發(fā)布時間：2020-05-12 19:54

【摘要】：五相永磁同步電機(后文簡稱為五相電機)具有功率密度高、轉矩波動小、容錯性能好等特點,在艦船電力推進系統中有著廣闊的應用前景。推進系統的可靠性是衡量作戰(zhàn)艦艇性能的一項重要指標,故障情況下艦船推進電機需具備良好的容錯運行能力,以避免驅動系統失效而影響整艘艦船的運行。電機驅動器和機械位置傳感器是五相電機驅動系統中的薄弱環(huán)節(jié),它們發(fā)生故障的風險較高。為提高五相電機在艦船推進系統應用的可靠性,本論文針對上述關鍵問題開展了五相電機驅動系統容錯控制技術研究。首先,采用繞組函數理論對正常模式下的五相電機定子磁動勢進行分析,確定實現驅動系統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子磁鏈保持圓形旋轉,可獲得適用于該模式的Clarke和Park矩陣。依據上述變換矩陣,建立起故障模式運行的五相電機在旋轉坐標系下的電壓方程和轉矩方程。五相電機容錯模型的建立為后續(xù)五相電機轉子磁場定向控制(Field Orentied Control,FOC)以及無位置控制技術的實施奠定基礎。結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SVPWM、電流控制和轉速控制進行了研究。不同于正常模式,故障模式運行的五相電機SVPWM依賴于電機運行狀態(tài),控制系統需要實時檢測(或估算)斷相繞組的反電動勢,并對參考電壓矢量進行補償,實現相應開路故障模式下電機的SVPWM。在故障模式運行時采用旋轉坐標系下的比例-積分-諧振技術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動系統非線性引起電機轉速波動,采用基于滑模變結構算法的轉速控制器平滑電機轉速,以間接降低電磁轉矩諧波。因五相電機FOC策略實施需要轉子位置信號,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。提出一種改進的高頻電流注入法,其具有傳統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子位置誤差信息解調所面臨的共性問題:逆變器死區(qū)、采樣和數字控制周期延時及表貼式電機弱凸極性等,通過鎖相放大器原理對這些不利于位置辨識的因素進行了抑制。針對故障模式下驅動系統非線性,提出一種基于擴張狀態(tài)觀測器的轉子位置計算方法,改善無位置控制運行時五相電機驅動系統的動態(tài)性能。研究了基于相關性原理的轉子初始位置檢測方法,提高了表貼式電機初始位置檢測的準確性。對驅動系統在中高速域無位置控制技術展開研究,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,并結合正交鎖相環(huán)技術求解出一個較為平滑的轉子位置/轉速并應用于電機矢量控制。采用復系數濾波器實現觀測反電動勢無相位失真濾波,降低估算轉速波動誤差,增強無位置控制系統穩(wěn)定性。針對兩相開路故障,進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,降低估算轉速的波動誤差。故障模式下五相電機解耦模型得到了Ansoft/Maxwell有限元分析驗證,搭建了五相電機驅動系統實驗平臺,對基于FOC的五相電機驅動系統調速控制及不同模式下的無位置控制算法進行了實驗驗證。
【圖文】：

驅動系統電氣故障類型Fig.1-1Electricalfaultspresentedinmotordrives

統發(fā)生故障時軸系載荷能自動轉換到輔助電機驅動系統上。圖 1-2 的串聯式-雙余度設計的電機驅動系統結構圖，兩臺獨立的永磁電，共同拖動軸系負荷。該雙余度驅動系統存在兩套獨立的電機繞組傳感器，在控制上通常配置兩臺獨立的電機驅動器。這種雙冗余設、控制簡單，，但也存在諸多問題，如兩臺永磁同步電機串聯而成的體積尤為龐大；另外，當一個電機驅動系統發(fā)生故障時，出現故障為另一臺電機的負荷，這將降低了驅動系統的動態(tài)性能。在一些對有嚴格要求的場合，雙余度設計方案應用受到極大限制[36]。
【學位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TM341

【參考文獻】

相關期刊論文 前10條

1 韋文祥;劉國榮;;基于擴展狀態(tài)觀測器模型與定子電阻自適應的磁鏈觀測器及其無速度傳感器應用[J];中國電機工程學報;2015年23期

2 鐘宏偉;韓雪;劉亞兵;;無軸推進電機技術應用研究[J];艦船科學技術;2015年09期

3 華斌;周艷紅;謝冰若;歐樂知;盧特;;電機技術在艦船電力推進系統中的應用研究[J];微電機;2015年05期

4 蔣雪峰;黃文新;郝振洋;曹瑞武;李偉;盛燕;姜文;;雙繞組永磁容錯電機的余度電驅動系統[J];電工技術學報;2015年06期

5 滕青芳;柏建勇;朱建國;郭有光;;基于滑模模型參考自適應觀測器的無速度傳感器三相永磁同步電機模型預測轉矩控制[J];控制理論與應用;2015年02期

6 荀倩;秦海鴻;馬亞飛;李寒松;嚴仰光;;基于最優(yōu)轉矩控制六相永磁容錯電機故障補救策略的仿真研究[J];電源學報;2015年01期

7 趙海森;杜中蘭;劉曉芳;王慶;;基于遞推最小二乘法與模型參考自適應法的鼠籠式異步電機轉子電阻在線辨識方法[J];中國電機工程學報;2014年30期

8 賀益康;徐海亮;;雙饋風電機組電網適應性問題及其諧振控制解決方案[J];中國電機工程學報;2014年29期

9 劉自程;鄭澤東;彭凌;李永東;;船舶電力推進中十五相感應電機同軸運行及容錯控制策略[J];電工技術學報;2014年03期

10 張洪帥;王平;韓邦成;;基于模糊PI模型參考自適應的高速永磁同步電機轉子位置檢測[J];中國電機工程學報;2014年12期

相關博士學位論文 前7條

1 張國強;內置式永磁同步電機無位置傳感器控制研究[D];哈爾濱工業(yè)大學;2017年

2 高宏偉;五相永磁同步電機驅動及容錯控制技術研究[D];哈爾濱工業(yè)大學;2016年

3 程垠鐘;船舶綜合電力推進系統仿真技術研究[D];哈爾濱工程大學;2014年

4 孟超;雙三相永磁同步電機驅動系統的研究[D];湖南大學;2012年

5 郝振洋;六相永磁容錯電機及其控制系統的設計和研究[D];南京航空航天大學;2010年

6 高海波;船舶電力推進系統的建模與仿真[D];武漢理工大學;2008年

7 薛山;多相永磁同步電機驅動技術研究[D];中國科學院研究生院（電工研究所）;2006年

相關碩士學位論文 前8條

1 郭龍飛;微弱信號檢測方法及應用研究[D];西安理工大學;2017年

2 李佳佳;全電推進艦船燃氣輪機發(fā)電機組動態(tài)仿真及控制[D];哈爾濱工業(yè)大學;2017年

3 黎梅云;多相電機非正弦供電技術的研究[D];西南交通大學;2015年

4 宋旭;電力推進在小型船舶中的實用性研究[D];哈爾濱工程大學;2011年

5 賀鑫;五相永磁同步電機容錯控制研究[D];天津大學;2010年

6 郝英;六相同步電動機特性仿真的研究[D];上海海事大學;2006年

7 朱軍;五相異步電機變頻調速系統控制方法研究[D];華中科技大學;2006年

8 張云平;電力推進中永磁同步電機直接轉矩控制的研究[D];大連海事大學;2006年

本文編號：2660757