基于三相四橋臂的永磁容錯(cuò)發(fā)電控制系統(tǒng)研究

李欣潔，郝振洋

(南京航空航天大學(xué)，南京210016)

0 引 言

根據(jù)目前多電和全電技術(shù)在飛機(jī)系統(tǒng)中的發(fā)展趨勢，如環(huán)境控制、制動(dòng)、舵面控制等逐漸用電力作動(dòng)裝置取代了液壓和氣壓作動(dòng)裝置，飛機(jī)的負(fù)載逐漸變?yōu)殡姎忸愗?fù)載，預(yù)計(jì)飛機(jī)中的電力需求量將會(huì)大大增加［1］，因此，具有高可靠性的航空獨(dú)立電源系統(tǒng)是飛機(jī)正常安全工作的前提。航空電機(jī)的工作環(huán)境不同于地面電機(jī)，應(yīng)用場合溫差范圍大，且大氣成分和性質(zhì)隨不同地區(qū)和飛行高度而變化，對航空電機(jī)的散熱、絕緣、零部件等造成不利影響［2］，一旦發(fā)生故障，整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)便喪失正常工作的能力，影響飛機(jī)飛行甚至造成災(zāi)難性的事故，因此研究具有容錯(cuò)能力的發(fā)電系統(tǒng)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

近年來，電機(jī)的容錯(cuò)技術(shù)得到了一定的發(fā)展，文獻(xiàn)［3 -4］提出最優(yōu)轉(zhuǎn)矩控制策略結(jié)合拉格朗日乘數(shù)法等數(shù)學(xué)優(yōu)化手段，達(dá)到電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)最小化輸出并使繞組銅損最小，但是需要在線迭代計(jì)算;文獻(xiàn)［5］通過注入3 次諧波電流并按照銅損最小及銅損相等原則提出了容錯(cuò)電流優(yōu)化方法;文獻(xiàn)［6］將繞組開路故障后的轉(zhuǎn)矩分解為基波轉(zhuǎn)矩和諧波轉(zhuǎn)矩，以保證諧波轉(zhuǎn)矩為零為目標(biāo)施加補(bǔ)償電流。以上容錯(cuò)控制算法的補(bǔ)償電流中均含有大量諧波，增大了電機(jī)鐵耗且對發(fā)電系統(tǒng)來說影響其供電質(zhì)量。本文針對270 V 高壓直流航空電源系統(tǒng)，采用三相四橋臂容錯(cuò)拓?fù)浣Y(jié)合SVPWM 容錯(cuò)算法，保證故障前后定子電流產(chǎn)生相同的圓形旋轉(zhuǎn)磁場，來實(shí)現(xiàn)單相繞組斷路及短路容錯(cuò)控制，最后，通過對一臺(tái)3 kW 的永磁容錯(cuò)電機(jī)模擬斷路及短路故障實(shí)驗(yàn)，證明了容錯(cuò)策略的可行性。

1 永磁容錯(cuò)發(fā)電控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

為了實(shí)現(xiàn)發(fā)電系統(tǒng)的高可靠性控制，其核心部分即發(fā)電機(jī)和功率變換器都應(yīng)具有強(qiáng)容錯(cuò)能力。采用轉(zhuǎn)子永磁式容錯(cuò)發(fā)電機(jī)，除了具有一般永磁電機(jī)體積小、功率密度大和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小的特點(diǎn)以外，還具有物理隔離、熱隔離、磁隔離、電氣隔離及大電抗的特點(diǎn)［7］，因此，電機(jī)本體具備很強(qiáng)的容錯(cuò)能力，是發(fā)電系統(tǒng)容錯(cuò)控制的前提條件。

