Регулирование тока в шестифазном тяговом двигателе с расщеплёнными обмотками при обрыве фазы

  • Евгений [Evgeniy] Олегович [O.] Столяров [Stolyarov]
  • Дмитрий [Dmitriy] Иванович [I.] Алямкин [Alyamkin]
  • Али [Ali] Юсеф [Yousef]
  • Егор [Egor] Сергеевич [S.] Кулик [Kulik]
  • Максим [Maksim] Михайлович [M.] Лашкевич [Lashkevich]
  • Алексей [Aleksey] Сергеевич [S.] Анучин [Anuchin]
  • Вадим [Vadim] Николаевич [N.] Остриров [Ostrirov]
Ключевые слова: электрическая двигательная установка самолёта, отказоустойчивое управление, многофазный двигатель, шестифазный двигатель, двигатель с расщеплёнными обмотками, обрывы фазы и цепи

Аннотация

Электрическая двигательная установка самолета или беспилотного летательного аппарата должна соответствовать высоким стандартам безопасности и обеспечивать отказоустойчивую работу в случае частичных отказов. Данное требование выполняется за счет аппаратных средств и системы управления. Обрыв цепи в одной фазе — наиболее распространенная неисправность, при которой можно продолжать создавать тот же крутящий момент, меняя задания тока в других фазах.

Рассмотрен шестифазный тяговый двигатель с постоянными магнитами с расщеплёнными обмотками и предложен метод формирования опорного вектора тока с помощью оставшихся в работе фаз. Показано, что требуется увеличение амплитуды тока на 23,6%, тогда как простое увеличение токов на 20% дает тот же средний крутящий момент за оборот при 20%-й пульсации момента. Поскольку пульсации крутящего момента могут вызвать механический резонанс и выход из строя винта, предлагаемый метод целесообразен даже при несколько более высоких омических потерях. Представленный метод подходит для использования в составе системы управления двигательными установками летательных аппаратов.

Сведения об авторах

Евгений [Evgeniy] Олегович [O.] Столяров [Stolyarov]

аспирант кафедры автоматизированного электропривода НИУ «МЭИ», e-mail: StoliarovYO@mpei.ru

Дмитрий [Dmitriy] Иванович [I.] Алямкин [Alyamkin]

кандидат технических наук, инженер кафедры автоматизированного электропривода НИУ «МЭИ», e-mail: AliamkinDI@mpei.ru

Али [Ali] Юсеф [Yousef]

аспирант кафедры автоматизированного электропривода НИУ «МЭИ», e-mail: joseph86.ali@gmail.com

Егор [Egor] Сергеевич [S.] Кулик [Kulik]

кандидат технических наук, ассистент кафедры автоматизированного электропривода НИУ «МЭИ», e-mail: KulikYS@mpei.ru

Максим [Maksim] Михайлович [M.] Лашкевич [Lashkevich]

кандидат технических наук, инженер кафедры автоматизированного электропривода НИУ «МЭИ», e-mail: LashkevichMM@mpei.ru 

Алексей [Aleksey] Сергеевич [S.] Анучин [Anuchin]

доктор технических наук, заведующий кафедрой автоматизированного электропривода НИУ «МЭИ», e-mail: AnuchinAS@mpei.ru

Вадим [Vadim] Николаевич [N.] Остриров [Ostrirov]

доктор технических наук, профессор кафедры автоматизированного электропривода НИУ «МЭИ», e-mail: OstrirovVN@mpei.ru

