基于三相四桥臂的永磁容错发电控制系统研究

李欣洁，郝振洋

(南京航空航天大学，南京210016)

0 引 言

根据目前多电和全电技术在飞机系统中的发展趋势，如环境控制、制动、舵面控制等逐渐用电力作动装置取代了液压和气压作动装置，飞机的负载逐渐变为电气类负载，预计飞机中的电力需求量将会大大增加［1］，因此，具有高可靠性的航空独立电源系统是飞机正常安全工作的前提。航空电机的工作环境不同于地面电机，应用场合温差范围大，且大气成分和性质随不同地区和飞行高度而变化，对航空电机的散热、绝缘、零部件等造成不利影响［2］，一旦发生故障，整个发电系统便丧失正常工作的能力，影响飞机飞行甚至造成灾难性的事故，因此研究具有容错能力的发电系统具有重要的现实意义。

近年来，电机的容错技术得到了一定的发展，文献［3 -4］提出最优转矩控制策略结合拉格朗日乘数法等数学优化手段，达到电机转矩脉动最小化输出并使绕组铜损最小，但是需要在线迭代计算;文献［5］通过注入3 次谐波电流并按照铜损最小及铜损相等原则提出了容错电流优化方法;文献［6］将绕组开路故障后的转矩分解为基波转矩和谐波转矩，以保证谐波转矩为零为目标施加补偿电流。以上容错控制算法的补偿电流中均含有大量谐波，增大了电机铁耗且对发电系统来说影响其供电质量。本文针对270 V 高压直流航空电源系统，采用三相四桥臂容错拓扑结合SVPWM 容错算法，保证故障前后定子电流产生相同的圆形旋转磁场，来实现单相绕组断路及短路容错控制，最后，通过对一台3 kW 的永磁容错电机模拟断路及短路故障实验，证明了容错策略的可行性。

1 永磁容错发电控制系统结构

为了实现发电系统的高可靠性控制，其核心部分即发电机和功率变换器都应具有强容错能力。采用转子永磁式容错发电机，除了具有一般永磁电机体积小、功率密度大和转矩脉动小的特点以外，还具有物理隔离、热隔离、磁隔离、电气隔离及大电抗的特点［7］，因此，电机本体具备很强的容错能力，是发电系统容错控制的前提条件。

为了得到稳定的直流电压，永磁同步发电机的输出端功率变换器的选择通常是PWM 整流器，并带有直流滤波环节。传统的三相三桥臂主电路拓扑结构采用空间电压矢量调制(SVPWM)技术，可以减小绕组电流的谐波含量，提高直流母线电压利用率，从而降低电机转矩脉动，拓宽电机调速范围［8-9］。但是，当一相绕组出现故障时，这种传统的拓扑结构将难以维持系统安全可靠运行。为此，采用三相四桥臂容错控制系统，即在原有的控制系统中增加第四桥臂，使之与星形连接的永磁同步电机的中线相连，为中线电流提供通路，三相四桥臂容错拓扑如图1 所示。当系统正常运行时，第四桥臂不投入运行，当系统发生一相故障时，切除故障相，将第四桥臂投入运行，并将控制算法切换为相应的故障补偿算法，即可维持电机正常运行时的特性［10-11］。

图1 三相四桥臂容错拓扑

2 正常态变速及变载恒压控制策略分析

2.1 永磁容错发电机d，q 坐标系下数学模型

为了简化分析永磁容错发电机的数学模型，按照交流电机矢量控制的思想，利用坐标变换理论，将三相静止坐标系下复杂的发电机数学模型变换到按转子磁场定向的两相旋转坐标系，实现定子电流有功分量和无功分量之间的解耦控制。矢量控制中使用的变换为Clarke 变换和Park 变换［14］。

在建立电机数学模型时作以下假设:(1)各相绕组之间互感值为零，无磁路耦合;(2)磁路不饱和，忽略磁滞和涡流损耗;(3)空间磁势及磁通成正弦规律分布;(4)转子上没有阻尼绕组，永磁体无阻尼作用;(5)各相绕组空间对称，且各相绕组的电阻、电感值相等。根据上述假设和坐标变换理论，以发电机惯例输入机械能输出电能的原则，在基于转子磁场定向的两相旋转坐标系下，建立永磁同步发电机的电压及转矩方程:

式中:ud，uq，id，iq，ψd，ψq，Ld，Lq分别是d 轴和q 轴定子端电压、电流、磁链和电感分量;ψf为永磁体磁链幅值;ωe为电角速度;R 为绕组电阻;p 为电机极对数，p 为微分算子;Te为电磁转矩。

2.2 变速及变载恒压控制策略分析

发电机输出端电压经功率变换器和直流滤波环节后得到直流电压Udc，为了简化分析，假设功率变换器没有功率损耗，又因为永磁容错发电机是隐极转子结构，Ld=Lq，结合式(1)，有:

从式(2)中可以看出，当负载或是发电机转速发生变化时，为了得到稳定的直流电压输出Udc，iq应随负载电流Idc和发电机机械角速度ωm动态调节，而id与直流电压输出Udc并没有直接关系，为了保证电机绕组电流与相电压同相位，提高发电机运行效率，采用=0 控制，实现有功电流和无功电流的解耦控制，控制框图如图2 所示。发电运行时将给定电压u*与直流输出反馈电压u 相比较，其偏差值经过PI 调节后得到有功电流给定，给定设置为0，保持发电机的高效率运行。实际反馈电流id和iq与给定值比较后的偏差经过PI 调节后得到变换器直、交轴电压控制矢量，，送入SVM 调制单元，实现系统发电调压与功率因数控制。

