翟自斌，郑晓钦，李修东
(青岛大学电气工程学院，山东青岛266071)
［摘要］主动切套运行是多套多相电机特有的一种对称故障运行方式，可根据负载率选择最佳的运行绕组 套数，以优化电机系统效率。本文以三套三相绕组构成的九相永磁同步推进电机系统为研究对象，研究了电
一次性雾化吸入器
机主动切套的控制方法，通过考虑切套前后推进电机本体及其逆变器损耗的变化，得到九相永磁同步推进电 机系统全转矩范围内损耗最小的切套运行方式。通过对9kW九相永磁同步推进电机原理样机进行Simulink仿真
计算，验证了理论分析的正确性。
［关键词］九相永磁同步电机；切套控制；损耗分析
［中图分类号］TM341［文献标志码］A［文章编号］1000-3983(2021)01-0014-06
Active Symmetrical Fault Operation Control Strategy of Nine-phase Permanent Magnet
Synchronous Propulsion Motor System
ZHAI Zibin,ZHENG Xiaoqin,LI Xiudong
(College of Electrical Engineering,Qingdao University,Qingdao266071,China) Abstract:Active symmetrical fault operation is a unique symmetrical fault operation mode of
synchronous motor composed of multiple sets of multi-phase windings.The optimal number of running
winding sets can be selected according to the load rate to optimize the efficiency of the motor system.
This paper takes the nine-phase permanent magnet synchronous propulsion motor system composed of
three sets of three-phase windings as the research object,and studies the control method of the motor's
active symmetrical fault.By considering the changes in the loss of the propulsion motor and its inverter
during symmetrical fault operation,the symmetrical fault operation mode with the smallest loss in the
full torque range of the nine-phase permanent magnet synchronous propulsion motor system is
obtained.Simulink simulation calculation of a9kW nine-phase permanent magnet synchronous
propulsion motor prototype verified the correctness of the theoretical analysis.
Key words:nine-phase PMSM;symmetrical fault control;loss analysis
0前言
电力推进分系统作为舰船综合电力系统中的主要分系统，也是电能需求量最大的分系统，其重要性不言而喻⑴。高效率、高转矩密度、高可靠性是对大容量推进电机系统的基本要求［2］。推进电机系统损耗的降低成了提高效率的关键因素，需要综合考虑推进电机本体以及逆变器的损耗［3］。
相比于传统的励磁电机，永磁同步电机能够获得更高的效率与转矩密度，特别适合在空间受限的多功能舰船上使用［4］。同时，绕组经多相化设计后，可使用低压开关器件实现大功率驱动，转矩脉动减小，可靠性提高，具有更多的控制资源和自由度［5］。鉴于多相永
基金项目：国家自然科学基金资助项目(51907093)；山东省自然科学基金资助项目(ZR2019BEE009)磁电机的诸多优势，已逐步应用于各国大容量舰船的推进系统中［6］。
不同于传统多相绕组结构，多相永磁推进电机常采用多套多相绕组结构。一方面，当电机某相绕组发生故障时，可将故障相所在的整套绕组切出，牺牲部分带载能力，最大程度的保证故障电机平稳运行；另一方面，在舰船作业与巡航减速航行时，为避免功率逆变器在轻载工况产生不必要的损耗，可根据负载需要主动切套运行，以提高推进系统效率。因此，为提高整个推进系统的可靠性和高效性，开展多相永磁推进电机切套运行研究势在必行。文献［7］针对九相磁通切换永磁电机轻载运行工况，主动关闭其中部分相绕组，使用一套或两套三相绕组工作就可以满足输出要求，减小逆变器损耗，优化推进系统的效率。文献［8］针对四套三相绕组构成的十二相永磁推进电机系统，
研究了分组控制的驱动系统容错控制方式。当某相出
现故障时，切出故障相所在的整套绕组及控制通道， 保证故障电机可靠运行。文献［9］针对三套五相绕组构 成的十五相感应推进电机切套减额运行工况，得到电
机切套减额运行时与负载相适应的最大输出转矩。pvc文件袋
本文针对三套三相绕组构成的九相永磁推进电机
系统，研究了推进系统全转矩范围内，主动切出不同
套数绕组运行的控制方式，以及同时考虑不同切套运
行时推进电机本体及其逆变器的系统损耗变化，得出 与负载相适应的最优切套运行方式。
1九相永磁同步电机绕组结构
本文研究的九相永磁同步电机定子绕组由三套三
相开端绕组构成，每两套三相绕组互成加9电角度，采
用H 桥逆变电路分别驱动各相［9］。图1所示为电机切 套运行前后的绕组变化。图2所示为九相H 桥逆变电 路的拓扑结构。
图1九相永磁推进电机切套减额运行前后绕组变化
_______________________________________________________________________
图2九相H 桥逆变电路拓扑结构
n
%
..........................................................................................................................................
