一种开关磁阻电机功率变换器双极性容错控制方法技术

本发明专利技术提供了一种开关磁阻电机功率变换器双极性容错控制方法，采用电流双向励磁模式，将两个全桥功率变换器分别与两组可控单刀双掷开关的一端相连，通过改变两组可控单刀双掷开关的状态实现系统容错运行。全桥功率变换器拓扑结构中的每个功率变换单元分别与一个可控单刀双掷开关连接后，再与绕组一端相连。正常运行情况下，各相绕组在正向励磁和反向励磁模式下交替独立运行；在任一功率变换单元的功率开关管故障情况下，相应的可控单刀双掷开关动作，切除故障功率变换单元，相应相绕组连接方式变成带中性线的连接方式。本发明专利技术容错控制方法可以适用于不同相数电机，能够保证系统在多相多开关管故障情况下仍然稳定运行。在多相多开关管故障情况下仍然稳定运行。在多相多开关管故障情况下仍然稳定运行。

A bipolar fault tolerant control method for switched reluctance motor power converter

【技术实现步骤摘要】
一种开关磁阻电机功率变换器双极性容错控制方法


[0001]本专利技术涉及电机设计领域，具体涉及一种开关磁阻电机功率变换器容错控制方法，尤其涉及一种开关磁阻电机功率变换器双极性容错控制方法。

技术介绍

[0002]开关磁阻电机(Switched Reluctance Motor,SRM)作为一种新型电机，具有可靠性高、制造成本低、响应速度快、结构简单等优点。其是一种双凸极结构电机，转子上既无永磁体也无绕组，定子上仅有集中式绕组，不含有任何稀土材料，在各种工业领域占据着一席之地，尤其在超过500℃的航空航天、高粉尘等较为恶劣的环境以及电动汽车、高速主轴和飞轮储能系统等可靠性要求较高的场合具有巨大的应用潜力。电机转动方向仅与各相绕组通电顺序有关，而和绕组电流的方向无关，这使得双极性控制方式得以应用。
[0003]开关磁阻电机调速系统(Switched Reluctance Motor Drive System,SRD)主要由SRM、功率变换器、检测单元和控制器等部分组成。其中，功率变换器负责对电源提供的能量进行转换后提供给SRM，目前应用最广泛的功率变换器是不对称半桥式功率变换器，其具有结构简单、相间独立性好、成本低等优点。然而，由于功率变换器中的半导体器件在低速运行时，长时间工作在斩波状态，容易出现开路或短路故障，降低系统鲁棒性，影响系统正常运行。但是不对称半桥式功率变换器不具备良好的容错运行能力，故障发生后整个系统难以正常运转。因此，为了进一步提高SRD可靠性，保障电力拖动系统在故障状态下不至于瘫痪，最大程度降低故障引起的人员和设备损伤，非常有必要提出一种可快速针对故障实现容错控制的方案。
[0004]申请公布号为CN108988729 A的中国专利技术专利将继电器设在全桥功率变换器与母线之间，通过继电器动作切除故障部分。功率开关管没有出现故障时，该方案对绕组进行双向电流励磁；当出现功率开关管开路故障时，继电器动作将故障开关管切除，故障相工作方式变成单向电流励磁模式，非故障相工作方式依然为双向电流励磁模式；当出现功率开关管短路故障时，故障开关管不被切除，故障容错运行模式通过继电器动作将三相绕组变成无中性线的星型连接方式实现，三相绕组在整个导通周期内变成两两串联导通工作方式。该方案接线方式简单，但是需要根据不同的故障位置和故障类型实施不同的故障容错方案，因此必须在精确识别故障类型和位置的基础上，才能实施容错控制策略。而且对于开关管短路故障，其容错控制方案较为复杂。

