大功率永磁同步电动机多相化能量变换与控制的机理及实现

由于电力电子器件电流、电压及功率等级的限制，大功率永磁同步电机驱动系统中通常采取多电平结构的电压源型逆变器，使用低电压等级的功率器件级联实现高电压大功率。然而，高电压的隔离技术以及复杂的控制算法成为限制其应用的重要因素。尤其在供电电压受限的大功率永磁同步电动机应用场合，如电力牵引机车、水面战舰、潜艇、风力发电等要求低压大功率的同时还要求系统具有高可靠性及故障容错能力。大功率多相永磁同步电机驱动系统将功率平均分配到多相绕组中，使用低电压、电流等级的功率器件便可以满足上述要求。课题针对大功率多相永磁同步电机本体电磁结构的特点，研究多单元与多相化电能变换技术、多单元与多相化永磁同步电机系统的磁场定向控制策略、单元出力平衡与系统特性控制、系统的数学模型、特性仿真、最小电流控制、容错运行等基础问题，形成大功率永磁同步电机系统多相化驱动与控制的理论与技术体系。为实现大功率永磁同步电机驱动提供技术基础。

从已有的文献及研究成果来看，对多相永磁同步电动机系统的研究主要集中于五相、六相（双三相）、九相、十二相和十五相等永磁同步电机系统，其中最具有代表性的是五相和六相永磁同步电机系统，其相关技术可以扩展到十二相及十五相（三个五相单元或五个三相单元）永磁同步电机系统。因此本项目重点以五相和六相永磁同步电机系统为研究对象，根据多相化大功率永磁同步电机系统结构的特点，建立多相化永磁同步电机系统的数学模型，研究多单元与多相化电能变换技术、多相化永磁同步电机系统的矢量控制策略、故障后容错运行等关键技术，形成大功率永磁同步电动机多相化驱动与控制的理论与技术体系，并为实现多相化大功率驱动系统设计提供技术基础。.项目在解决多相电机系统在多维度空间下的正交解耦控制问题基础上，结合多相电机结构特点采用了绕组函数法及坐标变换理论，建立了五相、六相永磁同步电机系统模型，完成了五相、六相（双三相）、十五相永磁同步电机驱动控制系统设计，并进行了相应的理论分析和试验验证。项目主要创新工作体现在以下几个方面：.（1）根据多相化大功率永磁同步电机系统结构的特点，建立多相（五相、六相）电机系统在多维谐波空间中的数学模型，得出其时间、空间谐波作用机理及利用方法，有效提高多相电机系统的力矩特性；（2）根据预合成矢量原理，提出了基于相邻最近四矢量的多维SVPWM算法,在抑制低次谐波电压的同时，提高了多相电机系统母线电压利用率；（3）设计了全数字双空间矢量控制器，实现五相永磁同步电机基波电流和三次谐波电流的独立控制，以及六相永磁同步电机矢量空间解耦（VSD）控制；（4）建立了多相永磁同步电机系统故障状态下容错运行控制机制，完成绕组开路故障时无扰运行的控制方法，实现故障状态下的可靠运行；（5）基于双三相PMSM系统理论及研究成果，设计了由五套相互独立的三相电压源逆变器构成的十五相永磁同步电动机(PMSM)并联驱动系统，每套三相绕组由一个驱动单元供电。通过基于CAN总线的并联控制策略实现五套驱动单元并联运行的协调控制，平均分担负载转矩，实现了2MW十五相永磁同步电动机的驱动与控制。.项目研究成果对大功率多相化永磁同步电动机系统的研制，具有重要的理论意义和使用价值，并在风力发电、电动机车牵引、舰艇动力推进、航空航天等要求低压大功率输出和高可靠性运行的场合，具有非常广阔的应用前景。