船舶电力推进中十五相感应电机同轴运行及容错控制策略_刘自程VIP免费

2014年3月电工技术学报Vol.29No.3第29卷第3期TRANSACTIONSOFCHINAELECTROTECHNICALSOCIETYMar.2014船舶电力推进中十五相感应电机同轴运行及容错控制策略刘自程1郑泽东1彭凌1,2李永东1,3（1.清华大学电机系电力系统及发电设备控制和仿真国家重点实验室北京1000842.中国舰船研究设计中心武汉4300643.新疆大学电气工程学院乌鲁木齐830046）摘要同轴双十五相电机推进系统具有高可靠性、能容错运行、能驱动较重负载等优势，因此其在船舶电力推进中的应用具有重要意义。本文首先分析建立了十五相电机的数学模型，在此基础上建立了十五相感应电机和螺旋桨负载的仿真模型。通过广义派克变换矩阵的建立，设计了十五相电机转子磁场定向矢量控制策略，并结合同轴电机的转矩随动控制，得到了转矩随动矢量控制策略。分析了断相故障下十五相电机气隙磁场的变化，研究了切除对称分布定子相绕组的容错控制策略。通过Matlab/Simulink中的仿真模型，说明了同轴双十五相电机推进系统控制策略的有效性和容错控制策略的可行性。关键词：多相电机同轴矢量控制容错控制中图分类号：TM315FixedJointDoubleFifteen-PhaseInductionMotorControlandFault-TolerantControlinShipPropulsionSystemLiuZicheng1ZhengZedong1PengLing1,2LiYongdong1,3（1.StateKeyLaboratoryofSecurityControlandSimulationofPowerSystemsandGenerationEquipmentsTsinghuaUniversityBeijing10084China2.ChinaShipDevelopmentandDesignCenterWuhan430064China3.XinjiangUniversityUrumchi830046China）AbstractWiththeadvantagesofhighreliability,fault-tolerantoperation,abilitytodriveheavyload,fixedjointdoublefifteen-phaseinductionmotors(15PIM)haveimportantsignificanceinshippropulsionsystem.Thispaperanalyzesthemathematicalmodelof15PIM,andestablishesthesimulationmodelof15PIMandpropellerload.Bythederivationofgeneralizedparktransformation,thispaperdesignsfield-orientedvectorcontrolfor15PIM,andcombineswithtorquefollowingcontroloffixedjointmotors,torquefollowingvectorcontrolisproposed.Afteranalyzingthechangeofmagneticmotiveforce(MMF)infaultcondition,fault-tolerantstrategyofcuttingoffsymmetricalstatorwindingsisproposed.ResultsofsimulationinMatlab/Simulinkdemonstratethevalidityoftorquefollowingvectorcontrolandfault-tolerantcontrol.Keywords：Multiphasemotor,fixedjoint,vectorcontrol,fault-tolerantcontrol1引言在船舶推进系统中，电力推进与传统机械传动推进相比，通过电气连线取代了原动机和螺旋桨的直接机械连接，因而具有更高的可靠性、更好的动态性能、更少的能源消耗、更低的维护成本[1]。近年来电力推进在大型船舶和军舰上得到了越来越广泛的应用，每年新建造的采用电力推进的舰船数量收稿日期2013-11-1066电工技术学报2014年3月正迅猛增加[1,2]。正如文献[3,4]中所述，多相电机由于具有比三相电机更多的相数，可以实现低压大功率的驱动，转矩脉动小，功率密度高，可靠性高且断相后能够容错运行。多相电机在海军舰船推进系统等需要高性能和高可靠性推进系统的场合，得到了越来越多的应用[5,6]。同轴多电机驱动系统能够利用多台电机联合出力的优势，产生分布式的转矩，驱动较重的负载[7]，同时电机数量的增加也提高了驱动系统的可靠性。因此，这种推进形式也被广泛应用于舰船上[8]。同轴双十五相感应电机推进系统如图1所示，电机相数和电机数量上的冗余，大大提高了整个推进系统的可靠性。图1同轴双十五相电机推进系统结构图Fig.1Fixedjointdoubletandem15PIMpropulsionsystem本文对双十五相感应电机同轴运行在船舶电力推进系统中的应用进行了仿真研究，在控制系统的设计中考虑了多相电机控制、多电机协同控制以及电机与非线性负载螺旋桨的匹配，提出了转矩随动控制[9]和转子磁场定向矢量控制相结合的控制策略。多相电机在断相情况下的容错运行，一般是通过对电机非故障相电流的有效控制，保持光滑的气隙旋转磁场。主要分为两种方法：第一种为通过相电流滞环控制实...