CN101860293A - 永磁同步电机的控制系统和短路切换方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种永磁同步电机的控制系统，其中，逆变器包括并联的三个支路，每个支路串联两个开关，一电源与三个支路并联连接，永磁同步电机的三相连接线分别连接在三个支路中两个串联开关的公共端，永磁同步电机的三相连接线分别连接第一电阻、第二电阻和第三电阻的一端，第一电阻、第二电阻和第三电阻的另一端连通。在永磁同步电机安全制动时，通过外接电阻调节制动电流，提高永磁同步电机安全性。本发明还涉及一种永磁同步电机的短路切换方法，包括：判断永磁同步电机是否单相或两相不对称短路，如是，将永磁同步电机切换到三相对称短路。在永磁同步电机发生单相或两相不对称短路时，降低系统电流，保护电机安全运行。

Description

永磁同步电机的控制系统和短路切换方法

技术领域

本发明涉及永磁同步电机领域，特别涉及一种永磁同步电机的控制系统和短路切换方法。

背景技术

近年来，随着电力电子技术、微电子技术、新型电机控制理论和稀土永磁材料的快速发展，永磁同步电机得以迅速的推广应用。永磁同步电机具有体积小，损耗低，效率高等优点，在节约能源和环境保护日益受到重视的今天，对其研究就显得非常必要。

在工作中，永磁同步电机都连接有逆变器和控制系统，在逆变器、控制系统以及电机发生故障时，可能发生永磁同步电机单相或两相不对称短路，导致永磁同步电机的电流不对称，瞬态值和稳态值偏大，对逆变器和永磁同步电机造成损伤。

发明内容

本发明的目的是提供一种永磁同步电机的控制系统，该控制系统可在永磁同步电机安全制动时，通过外接电阻调节制动电流，提高永磁同步电机安全性。

本发明的另一目的是提供一种永磁同步电机的短路切换方法，在永磁同步电机发生单相或两相不对称短路时，降低系统电流强度，保护电机安全运行。

本发明一种永磁同步电机的控制系统，包括永磁同步电机和逆变器，其中，逆变器包括并联的三个支路，每个支路串联两个开关，一电源与上述三个支路并联连接，永磁同步电机的三相连接线分别连接在上述三个支路中两个串联开关的公共端，所述永磁同步电机的三相连接线分别连接第一电阻、第二电阻和第三电阻的一端，第一电阻、第二电阻和第三电阻的另一端连通。

本发明一种永磁同步电机的短路切换方法，该方法包括：判断永磁同步电机是否单相或两相不对称短路，如是，将永磁同步电机切换到三相对称短路。

附图说明

图1为永磁同步电机在三相静止坐标系与两相同步旋转坐标系的模型；

图2为永磁同步电机直轴等效电路图；

图3为永磁同步电机交轴等效电路图；

图4为具有逆变器的永磁同步电机控制图；

图5a为永磁同步电机三相对称短路一示意图；

图5b为永磁同步电机三相对称短路另一示意图；

图6为永磁同步电机对称短路电流示意图；

图7为弱磁控制时电压电流极限示意图；

图8为具有外接空竹的控制系统示意图；

图9为外接电阻制动时示意图；

图10a为永磁同步电机三相对称短路时电流极限圆与电压极限圆一对应关系图；

图10b为永磁同步电机三相对称短路时电流极限圆与电压极限圆另一对应关系图；

图10c为永磁同步电机三相对称短路时电流极限圆与电压极限圆再一对应关系图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

参见图1，示出永磁同步电机在三相静止坐标系与两相同步旋转坐标系的数学模型，永磁同步电机定义dq两相同步旋转坐标系的d轴与转子磁极轴线重合，q轴逆时针超前d轴90°电角度，d轴与电机A相定子绕组的轴线夹角为θ_e，且在空间随转子以电角速度ω_e旋转。

其在dq两相同步旋转坐标系中的电压方程可以表示为：

u_d＝R_s·i_d+L_d·pi_d-ω_e·L_q·i_q                                    (1)

u_q＝R_s·i_q+L_q·pi_q+ω_e·L_d·i_d+ω_e·ψ_f                           (2)

从式(1)和式(2)可得到永磁同步电动机在dq轴的等效电路，见图2和图3所示。

参见图4，示出具有逆变器的永磁同步电机控制图，任意时刻永磁同步电机三相定子电压由逆变器三个桥臂上的六个开关管的状态来决定，用Sa，Sb，Sc分别表示每个桥臂上开关管的开关状态，1表示上桥臂的开关管导通，0表示下桥臂的开关管导通，则三组开关共有8中可能的组合，如表1所示。

表1逆变器的8种开关状态

状态	0	1	2	3	4	5	6	7
									Sa	0	1	0	1	0	1	0	1
Sb	0	0	1	1	0	0	1	1
									Sc	0	0	0	0	1	1	1	1

