需的悬浮力与转矩,并给出了各相绕组出现短路故障时的非故障相定子电流数学模型。在此基础上,通过对理论短路电流与仿真短路电流的对比分析以及短路故障状态下的悬浮力、转矩脉动的分析,验证了理论分析以及定子电流数学模型的正确性。最后,以齿1相绕组端部短路为例,通过实验验证了所提容错控制策略的正确性。     

开关磁阻电机绕组短路故障的检测与研究

开关磁阻电机具有很强的容错能力,但这种能力也是有限的。在开关磁阻电机绕组短路的情况下对开关磁阻电机容错能力进行深入的研究。通过建模和测试,针对以下两种情况进行了理论分析和实验:一种是相极问绕组完全短路,另一种是相极间绕组部分短路。实验证明相绕组短路导致转矩减少,为了弥补转矩的减少,绕组电流就要增加;在相绕组部分短路的情况下,对输出总转矩的影响可以忽略。     

6/19容错型永磁磁通切换电机的短路故障容错控制

短路故障是电机工作时会发生的故障之一。当电机发生短路故障后,由于正常相电流的缺失和短路电流的扰动作用,使得电机不对称运行,电机输出转矩和转速脉动加大。基于直接转矩控制的容错控制策略具有优越的动态性能,但没有对短路电流脉动进行直接抑制。本文提出一种前馈补偿算法,通过对短路电流扰动转矩进行前馈补偿,削弱短路电流对电机输出转矩和转速的扰动。在6/19容错型永磁磁通切换电机实验平台上对所提容错控制算法进行了实验验证。     

无轴承开关磁阻电机悬浮绕组短路故障下的容错运行控制方法

为了提高无轴承开关磁阻电机(BSRM)的可靠性,研究了BSRM悬浮绕组短路故障下的容错运行控制方法。首先,基于正常运行的电机数学模型,推导得到短路电流模型和电机容错数学模型,通过有限元仿真验证数学模型的正确性;其次,基于容错模型提出悬浮力及转矩补偿策略,通过有限元仿真及Matlab/Simulink动态建模仿真对所提控制策略进行分析和验证;最后,通过样机悬浮绕组短路实验验证了所提方法的有效性。     

线间补偿型匝间短路故障自动容错永磁同步电机故障位置检测方法

定子绕组匝间短路故障是永磁同步电机(PMSM)最常见的故障之一。该故障会造成三相电流不平衡,输出转矩剧烈波动,输出能力下降。故障严重时,过大的短路电流会烧毁绕组。为了解决匝间短路故障产生的问题,课题组此前提出了一种具有匝间短路故障自动容错能力的PMSM。针对该特种电机,提出了一种匝间短路故障位置的检测方法。介绍了电机的特殊结构,并通过数学模型推导出利用电机漏磁路特性和原有定子线圈判别故障线圈所在相的方法。使用ANSYS软件建立电机有限元模型,对电机不同匝间短路情况进行仿真,验证了该检测方法的正确性。     

三相永磁容错电机单相故障的容错控制

为了使三相永磁容错电机在单相故障后仍能输出满足要求的转矩,提出了容错电流优化控制方法。针对开路故障,利用故障前后磁动势不变的原则,得到了故障时的容错补偿电流,实现对转矩脉动的补偿。针对短路故障,利用分开补偿的策略,对由短路电流引起的转矩脉动和缺相不对称转矩脉动进行分开补偿,进行了电流矢量合成,实现了电机在短路时输出转矩脉动的最小化。通过MATLAB/Simulink进行仿真,验证了所提出容错控制方法的有效性。     

