五相感应电机新型绕组拓扑结构及运行特性的分析与研究
多相电机具有低压大功率、容错性能好、转矩脉动低等优势，特别适用于舰船、电动汽车、航空航天等高可靠性交流传动领域。多相电机的可靠性是衡量电机性能的重要指标，要求多相电机在故障情况下具备良好的容错能力。多相电机具有多种定子绕组拓扑结构，改变定子绕组拓扑结构为提高电机可靠性提供了一种解决方案。论文针对五相感应电机提出了新型绕组拓扑结构，并通过不同绕组拓扑结构五相感应电机在不同运行状态下的运行性能、损耗、容错性能、温度分布进行分析与研究。 分析多相电机组合绕组排布规律，提出基于任意相数的多相电机组合绕组构成准则，并根据上述准则提出两种新型拓扑结构组合绕组：五边形-星形绕组和星形-五角星绕组。对比不同拓扑结构五相感应电机产生的磁动势与运行性能可知：正常运行情况下，组合绕组电机由基波电流产生的谐波磁动势最低次数为19次；在一相开路故障下，五边形绕组电机与五边形-星形绕组电机的具有磁动势畸变程度低、转矩脉动小、最大转矩倍数高、电压不平衡系数低的特点。 基于矢量解耦变换，针对现行五相感应电机模型忽略铁耗影响的不足，建立适用于全部绕组拓扑结构五相感应电机的等效电路铁耗计算模型。根据有限元模型计算电机的各绕组支路电压，导入等效电路铁耗模型计算稳态运行下五相感应电机铁耗。通过时步有限元法、实验测试法验证模型正确性与有效性，证明了本文提出的五边形-星形绕组五相感应电机相比于五边形绕组五相感应电机损耗更低。 根据故障前后总磁动势不变原则和输出转矩最大原则，计算一相开路故障下不同绕组拓扑结构五相感应电机的给定容错电流。结果表明，采用基于输出转矩最大原则的容错控制方法带载能力更高，保证了给定容错电流产生圆形磁动势。对不同绕组拓扑结构五相感应电机带载能力进行计算，得到五边形绕组电机的带载能力最强，本文提出的五边形-星形绕组电机次之。根据上述控制方法建立容错控制模型，采用双PI分别控制3次谐波平面正负序分量，计算电机容错控制下的电流和转矩。 建立电机在空载运行、额定负载运行、开环运行、容错运行状态的三维全域温度场数学模型。对比不同绕组拓扑结构五相感应电机的最高温升与一相开路故障下的动态温度曲线，证明星形绕组电机故障下温升最低、五边形-星形绕组电机相比于五边形绕组电机温升降低。提取电机不同位置的温度与实验结果对比，验证温度场模型的合理性与第三章中损耗计算结果的准确性。揭示了不同绕组拓扑结构对五相感应电机温升的影响规律。 根据不同绕组拓扑结构五相感应电机在不同状态下的运行特性，明确了五边形-星形绕组为五相感应电机的优选绕组。
五相感应电机;开路故障;铁耗模型;容错控制
哈尔滨理工大学
博士
电机与电器
孟大伟
2022
中文
TM346
2023-08-29（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）