Y-Δ接法分数槽永磁电机断相故障电流特征分析与诊断方法研究

星-三角(Y-△)接法的分数槽永磁电机(fractional-slot permanent magnet machine,FS-PMM)因其谐波分量低、转矩脉动小等优点在电动汽车领域具有较好的应用前景。但由于该电机中的△接绕组位于电机内部,其电流无法直接测量,故障时难以被及时发现。该文针对Y-△接法的FS-PMM内层△接绕组单相断相故障,提出一种基于电流三次谐波幅值的故障诊断方法。首先,建立△接绕组单相断相故障下的数学模x相故障的检测与故障相定位。经实验验证,所提方法能够实时准确地实现△接绕组单相断相故障诊断,且具有良好的鲁棒性。

星-三角接法的分数槽永磁电机匝间短路故障分析

为了分析永磁电机绕组采用星-三角(Y-△)接法时发生匝间短路故障后对电机的影响,建立了绕组在Y-△接法下分别在星形(Y)接法部分和角形(△)接法部分发生匝间短路故障的电路模型,推导得到故障发生后电机三相电流。以10极12槽永磁电机为例进行二维有限元仿真,对传统的Y接法双层绕组永磁电机和Y-△接法4层绕组永磁电机发生匝间短路故障的情况进行对比分析。仿真结果表明:在Y-△接法下匝间短路故障位置的不同对电流会有很大影响;在发生匝间短路故障后Y-△接法能降低电机的转矩脉动,降低故障发生后故障相电流中的3次谐波幅值。

基于电流谐波注入的磁通切换永磁电机定位力矩补偿方法

磁通切换永磁电机具有功率密度高、输出转矩大、反电动势正弦等优点,而较高的气隙磁密与定转子双凸极结构会产生较大的定位力矩。定位力矩会引起电机运行时的转矩脉动、振动和噪声问题,从而限制了磁通切换永磁电机的应用。从控制角度出发,提出一种新型的采用电流谐波注入法补偿定位力矩的控制策略,即通过注入谐波电流产生的转矩抵消定位力矩中的基波与二次谐波分量,从而达到补偿的目的。通过半实物仿真平台dSPACE实现了该控制算法,并在一台2kW磁通切换永磁电机的驱动系统上验证了所提出补偿控制方法的有效性。该控制方法也可拓展应用到其它反电动势为正弦且定位力矩较大的永磁电机驱动系统。

3种谐波电流注入模式下的磁通切换永磁电机缺相容错控制

对矢量控制九相定子36槽/转子34极磁通切换永磁(flux-switching permanent magnet,FSPM)电机驱动系统中一相断路故障工况进行研究。单相故障时,根据转矩电流分量不变及定子铜耗方程,提出了3种谐波电流注入模式下无扰运行的容错控制策略,即在容错运行时分别注入3次,3、5次以及3、5、7次谐波电流,进而获得铜耗最小优化目标的容错电流通用在线生成方法。仿真分析和原理样机容错实验结果,证明了所提方案可以减小定子绕组断路故障引起的转矩脉动,使九相FSPM电机在故障状态下的运行性能得到明显改善,有效提高调速系统的可靠性。

多相分数槽集中绕组表贴式永磁电机谐波电流的确定及其影响

以一台20槽22极的五相分数槽集中绕组表贴式永磁电机为例进行分析。在保持电流有效值不变的前提下,以获得最大平均转矩为目标,采用解析法确定谐波电流分量,并通过有限元法得到验证。此外,对比分析电机在谐波电流注入前后电磁转矩、绕组磁动势、气隙磁密、涡流损耗、径向力波等性能的变化。分析表明,注入谐波电流后电机绕组磁动势出现新的谐波分量(包括低次分量),并导致涡流损耗和最低次径向力波含量增加。分析结果揭示了多相永磁电机设计的重点,为该类电机的设计提供参考。

单斩电流滞环控制的双凸极永磁电机三相桥式功率变换器中的电流尾巴

双凸极永磁电机的功率控制器通常采用电流滞环斩波控制。文中基于12/8极转子斜槽式双凸极永磁电机,研究了单斩电流滞环控制的三相桥式功率控制电路;提出采用这种控制方案的三相桥式变换器,每相绕组在关断时段内,会出现两段电流尾巴,削弱电机出力,增加系统损耗。文中首先介绍了单斩电流滞环控制方案,给出基于这种控制方案的三相桥式功率变换器稳态工作原理分析,阐述了电流尾巴的产生机理,给出电流尾巴出现时刻及电流尾巴大小的解析式,指出其危害性,并讨论了三相绕组反电势对称性及霍尔位置调整的准确度对电流尾巴的影响,实验结果证明了文中研究及结论的正确性。

