一种双三相永磁同步电机匝间短路故障容错控制方法

1.本发明涉及同步电机容错控制技术领域，具体为一种双三相永磁同步电机匝间短路故障容错控制方法。


背景技术：

2.匝间短路故障作为最常见的电机故障之一，具有较强的破坏性。电机绕组发生短路后，感应反电势会在短路回路上产生远高于额定值的故障电流，不仅会造成电机的不对称运行，降低输出转矩，产生振动与噪声，还会导致较大的铜损，使故障部分温度急剧上升，绕组绝缘迅速老化损坏。同时，短路电流导致的较大去磁磁场也可能造成永磁体不可逆退磁。
3.为了深入分析匝间短路故障特性，准确提取故障特征，现有研究建立了匝间短路故障下永磁同步电机的有限元模型、等效磁路模型以及不同坐标系下的等效电路模型。一些研究指出与分布式绕组相比，分数槽集中绕组的永磁同步电机相间互感更小，因此具有更好的故障下运行性能。同时，多相电机在控制上具有更高的自由度，在故障容错控制方面更具优势。
4.为了有效抑制故障电流，减小转矩波动，提高电机故障运行性能，现有研究常通过施加弱磁电流减小合成反电势，从而抑制短路电流。同时，短接故障相绕组也是一种简单有效的方法，但会减少电机出力，导致较严重的转矩波动。针对此问题，一些研究通过注入零序电压、零序电流或补偿故障下dq轴电流波动的方式，抑制电机故障导致的转矩波动，提高故障下运行的转速范围。
5.但现有研究技术仍然存在不足之处，第一，缺少匝间短路故障下双三相永磁同步电机的等效电路模型研究，不利于高容错性能电机的深入分析及其控制设计；第二，通过弱磁或电流注入的短路电流抑制方法会增大电机铜损，降低故障下电机运行效率；第三，现有方法对短路电流的抑制能力有限，在高故障严重程度下难以满足控制目标。


技术实现要素：

6.(一)解决的技术问题
7.针对现有技术的不足，本发明提供了一种双三相永磁同步电机匝间短路故障容错控制方法，通过分析匝间短路故障下双三相永磁同步电机系统物理原理，分别建立表征自然静止坐标系与双同步旋转坐标系下故障电机电压与电流变化关系的一阶暂态方程，继而将短路电流视为正弦变量，求解得出反映短路电流幅值与dq轴电流关系的稳态模型，在此基础上，利用永磁充去磁技术实现转子磁链优化，进而实施三段式匝间短路容错控制，分别通过施加弱磁电流、改变两套三相绕组出力比例、限制电机出力的方式，将短路电流控制在目标值。
8.(二)技术方案
9.为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：
10.一方面，提供了一种双三相永磁同步电机匝间短路故障容错控制方法，包括：
11.基于匝间短路故障下双三相永磁同步电机系统物理原理，建立静止坐标系下双三相永磁同步电机匝间短路故障暂态模型，得到描述静止坐标系下电压与电流、磁链变化关系的一阶暂态方程，在此基础上，基于转子磁链定向进行坐标变换，建立双同步旋转坐标系下的双三相永磁同步电机匝间短路故障暂态模型，得到描述双同步坐标系下电压与电流、磁链变化关系的一阶暂态方程；
12.将短路电流视为正弦变量，基于双同步旋转坐标系下电机匝间短路故障模型，忽略电流暂态变化，得到描述短路电流幅值与dq轴电流变化关系的稳态方程，进一步，结合电机转矩方程，求解得到描述永磁磁链大小与电机转矩、转速变化关系的稳态方程，在该永磁磁链下短路电流达到最小值；
13.针对采用低矫顽力永磁体的可变磁链电机，根据其运行工况实施充去磁优化，抑制匝间短路故障下电机的短路电流，减缓故障严重程度；
