如何对具有不同绕组配置的多相电机进行建模和控制？

几十年来，多相感应电机一直是多兆瓦变速驱动应用领域的真正竞争者， 这主要是由于多相电机的众多优点，例如每相半导体器件额定值降低 ，可靠性高以及提供的额外自由度 。 由于这些优点，该技术还在各种工业应用中吸引了许多其他机会，例如汽车、航空航天、船舶推进和海上风能发电系统 。尽管相序在理论上可以是任意值，但具有多个三相绕组的电机实际上是首选，因为它们可以使用现成的三相电源转换器。 虽然增加相数有很多优势，但电源转换器和控制的复杂性是关键的限制设计因素。

多相电机是绕组中具有多于三相的电机，它们具有比传统三相电机更高的功率密度、更低的转矩波动和更好的容错能力等优势。然而，它们也对建模和控制提出了挑战，尤其是当绕组配置不同时。

绕组配置

多相电机的绕组配置决定了相位在定子和转子中的分布和连接方式，绕组配置主要有两种类型：对称和不对称。对称绕组配置具有相等的相角和每相槽数，而不对称绕组配置具有不相等的相角和/或每相槽数。绕组配置会影响电机参数，例如极数、相电压、相电流和磁链。在转矩密度、相电流质量、简单的基于单层的定子绕组设计和容错能力方面作为高功率中压应用的有前途的竞争者。

对于相同的铜体积，基本绕组系数提高，这反过来又会相应地提高机器扭矩密度，基于单层的绕组设计，允许更高的填充因子和简单的绝缘要求，提高了容错能力，更高的次级子空间阻抗，这自然缓解了传统循环 xy 次级序列电流分量的问题， 这有助于在大功率应用中实现更低的线路谐波和更高的效率。

电机型号

要为多相电机建模，需要定义关联电气和机械变量的电机方程，电机模型有不同级别的复杂性和准确性，具体取决于应用和假设。最常见的电机模型是每相模型、dq 模型和 abc 模型。逐相模型将多相电机简化为单相等效电路，以相电压和电流为主要变量。 dq 模型将多相电机转换为两轴参考系，使用直轴和交轴电压和电流作为主要变量。 abc 模型在其原始相域中表示多相电机，使用相电压和电流作为主要变量。

模型参数

要使用电机模型，您需要估计模型参数，例如电阻、电感和磁链。模型参数取决于电机的绕组配置、几何形状和磁性。模型参数的估计方法有空载试验、堵转试验、静止频率响应试验、有限元分析等，模型参数的准确性影响控制系统的性能和稳定性。

控制目标

多相电机的控制目标是调节电机的速度、扭矩或功率，同时保持所需的电压和电流水平。控制目标可能因电机的应用和操作条件而异。例如，在牵引驱动中，控制目标可能是最大化每安培比的扭矩，而在发电机中，控制目标可能是使频率和电压与电网同步。

控制方法

在不同的控制技术中，模型预测电流控制被认为是多相驱动系统的前沿技术之一，这要归功于其在定义新控制目标方面的简单性和灵活性。为实现控制目标，需要设计一个控制系统，为电机生成合适的电压或电流指令。多相电机有不同的控制方法，如矢量控制、直接转矩控制、直接功率控制和模型预测控制等。控制方法在复杂性、稳健性和性能方面各不相同。控制方法的选择取决于电机型号、传感器可用性、转换器拓扑和控制硬件。

控制挑战

要实现多相电机的控制系统，需要克服一些控制挑战，例如无传感器操作、故障检测和隔离、参数变化和不确定性以及谐波失真。控制挑战可能来自不同的绕组配置、电机动力学的非线性和耦合、传感器和转换器的局限性和缺陷，以及系统中的干扰和噪声。控制挑战需要先进的技术和策略，例如观察器、估计器、滤波器、自适应控制器和容错控制器。