自起动永磁电机初始状态对起动冲击电流和冲击转矩的影响

研究了转子初始位置、通电时刻对自起动永磁电机动态起动性能的影响。以一台22kW永磁电机为例,通过理论分析和时步有限元计算揭示了起动冲击转矩、冲击电流与转子初始位置及通电时刻的关系。结果发现,当定子电流非周期分量产生的静止磁场对永磁体磁场产生增磁作用时,可能出现十几倍的起动冲击转矩和冲击电流。通过不同初始状态下的起动电流和转矩的实测分析,验证了该结论的正确性。

双凸极永磁电机中五种PWM控制方式下的电流拖尾现象

基于12/8极转子斜槽式双凸极永磁电机,简要介绍了其基本工作原理,然后分别在五种基本的PWM控制方式下,对一周期每工作区间内关断相绕组的工作情况进行了研究。研究表明,除PWM双斩控制方式外,其余四种PWM单斩控制方式下,均会在关断相绕组中出现一类特殊的电流拖尾现象。本文对电流拖尾产生机理进行了详细推导和阐述,给出了不同PWM控制方式下绕组电流的典型波形及分析,探讨了电流拖尾对电机运行的影响。基于四种PWM单斩方式下电流拖尾产生机理的相似性,文末以单斩桥臂上管的H_pwm-L_on型控制方式为例,给出相关实验结果,验证了理论分析及结论的正确性。

自起动永磁电机在转子表层结构不对称条件下的堵转电流

为了研究转子表层磁路结构不对称对永磁电机堵转电流的影响,以一台22kW电机为例,利用时步有限元法,系统分析了计及表层磁路结构不对称及磁路附加饱和条件下的堵转电流特点。分析发现:当转子磁极d轴与某相绕组轴线重合时,该相电流有效值比其他两相高10%左右,且正负半波幅值相差接近10%。进一步揭示了转子表层结构不对称是导致三相堵转电流不对称的主要原因,而永磁体存在引起的附加饱和是导致堵转电流正负半波幅值不等的主要原因。通过堵转电流实测验证了分析的正确性。

自起动永磁电机起动冲击电流和转矩的场路耦合分析

建立了自起动永磁同步电机的场-路-运动耦合模型,给出控制电路与电磁场方程耦合的时步有限元分析方法,采用运动气隙边界法解决转子运动问题,与机械运动方程相结合,可对电机的瞬态过程进行准确计算。应用上述方法对一台15 kW内置径向W型自起动永磁同步电机进行计算,详细分析了不同通电时刻、转子位置、铁磁材料,以及永磁体磁场情况下的起动冲击电流和转矩,全面详尽地阐释了影响冲击电流和转矩的各个因素,为优化电机设计和起动过程打下基础。

基于最大不失磁电流的表贴式永磁电机性能分析

根据永磁体的退磁特性,推导了表贴式永磁电机的最大不失磁电流以及对应的最大转矩、最大气隙剪切力和最大加速能力的解析计算公式,总结了提高相应性能指标的措施。这些解析公式建立了电机的结构尺寸和性能之间的联系,为永磁电机的设计与运行极限的确定提供了依据,相关公式同样适用于多相永磁电机。有限元的仿真结果证明了公式的准确性和有效性。

大型望远镜拼接弧线永磁电机电流谐波抑制

望远镜口径的增加使得其轴系驱动电机越来越大,近年来拼接电机成为国际上研究的热点。拼接弧线永磁电机的电流谐波影响大型天文望远镜目标观测轴系跟踪精度,文中根据拼接弧线电机的数学模型及谐波分析,提出了一种基于准比例-谐振控制器的电流谐波抑制算法,并设计了单元拼接弧线电机相应的电流控制器。仿真和实验分别对比了PI和准比例谐振控制器对电流谐波的影响。实验结果表明,采用准比例谐振控制器时,拼接弧线电机定子电流中的5次谐波分量削弱了63.3%,7次谐波分量削弱了34.4%,11次谐波分量削弱了51%,13次谐波分量削弱了59.2%,大大降低了拼接弧线电机电流谐波,有助于提高望远镜跟踪精度。

双转子永磁电机模型预测电流控制

为了减少采用传统模型预测电流控制中电流波动较大、控制精度不高的问题,提出了一种基于扩展电压矢量的改进控制方法.该方法在每个控制周期内利用两个相邻有效电压矢量来扩展有限控制集,并通过优化价值函数来保证所选电压矢量最优.通过该方法可以提高电流预测精度,减少电流波动,降低开关损耗.实验表明,与传统的模型预测相比,采用改进后的控制策略明显减少了电流波动,提高了运行效果,验证了控制方法的有效性与可行性.

