CN103051226B - 具有高容错能力的四相六桥臂逆变器 - Google Patents

Abstract

具有高容错能力的四相六桥臂逆变器，属于电机控制领域，本发明为解决采用四相半桥逆变器无法控制具有45°相带角的四相永磁同步电机，而采用四相全桥逆变器控制四相永磁同步电机的成本高的问题。本发明所述具有高容错能力的四相六桥臂逆变器包括四相半桥拓扑结构，每个桥臂输出端连接一相绕组，互差90°机械角度的两相绕组作为一组，每组增加一个桥臂，增加的两个桥臂共同控制相绕组的电流零序分量，两桥臂的输出电流支路上均串联一个双向导通二极管，用于故障隔离。发生故障时调节每相电流激励的幅值与相位，重构圆形旋转磁场，保持电机的工作。本发明用于驱动具有45°和90°相带角的四相永磁同步电机。

Description

具有高容错能力的四相六桥臂逆变器

技术领域

本发明涉及具有高容错能力的四相六桥臂逆变器，属于电机控制领域。

背景技术

四相永磁同步电机具有高功率密度、高效率、高容错性能的优点，而且相数仅比传统三相电机多一相，制造成本较低。从电机本体结构上，四相永磁同步电机可分为具有90°相带角的四相永磁同步电机与具有45°相带角的四相永磁同步电机。其中，具有90°相带角的四相永磁同步电机与两相电机磁路完全相同；而具有45°相带角的四相永磁同步电机气隙磁动势含量少、转矩脉动小，是一种优良的方案。

具有90°相带角的四相永磁同步电机各相电流和为零，正常工作时，可以利用如图1所示的四相半桥逆变器对其进行控制。然而，具有45°相带角的四相永磁同步电机各相电流相位互差45°电角度，正常通电时，各相电流和不为零，故不能采用传统的半桥逆变器进行控制。为了对其进行控制，目前多采用图2所示的四相全桥逆变器，各相独立进行控制。这样的逆变器拓扑增加了系统的成本。

发明内容

本发明目的是为了解决采用四相半桥逆变器无法控制具有45°相带角的四相永磁同步电机，而采用四相全桥逆变器控制四相永磁同步电机的成本高的问题，提供了一种具有高容错能力的四相六桥臂逆变器。

本发明所述具有高容错能力的四相六桥臂逆变器，它包括四相半桥拓扑结构，所述四相半桥拓扑结构由8个功率开关管和直流电源U_dc1构成，所述四相半桥拓扑结构的每个桥臂输出端均连接四相永磁同步电机的一相绕组的一端，四相永磁同步电机的A相绕组L_a、B相绕组L_b、C相绕组L_c和D相绕组L_d沿圆周依次排列，且A相绕组L_a和B相绕组L_b之间的机械角度为45°；B相绕组L_b和C相绕组L_c之间的机械角度为45°；C相绕组L_c和D相绕组L_d之间的机械角度为45°；D相绕组L_d和A相绕组L_a之间的机械角度为225°；

具有高容错能力的四相六桥臂逆变器还包括由直流电源U_dc2和4个功率开关管构成的两相半桥拓扑结构；A相双向导通二极管D_a、B相双向导通二极管D_b、C相双向导通二极管D_c、D相双向导通二极管D_d、第一故障隔离双向导通二极管D_com1和第二故障隔离双向导通二极管D_com2，

直流电源U_dc1和直流电源U_dc2并联，所述两相半桥拓扑结构具有两相桥臂，分别为第一桥臂和第二桥臂，

四相永磁同步电机的A相绕组L_a的另一端与A相双向导通二极管D_a的一端相连，

四相永磁同步电机的C相绕组L_c的另一端与C相双向导通二极管D_c的一端相连，

A相双向导通二极管D_a的另一端和C相双向导通二极管D_c的另一端都与第一故障隔离双向导通二极管D_com1的一端相连，

第一故障隔离双向导通二极管D_com1的另一端与第一桥臂的输出端相连；

四相永磁同步电机的B相绕组L_b的另一端与B相双向导通二极管D_b的一端相连，

四相永磁同步电机的D相绕组L_d的另一端与D相双向导通二极管D_d的一端相连，

B相双向导通二极管D_b的另一端和D相双向导通二极管D_d的另一端都与第二故障隔离双向导通二极管D_com2的一端相连，第二故障隔离双向导通二极管D_com2的另一端与第二桥臂的输出端相连。