三相永磁同步电机断相容错控制

为了提高三相永磁同步电机(PMSM)控制系统的容错能力,减小定子绕组断路故障时电机电磁转矩的脉动,提出了三相永磁同步电机断相容错控制策略。基于故障后正常相绕组电流与电压之间的关系,建立了三相PMSM一相绕组开路时的数学模型。通过分析故障前后电机的电磁转矩,提出了电磁转矩输出不变的容错控制策略,通过调整非故障相电流的幅值与相位,计算前馈零轴电压,保证一相绕组开路故障时电机的正常运行。为了提升电机故障下电磁转矩输出的平稳性,提出前馈零轴电压与中线电流闭环修正相结合的容错控制策略,实现了电机控制系统故障条件下的无扰动运行。采用转子磁场定向的方法,通过在旋转坐标系下交直轴电流控制器上增加前馈零轴电压和中线电流闭环修正,实现了一相绕组开路时的转矩脉动的补偿。实验结果表明,该文提出的容错控制算法可以有效减小三相PMSM在定子绕组发生开路故障时的电机电磁转矩脉动,提高电机控制系统的容错性能。     

BLDCM两相短路的四步换相容错运行方法

无刷直流电机运行过程中发生相短路,易引起二次故障,造成电机控制系统的功能丧失。针对无刷直流电机绕组两相短路故障情况,提出一种四步换相容错控制策略,确保电机故障后系统继续运行。通过在电机绕组设置电流检测元件,对三相电流进行检测,将连续两次检测值的差值作为特征量进行故障定位;根据定位结果,改变逆变桥功率管导通次序、导通时间,实现对电机两相短路情况下的容错控制,同时实现故障隔离。针对电机容错运行时转矩脉动较大的问题,采用H_PWM-L_ON调制方式并在换相时刻优化占空比,进行转矩脉动抑制。详细阐述电机两相短路容错控制策略的工作机理与换相过程,并对提出的四步换相容错控制策略进行仿真和实验,结果表明,电机容错运行时非故障相相电流峰值接近电机正常运行时的1.5倍,故障相相电流峰值接近电机正常运行时的1.25倍,转矩脉动增加20%,转速波动在5%以内。     

具有冗余特性的永磁容错电机短路故障分析与控制

为了提高电力推进系统的可靠性,提出了带冗余特性三相永磁容错电机驱动系统的拓扑结构。为了研究绕组短路故障和逆变器开关短路故障对该驱动系统输出电磁转矩特性的影响,本文在分析两种短路故障等效电路的基础上,建立了短路电流和阻碍转矩的数学模型,通过仿真揭示了逆变器开关短路故障对驱动系统输出转矩特性的影响比绕组短路故障更严重的结论,并给出通过控制逆变器的开关状态将开关短路故障转化为绕组短路故障的实现方法。针对短路故障降低驱动系统平均输出电磁转矩和增大转矩脉动的问题,提出了基于稳态数学模型的最佳电流故障控制策略。仿真和实验结果验证了所提出的故障控制策略的有效性。     

转子磁钢离心式六相十极永磁容错电机及控制策略

在转子磁钢采用离心结构的六相十极永磁容错电机基础上,提出一种具有转矩脉动最小化输出及容错能力的电流直接控制法。该控制策略保证电机某一相绕组或控制器发生断路及短路故障时,电机的输出转速及转矩平均值不变,并可使六相正常态平滑过渡到五相故障态,实现系统容错。设计了一台750W六相十极永磁容错电机及其全数字控制器,通过绕组的断路及短路故障试验证明了电机设计的合理性及电流直接控制策略的正确性。     

电励磁双凸极电机并联桥短路故障的研究

为了研究电励磁双凸极发电机在短路故障下的容错性能,以一台四相电励磁双凸极电机样机为研究对象,借助二维有限元电磁场分析技术,对其工作在并联单相桥方式下几种较严重短路故障进行理论分析和仿真、实验验证,得出不同故障对电机本身和工作特性的影响:短路故障时,负载输出电压有所下降,但仍有较好的容错性能;下管短路时,短路电流迅速上升且电流最大值更大,长时间工作,绕组发热严重,同时传动轴转矩很大且转矩脉动大,影响转轴特性。     