混合励磁轴向磁场磁通切换永磁电机多矢量模型预测电流控制

混合励磁轴向磁场磁通切换永磁(hybridexcitation axial field flux-switching permanent magnet,HEAFFSPM)电机是一种具有高效率、高功率密度、宽调速的新型永磁同步电机。该文针对该类混合励磁轴向磁场永磁电机的电励磁磁场与电枢磁场矢量耦合、参数非线性等问题,提出一种多矢量模型预测电流控制策略。详细分析电励磁磁场与电枢磁场耦合机理,构建HEAFFSPM电机离散数学模型。在此基础上,基于三矢量电流模型预测方法,提出电枢电压矢量与励磁电压矢量合成方法。在每个采样周期内,将多个基本电压矢量合成为两个幅值和方向均可调的虚拟电压矢量,实现对交、直轴电流与励磁电流的无差拍控制,有效缓解了电枢与励磁独立控制下磁场耦合导致的驱动系统运行性能恶化、电流畸变等问题,提高了HEAFFSPM电机控制系统的控制精度和响应速度。最后,通过实验验证所提出的多矢量模型预测电流控制策略的有效性。

九相开绕组永磁同步电机谐波电流模型预测控制

为实现九相开绕组永磁同步电机谐波电流的准确跟踪,该文提出一种谐波电流模型预测控制方法。该方法根据谐波空间电压矢量分布规律,以开关状态切换最少为原则设计三次谐波空间虚拟电压矢量。针对三次谐波虚拟电压矢量空间分布重叠的寻优问题,考虑对基波空间最优矢量开关状态的影响,改进谐波空间寻优策略,同时简化寻优计算过程。最后,通过实验验证该文所提方法的可行性。结果表明,所提方法在未增加开关频率的同时实现了有效的谐波电流控制。

计及周期/半周期性边界条件的永磁电机子域模型

该文提出的表贴磁极永磁电机考虑周期/半周期性边界条件的子域模型,为舰船大容量直驱多相永磁推进电机的设计优化提供一种快速、高效的工具。介绍周期性边界条件和半周期性边界条件的原理及实现方法,并将其应用到基于等效面电流的子域模型中求解电机气隙磁场,而后通过有限元仿真验证了解析计算的准确性。对比3种求解域下子域模型中谐波系数矩阵的维数和求解速度,表明考虑周期/半周期性边界条件的子域模型在保证结果精度的前提下,能大幅降低矩阵维数,并显著减少求解时间。对实验样机进行空载和负载实验,空载反电势与负载转矩实验结果与解析结果吻合较好,进一步说明了周期/半周期性边界条件下所用子域模型的正确性。

基于Smith预估器的永磁电机高动态响应电流环控制策略

高性能永磁电机伺服系统需要快速的电流响应,数字控制系统中的延时环节会制约电流环动态性能。为此,该文推导了矢量控制系统中主要延时环节的数学模型并分析其不利影响;在此基础上,引入Smith预估算法,针对永磁电机电流环的高动态响应要求,提出一种Smith预估电流控制器,给出该电流控制器的设计过程及实现方法,并讨论了电机参数敏感性。仿真与实验结果表明,所提控制策略正确有效,而且能对控制系统的延时环节进行较好补偿,可有效改善电流环动态性能,进而有助于提高伺服系统整体性能。

高功率因数无电解电容永磁电机变频系统逆变器电流控制策略

针对无电解电容永磁电机变频系统母线侧采用小容值薄膜电容,导致母线电压产生大幅度波动、系统的输入功率因数难以满足实际应用的问题,提出一种高功率因数的无电解电容永磁电机变频系统逆变器电流控制策略。分析系统输入电流导通角和相位偏移角对输入功率因数的影响,结合输入电流导通角对逆变器电流进行控制,并采用带相位补偿的比例谐振控制器对系统延时进行补偿,其输出作为电机q轴电流给定。利用电网电流的间接微分量前馈补偿到电机q轴电流给定上,以提升逆变器电流控制效果并减少输入电流中的谐波含量。在无电解电容永磁压缩机变频实验平台上进行实验验证,实验结果表明,采用该策略能够显著提高系统的输入功率因数并减少谐波电流。

考虑变频器供电谐波电流作用下的永磁电机电磁力计算与分析

本文首先介绍了变频器供电永磁电机的工作原理,在此基础上对变频器供电时的永磁同步电机电磁力波进行了理论分析,给出了利用麦克斯韦应力法计算径向电磁力的方法,然后分别对变频器供电和理想电源供电下的一台永磁电机径向电磁力进行了仿真计算,最后与试验测试结果进行了对比分析,证明了采用该方法进行电磁力计算的正确性,所得结论为进一步研究变频器供电永磁电机的振动和噪声提供了理论依据。

基于改进等效面电流法的永磁电机气隙磁场解析计算

为简便快速地求解平行充磁偏心削极表贴式永磁同步电机的气隙磁场,该文采用改进等效面电流法对永磁体进行等效处理。该方法将永磁体表面划分为若干个微元,每个微元代表一根载流导体,采用局部坐标系与全局坐标系相互转化的方式,方便地计算出每一根载流导体电流的数值及坐标位置,避免了计算的复杂性。同时,该方法结合子域模型以及矢量磁位叠加的方法对气隙磁场进行解析计算,解析结果与仿真结果进行对比,验证了解析计算的正确性,并对一台实验样机进行空载实验,其空载反电势与解析计算结果吻合,进一步验证了改进等效面电流法的正确性。