三相永磁同步电机缺相运行分析

摘 要：文章三相永磁同步电机的缺相运行进行了分析，通过对其磁场定向控制的磁势计算，进而推倒出三相永磁同步电机在缺相时的磁势和电磁转矩，为后期建立仿真模型，增强电机容错控制能力奠定了理论基础。

关键词：三相永磁同步电机；缺相运行；磁势计算

1 概述

在许多应用场合，驱动系统的故障会导致严重的后果，甚至对人身安全构成威胁。因此，要求驱动系统在发生故障时仍然能够安全运行这一问题就显得格外重要。在电机推进系统中，最常见的两种故障类型分别是逆变器故障和电机本体故障。逆变器是电机驱动控制中最重要的部分，对电机进行变频调速实际上就是反复开关逆变器中的电力电子器件，从而达到控制电机的目的。正因为如此，逆变器成为了驱动系统中工作最频繁的一个部分，其发生故障的概率要高于其它故障原因。此外，需要注意的是，电机绕组可以通入电流感应磁场，是实现机电能量转换的主要部件，因此，当绕组发生故障后也将直接影响到电机的稳定运行。这两种主要故障又可以细分为多种故障情况，具体如下：电机绕组开路故障；电机绕组短路故障；逆变器功率开关器件开路故障；逆变器功率开关器件短路故障。

当电机在运行中出现上述故障后，将会出现一系列的不良影响，这将造成整个电机推进系统可靠性的下降，主要表现为：电机的平均转矩降低；电机的转矩波动变大；气隙主磁场发生畸变，由于一相或几相发生故障，原本在空间中呈对称分布的定子线电压和线电流变为不对称分布；电机损耗增加，从而使得电机效率降低；电机温升显著提高，对电机内各部分的绝缘层造成破坏。文章主要针对三相永磁同步电动机（PMSM）的缺相运行来展开研究。

2 三相PMSM運用磁场定向控制方法时的磁势计算

三相静止坐标系包含的三相PMSM永磁同步电机的磁势向量图如图1可见，已知想要让定子线圈里流过的电流可以在电机内部达到幅值固定、转速均匀的圆形磁动势，定子线圈流过的电流一定得符合下列公式所示：

im为各相定子电流的幅值，θ为相应相的电流的相位差在各自空间上形成的夹角，Ns是各自有效串联的线圈数，以A相为中点和气隙附近空间位置形成的电角度为β。

三相PMSM定子线圈发出的总磁势在三相稳定运行状态下的表达式为：

由磁场定向控制的学说可知，ψf与d轴重合，三相PMSM定子绕组产生的定子总磁势所有都在q轴上，d轴和q轴成九十度夹角，即？琢=？茁=90°，而且定子总磁势与永磁体磁链彼此影响发出电磁转矩，采用磁场定向法永磁同步电机d-q坐标系下的磁势图如图2，电磁转矩的表达式为：

3 三相PMSM一相开路时磁势与电磁转矩分析

如三相PMSM定子线圈其中有某相开路，那么此开路相里没有电流流过，即不存在产生磁势的可能，为了便于推倒分析，这里设定开路相为A。其余正常运行相的电流和其产生的磁势如下：

由Fs公式可以知道这时定子总磁势可以视作为3个分量的集合，一个反转分量，一个大于ω的正转分量，还有一个是以ω运行的正转分量。

利用隔离硬件故障的办法，可以把电机线圈断线、功率器件接触不良和短路等电机驱动系统中频繁出现的故障变换成电机缺相运行，从而简化控制的复杂性。所以文章通过对三相永磁同步电机采用磁场定向控制方法时的磁势计算，并对三相PMSM在一相开路时磁势和电磁转矩进行分析，建立了合理的数学模型，为后期创建仿真模型，增强电机容错控制能力奠定了学术基础。

参考文献

[1]唐任远，等.现代永磁电机—理论与设计[M].北京：机械工业出版社，2002.

[2]E.A. Klingshirn. High Phase Induction Motor Prat I Description and Theoretical Considerations[J].IEEE Transaction on Power Apparatus and Systems，1983，Vol. PAS-102，1：47-53.

作者简介：张金辉（1983，12-），男，硕士，研究方向：电气工程及其自动化，河南工业和信息化职业学院。