—
—------------------------------------------------------------------------------------C2
二1 1
h O h G
: F a2 F F~ b 2
r~ c 2心* GG
__1 _ __1 _ __1 ~~
..........................................................................................................................................
--^一——------------------------------------------------------------------------------------C 3
二
1 1 GE ©c
2九相永磁同步电机切套运行数学模型
2.1电机正常运行时的数学模型
九相永磁同步电机是一个高阶、非线性、强耦合的 多变量系统，在a-b-c 坐标系下对其数学模型进行分析
较为复杂，为简化分析，将其数学模型解耦到a-p-0 坐标系中，解耦矩阵及其逆矩阵为：
C 22
00
00
C 33
00c ;3
⑴
（2）
式中，子矩阵为:
Cii =3cos (n (/ -1)
sin ［n (i -1)
12
cos ［辛+n (i -1)j cos ［丰+n (/-1)
sin 岸 + n (i -1)j sin 库 + n (i -1)
2 2
cos ［n （i -1） j
sin ［n （i -1） J
C ,-1 = cos ］ ¥ + n （i -1） J sin （丰 + n （i 一1）
cos f 也 + n （, -1） j sin ］也 + n （, -1）_ I 3 9 丿 I 3 9
式中，i 表示绕组套数，取值为1,2,3解耦后a-B-0坐标系各轴电流分量仍为交流量，为
方便控制，需将其转化为d-q-0坐标系下的直流量，变
换矩阵为：
111
O
cos 0 sin 0
-
sin 0 cos O
（3）
D =
⑷式中，0为同步角位移，有0=b d t, m 为电角速度。 九相永磁同步电机在d-q-0坐标系下的电压方程、 磁链方程、转矩方程和运动方程分别为：
U dq
= R s !dq + L dq~^~ + 叫%dq
屮 d q = T dq L dq + 屮f
T e = 3 n p 工 O q ,% -i d W q ,）2 i =1
T - T = J 虬e L dt
（5）（6）
（7
）
式中，有:U dq =["dl u q1 u 01
U d2U q2U 02U d3 U q3U 03 F
，dq = [7d1 7q1
701
7d2
i q2
i 02
7d3
7q3
703 J 1
妙dq = [0d1 0q1 001
0d2
0q20020d3 0q3
003
屮f = [©
0 0 輕
00
輕
0J T R s = dia g k r r
r s
r s
r s
r s
r r s
J
r 0
0_
_0 -1 0_
r =0 r 2
，^1 =
2
=
3
=1 0 00
0 r 3
0 0 0厶1厶2厶3
Z 0
0 _
L dq
=
L 21
L 22
L 23
，
厶1 = L 22=厶3 =0 L s
0_厶1厶2厶3 _
0 0l s01_
_ L ：2
l dqa
厶2 =L 21 = L 23 =厶2 ：二厶3 =厶1 =- l
超滤器dqa
L 0
so.csdn/api/v3/search?p=1&t=all&q=l s02
厶=L + L m L 12 -疋 + L m
L = 31
m £ m
其中，心为单个三相绕组自身的互漏感；伫为相 邻两个三相绕组间的互漏感；l s01为单个三相绕组自身
的零序互漏感；l s02为相邻两个三相绕组间的零序互漏 感；l dq .为相邻两个三相绕组间的dq 等效互漏感；l m
为相绕组重合时的主电感；7=12,3，代表三相绕组套
数；n p 为极对数；*为定子电阻；舛为永磁体磁链。
2.2切套运行对数学模型的影响
多相永磁同步电机切出不同套数绕组运行时，部分
参数会发生变化［10］，需要重新计算。根据文献［11冋知，
两相绕组重合时的主电感l m 表达式为：
,MU
l m =
（8）
n p g e f
式中，“0为空气相对磁导率；T 定子极距；l ef 为定 子有效长度；N 为定子绕组每相串联匝数；k wv 为定子
四轴机械臂
绕组基波绕组因数；n p 为极对数；g ef 为气隙有效长度。
由式（8）可以看出，定子两相间的主电感l m 仅与 电机结构有关，与相数无关。因而，电机切套运行时,
l m 不发生变化。
定子漏感心是计及所有相绕组共同作用时的定子
每相漏感。根据文献［12］可知，定子漏抗受相数影响较 大，且没有规律可循，因此只能重新计算。定子漏感
主要包括端部漏感、槽漏感、谐波漏感三部分。根据 文献［13］介绍的方法，可分别计算九相永磁同步电机不
同切套运行时的漏感参数，详见表1。
表1切套前后定子漏感参数变化
九相
六相三相
