發(fā)布時間：2020-05-12 19:54

【摘要】：五相永磁同步電機(jī)(后文簡稱為五相電機(jī))具有功率密度高、轉(zhuǎn)矩波動小、容錯性能好等特點,在艦船電力推進(jìn)系統(tǒng)中有著廣闊的應(yīng)用前景。推進(jìn)系統(tǒng)的可靠性是衡量作戰(zhàn)艦艇性能的一項重要指標(biāo),故障情況下艦船推進(jìn)電機(jī)需具備良好的容錯運行能力,以避免驅(qū)動系統(tǒng)失效而影響整艘艦船的運行。電機(jī)驅(qū)動器和機(jī)械位置傳感器是五相電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)中的薄弱環(huán)節(jié),它們發(fā)生故障的風(fēng)險較高。為提高五相電機(jī)在艦船推進(jìn)系統(tǒng)應(yīng)用的可靠性,本論文針對上述關(guān)鍵問題開展了五相電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)容錯控制技術(shù)研究。首先,采用繞組函數(shù)理論對正常模式下的五相電機(jī)定子磁動勢進(jìn)行分析,確定實現(xiàn)驅(qū)動系統(tǒng)開路故障運行的基本原則—維持定子磁動勢與正常模式保持一致。在單相開路故障下,通過約束剩余有效相的反電動勢在α-β平面保持圓形運動軌跡,引申出適用于單開路模式的解耦變換矩陣—Clarke和Park矩陣。采用類似的方法,約束兩相開路(又分為相鄰兩相開路和非相鄰兩相開路)故障下剩余有效相的轉(zhuǎn)子磁鏈保持圓形旋轉(zhuǎn),可獲得適用于該模式的Clarke和Park矩陣。依據(jù)上述變換矩陣,建立起故障模式運行的五相電機(jī)在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的電壓方程和轉(zhuǎn)矩方程。五相電機(jī)容錯模型的建立為后續(xù)五相電機(jī)轉(zhuǎn)子磁場定向控制(Field Orentied Control,FOC)以及無位置控制技術(shù)的實施奠定基礎(chǔ)。結(jié)合所提出的容錯模型,對故障模式下(包括單相開路和兩相開路故障)五相電機(jī)SVPWM、電流控制和轉(zhuǎn)速控制進(jìn)行了研究。不同于正常模式,故障模式運行的五相電機(jī)SVPWM依賴于電機(jī)運行狀態(tài),控制系統(tǒng)需要實時檢測(或估算)斷相繞組的反電動勢,并對參考電壓矢量進(jìn)行補(bǔ)償,實現(xiàn)相應(yīng)開路故障模式下電機(jī)的SVPWM。在故障模式運行時采用旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的比例-積分-諧振技術(shù)抑制高次諧波磁鏈引入的電流諧波。針對故障模式運行時驅(qū)動系統(tǒng)非線性引起電機(jī)轉(zhuǎn)速波動,采用基于滑模變結(jié)構(gòu)算法的轉(zhuǎn)速控制器平滑電機(jī)轉(zhuǎn)速,以間接降低電磁轉(zhuǎn)矩諧波。因五相電機(jī)FOC策略實施需要轉(zhuǎn)子位置信號,研究一種適用于正常模式和開路模式的低速域無位置控制技術(shù)。提出一種改進(jìn)的高頻電流注入法,其具有傳統(tǒng)高頻電流注入法和高頻電壓注入法的優(yōu)點。針對高頻注入法在轉(zhuǎn)子位置誤差信息解調(diào)所面臨的共性問題:逆變器死區(qū)、采樣和數(shù)字控制周期延時及表貼式電機(jī)弱凸極性等,通過鎖相放大器原理對這些不利于位置辨識的因素進(jìn)行了抑制。針對故障模式下驅(qū)動系統(tǒng)非線性,提出一種基于擴(kuò)張狀態(tài)觀測器的轉(zhuǎn)子位置計算方法,改善無位置控制運行時五相電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的動態(tài)性能。研究了基于相關(guān)性原理的轉(zhuǎn)子初始位置檢測方法,提高了表貼式電機(jī)初始位置檢測的準(zhǔn)確性。對驅(qū)動系統(tǒng)在中高速域無位置控制技術(shù)展開研究,分析滑模狀態(tài)觀測器的穩(wěn)定性,通過濾波器平滑觀測反電動勢,并結(jié)合正交鎖相環(huán)技術(shù)求解出一個較為平滑的轉(zhuǎn)子位置/轉(zhuǎn)速并應(yīng)用于電機(jī)矢量控制。采用復(fù)系數(shù)濾波器實現(xiàn)觀測反電動勢無相位失真濾波,降低估算轉(zhuǎn)速波動誤差,增強(qiáng)無位置控制系統(tǒng)穩(wěn)定性。針對兩相開路故障,進(jìn)一步采用多諧波濾波器抑制觀測反電動勢中的特定低次諧波,降低估算轉(zhuǎn)速的波動誤差。故障模式下五相電機(jī)解耦模型得到了Ansoft/Maxwell有限元分析驗證,搭建了五相電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)實驗平臺,對基于FOC的五相電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)調(diào)速控制及不同模式下的無位置控制算法進(jìn)行了實驗驗證。
【圖文】：

驅(qū)動系統(tǒng)電氣故障類型Fig.1-1Electricalfaultspresentedinmotordrives

統(tǒng)發(fā)生故障時軸系載荷能自動轉(zhuǎn)換到輔助電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)上。圖 1-2 的串聯(lián)式-雙余度設(shè)計的電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，兩臺獨立的永磁電，共同拖動軸系負(fù)荷。該雙余度驅(qū)動系統(tǒng)存在兩套獨立的電機(jī)繞組傳感器，在控制上通常配置兩臺獨立的電機(jī)驅(qū)動器。這種雙冗余設(shè)、控制簡單，，但也存在諸多問題，如兩臺永磁同步電機(jī)串聯(lián)而成的體積尤為龐大；另外，當(dāng)一個電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)發(fā)生故障時，出現(xiàn)故障為另一臺電機(jī)的負(fù)荷，這將降低了驅(qū)動系統(tǒng)的動態(tài)性能。在一些對有嚴(yán)格要求的場合，雙余度設(shè)計方案應(yīng)用受到極大限制[36]。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TM341

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2660757