本发明的优点：本发明公开一种具有高容错能力的四相六桥臂逆变器，并在各桥臂支路上串联了双向导通二极管，起到隔离故障的作用。该逆变器结构可以控制电流零序分量、提升开关器件短路故障下电机的容错运行能力，能减小所需功率器件的数量，成本适中，是一种可靠、实用的四相容错永磁同步电机逆变器拓扑结构。所公开的四相六桥臂逆变器除了可驱动具有45°相带角的不对称四相永磁同步电机外，也可以用于驱动具有90°相带角的四相永磁同步电机。

附图说明

图1是背景技术中涉及的四相半桥逆变器的结构示意图；

图2是背景技术中涉及的四相全桥逆变器的结构示意图；

图3是本发明所述具有高容错能力的四相六桥臂逆变器的结构示意图；

图4是具有45°相带角的四相永磁同步电机的本体示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图3和图4说明本实施方式，本实施方式所述具有高容错能力的四相六桥臂逆变器，它包括四相半桥拓扑结构，所述四相半桥拓扑结构由8个功率开关管和直流电源U_dc1构成，所述四相半桥拓扑结构的每个桥臂输出端均连接四相永磁同步电机的一相绕组的一端，四相永磁同步电机的A相绕组L_a、B相绕组L_b、C相绕组L_c和D相绕组L_d沿圆周依次排列，且A相绕组L_a和B相绕组L_b之间的机械角度为45°；B相绕组L_b和C相绕组L_c之间的机械角度为45°；C相绕组L_c和D相绕组L_d之间的机械角度为45°；D相绕组L_d和A相绕组L_a之间的机械角度为225°；

具有高容错能力的四相六桥臂逆变器还包括由直流电源U_dc2和4个功率开关管构成的两相半桥拓扑结构；A相双向导通二极管D_a、B相双向导通二极管D_b、C相双向导通二极管D_c、D相双向导通二极管D_d、第一故障隔离双向导通二极管D_com1和第二故障隔离双向导通二极管D_com2，

直流电源U_dc1和直流电源U_dc2并联，所述两相半桥拓扑结构具有两相桥臂，分别为第一桥臂和第二桥臂，

四相永磁同步电机的A相绕组L_a的另一端与A相双向导通二极管D_a的一端相连，

四相永磁同步电机的C相绕组L_c的另一端与C相双向导通二极管D_c的一端相连，

A相双向导通二极管D_a的另一端和C相双向导通二极管D_c的另一端都与第一故障隔离双向导通二极管D_com1的一端相连，

第一故障隔离双向导通二极管D_com1的另一端与第一桥臂的输出端相连；

四相永磁同步电机的B相绕组L_b的另一端与B相双向导通二极管D_b的一端相连，

四相永磁同步电机的D相绕组L_d的另一端与D相双向导通二极管D_d的一端相连，

B相双向导通二极管D_b的另一端和D相双向导通二极管D_d的另一端都与第二故障隔离双向导通二极管D_com2的一端相连，第二故障隔离双向导通二极管D_com2的另一端与第二桥臂的输出端相连。

所述功率开关管采用自带体二极管的IGBT来实现。

图3中四相半桥拓扑结构中有8个功率开关管，分别为S_a1p、S_a1n、S_b1p、S_b1n、S_c1p、S_c1n、S_d1p和S_d1n，为电压源型逆变器；图3中两相半桥拓扑结构中有4个功率开关管，分别为S_com1p、S_com1n、S_com2p和S_com2n。

本实施方式所控制的一种典型的不对称四相电机的结构为：采用隔齿绕制的分数槽集中绕组结构，槽数等于16k(k＝1，2，3...)，定子绕组按照45°相带角排列，极槽数满足2p＝Q±2(p为转子极对数，Q为槽数)。图4给出了一个具体实施例，定子槽数为16，转子极对数为7。

本实施方式所述具有高容错能力的四相六桥臂逆变器将四相绕组分成两组，互差90°机械角度的两相绕组作为一组，每组增加一个桥臂，增加的两个桥臂共同控制相绕组的电流零序分量：i_a+i_b+i_c+i_d＝i₀₁+i₀₂；i₀₁电流支路串联第一故障隔离双向导通二极管D_com1，用于故障隔离，i₀₂电流支路串联第二故障隔离双向导通二极管D_com2，用于故障隔离。

本实施方式所述具有高容错能力的四相六桥臂逆变器的控制策略包括四相电机正常工作控制策略、一相绕组开路故障控制策略、两相绕组开路故障控制策略、开关器件短路控制策略和开关器件断路控制策略。

电机正常工作时，D_com1、D_com2导通，四相绕组通入不对称四相电流；电机发生任意绕组发生开路故障时，D_com1、D_com2保持导通，调节剩余相绕组电流的幅值与相位，重新构建圆形旋转磁场，维持电机的持续运行；逆变器任意开关器件开路或短路时，与其互补的开关器件立即截止，其所在支路的双向导通二极管也关断；故障下的容错控制策略为调节每相电流激励的幅值与相位，重构圆形旋转磁场。具体控制分析如下：

