三相和五相PMSM缺相运行的仿真分析

张金辉

（1.河南理工大学,河南 郑州，454001；2.河南工业和信息化职业学院，河南 郑州454001）

由于受到电力系统的限制，长期以来交流传动系统主要集中在单相和三相电机上。近年来，随着电力电子技术和微处理器的发展，电力变换器已经摆脱了电力系统中标准三相电流的限制，多相电机驱动控制技术领域得到了充分的发展空间［1］。

1 仿真

本文对4.4KW三相PMSM和4.4KW五相PMSM电流和速度双闭环控制的缺相运行情况进行仿真，仿真图如下图1所示。仿真参数的具体设置如下所述。

1.1 三相PMSM缺相运行部分仿真参数的设置

三相PMSM参数：定子相电阻R=0.129Ω，电机的电枢电感Lam=1.53mH，电机的永磁磁链ψf=0.1821Wb，转动 惯 量J=3.334e-3（kg·m2），电 机 的 摩 擦 因 数μf=0.000425，极对数p=4，额定输出转矩设置为7N·m；

PI积 分器：Integral参 数 为3，Proportional参 数0.4，Minimum andmaximum outputs参数为[-150，150］；

Fault operation command 1：Time为[0 0.09］，Amplitude为[1 0］；

Faultoperation command（与断路器相连）：Time为[0 0.06］，Amplitude为［1 0］。

1.2 五相PMSM缺相运行部分仿真参数的设置

五相PMSM参数：定子相电阻R=0.12Ω，电机的电枢电感Lam=1.35e-3mH，电机的永磁磁链ψf=0.05Wb，转动惯量J=0.002（kg·m2），电机的摩擦因数μf=0.02，极对数p=4，额定输出转矩设置为7N·m。［2］

PI积分器：Integral参数为11，Proportional参数20，Minimum andmaximum outputs参数为［-150，150］；

Fault operation command：Time为［0 0.09 0.15］，Amplitude为［2 1 0］；

Faultoperation command（与A相断路器相连）：Time为［0 0.06］，Amplitude为［1 0］；

Faultoperation command（与B相断路器相连）：Time为［0 0.12］，Amplitude为［1 0］。

1.3 仿真算法为：可变步长ode23tb（stiff/TRBDF2），相对转矩为1e-4。

由上述设置参数可知，自仿真起始时间开始，两台电机全相正常运行。当仿真时间t=0.06s时，两台电机的A相同时故障，电机缺相运行。当仿真时间t=0.12s时，五相PMSM的B相也发生故障，电机缺相情况更加严重。

在上述仿真算法的条件下，运行图1的模型，可以得到当三相PMSM和五相PMSM缺相运行时，永磁电机转速和转矩的仿真结果分别如下图所示：

图1 三相PMSM和五相PMSM缺相故障仿真运行

图2 三相PMSM和五相PMSM转速、转矩比较图

2 分析

由 图2可 知，当t=0.06s时，三 相PMSM和 五 相PMSM同时发生A相故障，但五相PMSM比三相PMSM的调节能力强，电机转速和转矩的波形能够迅速自动恢复稳定状态。而对于三相PMSM，只有当t=0.09s时，每个控制器的电流参考被用于补偿相位缺失之后，电机转速和转矩的波形才可再次达到稳定状态。当t=0.12s时，五相PMSM的B相开路，缺相情况更加严重，这时就不能单靠五相PMSM的自动恢复能力，而需要在t=0.15s时，每个控制器的电流参考被用于补偿相位缺失来促进电机转速和转矩达到稳定运行［3］。

三相PMSM和五相PMSM在缺相发生瞬间，定子侧电流都会存在短暂波动，但最终都趋向于正弦波。此外，需要注意的是，缺相侧的定子相电流变为0。如三相永磁同步电机A相开路定子电流图2（a）左图a）所示，最终A相定子电流为0；五相永磁同步电机A、B相开路定子电流图2（a）右图b）所示，最终A、B两相定子电流都为0。

通过在Matlab中仿真分析可以得出结论，五相PMSM对比与三相2PMSM，具有更强的容错控制能力。除此之外，需要着重注意的是，对于三相电机，如果故障发生在其中一相，只能把母线中性点和电机中性点相连接来保证电机正常运转，使得电机旋转磁动势恒定。而对于五相电机，在一相发生故障时，可以通过电机自身的自动调节，来保证电机的正常运行。

［1］Leila Parsa，H.A.Toliyat.Multi-Phase Permanent Magnet Motor Drives.IEEE IASAnnualMeeting.2003:401-408.

［2］ToliyatH.A.Waikar S.P.Lipo T.A.Analysis and simulation of five-phase synchronous reluctance machines including third harmonic of airgap MMF.Industry Applications，IEEE Transactions.1998，2:332-339.

［3］Shuai Lu，Keith Corzine.Multilevel Multi-phase Propulsion Drives.IEEE Electric Ship Technologies Symposium.2005:363-370.