為了得到穩(wěn)定的直流電壓，永磁同步發(fā)電機(jī)的輸出端功率變換器的選擇通常是PWM 整流器，并帶有直流濾波環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的三相三橋臂主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用空間電壓矢量調(diào)制(SVPWM)技術(shù)，可以減小繞組電流的諧波含量，提高直流母線電壓利用率，從而降低電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，拓寬電機(jī)調(diào)速范圍［8-9］。但是，當(dāng)一相繞組出現(xiàn)故障時(shí)，這種傳統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)將難以維持系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行。為此，采用三相四橋臂容錯(cuò)控制系統(tǒng)，即在原有的控制系統(tǒng)中增加第四橋臂，使之與星形連接的永磁同步電機(jī)的中線相連，為中線電流提供通路，三相四橋臂容錯(cuò)拓?fù)淙鐖D1 所示。當(dāng)系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，第四橋臂不投入運(yùn)行，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生一相故障時(shí)，切除故障相，將第四橋臂投入運(yùn)行，并將控制算法切換為相應(yīng)的故障補(bǔ)償算法，即可維持電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)的特性［10-11］。

圖1 三相四橋臂容錯(cuò)拓?fù)?/p>

2 正常態(tài)變速及變載恒壓控制策略分析

2.1 永磁容錯(cuò)發(fā)電機(jī)d，q 坐標(biāo)系下數(shù)學(xué)模型

為了簡化分析永磁容錯(cuò)發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，按照交流電機(jī)矢量控制的思想，利用坐標(biāo)變換理論，將三相靜止坐標(biāo)系下復(fù)雜的發(fā)電機(jī)數(shù)學(xué)模型變換到按轉(zhuǎn)子磁場定向的兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，實(shí)現(xiàn)定子電流有功分量和無功分量之間的解耦控制。矢量控制中使用的變換為Clarke 變換和Park 變換［14］。

在建立電機(jī)數(shù)學(xué)模型時(shí)作以下假設(shè):(1)各相繞組之間互感值為零，無磁路耦合;(2)磁路不飽和，忽略磁滯和渦流損耗;(3)空間磁勢及磁通成正弦規(guī)律分布;(4)轉(zhuǎn)子上沒有阻尼繞組，永磁體無阻尼作用;(5)各相繞組空間對稱，且各相繞組的電阻、電感值相等。根據(jù)上述假設(shè)和坐標(biāo)變換理論，以發(fā)電機(jī)慣例輸入機(jī)械能輸出電能的原則，在基于轉(zhuǎn)子磁場定向的兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，建立永磁同步發(fā)電機(jī)的電壓及轉(zhuǎn)矩方程:

式中:ud，uq，id，iq，ψd，ψq，Ld，Lq分別是d 軸和q 軸定子端電壓、電流、磁鏈和電感分量;ψf為永磁體磁鏈幅值;ωe為電角速度;R 為繞組電阻;p 為電機(jī)極對數(shù)，p 為微分算子;Te為電磁轉(zhuǎn)矩。

2.2 變速及變載恒壓控制策略分析

發(fā)電機(jī)輸出端電壓經(jīng)功率變換器和直流濾波環(huán)節(jié)后得到直流電壓Udc，為了簡化分析，假設(shè)功率變換器沒有功率損耗，又因?yàn)橛来湃蒎e(cuò)發(fā)電機(jī)是隱極轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，Ld=Lq，結(jié)合式(1)，有:

從式(2)中可以看出，當(dāng)負(fù)載或是發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速發(fā)生變化時(shí)，為了得到穩(wěn)定的直流電壓輸出Udc，iq應(yīng)隨負(fù)載電流Idc和發(fā)電機(jī)機(jī)械角速度ωm動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，而id與直流電壓輸出Udc并沒有直接關(guān)系，為了保證電機(jī)繞組電流與相電壓同相位，提高發(fā)電機(jī)運(yùn)行效率，采用=0 控制，實(shí)現(xiàn)有功電流和無功電流的解耦控制，控制框圖如圖2 所示。發(fā)電運(yùn)行時(shí)將給定電壓u*與直流輸出反饋電壓u 相比較，其偏差值經(jīng)過PI 調(diào)節(jié)后得到有功電流給定，給定設(shè)置為0，保持發(fā)電機(jī)的高效率運(yùn)行。實(shí)際反饋電流id和iq與給定值比較后的偏差經(jīng)過PI 調(diào)節(jié)后得到變換器直、交軸電壓控制矢量，，送入SVM 調(diào)制單元，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)發(fā)電調(diào)壓與功率因數(shù)控制。