槽漏感/H
0.01220.01220.0122
谐波漏感H 0.0003
0.0005
0.0008端部漏感/H 0.00470.00310.0015定子漏感/H
0.0172
0.0158
0.0145
3九相永磁同步电机切套运行的实现
3.1切套运行控制策略
图3所示为基于三d-q 模型的九相永磁同步电机 切套控制框图。整个控制回路由转速外环和电流内环 组成，设置了转速调节器和电流调节器来进行控制。
图3基于三d-q
模型的九相永磁同步电机切套控制框图
图3中三个虚线框的内容为三套三相绕组的控制 的控制部分退出运行，剩余绕组继续工作，保证了电
部分。每切一套三相绕组运行时，就有一个虚线框中 机的不间断运行。仿真电机参数见表2。
表2九相永磁同步电机参数
额定功率
/kW
相电压有 效值/V
相电流有 效值/A
额定频率/Hz 额定转速/(r/min)定子电阻/Q 永磁体磁链/Wb 定子互感/H 定子漏感
/H
极对数
转动惯量
/( kg-m 2)设计值
9234 4.460900 2.47
0.8524
0.00540.017144
0.0249
对九相永磁同步电机正常运行、切一套三相 真。图4~6所示为相应运行条件下加载后的电流绕组运行和切两套三相绕组运行分别了进行仿 和转矩。
0.35 0.355 0.36 0.365 0.37
0.375 0.38 0.385 0.39 0.395
时间/s
时间/s
图4九相永磁同步电机正常运行时电流、转矩波形
8642O 4-4%-80
疋70^
6,564626058%
s 握莊
*(
£.2)、舉
牌«莊
0.35 0.355 0.36 0.365 0.37
0.375
0.38 0.385 0.39 0.395
时间/s
图5九相永磁同步电机切一套三相绕组运行时电流、
转矩波形
之时间/s
----------------r --------------------1----------------------------------------------1---------------1----------------------r --------------------t -----------------------------------------------------------------I .I ______________i_.
383634 *22m 32
3028262422
0.35
0.355 0.36 0.365 0.37
0.375 0.38 0.385 0.39 0.395
蓝牙移动
时间/s
图6九相永磁同步电机切两套三相绕组运行时电流、转矩波形
3.2推进电机系统的损耗分析
3.2.1电机本体损耗
电机本体损耗的增加会导致电机运行效率降
低。九相永磁同步电机运行时主要的电磁损耗包括： 铁耗、永磁体涡流损耗和铜耗［"I 。文献［7］建立了电 机损耗模型，并分析出电机缺相运行时，电机内部
损耗发生改变的只有铜耗，其余损耗变化不大。因
此，进行切套控制损耗分析时，电机本体损耗只需 计算铜耗的增加。
九相永磁同步电机铜耗计算与切套后电流大小有
关，通过对切套控制后的电流进行分析，可得到切套 控制电机内部损耗的变化。
由文献［8］得知，在电机系统不过载的情况下，三
相绕组运行时，负载率不得超过33%；六相绕组运行
时，负载率不得超过66%；九相绕组运行时，加载不 得超过额定负载。电机进行切套控制时，在系统不过
载的前提下，得到了计及运行绕组相数和负载率的铜
耗，见表 3。
表3计及运行绕组相数和负载率的铜耗
绕组数负载率
0.10.20.330.50.660.80.91
九相运行铜耗/W 4.317
47108187
277349430
六相运行铜耗/W
6.5
2671
162276***三相运行铜耗/W 1352
141
*
*
*
**
3.2.2逆变器损耗
逆变器主要由IGBT 和反并联二极管组成问，二 者进行开关时，会产生逆变器损耗。逆变器总损耗包
括通态损耗和开关损耗［16］。
(1)IGBT 通态损耗
IGBT 的通态损耗与导通压降、流过IGBT 的电流、
占空比有关。IGBT 的通态损耗为：
1 f T
化n_IGBT =-［咕⑴厶(t )D Q (t )d t
(9)
式中，P con_IGBT 为 IGBT 通态损耗；V cE (t )为 IGBT
导通压降函数；厶(t )为流过IGBT 的电流函数；D Q (t)
为IGBT 占空比函数；T 为调制波周期。
(2) IGBT 开关损耗
IGBT 的开关损耗与其开关特性有关，包括开通损 耗和关断损耗，可表示为：
Cw — IGBT =分 £ IX n (/) + E off (t )］d t ( 10)
式中，P sw_IGBT 为IGBT 开关损耗；Zw 为开关频率;
E on (t )为导通一次的能耗函数；E off (t )为关断一次的能耗 函数。
(3) 二极管的通态损耗
二极管的通态损耗与导通压降、
流过二极管的电
豫公网安备41160202000603
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