技术实现思路

[0005]为了弥补现有技术的不足，本专利技术提供了一种开关磁阻电机功率变换器双极性容错控制方法。
[0006]本专利技术采用的技术方案是：
[0007]一种开关磁阻电机功率变换器双极性容错控制方法，采用电流双向励磁模式，包括两个全桥功率变换器，开关磁阻电机具有m相绕组，每个全桥功率变换器具有m个功率变
的公共端，所述可控单刀双掷开关Q2的公共端连接到B相绕组的一端；所述可控单刀双掷开关Q3的常闭端连接到功率变换单元Part 3的中间端，所述可控单刀双掷开关Q3的常开端连接到所述可控单刀双掷开关Q1的公共端，所述可控单刀双掷开关Q3的公共端连接到C相绕组的一端；所述可控单刀双掷开关Q4的常闭端连接到功率变换单元Part 4的中间端，所述可控单刀双掷开关Q4的常开端连接到所述可控单刀双掷开关Q5的公共端，所述可控单刀双掷开关Q4的公共端连接到A相绕组的另一端；所述可控单刀双掷开关Q5的常闭端连接到功率变换单元Part 5的中间端，所述可控单刀双掷开关Q5的常开端连接到所述可控单刀双掷开关Q6的公共端，所述可控单刀双掷开关Q5的公共端连接到B相绕组的另一端；所述可控单刀双掷开关Q6的常闭端连接到功率变换单元Part 6的中间端，所述可控单刀双掷开关Q6的常开端连接到所述可控单刀双掷开关Q4的公共端，所述可控单刀双掷开关Q6的公共端连接到C相绕组的另一端。
[0015]当所述开关磁阻电机系统在故障下容错运行时，所述三相全桥功率变换器的功率变换单元将会由六个减少为四个。开关磁阻电机的三相定子绕组的一端分别经过开关后与三个功率变换单元的中间端连接，另一端则分别经过开关后连接到一起，然后连接到剩余一个功率变换单元的中间端，定子绕组连接方式变为带中性线的星型连接方式。此时，系统工作区间依次为：C相正向导通区间、CA相正向换相区间、A相反向导通区间、AB相反向换相区间、 B相正向导通区间、BC相正向换相区间、C相反向导通区间、CA相反向换相区间、A相正向导通区间、AB相正向换相区间、B相反向导通区间、BC相反向换相区间、C相正向导通区间。电机各相绕组均有12种工作模式，分别为单相绕组正向励磁模式M1，单相绕组正向续流模式M2，两相绕组正向串联励磁模式M3，两相绕组正向串联续流模式M4，一相绕组正向去磁、一相绕组反向励磁模式M5，一相绕组正向去磁、一相绕组反向续流模式M6，单相绕组反向励磁模式M7，单相绕组反向续流模式M8，两相绕组反向串联励磁模式M9，两相绕组反向串联续流模式M
10
，一相绕组反向去磁、一相绕组正向励磁模式M
11
，一相绕组反向去磁、一相绕组正向续流模式M
12
。
[0016]可控单刀双掷开关Q
n
为电磁继电器、固态继电器、高频继电器等中的至少一种，或者可控单刀双掷开关Q
n
为两个功率开关器件IGBT或MOSFET通过一极并联，并通以相反的驱动信号实现单刀双掷开关功能。
[0017]根据本申请的实施例，所述开关管S
e
通以斩波驱动信号；所述开关管S
e+1
通以单脉冲驱动信号；e＝1,3,5,7,9,11，代表开关管的数量。
[0018]具体的，正向励磁模式下，所述开关管S1、所述开关管S3、所述开关管S5通以斩波驱动信号，所述开关管S8、所述开关管S
10
、所述开关管S
12
通以单脉冲驱动信号；反向励磁模式下，所述开关管S7、所述开关管S9、所述开关管S
11
通以斩波驱动信号，所述开关管S2、所述开关管S4、所述开关管S6通以单脉冲驱动信号。
[0019]m为不小于2的整数。
[0020]本专利技术用于保护一种基于全桥功率变换器的开关磁阻电机调速系统，该系统包括开关磁阻电机、电压传感器、位置传感器、控制器、PI模块、控制模式选择模块、开关管角度控制器、脉冲信号发生器和两个全桥功率变换器：开关磁阻电机具有m相绕组，每个全桥功率变换器具有m个功率变换单元，其特征在于，每个功率变换单元的中点均通过一个可控单刀双掷开关和一个绕组的一端连接，每个绕组的两端连接两个可控单刀双掷开关，这两个
可控单刀双掷开关连接两个不同的全桥功率变换器；
[0021]所述电压传感器用于检测开关磁阻电机定子绕组端电压；