五相永磁容错电机的相间短路容错控制

永磁电机发生短路故障后,电机内的短路电流急剧增大,电机系统将失去平稳性,威胁重大装备的运行安全。与其他短路故障相比,相间短路破坏性最强。针对这一严重故障,该文提出一种五相永磁容错电机的相间短路容错控制。以稳定的输出转矩为目标,从消除相间短路引起的断相和短路电流这两个负面影响出发,构建最优容错电流。利用故障前后磁动势不变的基波降阶矩阵,重构非故障相电流,弥补相间短路下断相引起的转矩损失和转矩脉动。进一步地,在非故障相中注入补偿电流,以注入电流与短路电流的磁动势和为零为原则,抑制短路电流引起的转矩脉动。利用叠加原理合成所需容错电流,并通过载波脉宽调制技术固定所提容错控制的开关频率。最后,通过实测20槽/14极五相永磁容错电机故障,容错运行下的动、静态特性,验证了所提控制策略的正确性和可行性。     

适用于多种缺相故障的十五相感应电机统一容错控制

多相电机的缺相容错运行是其安全性、可靠性的重要保证。针对舰船十五相新型推进感应电机可能出现的各种缺相故障,分别从转矩和磁势的角度分析缺相故障对电机性能的影响。从磁动势的角度找到了各种断路故障下输出转矩最大的容错控制方法,并从转矩的角度进行验证。每个五相绕组采用独立的容错控制,依据3个五相绕组在容错运行下带载能力的差异,对其进行能量分配。缺相容错控制采用的电机数学模型与电机正常运行时一致,控制过程中仅需针对不同类型的缺相故障修改对应的控制参数,实现了正常控制策略与缺相容错控制策略的统一。通过对一台45kW十五相感应电机进行容错运行动态加载、容错控制策略在线切换试验,验证了该容错控制方法的有效性。     

考虑反电动势2次谐波的容错型磁通切换电机开路及短路故障控制策略

六相永磁容错磁通切换电机(FTFSPMM)继承了传统永磁磁通切换电机的转子结构简单坚固、功率密度高的优点,同时具备故障隔离和抑制短路电流的能力。研究了考虑反电动势2次谐波时一相开路和短路故障时的容错控制策略。开路故障时,考虑到反电动势2次谐波,调节正常相中其中两相的电流幅值和相位使输出转矩平均值不变,转矩脉动为零。一相短路时,根据测量得出的短路电流,考虑电机的电阻和自感计算出短路相的反电动势。将一相短路时的转矩脉动分解为由该相开路引起的转矩缺失和脉动、由该相短路电流作用电感引起的转矩脉动和作用电阻引起的转矩脉动,分别计算用于补偿电感及电阻引起的转矩脉动的电流合成后即为短路时的补偿电流。在原理样机上进行了容错实验,验证了所提容错控制策略的有效性。     

不同绕组连接方式下的六相永磁同步电动机MT容错控制

多自由度使多相电机具备了优异的容错能力。本文针对单中性点、双中性点及开端绕组结构的六相永磁同步电机,以缺相容错运行时输出转矩最大为目标,提出一种适用于不同绕组结构电机的容错电流计算通用表达式。通过对六相永磁同步电机缺一相故障状态下的自由度进行分析,计算了不同定子绕组结构下的容错电流,并给出相应的控制方法。对比三种不同绕组结构电机容错运行时的带载能力,开端绕组结构的六相永磁同步电机缺相容错运行时输出转矩最大。利用Matlab/Simulink建立了六相永磁同步电机模型及其控制系统,验证了计算结果的有效性。     

单相开路情况下6/19永磁磁通切换容错电机转矩冲量平衡控制策略

永磁磁通切换容错(FTFSPM)电机具有高转矩密度和高可靠性的优点,适合应用在全电/多电飞机的电力作动系统中。传统的电机开路故障容错控制中,转速的动态性能会受到转速环PI参数的影响。因此该文研究了一种转矩冲量平衡控制算法,利用在动态变化前后转矩的冲量值保持不变,精确计算出动态过程中前进矢量和后退矢量的作用时间,只需一次减速、一次升速过程即可实现转速的收敛,不受PI参数的影响,优化转速的动态性能。通过仿真和实验实现电机在单相开路故障下的转矩冲量平衡控制,并与传统的直接转矩控制算法对比,验证了所提出算法的正确性和有效性。