圖2 發(fā)電系統(tǒng)矢量控制框圖

3 容錯(cuò)控制策略分析

3.1 正常態(tài)空間電壓矢量分布

當(dāng)系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，永磁同步發(fā)電機(jī)的三相繞組工作于三相對稱模式，以三相對稱正弦波電壓供電時(shí)交流電機(jī)產(chǎn)生的圓形磁場為基準(zhǔn)，通過空間電壓矢量組合產(chǎn)生的磁場來逼近圓形磁場。在正常情況下，第四橋臂不投入運(yùn)行，對于180°導(dǎo)通型的變換器，上下橋臂功率開關(guān)導(dǎo)通和關(guān)斷的狀態(tài)互逆，定義(SaSbSc)表示三相繞組對應(yīng)橋臂的導(dǎo)通狀態(tài)，上橋臂導(dǎo)通為1，下橋臂導(dǎo)通為0，則3 個(gè)橋臂共有8種開關(guān)狀態(tài):U0(000)，U1(001)，U2(010)，U3(011)，U4(100)，U5(101)，U6(110)，U7(111)。

本文以狀態(tài)U1(001)為例分析定子電壓矢量的構(gòu)成。如圖1 所示，此時(shí)開關(guān)狀態(tài)對應(yīng)VT4，VT5 和VT3 閉合，等效電路如圖3 所示，其中Udc表示直流電壓輸出，uA，uB，uC的方向?yàn)橄嚯妷旱恼较颍纱丝傻?

圖3 開關(guān)狀態(tài)(001)對應(yīng)的電路

由式(3)～式(5)可得:

根據(jù)式(8)的坐標(biāo)變換公式，將三相靜止坐標(biāo)系中的量變換到兩相靜止坐標(biāo)系中［14-15］。

表1 正常態(tài)電壓矢量表

3.2 故障態(tài)空間電壓矢量分布

當(dāng)電機(jī)繞組出現(xiàn)故障(一相斷路或短路)時(shí)，電機(jī)工作于非對稱狀態(tài)，此時(shí)空間電壓矢量組合產(chǎn)生的磁場不再為圓形旋轉(zhuǎn)磁場，會(huì)引起電磁轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)及輸出端電壓跌落。為此，要實(shí)現(xiàn)永磁同步發(fā)電機(jī)繞組故障后的容錯(cuò)控制，需要保證故障前后永磁同步電機(jī)的氣隙磁場均為圓形旋轉(zhuǎn)磁場，即保證故障前后的空間電壓矢量保持不變。

當(dāng)發(fā)生一相繞組斷路故障時(shí)，以A 相斷路為例，封鎖A 相驅(qū)動(dòng)信號，同時(shí)將第四橋臂投入運(yùn)行，采用故障相的驅(qū)動(dòng)信號去控制第四橋臂的功率管器件，即Sa的狀態(tài)由Sn替代，同理，可得(SnSbSc)表示的8 種開關(guān)狀態(tài)對應(yīng)的相電壓值uA1，uB1，uC1及變換到兩相靜止坐標(biāo)系后的uα1，uβ1值，如表2 所示。

表2 故障態(tài)電壓矢量表

對比表1 和表2 可知，一相斷路故障后，封鎖故障相驅(qū)動(dòng)信號，并用其控制第四橋臂的功率器件，可保證故障前后α，β 坐標(biāo)系下的電壓矢量是相等的。

當(dāng)發(fā)生一相繞組短路故障時(shí)，封鎖短路相的驅(qū)動(dòng)信號，第四橋臂投入運(yùn)行，并用故障相的驅(qū)動(dòng)信號控制第四橋臂的功率管器件，因此，電壓矢量關(guān)系與一相繞組斷路故障相同，如表2 所示。