[0022]所述位置传感器用于检测开关磁阻电机转子位置；
[0023]所述控制器用于控制全桥功率变换本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种开关磁阻电机功率变换器双极性容错控制方法，采用电流双向励磁模式，包括两个全桥功率变换器，开关磁阻电机具有m相绕组，每个全桥功率变换器具有m个功率变换单元，其特征在于，每个功率变换单元的中点均通过一个可控单刀双掷开关和一个绕组的一端连接，每个绕组的两端连接两个可控单刀双掷开关，这两个可控单刀双掷开关连接两个不同的全桥功率变换器；通过改变单刀双掷开关的状态实现容错控制。2.根据权利要求1所述的容错控制方法，其特征在于，正常运行情况下，各相绕组在正向励磁和反向励磁模式下交替独立运行；在任一功率变换单元的功率开关管故障情况下，不需要精确识别故障的类型及位置，仅定位发生故障的功率变换单元，相应的可控单刀双掷开关动作；对于偶数相电机，仅使与故障功率变换单元相连的可控单刀双掷开关动作，只切除故障功率变换单元，使故障相绕组和与其相邻的一相绕组的故障侧相连；对于奇数相电机，需使与故障功率变换单元相连的可控单刀双掷开关和与其相邻的一个可控单刀双掷开关动作，切除故障功率变换单元及其相邻一个的功率变换单元，使得故障相绕组和与其相邻的两相绕组共同连接成一个带中性线的星形连接方式。3.根据权利要求1所述的容错控制方法，其特征在于，检测开关磁阻电机定子绕组两端的端电压，若忽略功率变换单元中的开关管和二极管的管压降且以电源负端电压为参考电压，则一相绕组的两个端电压U
Nk
和U
Nk+1
存在两个值，分别为母线电压U
S
和参考电压0，k＝1、2、
…
、2m
‑
1；当检测到某一端电压与正常情况下不同时，则判定与该端相连的功率变换单元出现故障；此时，通过相应可控单刀双掷开关动作使电机在故障下容错运行；在全桥功率变换器无故障情况下，所述开关磁阻电机各相绕组在两相邻电周期内独立地在正向励磁模式和反向励磁模式下交替运行，此时，所述开关磁阻电机各相绕组有6种工作状态，分别为正向励磁状态ST1、正向续流状态ST2、正向去磁状态ST3、反向励磁状态ST4、反向续流状态ST5和反向去磁状态ST6；正常情况时，端电压U
Nk
在正向励磁状态ST1和反向去磁状态ST6下等于母线电压Us，在正向续流状态ST2、正向去磁状态ST3、反向励磁状态ST4和反向续流状态ST5下等于0；端电压U
Nk+1
在正向去磁状态ST3、反向励磁状态ST4下等于Us，在其余状态下等于0。4.根据权利要求1所述的容错控制方法，其特征在于，所述开关磁阻电机为三相电机，则所述全桥功率变换器为三相全桥功率变换器，包括一个直流母线电容c、六个功率变换单元Part 1～Part 6；所述六个功率变换单元中每个单元由2个带反并联二极管的功率开关管组成，共有12个带反并联二极管的功率开关管S1～S
12
；所述功率变换单元Part 1～Part 6中的上开关管集电极连接到所述直流母线电容c的正极，下开关管发射极连接到所述直流母线电容c的负极，中间端分别和可控单刀双掷开关Q1～Q6相连；所述可控单刀双掷开关Q1的常闭端连接到功率变换单元Part 1的中间端，所述可控单刀双掷开关Q1的常开端连接到所述可控单刀双掷开关Q2的公共端，所述可控单刀双掷开关Q1的公共端连接到A相绕组的一端；所述可控单刀双掷开关Q2的常闭端连接到功率变换单元Part 2的中间端，所述可控单刀双掷开关Q2的常开端连接到所述可控单刀双掷开关Q3的公共端，所述可控单刀双掷开关Q2的公共端连接到B相绕组的一端；所述可控单刀双掷开关Q3的常闭端连接到功率变换单元Part 3的中间端，所述可控单刀双掷开关Q3的常开端连接到所述可控单刀双掷开关Q1的公共端，所述可控单刀双掷开关Q3的公共端连接到C相绕组的一
端；所述可控单刀双掷开关Q4的常闭端连接到功率...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡艳芳，孙德博，康智勇，张宗，谷存江，沈晨，李永建，苏鹏，
申请(专利权)人：河北工业大学，
类型：发明
国别省市：