Литература

1. Bolvashenkov I. e. a. Fault Tolerant Multi-phase Permanent Magnet Synchronous Motor for the More Electric Aircraft // Fault-tolerant Traction Electric Drives: Reliability, Topologies and Components Design. N.-Y.: Springer, 2020. Pp. 73—92.
2. Bolam R.C., Vagapov Y., Anuchin A. A Review of Electrical Motor Topologies for Aircraft Propulsion // Proc. 55th Intern. Universities Power Eng. Conf. 2020. Pp. 1—6.
3. Lei J., Feng G., Liu C., Xia Y., Hua W. A Dual Inverter Topology with Quasi-isolated Power Supplies for More Electric Aircraft Applications // IEEE Trans. Power Electron. 2022. V. 38(3). Pp. 2889—2895.
4. Welchko B.A., Lipo T.A., Jahns T.M., Schulz S.E. Fault Tolerant Three-phase AC Motor Drive Topologies: a Comparison of Features, Cost, and Limitations // IEEE Trans. Power Electron. 2004. V. 19(4). Pp. 1108—1116.
5. Hu W., Ruan C., Nian H., Sun D. Simplified Modulation Scheme for Open-end Winding PMSM System with Common DC Bus Under Open-phase Fault Based on Circulating Current Suppression // IEEE Trans. Power Electron. 2019. V. 35(1). Pp. 10—14.
6. Anuchin A. e. a. Increasing Output Torque by Means of Space Vector Current Regulation in an Open-end Winding AC Electrical Machine // Proc. XI Intern. Conf. Electrical Power Drive Systems. 2020. Pp. 1—4.
7. Darijevic M., Jones M., Dordevic O., Levi E. Decoupled PWM Control of a Dual-inverter Four-level Five-phase Drive // IEEE Trans. Power Electron. 2016. V. 32(5). Pp. 3719—3730.
8. Parsa L. On Advantages of Multi-phase Machines // Proc. XXXI Annual Conf. IEEE Industrial Electronics Soc. 2005. Pp. 1—6.
9. Frikha M.A. e. a. Multiphase Motors and Drive Systems for Electric Vehicle Powertrains: State of the Art Analysis and Future Trends // Energies. 2023. V. 16(2). P. 45.
10. Stolyarov E., Anuchin A., Ali Y., Lashkevich M., Aliamkin D., Zharkov A. Universal Model of a Multiphase Permanent Magnet Synchronous Motor // Proc. I IEEE Industrial Electronics Soc. Annual On-line Conf. 2022. Pp. 1—5.
11. Zhang L., Fan Y., Lorenz R.D., Nied A., Cheng M. Design and Comparison of Three-phase and Five-phase FTFSCW-IPM Motor Open-end Winding Drive Systems for Electric Vehicles Applications // IEEE Trans. Veh. Technol. 2017. V. 67(1). Pp. 385—396.
12. Nguyen N.K., Meinguet F., Semail E., Kestelyn X. Fault-tolerant Operation of an Open-end Winding Five-phase PMSM Drive with Short-circuit Inverter Fault // IEEE Trans. Ind. Electron. 2015. V. 63(1). Pp. 595—605.
13. Perpiñà X. e. a. Over-current Turn-off Failure in High Voltage IGBT Modules under Clamped Inductive Load // Proc. XIII European Conf. Power Electronics and Appl. 2009. Pp. 1—10.
14. Errabelli R.R., Mutschler P. Fault-tolerant Voltage Source Inverter for Permanent Magnet Drives // IEEE Trans. Power Electron. 2011. V. 27(2). Pp. 500—508.
15. Zhao J., Gao X., Li B., Liu X., Guan X. Open-phase Fault Tolerance Techniques of Five-phase Dual-rotor Permanent Magnet Synchronous Motor // Energies. 2015. V. 8(11). Pp. 12810—12838.
16. Yang S., Bryant A., Mawby P., Xiang D., Ran L., Tavner P. An Industry-based Survey of Reliability in Power Electronic Converters // IEEE Trans. Ind. Appl. 2011. V. 47(3). Pp. 1441—1451.
17. Cheng M., Hang J., Zhang J. Overview of Fault Diagnosis Theory and Method for Permanent Magnet Machine // Chinese J. Electr. Eng. 2015. V. 1(1). Pp. 21—36.
18. Gonzalez-Prieto I., Duran M.J., Rios-Garcia N., Barrero F., Martin C. Open-switch Fault Detection in Five-phase Induction Motor Drives Using Model Predictive Control // IEEE Trans. Ind. Electron. 2017. V. 65(4). Pp. 3045—3055.
19. Lin X. e. a. Direct Torque Control for Three-phase Open-end Winding PMSM with Common DC Bus Based on Duty Ratio Modulation // IEEE Trans. Power Electron. 2019. V. 35(4). Pp. 4216—4232.
20. Mekasser M., Gao Q., Xu C. Common Mode Voltage Elimination in Dual‐inverter‐fed Six‐phase open‐end Winding PMSM Drives with a Single DC Supply // J. Eng. 2019. V. 17. Pp. 3598—3602
---
Для цитирования: Столяров Е.О., Алямкин Д.И., Юсеф Али, Кулик Е.С., Лашкевич М.М., Анучин А.С., Остриров В.Н. Регулирование тока в шестифазном тяговом двигателе с расщеплёнными обмотками при обрыве фазы // Вестник МЭИ. 2024. № 5. С. 11—17. DOI: 10.24160/1993-6982-2024-5-11-17
---