14.根据双三相永磁同步电机匝间短路故障特征与短路电流抑制要求，实施三段式匝间短路故障容错控制，第一段通过施加d轴弱磁电流抑制短路电流，第二段在弱磁电流达到最大值后，通过改变两套三相绕组出力比例抑制短路电流，第三段在故障三相出力达到最小后，限制电机转矩出力以进一步抑制短路电流。
15.优选的，所述静止坐标系下双三相永磁同步电机匝间短路故障暂态模型具体包括：
16.基于匝间短路故障下双三相永磁同步电机系统物理原理，得到描述静止坐标系下电压与电流、磁链变化关系的一阶暂态方程，
[0017][0018]
ψ
sf
＝l
sfisf
+ψ
pmff
(θ)
[0019]
其中，假设a相为匝间短路故障相，u
sf
、i
sf
、ψ
sf
分别表示包含了短路回路的故障下电机定子相电压矩阵、相电流矩阵和绕组磁链矩阵；r
sf
表示故障下定子电阻矩阵；l
sf
表示故障下定子电感矩阵；ψ
pm
表示电机永磁磁链。
[0020]
优选的，所述描述静止坐标系下电压与电流、磁链变化关系的一阶暂态方程具体为，
[0021]isf
＝[i
a i
b i
c i
d i
e i
f i
af
]
t
；u
sf
＝[u
a u
b u
c u
d u
e u
f 0]
t
；
[0022][0023]
[0024][0025]
基于电机结构的对称性与故障相电感关系，故障下定子电感矩阵可进一步为，
[0026][0027]
其中，rs表示定子电阻；l
l
表示定子绕组自漏感；l
ms
表示定子绕组主自感；l
δ
表示凸极效应引起的磁阻电感；m1表示三相绕组间的互感；m2表示两套三相绕组间的互感；rf表示短路电阻；μ表示短路绕组与总绕组的匝数比，称为短路匝比；c表示余弦函数cos；参数m由单个线圈电感大小决定，与电机结构相关。
[0028]
优选的，所述双同步坐标系下电压与电流、磁链变化关系的一阶暂态方程具体为，
[0029][0030]
其中其中u
d1
、u
q1
表示同步坐标系一下的d、q轴电压；u
d2
、u
q2
表示同步坐标系二下的d、q轴电压；i
d1
、i
q1
表示同步坐标系一下的d、q轴电流；i
d2
、i
q2
表示同步坐标系二下的d、q轴电流；l表示电机自感，满足l＝l
l
+l
ms
。
[0031]
优选的，所述描述短路电流幅值与dq轴电流变化关系的稳态方程具体为，
[0032][0033]
其中
[0034]
将短路电流视为正弦变量，忽略电流暂态变化，可进一步推导得到描述短路电流幅值i
af
与两套dq轴电流变化关系的稳态方程：
[0035][0036]
对于给定电机，在转速与故障参数确定时，上式的分母为固定值，而分子视作两个
正交分量fd与fq的合成值，
[0037][0038]
优选的，所述描述永磁磁链大小与电机转矩、转速变化关系的稳态方程具体包括：
[0039]
正常运行下电机转矩方程为，
[0040][0041]
在未实施其他故障容错控制的前提下，d轴电流为零，两套三相绕组q轴电流相等，忽略短路电流对转矩的影响，联立转矩方程与短路电流稳态方程，得到描述短路电流幅值与永磁磁链变化关系的稳态方程：
[0042][0043]
优选的，求解所述描述短路电流幅值与永磁磁链变化关系的稳态方程，得到永磁磁链计算式：
[0044][0045]
优选的，所述三段式匝间短路故障容错控制具体包括：
[0046]
基于短路电流抑制目标，通过pi控制器输出弱磁电流参考值i
d*
；
[0047]
使用查表法确定最大弱磁电流，将弱磁电流参考值与最大值做差，通过比例控制器输出δk，与最大出力比相减后，得到出力比参考值k，作用于q轴电流控制闭环；
[0048]
将出力比参考值与最小值做差，通过比例控制器得到最大q轴电流补偿值δiq，用最大电流限制i
max