1.四相电机正常工作时的控制策略：

四相电机正常工作时，各绕组中通入不对称四相电流。此时，控制D_com1、D_com2保持导通状态，D_a、D_b、D_c和D_d处于导通状态，各绕组通入如下电流：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_a=I_m\cos \left(\mathrm{\ωt}\right)\\ i_b=I_m\cos (\mathrm{\ωt}-\mathrm{\π}/4)\\ i_c=I_m\cos (\mathrm{\ωt}-\mathrm{\π}/2)\\ i_d=I_m\cos (\mathrm{\ωt}-3\mathrm{\π}/4)\end{array}\right.$

其中i_a、i_b、i_c、i_d分别为A、B、C、D相的电流，I_m为各相电流峰值。

此时，所增加的两个支路的电流作为零序电流，分别为：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_{01}=1.848I_m\cos (\mathrm{\ωt}-0.2516\mathrm{\π})\\ i_{02}=1.848I_m\cos (\mathrm{\ωt}-1.2453\mathrm{\π})\end{array}\right.$

其中i₀₁、i₀₂分别为双向导通二极管D_com1、D_com2所在支路的电流。

2.绕组开路故障时的控制策略：

(1)一相开路故障时的控制策略：

A、B、C、D相开路故障的控制策略相同，下面以D相绕组开路为例进行说明：

改变A、B、C相绕组激励的幅值与相位，可重新形成圆形旋转磁场。各相激励如下：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_a=1.58I_m\sin (\mathrm{\ωt}+0.6024\mathrm{\π})\\ i_b=I_m\sin (\mathrm{\ωt}+\mathrm{\π}/4)\\ i_c=1.58I_m\sin (\mathrm{\ωt}-0.1024\mathrm{\π})\end{array}\right.$

此时，零序电流为：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_{01}=I_m\sin (\mathrm{\ωt}+0.7673\mathrm{\π})\\ i_{02}=I_m\sin (\mathrm{\ωt}+\mathrm{\π}/4)\end{array}\right..$

(2)两相开路故障时的控制策略：

绕组两相开路故障共有2类情况

第一类情况：互差45°的两相绕组开路的故障控制策略，此种情况包括：C、D两相开路；A、B两相开路；B、C两相开路；A、D两相开路，下面以C、D两相开路为例进行说明：

各相电流激励为：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_a=2.83I_m\sin (\mathrm{\ωt}+3\mathrm{\π}/4)\\ i_b=2.83I_m\sin \left(\mathrm{\ωt}\right)\end{array}\right.$

零序电流为：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_{01}=2.83I_m\sin (\mathrm{\ωt}+3\mathrm{\π}/4)\\ i_{02}=2.83I_m\sin \left(\mathrm{\ωt}\right)\end{array}\right..$

第二类情况：互差90°的两相绕组开路的故障控制策略，此种情况包括B、D相开路；A、C相开路，下面以B、D相开路为例进行说明：

B、D相开路时，将双向导通二极管D_com2关断，剩余A、C相绕组激励不变，电机可持续运行。各相电流激励为：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_a=2I_m\cos \left(\mathrm{\ωt}\right)\\ i_c=2I_m\cos (\mathrm{\ωt}-\mathrm{\π}/2)\end{array}\right.$

零序电流为：

$i_{01}=2\sqrt{2}{I}_m\cos (\mathrm{\ωt}-\mathrm{\π}/4)$

若要对一、两相绕组开路故障进行控制，进行开关器件选型时，应选择电流等级为额定电流3倍左右的功率器件。

2.开关器件开路或短路故障的控制策略：

(1)开关器件开路时

以下列举了几种典型的开关器件开路故障下的容错控制解决方案。

(a)开关器件S_d1p或S_d1n开路时

与一相绕组开路故障相同，各相激励如下：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_a=1.58I_m\sin (\mathrm{\ωt}+0.6024\mathrm{\π})\\ i_b=I_m\sin (\mathrm{\ωt}+\mathrm{\π}/4)\\ i_c=1.58I_m\sin (\mathrm{\ωt}-0.1024\mathrm{\π})\end{array}\right.$

此时，零序电流为：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_{01}=I_m\sin (\mathrm{\ωt}+0.7673\mathrm{\π})\\ i_{02}=I_m\sin (\mathrm{\ωt}+\mathrm{\π}/4)\end{array}\right.$

