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研究背景 多相电机驱动系统特别适合电动/燃料混合动力车辆、航空航天、风力发电、电力机车牵引及电力舰船的推进系统等供电电压本身受限的大功率应用场合，在实现低压大功率的同时还具有高功率密度、高转矩密度、高可靠性及故障容错能力等优点。 在各类多相电机中，六相电机和传统三相电机具有紧密的联系得到了更多的关注，由60°相带角三相电机裂相后得到的不对称六相电机(相移30°双三相电机)由于转矩脉动更小而具有更大的应用优势。相移30°双三相电机可以看成两台存在耦合关系的三相电机进行控制，因此比较成熟的三相电机控制方法和拓扑结构可以直接推广到双三相电机中。相移30°双三相电机既具有多相电机的诸多优势，又和传统三相电机具有紧密的联系，因此其是一种应用前景非常良好的多相电机。 论文所解决的问题及意义 正常双三相电机直接转矩控制运行需要对基本电压矢量进行修正，采用修正后的虚拟矢量进行直接转矩控制可以抑制谐波电流。双三相电机缺一相故障直接转矩控制时，需要对电压矢量重新进行修正。 现有文献基于合成虚拟矢量进行控制的缺相容错DTC策略，存在一个共同问题，就是电机在发生故障后，虚拟矢量的空间相位发生变化，需重新进行定子磁链分区和开关表的设计，使得控制过程，尤其是正常运行到缺相容错运行的切换较为复杂。 该文给出了双三相电机缺一相故障情况下的电压矢量分布，提出一种双三相电机缺一相运行时虚拟矢量的间接修正方法，并且使虚拟矢量的幅值达到最大。构建双三相电机缺一相容错直接转矩控制策略，其定子磁链分区和开关表的选取规则与双三相电机正常运行时一致，其差别只是缺一相运行时十二个虚拟矢量的幅值有所减少，因此比较易于实现。 论文方法及创新点
图1 单相故障后a-b子平面和z子平面的电压矢量 当双三相PMSM发生单相开路故障时，基本电压矢量由正常的64个变为32个，因此需要对缺相后的虚拟矢量进行重新修正。由图1所示，双三相电机单相开路故障后电压矢量幅值不再满足特定的比例关系，且空间分布也不再均匀，因此很难采用类似双三相电机正常运行时直接合成的方法进行虚拟矢量修正。 本文研究提出一种间接的虚拟矢量修正方法。
式（1）
图2 a-b子平面线性调制比m=0.2773时各相参考电压
图3 单相开路故障时虚拟矢量VV0*的PWM波形图
式(3)
对比正常运行图5（a）和缺相故障运行图5（b）时的虚拟矢量可以看出12个虚拟矢量的方向完全一致，只是缺相故障运行时虚拟矢量的幅值有所减少，因此双三相电机缺相故障与正常直接转矩控制时其定子磁链分区和开关表的选取规则一致，不需要重新进行定子磁链分区和开关表设计，即本文构建的双三相电机缺相故障直接转矩控制运行策略与正常直接转矩控制运行时控制策略基本一致，其差别只是虚拟矢量的幅值有所减少，比较易于实现。双三相PMSM驱动系统实验平台如图6所示。
图4 虚拟矢量VV0**在α-β和z子平面的矢量合成图
图5 正常运行与单相开路故障后a-b 子平面虚拟矢量对比
图6 双三相PMSM驱动系统实验平台 结论 本文针对双三相永磁同步电机缺一相故障情况，主要提出了一种双三相电机缺相容错运行虚拟矢量的间接修正方法，并且构建了双三相电机缺一相容错直接转矩控制策略，得到以下结论： 1）本文提出的双三相PMSM缺一相故障运行虚拟矢量间接修正方法，可以得到等幅和最大幅值两种虚拟矢量，其中最大幅值虚拟矢量消除了零矢量，实现了最大直流母线电压利用。 2）本文构建的双三相电机缺一相直接转矩控制策略，其定子磁链分区和开关表的选取规则与双三相电机正常直接转矩控制一致，其差别只是十二个虚拟矢量的幅值有所减少，因此比较易于实现。 3)本文提出的缺相容错运行虚拟电压矢量间接修正方法对于其他类型多相电机例如五相电机，正常运行以及缺两相运行情况均适用，只需要分别采用对应运行情况下的静止变换阵即可。虚拟电压矢量也可以用于多相电机缺相容错运行时的SVPWM和预测电流控制中。
西安理工大学电力电子研究所团队依托于陕西省重点建设的电气工程学科，电气工程及其自动化专业为首批国家级一流本科专业建设点，设有电气工程一级博士学位授权点及博士后流动站。研究方向主要涵盖现代电力电子装置与系统、电机及其控制系统，电力系统用电力电子装置、分布式电源与微网和电能质量分析与控制5个方向，形成了从装置到系统一整套完整的电力电子体系。  周长攀 1986年生，讲师，硕士生导师，IEEE会员，中国电源学会变频电源与电力传动专业委员会委员，主持国家自然科学基金青年项目1项，陕西省自然科学基础研究计划项目2项，中国博士后科学基金面上项目1项，企业合作横向项目多项。发表学术论文20余篇，授权发明专利多项。主要从事交流电机驱动控制、多相电机驱动和无位置传感器控制等方面的研究。 刘海峰 1994 年生，硕士研究生，研究方向为多相永磁同步电机驱动与控制。 孙向东 1971年生，教授，博士生导师。中国电源学会理事、陕西省自动化学会理事、电气自动化分委员会主任委员，西安电力电子学会理事长。入选2017年新疆自治区天池学者百人计划。主持完成国家自然基金面上项目、陕西省自然科学基金、教育厅基金等各类基金10余项。获陕西省科学技术进步二等奖2项、三等奖1项，科技进步二等奖3项、三等奖1项，陕西省高等学校科学技术一等奖1项。出版专著、译著各1部，发表论文100余篇，获得发明专利授权40余项，转让专利10余项。 本文编自2023年第2期《电工技术学报》，论文标题为“双三相永磁同步电机缺相容错运行虚拟矢量间接修正方法及其在直接转矩控制中应用”。本课题得到国家自然科学基金、中国博士后科学基金和陕西省自然科学基础研究计划的支持。引用本文 周长攀, 刘海峰, 景国秀, 刘坛, 孙向东. 双三相永磁同步电机缺相容错运行虚拟矢量间接修正方法及其在直接转矩控制中应用[J]. 电工技术学报, 2023, 38(2): 451-464. Zhou Changpan, Liu Haifeng, Jing Guoxiu, Liu Tan, Sun Xiangdong. The Indirect Correction Method of Virtual Vectors for Dual Three-Phase Permanent Magnet Synchronous Motors under the Open-Phase Fault and Its Application in the Direct Torque Control. Transactions of China Electrotechnical Society, 2023, 38(2): 451-464. 阅读全文 |
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