减去补偿值δiq；
[0049]
得到q轴电流限制值i
q_max
，考虑两套三相的出力分配，作用于q轴电流控制闭环的最大限制值为，
[0050][0051]
(三)有益效果
[0052]
本发明一种双三相永磁同步电机匝间短路故障容错控制方法，通过分析匝间短路故障下双三相永磁同步电机系统物理原理，分别建立表征自然静止坐标系与双同步旋转坐标系下故障电机电压与电流变化关系的一阶暂态方程，继而将短路电流视为正弦变量，求解得出反映短路电流幅值与dq轴电流关系的稳态模型，在此基础上，利用永磁充去磁技术实现转子磁链优化，进而实施三段式匝间短路容错控制，分别通过施加弱磁电流、改变两套三相绕组出力比例、限制电机出力的方式，将短路电流控制在目标值。
附图说明
[0053]
图1为本发明流程图；
[0054]
图2为本发明双三相永磁同步电机匝间短路故障等效电路模型示意图；
[0055]
图3为本发明三段式匝间短路故障容错控制示意图；
[0056]
图4为本发明三段式匝间短路故障容错控制电机温度变化仿真结果；
[0057]
图5为本发明三段式匝间短路故障容错控制dq轴电流变化仿真结果；
[0058]
图6为本发明去磁优化前后短路电流变化实验结果；
[0059]
图7为本发明三段式匝间短路故障容错控制电机温度变化实验结果；
[0060]
图8为本发明三段式匝间短路故障容错控制dq轴电流变化实验结果；
[0061]
图9为本发明去磁优化前后电机损耗变化实验结果。
具体实施方式
[0062]
下面将结合本发明的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0063]
实施例
[0064]
本发明采用的技术方案是一种可变永磁磁链双三相永磁同步电机匝间短路故障容错控制方法，该方法流程图如图1，具体包括以下步骤：
[0065]
s1，基于匝间短路故障下双三相永磁同步电机系统物理原理，建立静止坐标系下双三相永磁同步电机匝间短路故障暂态模型，得到描述静止坐标系下电压与电流、磁链变化关系的一阶暂态方程，在此基础上，基于转子磁链定向进行坐标变换，建立双同步旋转坐标系下的双三相永磁同步电机匝间短路故障暂态模型，得到描述双同步坐标系下电压与电流、磁链变化关系的一阶暂态方程；
[0066]
s2，将短路电流视为正弦变量，基于双同步旋转坐标系下电机匝间短路故障模型，忽略电流暂态变化，得到描述短路电流幅值与dq轴电流变化关系的稳态方程，进一步，结合电机转矩方程，求解得到描述最优永磁磁链大小与电机转矩、转速变化关系的稳态方程，在该最优永磁磁链下短路电流可达到最小值；
[0067]
s3，针对采用低矫顽力永磁体的可变磁链电机，根据其运行工况实施充去磁优化，抑制匝间短路故障下电机的短路电流，减缓故障严重程度。
[0068]
s4，根据双三相永磁同步电机匝间短路故障特征与短路电流抑制要求，实施三段式匝间短路故障容错控制，第一段通过施加d轴弱磁电流抑制短路电流，第二段在弱磁电流达到最大值后，通过改变两套三相绕组出力比例抑制短路电流，第三段在故障三相出力达到最小后，限制电机转矩出力以进一步抑制短路电流。
[0069]
进一步的，所述步骤s1中一种静止坐标系下双三相永磁同步电机匝间短路故障暂态模型，其特征在于，考虑到匝间短路故障下双三相永磁同步电机系统物理原理，如图2所示，得到描述静止坐标系下电压与电流、磁链变化关系的一阶暂态方程：
[0070][0071]
其中，假设a相为匝间短路故障相，u
sf
、i
sf
、ψ
sf
分别表示包含了短路回路的故障下电机定子相电压、相电流和绕组磁链矩阵；r
sf
表示故障下定子电阻矩阵；l
