[发明专利]一种双三相永磁同步电机匝间短路故障容错控制方法

说明书

本发明提供一种双三相永磁同步电机匝间短路故障容错控制方法，涉及同步电机容错控制领域。该双三相永磁同步电机匝间短路故障容错控制方法，包括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，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。

技术领域

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

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。

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。

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。

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。

发明内容

(一)解决的技术问题

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。

(二)技术方案

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：

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：

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；

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；