当逆变器的上管Sa、Sb、Sc全部闭合、下管Sa’、Sb’、Sc’全部断开，或者上管Sa、Sb、Sc全部断开、下管Sa’、Sb’、Sc’全部闭合，即表1中的状态0和状态7，这两种状态称之为永磁同步电机的对称短路，分别如图5a、图5b所示。

系统进行对称短路时的永磁同步电机三相电流变化情况如图6所示，在0.05s对系统进行对称短路，当整个系统处于稳态时对应的永磁同步电机电流称之为永磁同步电机三相对称短路稳态电流，即图6中0.2s后对应的电流。

永磁同步电机稳态运行时，端电压u_s和定子电流i_s都要受到限制，不能超出极限值U_smax和I_smax，即需要满足以下约束条件：

i_s≤I_smax                                                (3)

u_s≤U_smax                                                (4)

当电机稳态运行时，电压方程中的微分项等于零，即L_d·pi_d＝0、L_q·pi_q＝0；又由于弱磁运行时电机转速相对较高，电阻值远小于电抗值，电阻上的电压降常忽略不计，即R_s·i_d＝0和R_s·i_q＝0。综合式(1)、式(2)和式(4)得到了以定子电流分量i_d和i_q为坐标轴的电压极限方程：

${(L_d\·i_d+{\mathrm{\ψ}}_f)}^2+{(L_q\·i_q)}^2\≤{\left(\frac{U_{s\max }}{{\mathrm{\ω}}_e}\right)}^2---\left(5\right)$

由式(5)可知，永磁同步电机的电压极限方程是以点

为中心，随转速升高长短径成比例缩小的椭圆族。永磁同步电机的电流极限方程为

电流极限方程是以点(0，0)为圆心、且最大半径为I_smax的圆，如图7所示。

永磁同步电机励磁是不可关断的，这种固有的可靠的励磁，可作为系统优点加以利用，用于系统的安全备用电制动。永磁同步电机制动特性的合理利用，如图8所示。当需要制动时，其等效图如图9所示。

图8示出本发明永磁同步电机制动系统，包括永磁同步电机11、逆变器12及外接电阻13。逆变器包括并联的三个支路，每个支路串联两个开关，一电源与上述三个支路并联连接。第一支路包括开关为Sa和Sa’；第二支路包括开关为Sb和Sb’；第三支路包括开关为Sc和Sc’。外接电阻13包括第一电阻R1、第二电阻R2和第三电阻R3。

永磁同步电机11的三相连接线分别连接在三个支路中两个串联开关的公共端，且三相连接线分别连接第一电阻R1、第二电阻R2和第三电阻R3的一端，第一电阻R1、第二电阻R2和第三电阻R3的另一端连接在一起。在永磁同步电机安全制动时，通过外接电阻调节制动电流，提高永磁同步电机安全性。

当永磁同步电机发生三相对称短路时，电机端电压等于零，即公式(2)u_q等于零，当忽略定子电阻影响时，可以获得永磁同步电机三相对称短路电流稳态值I＝|ψ_f/L_d|，即为电压极限椭圆的圆心横坐标绝对值，其与电流极限圆及电压极限椭圆的关系如图10所示。

图10给出了三种情况，即短路电流大于最大工作电流、短路电流等于最大工作电流和短路电流小于最大工作电流。图10(a)短路电流大于最大工作电流，当转速升高到ω₃时，电压极限椭圆和电流极限圆没有交点，系统无法继续工作。图10(b)和图10(c)的情况，理论上转速可以升高到无限大，但转速高于一定值后，电压极限椭圆在q轴方向越来越接近坐标轴q，即q轴电流越来越接近零，系统已无法出力。对于图10(a)短路电流远大于系统最大工作电流，为避免由于电机短路造成永磁体退磁，所以在进行永磁体退磁校核时，必须以远大于系统最大工作电流的短路电流为依据，从而增加永磁体设计时的抗退磁余量。

对于图10(b)和(c)的情况，不需考虑短路电流增加永磁体抗退磁余量。但对图10(c)，如果短路电流远小于系统最大工作电流，表明电机的自身阻抗太大，消耗在电机内部的功率太大，从而降低电机的过载倍数，影响系统的出力能力。

因为永磁同步电机的上述特点，在永磁同步电机发生单相或两相不对称短路时，可能引起系统故障。为避免引起不必要的故障，本发明在永磁同步电机发生单项或两相不对称短路时，切换到三相对称短路，从而降低系统电流，保护永磁同步电机正常工作。

以上所述仅为本发明的优选实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (2)

1.一种永磁同步电机的控制系统，包括永磁同步电机和逆变器，其中，逆变器包括并联的三个支路，每个支路串联两个开关，一电源与上述三个支路并联连接，永磁同步电机的三相连接线分别连接在上述三个支路中两个串联开关的公共端，其特征在于：

所述永磁同步电机的三相连接线分别连接第一电阻、第二电阻和第三电阻的一端，第一电阻、第二电阻和第三电阻的另一端连通。

2.一种永磁同步电机的短路切换方法，其特征在于，该方法包括：

判断永磁同步电机是否单相或两相不对称短路，如是，将永磁同步电机切换到三相对称短路。

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