sf
表示故障下定子电感矩阵；ψ
pm
表示电机永磁磁链。各矩阵的详细展开如下：
[0072]isf
＝[i
a i
b i
c i
d i
e i
f i
af
]
t
；u
sf
＝[u
a u
b u
c u
d u
e u
f 0]
t
；
[0073][0074][0075][0076]
考虑电机结构的对称性与故障相电感关系，故障下定子电感矩阵可进一步写作：
[0077][0078]
其中，rs表示定子电阻；l
l
表示定子绕组自漏感；l
ms
表示定子绕组主自感；l
δ
表示凸极效应引起的磁阻电感；m1表示三相绕组间的互感；m2表示两套三相绕组间的互感；rf表示短路电阻；μ表示短路绕组与总绕组的匝数比，称为短路匝比；c表示余弦函数cos；参数m由单个线圈电感大小决定，与电机结构相关。
[0079]
进一步的，所述步骤s1中一种双同步旋转坐标系下的双三相永磁同步电机匝间短路故障暂态模型，其特征在于，基于转子磁链定向进行坐标变换，建立双同步旋转坐标系下的双三相永磁同步电机匝间短路故障暂态模型，得到描述双同步坐标系下电压与电流、磁链变化关系的一阶暂态方程：
[0080][0081]
其中其中u
d1
、u
q1
表示同步坐标系一下的d、q轴电压；u
d2
、u
q2
表示同步坐标系二下的d、q轴电压；i
d1
、i
q1
表示同步坐标系一下的d、q轴电流；i
d2
、i
q2
表示同步坐标系二下的d、q轴电流；l表示电机自感，满足l＝l
l
+l
ms
。
[0082]
进一步的，所述步骤s2中一种同步坐标系下的短路电流稳态模型，其特征在于，基于双同步转坐标系下的双三相永磁同步电机匝间短路故障暂态模型，整理得到描述短路电流与两套dq轴电流变化关系的一阶暂态方程：
[0083][0084]
其中
[0085]
将短路电流视为正弦变量，忽略电流暂态变化，可进一步推导得到描述短路电流幅值i
af
与两套dq轴电流变化关系的稳态方程：
[0086][0087]
对于给定电机，在转速与故障参数确定时，上式的分母为固定值，而分子可视作两个正交分量fd与fq的合成值：
[0088][0089]
由上式可知，短路电流幅值主要受fd与fq分量的影响。通过施加弱磁电流i
d1
，能够减小fq分量，但会使得fd分量增大；施加弱磁电流i
d2
，同样能减小fq分量，但不能影响fd分量。因此通过弱磁抑制短路电流仅能减小fq分量，有抑制效果的弱磁电流存在最大值，主要与电机的永磁磁链及电感参数相关。为了减小fd分量，在保证输出转矩不变的要求下，可以通过改变两套三相的出力比例，减小i
q1
并增大i
q2
，实现对短路电流的进一步抑制。这是由于健康三相绕组通过互感影响短路电流，与故障三相比作用效果更小。
[0090]
进一步的，所述步骤s2中一种匝间短路故障下最优永磁磁链计算方法，其特征在于，已知正常运行下电机转矩方程：
[0091][0092]
在未实施其他故障容错控制的前提下，d轴电流为零，两套三相绕组q轴电流相等，忽略短路电流对转矩的影响，联立转矩方程与短路电流稳态方程，可得到描述短路电流幅值与永磁磁链变化关系的稳态方程：
[0093][0094]
求解上式，可得到最优永磁磁链计算如下：
[0095][0096]
由上式可知，对于给定电机，最优永磁磁链大小与电机的故障参数无关，仅与电机工况相关。因此可在电机运行工况稳定后进行一次充去磁，实现对永磁磁链优化，并在此基础上实施匝间短路故障容错控制。
[0097]
进一步的，所述步骤s4中一种三段式匝间短路故障容错控制策略，其特征在于，如图3所示，基于模型预测控制到的故障线圈最大铜损p
