CN103281019A - 永磁同步电机容错型牵引模块及其控制方法 - Google Patents

永磁同步电机容错型牵引模块及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种永磁电机容错牵引模块，该种模块由两台三相逆变器、两台三相永磁同步电机和一个容错桥组成，当两台逆变器中的所有桥臂均无故障发生时，该模块处于正常运行模式；当两台逆变器中的任一桥臂发生故障且系统负载较轻时，该模块处于隔离运行模式，此时最大输出转矩减小但最高转速可维持不变；当两台逆变器中的任一桥臂发生故障且负载较重时，该模块处于容错运行模式，此时永磁电机最高转速减小但最大输出转矩可维持不变。本发明同时公开了该模块的控制方法。本发明与现有的永磁电机牵引模块相比，具有更安全、更经济、更简单等特点。

Description

永磁同步电机容错型牵引模块及其控制方法
技术领域
本发明属于电机驱动与控制技术领域，具体的说，涉及一种永磁同步电机的牵引模块，本发明同时涉及了该模块的控制方法。 
背景技术
城市轨道交通永磁电机牵引系统是一种多电机驱动系统。在基于感应电机的传统牵引系统中，通常一台三相逆变器可以控制多台三相感应电机；在永磁电机牵引系统中，由于控制系统对永磁同步电机的转子位置精度要求较高，通常一台三相逆变器只能控制一台三相永磁同步电机，因此，与传统牵引系统相比，永磁电机牵引系统需要更多的功率开关器件。越多的功率开关器件意味着逆变器的故障率更高。对于城市轨道交通列车而言，当牵引系统故障发生后最常用的解决方法就是切除故障逆变器，从而使得最大牵引力也相应的减小。当牵引力减少到无法维持重载列车的当前车速时，尤其是在大上坡的时候，很有可能导致列车被动停车。此时，通常会派一列空载的列车推着故障列车前行。这样做的问题是如果附近没有空闲的空载列车时，很有可能导致整条线路大面积晚点，从而大大影响城市轨道交通系统运营单位的服务质量，造成重要影响。因此，对城市轨道交通牵引系统的容错控制显得尤为重要。 
传统的三相永磁电机牵引系统主要有以下三种形式： 
形式I——直流母线的稳压电容由两个相同的电容器组成，稳压电容的中点与电机的中性点相连接，当某一相发生故障时，系统变成一个两相系统，如图1所示。 
形式II——增加一相附加桥臂，使得电机的中性点与附加桥臂的中点相连接，当某一相发生故障时，系统变成一个两相系统，如图2所示。 
形式III——增加一相冗余桥臂，当某一桥臂发生故障时，通过双向晶闸管将故障桥臂替换成冗余桥臂，如图3所示。 
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种结构简单、效果好、安全系数高的永磁电机容错牵引模块，同时本发明公开了该模块的控制方法。 
技术方案：本发明采用如下技术方案加以实现： 
一种永磁电机容错牵引模块，所述该模块包含第一台三相逆变器、第二台三相逆变器、第一台三相永磁同步电机、第二台三相永磁同步电机和一个容错桥；第一台三相逆变器、第二台三相逆变器分别通过容错桥连接第一台三相永磁同步电机、第二台三相永磁同步电机，所述容错桥由双向开关k1-k12组成，双向开关k1-k3连接第一台三相逆变器的三相对称电流输出端与第一台三相永磁同步电机的三相同步电流输入端，双向开关k4-k6连接第二台三相逆变器的三相对称电流输出端与第二台三相永磁同步电机的三相同步电流输入端，双向开关k7、k8、k9、k10、k11、k12分别与双向开关k1、k2、k3、k6、k5、k4连接，k7、k8、k9相连，k10、k11、k12相连，k7、k8、k9的公共点和k10、k11、k12的公共点相连。 
所述双向开关为双向晶闸管。 
一种如上述的容错牵引模块的控制方法，包括如下步骤： 
1）永磁电机容错牵引模块运行于正常模式，容错桥中双向开关k1-k6闭合，k7-k12关断，永磁电机容错牵引模块相当于两套独立的三相永磁牵引系统； 
2）检测永磁电机容错牵引模块中是否有一相桥臂发生故障，如果检测到桥臂发生故障，则进入步骤3，否则，在本步骤循环； 
3）当第一台三相逆变器发生故障时，容错桥中双向开关k1-k3闭合，k4-k12关断；当第二台三相逆变器发生故障时，容错桥中双向开关k4-k6闭合，k1-k3及k7-k12关断，永磁电机容错牵引模块相当于一套独立的三相永磁牵引系统； 
4）检测永磁电机容错牵引模块的转速有没有被动减小到最高转速的一半以下，如果是，则进入步骤5，否则在本步骤循环； 
5）按照不相邻原则通过容错桥将故障逆变器和正常逆变器变换成五相逆变器，用其来控制两台永磁同步电机，具体如下： 
其中，k1-k12分别代表12个双向晶闸管，0代表关断，1代表闭合；nFL是故障桥臂的编号，nFL=1-3为第一台三相逆变器的三相桥臂，nFL=4-6表示第二台三相逆变器的三相桥臂，Δθ是两台永磁同步电机的初始位置电角度差值。 
有益效果：本方法适用于多电机永磁牵引系统，简单通用。具体到本发明的技术方案，具有如下优点： 
1.跟形式I和形式II相比，由于采用不相邻原则，本模块不存在桥臂过流问题，因此更安全； 
2.跟形式III相比，本方法不需要冗余桥臂，因此更简单、更经济； 
附图说明
图1是形式I的结构框图； 
图2是形式II的结构框图； 
图3是形式III的结构框图； 
图4是适用于城市轨道交通列车的永磁电机容错牵引模块的结构框图； 
图5是实施例中的列车车速实验波形； 
图6是实施例中的永磁同步电机PMSM-1相电流的实验波形； 
图7是实施例中的永磁同步电机PMSM-2相电流的实验波形； 
图8是实施例中的公共桥臂电流的实验波形； 
图9是实施例中的永磁同步电机PMSM-1输出电磁转矩的实验波形； 
图10是实施例中的永磁同步电机PMSM-2输出电磁转矩的实验波形； 
图11是实施例中的两台永磁同步电机输出的总电磁转矩的实验波形。 
具体实施方式
下面将参照附图对本发明进行详细说明。 
本发明的实施例的系统硬件结构如图4所示，包括：直流母线、两台逆变器(VSI-1，VSI-2)、两台三相永磁同步电机(PMSM-1，PMSM-2)、容错桥(FTB)。其中，两台永磁同步电机均采用基于SVPWM的id=0控制方法，直流母线电压udc=250V,开关频率10kHz，两台永磁同步电机的初始位置电角度差值Δθ为π5/6，列车采用直驱方式，车轮半径为0.804m。 
本发明的适用于城市轨道交通列车的永磁电机容错牵引模块，包括如下实施步骤： 
1）0～34.4s，永磁电机容错牵引模块运行于正常模式，容错桥的工作状态为： 
[k1k2k3k4k5k6k7k8k9k10k11k12]=[111111000000] 
其中，k1-k12分别代表12个双向晶闸管，0代表关断，1代表闭合。此时永磁电机容错牵引模块相当于两套独立的三相永磁牵引系统； 
2）在t=34.4s，检测桥臂4发生故障，如果检测到桥臂发生故障，故进入步骤3)； 
3）永磁电机容错牵引模块根据下式将故障逆变器切除，从而进入隔离运行模式： 
[k1k2k3k4k5k6k7k8k9k10k11k12]=[111000000000] 
其中，k1-k12分别代表12个双向晶闸管，0代表关断，1代表闭合；nFL是故障桥臂的编号。此时永磁电机容错牵引模块相当于只有一台永磁同步电机(PMSM-1)在工作； 
4）在t=61.3s，检测列车的车速被动减小到最高车速80km/h的一半以下，故进入步骤5)； 
5）按照不相邻原则通过容错桥将故障逆变器和正常逆变器变换成五相逆变器，用其来控制两台永磁同步电机，容错桥工作状态如下： 
[k1k2k3k4k5k6k7k8k9k10k11k12]=[111011001001] 
其中，k1-k12分别代表12个双向晶闸管，0代表关断，1代表闭合； 
图5是实施例中的列车车速实验波形。图6是实施例中的永磁同步电机PMSM-1相电流的实验波形。图7是实施例中的永磁同步电机PMSM-2相电流的实验波形。图8是实施例中的公共桥臂电流的实验波形。图9是实施例中的永磁同步电机PMSM-1输出电磁转矩的实验波形。图10是实施例中的永磁同步电机PMSM-2输出电磁转矩的实验波形。图11是实施例中的两台永磁同步电机输出的总电磁转矩的实验波形。 
以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。 