Конфликт интересов: авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов
#
1. Bolvashenkov I. e. a. Fault Tolerant Multi-phase Permanent Magnet Synchronous Motor for the More Electric Aircraft. Fault-tolerant Traction Electric Drives: Reliability, Topologies and Components Design. N.-Y.: Springer, 2020:73—92.
2. Bolam R.C., Vagapov Y., Anuchin A. A Review of Electrical Motor Topologies for Aircraft Propulsion. Proc. 55th Intern. Universities Power Eng. Conf. 2020:1—6.
3. Lei J., Feng G., Liu C., Xia Y., Hua W. A Dual Inverter Topology with Quasi-isolated Power Supplies for More Electric Aircraft Applications. IEEE Trans. Power Electron. 2022;38(3):2889—2895.
4. Welchko B.A., Lipo T.A., Jahns T.M., Schulz S.E. Fault Tolerant Three-phase AC Motor Drive Topologies: a Comparison of Features, Cost, and Limitations. IEEE Trans. Power Electron. 2004;19(4):1108—1116.
5. Hu W., Ruan C., Nian H., Sun D. Simplified Modulation Scheme for Open-end Winding PMSM System with Common DC Bus Under Open-phase Fault Based on Circulating Current Suppression. IEEE Trans. Power Electron. 2019;35(1):10—14.
6. Anuchin A. e. a. Increasing Output Torque by Means of Space Vector Current Regulation in an Open-end Winding AC Electrical Machine. Proc. XI Intern. Conf. Electrical Power Drive Systems. 2020:1—4.
7. Darijevic M., Jones M., Dordevic O., Levi E. Decoupled PWM Control of a Dual-inverter Four-level Five-phase Drive. IEEE Trans. Power Electron. 2016;32(5):3719—3730.
8. Parsa L. On Advantages of Multi-phase Machines. Proc. XXXI Annual Conf. IEEE Industrial Electronics Soc. 2005:1—6.
9. Frikha M.A. e. a. Multiphase Motors and Drive Systems for Electric Vehicle Powertrains: State of the Art Analysis and Future Trends. Energies. 2023;16(2). P. 45.
10. Stolyarov E., Anuchin A., Ali Y., Lashkevich M., Aliamkin D., Zharkov A. Universal Model of a Multiphase Permanent Magnet Synchronous Motor. Proc. I IEEE Industrial Electronics Soc. Annual On-line Conf. 2022:1—5.
11. Zhang L., Fan Y., Lorenz R.D., Nied A., Cheng M. Design and Comparison of Three-phase and Five-phase FTFSCW-IPM Motor Open-end Winding Drive Systems for Electric Vehicles Applications. IEEE Trans. Veh. Technol. 2017;67(1):385—396.
12. Nguyen N.K., Meinguet F., Semail E., Kestelyn X. Fault-tolerant Operation of an Open-end Winding Five-phase PMSM Drive with Short-circuit Inverter Fault. IEEE Trans. Ind. Electron. 2015;63(1):595—605.
13. Perpiñà X. e. a. Over-current Turn-off Failure in High Voltage IGBT Modules under Clamped Inductive Load. Proc. XIII European Conf. Power Electronics and Appl. 2009:1—10.
14. Errabelli R.R., Mutschler P. Fault-tolerant Voltage Source Inverter for Permanent Magnet Drives. IEEE Trans. Power Electron. 2011;27(2):500—508.
15. Zhao J., Gao X., Li B., Liu X., Guan X. Open-phase Fault Tolerance Techniques of Five-phase Dual-rotor Permanent Magnet Synchronous Motor. Energies. 2015;8(11):12810—12838.
16. Yang S., Bryant A., Mawby P., Xiang D., Ran L., Tavner P. An Industry-based Survey of Reliability in Power Electronic Converters. IEEE Trans. Ind. Appl. 2011;47(3):1441—1451.
17. Cheng M., Hang J., Zhang J. Overview of Fault Diagnosis Theory and Method for Permanent Magnet Machine. Chinese J. Electr. Eng. 2015;1(1):21—36.
18. Gonzalez-Prieto I., Duran M.J., Rios-Garcia N., Barrero F., Martin C. Open-switch Fault Detection in Five-phase Induction Motor Drives Using Model Predictive Control. IEEE Trans. Ind. Electron. 2017;65(4):3045—3055.
19. Lin X. e. a. Direct Torque Control for Three-phase Open-end Winding PMSM with Common DC Bus Based on Duty Ratio Modulation. IEEE Trans. Power Electron. 2019;35(4):4216—4232.
20. Mekasser M., Gao Q., Xu C. Common Mode Voltage Elimination in Dual‐inverter‐fed Six‐phase open‐end Winding PMSM Drives with a Single DC Supply. J. Eng. 2019;17:3598—3602
---
For citation: Stolyarov E.O., Alyamkin D.I., Yousef Ali, Kulik E.S., Lashkevich M.M., Anuchin A.S., Ostrirov V.N. Control of Current in a Six-phase Traction Motor with Open-end Windings in Case of a Phase Open-circuit Fault. Bulletin of MPEI. 2024;5:11—17. (in Russian). DOI: 10.24160/1993-6982-2024-5-11-17
---
Conflict of interests: the authors declare no conflict of interest
Опубликован
2024-06-18
Раздел
Электротехнические комплексы и системы (технические науки) (2.4.2)