多相電機電磁耦合特性分析及驅動技術研究

《多相電機電磁耦合特性分析及驅動技術研究》是依託中國科學院電工研究所，由薛山擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：多相電機電磁耦合特性分析及驅動技術研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：薛山
• 依託單位：中國科學院電工研究所

項目摘要

多相電機系統（Mutliphase Machine）泛指電機相數大於3的交流電機驅動系統。它與傳統三相電機驅動系統相比具有十分突出的優點，特別適合於艦船推進、電動車輛、航空航天等低壓、大功率、高可靠性要求的驅動套用場合。由於系統中相數增加，多相電機驅動系統突出的難題是系統中電、磁量的時間諧波和空間諧波之間存在著與相數、定轉子結構相關的強電磁耦合，同時帶來了控制方面的強耦合。本項目以電機內時空諧波之間的耦合為焦點，採用有限元分析與實驗測試結合的方法來研究不同的電機結構型式與耦合的關係以及耦合對電機系統性能的影響；以此為基礎建立多相電機驅動系統數學模型，提出電機最佳化設計準則；進一步研究高階強耦合多相電機系統的多相多維PWM技術與解耦矢量控制方法，完善多相電機控制技術的理論體系；同時相關研究成果也能為類似機電系統的耦合問題研究提供指導。

結題摘要

本項目的目標是通過對多相電機電磁耦合、數學模型、PWM技術和控制策略等幾方面的研究，為多相電機系統的推廣提供理論基礎。首先，研究多相電機電磁耦合影響因素，探索多相電機電磁耦合成因及其對電機性能的影響，並在此基礎上，提煉多相電機最佳化設計方法及建立以相數為自變數的多相電機穩態、動態數學模型。其次，研究多相PWM技術，找到適用於多相電機系統的低諧波含量PWM技術。最後，在多相電機數學模型的基礎上，研究多相永磁同步電機矢量控制策略，解決多相永磁同步電機矢量控制的解耦問題。 研究內容包括四個方面：多相永磁電機電磁耦合的成因及其表現形式，多相永磁電機系統最佳化設計；多相電機穩態、動態數學模型研究；多相電機PWM技術研究；多相永磁同步電機矢量控制策略研究。解決的關鍵科學技術問題有：研究多相電機電磁耦合影響因素，揭示了電機內部電磁耦合的成因及其對電機性能的影響，提煉出了可以指導多相電機最佳化設計的重要結論；建立了多相電機多維正交空間數學模型，求取了表貼式對稱十五相永磁同步電機的模型參數；研究了多相電機PWM技術，提出了降低驅動器諧波的PWM技術；提出了一種諧波平面矢量控制技術，解決了永磁同步電機在採用矢量控制時的解耦和諧波問題。 取得的成果和創新點包括：（1）通過對多相電機繞組磁動勢的分析，揭示了電磁耦合的成因，通過對目標電機進行有限元的建模仿真，研究了電磁耦合的已知影響因素（相數與供電方式、中性點的接法、極槽匹配於繞組排布）對電機性能（轉矩脈動以及損耗）的影響。得到結論，多相電機可通過增加相數、極槽數及中性點的選擇來減少內部諧波磁場的含量，降低電機的損耗和轉矩脈動。基於多相電機電磁耦合影響因素的研究，提出了多相電機最佳化設計思路，即從相數、極槽數以及中性點的選擇上達到對多相電機性能的最佳化，該項內容的研究為多相電機的最佳化設計提供了理論基礎。（2）建立了能夠體現電磁耦合特性的以相數為自變數的多相傳動系統的穩態和動態數學模型，採用繞組函式法求取了表貼式對稱十五相永磁同步電機的模型參數，通過廣義Park變換，得到了該類電機的多維正交空間數學模型。得到結論，表貼式對稱永磁同步電機的定子電感矩陣是一個常數對稱循環陣，電磁轉矩中沒有磁阻轉矩一項。在表貼式對稱15相永磁同步電機的多維正交空間數學模型中，電機的電感矩陣是一個對角陣，電機可以看成是7個獨立的隱極式電機的疊加。（3）研究了三種適用於多相電機控制系