Claims (3)

1.一种永磁电机容错牵引模块，其特征在于：所述该模块包含第一台三相逆变器、第二台三相逆变器、第一台三相永磁同步电机、第二台三相永磁同步电机和一个容错桥；第一台三相逆变器、第二台三相逆变器分别通过容错桥连接第一台三相永磁同步电机、第二台三相永磁同步电机，所述容错桥由双向开关k1-k12组成，双向开关k1-k3连接第一台三相逆变器的三相对称电流输出端与第一台三相永磁同步电机的三相同步电流输入端，双向开关k4-k6连接第二台三相逆变器的三相对称电流输出端与第二台三相永磁同步电机的三相同步电流输入端，双向开关k7、k8、k9、k10、k11、k12分别与双向开关k1、k2、k3、k6、k5、k4连接，k7、k8、k9相连，k10、k11、k12相连，k7、k8、k9的公共点和k10、k11、k12的公共点相连。
2.根据权利要求1所述的永磁电机容错牵引模块，其特征在于：所述双向开关为双向晶闸管。
3.一种根据权利要求1所述的容错牵引模块的控制方法，其特征在于：包括如下步骤：
1）永磁电机容错牵引模块运行于正常模式，容错桥中双向开关k1-k6闭合，k7-k12关断，永磁电机容错牵引模块相当于两套独立的三相永磁牵引系统；
2）检测永磁电机容错牵引模块中是否有一相桥臂发生故障，如果检测到桥臂发生故障，则进入步骤3，否则，在本步骤循环；
3）当第一台三相逆变器发生故障时，容错桥中双向开关k1-k3闭合，k4-k12关断；当第二台三相逆变器发生故障时，容错桥中双向开关k4-k6闭合，k1-k3及k7-k12关断，永磁电机容错牵引模块相当于一套独立的三相永磁牵引系统；
4）检测永磁电机容错牵引模块的转速有没有被动减小到最高转速的一半以下，如果是，则进入步骤5，否则在本步骤循环；
5）按照不相邻原则通过容错桥将故障逆变器和正常逆变器变换成五相逆变器，用其来控制两台永磁同步电机，具体如下：
Figure 328091DEST_PATH_IMAGE002
其中，k1-k12分别代表12个双向开关，0代表关断，1代表闭合；n FL是故障桥臂的编号，n FL=1-3为第一台三相逆变器的三相桥臂，n FL=4-6表示第二台三相逆变器的三相桥臂，Δθ是两台永磁同步电机的初始位置电角度差值。
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