航天用五相永磁电机起动发电系统发电状态容错控制研究

论文总字数：28238字

摘 要

现代电力电子技术的发展为现代电机的设计和控制提供了一个新的发展空间。传统的交流电动机受供电系统的限制，一般都是单相或三相电动机。与传统的三相传动系统相比，多相传动系统具有许多优点：使用常规功率器件实现大规模功率输出；提高转矩脉动频率并降低转矩脉动幅值；注入谐波电流提高转矩密度；具有较强的容错能力；具有更多的控制资源等。

五相永磁同步电机（FP-PMSM）虽然具有上述优点，但也由于更多的相数、更复杂的结构，逆变器出现问题的概率也会增加，势必会降低多相交流电机的工作可靠性；由于多相交流电机的定子漏感较小，所以采用电压型逆变器供电时的定子电流谐波会增加，从而导致定子损耗增加，电机的发热更加明显。

因此我们需要设计合理的容错控制策略，提高五相永磁同步电机的容错能力和可靠性，这样才能实现高性能大容量的交流传动系统，这对于实现节能降耗以及促进诸多行业发展都有深远的意义。本文主要讨论电流滞环控制和单相开路情况的容错控制。

关键词：五相永磁同步电机，脉宽调制，容错控制，单相开路，滞环跟踪

Abstract

The development of modern power electronics technology has opened up a new way for the design and control of modern motors. Traditional AC motors are limited by power supply system, almost all of them are three-phase or single-phase motors. Compared with the traditional three-phase transmission system, the multi-phase transmission system has many advantages: using conventional power devices to achieve large-scale power output; increasing the frequency of torque ripple and reducing the amplitude of torque ripple; injecting harmonic current to improve the torque density; having strong fault tolerance; having more control resources, etc.

Although five-phase permanent magnet synchronous motor (PMSM) has the advantages mentioned above, due to more phases and more complex structure, the probability of inverter problems will increase, which will inevitably reduce the reliability of multi-phase AC motor. Because the stator leakage inductance of multi-phase AC motor is small, the harmonics of stator current will increase when using voltage-type inverter to supply power, which will lead to stator harmonics. With the increase of loss, the heat of the generator is more obvious.

Therefore, we need to design a reasonable fault-tolerant control strategy to improve the fault-tolerant ability and reliability of five-phase PMSM, so as to achieve high performance and large capacity AC transmission system, which has far-reaching significance for achieving energy saving and promoting the development of many industries. Current hysteresis control and fault-tolerant control for single-phase open circuit are mainly discussed in this paper.

KEY WOARDS：five-phase permanent magnet synchronous motor, pulse width modulation, fault-tolerant control, single-phase open circuit, hysteresis tracking

目 录

第一章 绪论 1

1.1课题背景及意义 1

1.2五相永磁同步电机驱动及发电容错控制研究现状 2

1.3本文主要研究内容 4

第二章 开绕组五相永磁同步发电机数学模型 5

2.1 在ABC坐标系下的数学模型 5

2.1.1电压方程 5

2.1.2磁链方程 6

2.1.3转矩方程 7

2.2坐标变换到旋转坐标系 7

2.3 dq坐标系下的数学模型 8

第三章 正常运行条件下的发电控制方法 11

3.1矢量控制方法 11

3.2电流滞环跟踪 12

第四章 单相开路条件下的容错控制 15

4.1方法一：基于故障前后磁动势不变原则 15

4.1.1引言 15

4.1.2电机电枢反应磁动势分析 15

4.1.3全电流定律和磁路欧姆定律 16

4.1.4定子绕组电枢反应磁动势分析 16

4.1.5电机输出转矩分析 18

4.1.6电流容错控制分析方程组 19

4.1.7方程组求解的约束条件 20

4.1.8对方程组进行求解分析 20

4.2方法二 基于铜耗最小原则 21

4.2.1引言 21

4.2.2 A相开路时基波同步旋转坐标系下的数学模型 21

4.2.3最大转矩电流比（铜耗最小） 23

第五章 仿真分析 24

5.1正常运行条件下的滞环调制仿真分析 24

5.1.1具体设计及参数 24

5.1.2仿真波形结果 25

5.1.3 总结分析 27

5.2电机缺相故障运行 27

5.2.1具体设计及参数 27

5.2.2仿真波形结果 27

5.2.3分析 29

5.3方法一容错控制仿真分析 30

5.3.1具体设计及参数 30

5.3.2仿真波形结果 30

5.3.3分析 32

5.4方法二容错控制分析 32

5.4.1具体设计及参数 32

5.4.2仿真波形结果 32

5.4.3分析 34

5.5数据对比处理 34

第六章 总结 36

参考文献 38

致谢 40

1. 绪论

1.1课题背景及意义

在21世纪的今天，电力能源已经成为了人们生活中重要的一部分，随着人类文明的发展和对自然的开发，能源问题已经引起了各个国家、各个领域的重视。因此对于节约能源、性能稳定的电机的研究一直是一个热点，而在电机研究热门领域里，永磁同步电机首当其冲。

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