綜上所述，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)一相故障時(shí)(斷路或短路)，只需要將故障相的驅(qū)動(dòng)信號封鎖，并將第四橋臂投入運(yùn)行，用故障相的驅(qū)動(dòng)信號控制第四橋臂的功率管器件，即可產(chǎn)生與正常態(tài)相同的α，β 軸分量，從而保證故障前后電機(jī)產(chǎn)生相同的圓形旋轉(zhuǎn)磁場，實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)控制。

4 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

為驗(yàn)證理論分析的正確性，用原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)1 臺(tái)3 kW 永磁同步發(fā)電機(jī)做發(fā)電實(shí)驗(yàn)，對其正常態(tài)、一相斷路態(tài)及一相短路態(tài)的控制算法分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)采用TI 公司的TMS320F2812 芯片作為控制電路的核心，實(shí)驗(yàn)參數(shù):原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)轉(zhuǎn)速600 r/min，發(fā)電直流側(cè)負(fù)載電阻200 Ω。

4.1 一相繞組斷路故障

當(dāng)發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，繞組的電流波形及經(jīng)過整流濾波后的直流輸出電壓波形如圖4(a)所示。此時(shí)第四橋臂不投入運(yùn)行，三相繞組處于對稱狀態(tài)，各相繞組電流波形互差60°電角度，輸出270 V 恒定直流電壓。圖4(b)是A 相發(fā)生斷路故障后不采取補(bǔ)償措施的繞組電流波形及直流輸出電壓波形，可以看出，A 相發(fā)生斷路故障后，剩余B，C 兩相電流大小相等、方向相反，同時(shí)因?yàn)槿毕嘣斐芍绷鬏敵鲭妷旱?5 V，并產(chǎn)生6.12%的直流電壓脈動(dòng)。圖4(c)是采取故障補(bǔ)償算法后的繞組電流波形及直流輸出電壓波形，相比正常態(tài)，相繞組電流幅值增大，基本補(bǔ)償了直流輸出電壓的跌落并減小了電壓脈動(dòng)。

圖4 斷路容錯(cuò)算法驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)波形圖

4.2 一相繞組短路故障

圖5(a)是A 相繞組出現(xiàn)短路故障后不采取補(bǔ)償算法的波形圖。可以看出，A 相出現(xiàn)短路故障后，該相繞組電流為正弦波，幅值恒定，只與永磁體磁鏈幅值及繞組電感有關(guān)，剩余B，C 兩相電流幅值增大，直流端電壓跌落25 V 且有4.08%脈動(dòng)。圖5(b)是采取短路故障補(bǔ)償算法后的各相繞組電流波形及直流輸出電壓的波形。可見，該容錯(cuò)算法補(bǔ)償了直流輸出端電壓的跌落并有效地減小了電壓脈動(dòng)。

圖5 短路容錯(cuò)算法驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)波形圖

5 結(jié) 語

本文針對270 V 高壓直流航空電源系統(tǒng)，建立永磁同步發(fā)電機(jī)有功和無功電流分量解耦控制的矢量控制系統(tǒng)。在三相四橋臂容錯(cuò)拓?fù)湎拢瑢Ρ确治稣B(tài)及單相故障態(tài)(繞組斷路和短路)下電壓矢量分布情況，從磁場和定子電流的交直軸分量出發(fā)，保證故障前后定子電流產(chǎn)生的磁場均為圓形旋轉(zhuǎn)磁場。并且模擬單相繞組斷路和短路故障狀態(tài)，分別對容錯(cuò)算法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用三相四橋臂容錯(cuò)拓?fù)浣Y(jié)合SVPWM 容錯(cuò)算法，可使系統(tǒng)在故障前后輸出直流電壓平均值保持不變并減小電壓的脈動(dòng)量，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的容錯(cuò)控制。

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