wf_max
为参考值，与实际故障线圈铜损做差，通过pi控制器输出弱磁电流参考值i
d*
(i
d*
≤0)。接着，使用查表法确定最大弱磁电流，将弱磁电流参考值与最大值做差，通过比例控制器输出δk(δk≥0)，与最大出力比k
max
＝1相减后，得到出力比参考值k，作用于q轴电流控制闭环。
[0098]
进一步，将出力比参考值与最小值做差，通过比例控制器得到最大q轴电流补偿值δiq(δiq≥0)。为了保证对短路电流的抑制作用，在保持d轴电流与电机出力比不变的要求下，已知正常线圈最大铜损p
wh_max
，可得到最大q轴电流计算：
[0099][0100]
该式的第一项是使正常线圈温度不超过限制的最大q轴电流，第二项是使故障线圈温度不超过限制的最大q轴电流补偿值。因此通过该式对电机出力实施限制，可以保证电机的正常与故障部分温度都被控制在限制值内。考虑两套三相绕组出力比后，作用于q轴电流控制闭环的最大限制值如下：
[0101]iq1_max
＝ki
q_max
[0102]iq2_max
＝(2-k)i
q_max
[0103]
利用matlab/simulink软件搭建匝间短路故障下双三相永磁同步电机仿真模型，及其损耗与热网络模型，对本发明三段式容错控制策略进行仿真验证。设置环境温度为18℃，在转速300rpm，负载转矩45nm，短路匝比0.1，短路电阻0.15ω的故障工况下，电机达到稳态时最高温度位于故障线圈，高达到约790℃，其余电机部分温度达到了约400℃，远高于安全临界温度。
[0104]
实施三段式容错控制策略下电机dq轴电流变化如图4所示，温度变化如图5所示。在0.4s时温度接近限制值，开始施加弱磁电流。在0.6s时，弱磁电流达到最大，开始调节电机出力比。在1.6s时，故障三相q轴电流已控制为零，电机出力完全由正常三相提供，但依旧无法达到温控目标值，因此开始限制电机最大出力，最大允许q轴电流降低。在3s时，q轴电流最大允许值低于了原转矩出力要求的电流值，因此i
q2
开始减小，电机出力下降的同时，也使得短路电流得到进一步的抑制。故障线圈温度在一段时间内高于限制值，这是由于最大允许q轴电流的调节需要一定时间。最终的故障线圈温度被稳定控制在70℃，电机其余正常部分也保持在限制温度内。
[0105]
通过实验对永磁体充去磁的优化效果进行验证。由最优磁链计算可得，在转速300rpm，负载10nm工况下的最优永磁磁链为0.0697wb，但由于实验电机的充去磁范围有限，仅能将磁链从0.096wb去磁到0.0876wb。如图6所示，去磁后的短路电流幅值降低。在此基础上实施弱磁容错控制，电机温度变化如图7所示，dq轴电流变化如图8所示。故障线圈温度首先快速上升，接近限制值时，开始施加d轴弱磁电流，在抑制短路电流的同时，也提高了电机转矩出力性能，因此q轴电流有所下降。最终故障线圈温度稳定在34℃，其余部分温度也都保持在限定值内。
[0106]
图9所示为去磁前后实施弱磁容错控制下电机的损耗变化情况。在实施容错控制前，由于去磁后的永磁磁链减小，故障线圈铜损更小，铁损也更小，但较大的q轴电流造成了正常线圈铜损增加。在实施容错控制后，由于去磁后所需的弱磁电流减小，正常线圈铜损大大减少，虽然铁损有所增加，但电机总损耗依旧更小，因此实施去磁优化有利于提高电机容错运行状态下的效率。
[0107]
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备
所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。