图2 发电系统矢量控制框图

3 容错控制策略分析

3.1 正常态空间电压矢量分布

当系统正常运行时，永磁同步发电机的三相绕组工作于三相对称模式，以三相对称正弦波电压供电时交流电机产生的圆形磁场为基准，通过空间电压矢量组合产生的磁场来逼近圆形磁场。在正常情况下，第四桥臂不投入运行，对于180°导通型的变换器，上下桥臂功率开关导通和关断的状态互逆，定义(SaSbSc)表示三相绕组对应桥臂的导通状态，上桥臂导通为1，下桥臂导通为0，则3 个桥臂共有8种开关状态:U0(000)，U1(001)，U2(010)，U3(011)，U4(100)，U5(101)，U6(110)，U7(111)。

本文以状态U1(001)为例分析定子电压矢量的构成。如图1 所示，此时开关状态对应VT4，VT5 和VT3 闭合，等效电路如图3 所示，其中Udc表示直流电压输出，uA，uB，uC的方向为相电压的正方向，由此可得:

图3 开关状态(001)对应的电路

由式(3)～式(5)可得:

根据式(8)的坐标变换公式，将三相静止坐标系中的量变换到两相静止坐标系中［14-15］。

表1 正常态电压矢量表

3.2 故障态空间电压矢量分布

当电机绕组出现故障(一相断路或短路)时，电机工作于非对称状态，此时空间电压矢量组合产生的磁场不再为圆形旋转磁场，会引起电磁转矩脉动及输出端电压跌落。为此，要实现永磁同步发电机绕组故障后的容错控制，需要保证故障前后永磁同步电机的气隙磁场均为圆形旋转磁场，即保证故障前后的空间电压矢量保持不变。

当发生一相绕组断路故障时，以A 相断路为例，封锁A 相驱动信号，同时将第四桥臂投入运行，采用故障相的驱动信号去控制第四桥臂的功率管器件，即Sa的状态由Sn替代，同理，可得(SnSbSc)表示的8 种开关状态对应的相电压值uA1，uB1，uC1及变换到两相静止坐标系后的uα1，uβ1值，如表2 所示。

表2 故障态电压矢量表

对比表1 和表2 可知，一相断路故障后，封锁故障相驱动信号，并用其控制第四桥臂的功率器件，可保证故障前后α，β 坐标系下的电压矢量是相等的。

当发生一相绕组短路故障时，封锁短路相的驱动信号，第四桥臂投入运行，并用故障相的驱动信号控制第四桥臂的功率管器件，因此，电压矢量关系与一相绕组断路故障相同，如表2 所示。

综上所述，当系统出现一相故障时(断路或短路)，只需要将故障相的驱动信号封锁，并将第四桥臂投入运行，用故障相的驱动信号控制第四桥臂的功率管器件，即可产生与正常态相同的α，β 轴分量，从而保证故障前后电机产生相同的圆形旋转磁场，实现容错控制。

4 实验及结果分析

为验证理论分析的正确性，用原动机拖动1 台3 kW 永磁同步发电机做发电实验，对其正常态、一相断路态及一相短路态的控制算法分别进行实验验证。实验采用TI 公司的TMS320F2812 芯片作为控制电路的核心，实验参数:原动机拖动转速600 r/min，发电直流侧负载电阻200 Ω。

4.1 一相绕组断路故障

当发电机正常运行时，绕组的电流波形及经过整流滤波后的直流输出电压波形如图4(a)所示。此时第四桥臂不投入运行，三相绕组处于对称状态，各相绕组电流波形互差60°电角度，输出270 V 恒定直流电压。图4(b)是A 相发生断路故障后不采取补偿措施的绕组电流波形及直流输出电压波形，可以看出，A 相发生断路故障后，剩余B，C 两相电流大小相等、方向相反，同时因为缺相造成直流输出电压跌落25 V，并产生6.12%的直流电压脉动。图4(c)是采取故障补偿算法后的绕组电流波形及直流输出电压波形，相比正常态，相绕组电流幅值增大，基本补偿了直流输出电压的跌落并减小了电压脉动。

图4 断路容错算法验证实验波形图

4.2 一相绕组短路故障

图5(a)是A 相绕组出现短路故障后不采取补偿算法的波形图。可以看出，A 相出现短路故障后，该相绕组电流为正弦波，幅值恒定，只与永磁体磁链幅值及绕组电感有关，剩余B，C 两相电流幅值增大，直流端电压跌落25 V 且有4.08%脉动。图5(b)是采取短路故障补偿算法后的各相绕组电流波形及直流输出电压的波形。可见，该容错算法补偿了直流输出端电压的跌落并有效地减小了电压脉动。

图5 短路容错算法验证实验波形图

5 结 语

本文针对270 V 高压直流航空电源系统，建立永磁同步发电机有功和无功电流分量解耦控制的矢量控制系统。在三相四桥臂容错拓扑下，对比分析正常态及单相故障态(绕组断路和短路)下电压矢量分布情况，从磁场和定子电流的交直轴分量出发，保证故障前后定子电流产生的磁场均为圆形旋转磁场。并且模拟单相绕组断路和短路故障状态，分别对容错算法进行实验验证。实验结果表明，采用三相四桥臂容错拓扑结合SVPWM 容错算法，可使系统在故障前后输出直流电压平均值保持不变并减小电压的脉动量，实现系统的容错控制。

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