磁通切换电机的马尔科夫可靠性模型分析
李 伟 程 明
DOI: 10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.171279
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导语
多相电机驱动系统可靠性高、容错能力强、控制自由度更多。本文提出了虚拟绕组容错控制的思路，电机断相故障工况与正常工况下采用统一的控制算法框架。算法将断相故障转换为空间尺度下控制指令的约束，同时在时间尺度下加入谐波平面的谐波抑制算法，实现时空协同容错控制；另一方面，引入全阶观测器估计电机磁链和速度，实现多相感应电机驱动系统无速度传感器容错控制。
在五相感应电机实验平台上验证了所提算法的有效性，实现了电机断相工况下转子磁链和转子转速的准确估计，输出转矩波形中的脉动分量得到有效消除，断相切换过程平滑过渡。
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研究背景
在船舶电力推进、电动汽车等领域中，多相电机驱动系统由于具有控制自由度多、可靠性高、容错能力强等特点得到了广泛应用。如何利用多相电机的多维自由度实现更高性能的容错控制一直是该领域研究中的热点问题。此外，无速度传感器矢量控制系统由于省去了速度传感器，从而降低了系统成本、减少了系统维护工作、进一步提高了系统可靠性。因此，容错无速度传感器控制算法的应用对于多相电机驱动系统可靠性的提升有重要意义。
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论文所解决的问题及意义
优化电流控制方法由于具有实现简单、容错性能好等优点，在多相电机的容错控制中得到了广泛应用。但这种方法也存在着PR、滞环控制器等电流控制算法工程实现复杂，无法兼顾故障容错与谐波抑制等缺点。本文基于虚拟绕组的思想，采用正负序PI控制器实现容错控制，并将谐波抑制算法与容错控制整合。与传统方法相比，所提出的方法在工程上易于实现，并可以实现容错运行与谐波抑制的兼顾，显著降低故障运行下的转矩脉动与电机损耗。
采用虚拟绕组的思想与上方所提出的容错算法后，故障状态下的磁链观测的准确性可以得到保证。因此，可以采用与正常工况下完全相同的无速度传感器算法实现无扰动的无速度传感器运行。本文将全阶转速观测器与提出的容错算法相结合，可以大幅降低故障状态下转速估计脉动，提升转速控制性能。
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论文的方法及创新点
将电机系统可靠性评估模型用电流传感器、速度传感器、IGBT、直流母线电容、绕组和永磁体组成。设定速度波动、电流峰值和转矩作为可靠性评判的标准。为简化计算过程，提出了一种基于马尔科夫链的可靠性快速计算公式，显著简化了电机系统可靠性计算。建立了磁通切换电机的马尔可夫链，如图1所示。
图1 FSPM电机系统的马尔科夫链
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结论
在本文提出的可靠性标准的前提下，FSPM的平均故障前时间可达到18.95年，可以满足一般的牵引电机可靠性的要求。电机本体是电机系统中最重要的子系统；绕组、IGBT和速度传感器是系统最重要的3个零件。
与传统永磁电机相比，FSPM的永磁体和电枢绕组均位于定子上，冷却系统性能良好时，永磁体和绕组距离机壳近，有利于永磁体的散热，所以当散热能力提升后，电机系统的可靠性就有所提升。集中绕组能增强绕组独立性，相对于分布式绕组相间短路故障发生率有所降低，所以当电机采用集中绕组时，电机的可靠性会有所提升。
李伟, 程明. 磁通切换电机的马尔科夫可靠性模型分析[J]. 电工技术学报, 2018, 33(19): 4535-4543.
Li Wei, Cheng Ming. Markov Reliability Model Analysis for Flux-Switching Permanent Magnet Machine[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2018, 33(19): 4535-4543.
作 者 简 介
东南大学
李 伟 男，1986年生，博士研究生，研究方向为电机系统可靠性研究。
程 明 男，1960年生，教授，博士生导师，IEEE Fellow，IET Fellow，研究方向为微特电机及测控系统、新能源发电、电动汽车驱动控制。
作者所在团队为江苏电机与电力电子联盟（JEMPEL），是由程明教授领衔，以东南大学电气工程学院11名专任教师为核心，多名杰青、等为支撑，近百名博士后、博士和硕士研究生为骨干的科研团队，研究领域涵盖电机与电力电子及其在新能源发电、电动汽车、轨道交通、伺服系统等领域的应用。
团队先后承担了国家973计划、863计划、国家重点研发计划、国家自然科学基金重点项目、国家自然科学基金重大国际合作研究项目等各类课题90余项；共发表论文370余篇，其中SCI收录250余篇；获授权发明专利150多件，获国家技术发明二等奖、教育部自然科学一等奖等学术奖励。