(b)开关器件S_com2p或S_com2n开路时

若所增加的桥臂出现开路故障，则无法对与之相连接的两相绕组进行有效控制，此时，切断D_com2，将绕组A、C中的电流加倍，实现容错运行。

$\left\{\begin{array}{c}{i}_a=2I_m\cos \left(\mathrm{\ωt}\right)\\ i_c=2I_m\cos (\mathrm{\ωt}-\mathrm{\π}/2)\end{array}\right.$

零序电流为：

$i_{01}=2\sqrt{2}{I}_m\cos (\mathrm{\ωt}-\mathrm{\π}/4)$

(c)开关器件S_a1p(或S_a1n)、S_b1p(或S_b1n)、S_c1p(或S_c1n)、S_d1p(或S_d1n)中任意两个发生开路故障时，其容错控制方法与绕组两相开路时的控制方法相同。

(d)开关器件S_com1p(或S_com1n)、S_com2p(或S_com2n)均发生开路故障时，电机无法继续运行；开关器件S_com1p(或S_com1n)、S_b1p(或S_b1n)均发生开路故障时，电机无法继续运行；开关器件S_com1p(或S_com1n)、S_d1p(或S_d1n)均发生开路故障时，电机无法继续运行；开关器件S_com2p(或S_com2n)、S_a1p(或S_a1n)均发生开路故障时，电机无法继续运行；开关器件S_com2p(或S_com2n)、S_c1p(或S_c1n)均发生开路故障时，电机无法继续运行。

(2)开关器件短路时

发生开关器件短路故障时，及时进行故障检测，关闭与短路器件互补导通的开关器件，并控制所在支路的双向导通二极管截止，便可以有效地隔离故障。剩余相的控制与开关器件开路时相同。

由开关器件开路或短路故障的控制策略的(1)、(2)中可看出，采用四相六桥臂逆变器拓扑、并增加具有隔离作用的双向导通二极管后，逆变器的可靠性大大增强。

从成本角度考虑，四相六桥臂逆变器拓扑较四相全桥拓扑减少了两个桥臂，开关器件数量为12个，是用16个开关器件的全桥比，减少了四分之一，所增加桥臂的电流等级应为额定电流的3倍。四相六桥臂逆变器成本较低、可靠、实用。

Claims (2)

1.具有高容错能力的四相六桥臂逆变器，它包括四相半桥拓扑结构，所述四相半桥拓扑结构由8个功率开关管和直流电源U_dc1构成，所述四相半桥拓扑结构的四个桥臂输出端分别连接四相永磁同步电机的A相绕组L_a的一端、B相绕组L_b的一端、C相绕组L_c的一端和D相绕组L_d的一端，四相永磁同步电机的A相绕组L_a、B相绕组L_b、C相绕组L_c和D相绕组L_d沿圆周依次排列，且A相绕组L_a和B相绕组L_b之间的机械角度为45°；B相绕组L_b和C相绕组L_c之间的机械角度为45°；C相绕组L_c和D相绕组L_d之间的机械角度为45°；D相绕组L_d和A相绕组L_a之间的机械角度为225°；

其特征在于，具有高容错能力的四相六桥臂逆变器还包括由直流电源U_dc2和4个功率开关管构成的两相半桥拓扑结构；A相双向导通二极管D_a、B相双向导通二极管D_b、C相双向导通二极管D_c、D相双向导通二极管D_d、第一故障隔离双向导通二极管D_com1和第二故障隔离双向导通二极管D_com2，

直流电源U_dc1和直流电源U_dc2并联，所述两相半桥拓扑结构具有两相桥臂，分别为第一桥臂和第二桥臂，

四相永磁同步电机的A相绕组L_a的另一端与A相双向导通二极管D_a的一端相连，

四相永磁同步电机的C相绕组L_c的另一端与C相双向导通二极管D_c的一端相连，

A相双向导通二极管D_a的另一端和C相双向导通二极管D_c的另一端都与第一故障隔离双向导通二极管D_com1的一端相连，

第一故障隔离双向导通二极管D_com1的另一端与第一桥臂的输出端相连；

四相永磁同步电机的B相绕组L_b的另一端与B相双向导通二极管D_b的一端相连，

四相永磁同步电机的D相绕组L_d的另一端与D相双向导通二极管D_d的一端相连，

B相双向导通二极管D_b的另一端和D相双向导通二极管D_d的另一端都与第二故障隔离双向导通二极管D_com2的一端相连，第二故障隔离双向导通二极管D_com2的另一端与第二桥臂的输出端相连。

2.根据权利要求1所述具有高容错能力的四相六桥臂逆变器，其特征在于，所述功率开关管采用自带体二极管的IGBT来实现。