CN104022717B

CN104022717B - 一种两相交流电机容错逆变器

Info

Publication number: CN104022717B
Application number: CN201410177954.XA
Authority: CN
Inventors: 林海; 闫茂德; 陈丹; 李晓辉
Original assignee: Changan University
Current assignee: Sanmenxia Suda Transportation Energy Saving Technology Co., Ltd.
Priority date: 2014-04-29
Filing date: 2014-04-29
Publication date: 2017-03-15
Anticipated expiration: 2034-04-29
Also published as: CN104022717A

Abstract

一种两相交流电机容错逆变器，包括四个逆变器桥臂、四个快速熔断保险丝以及两个双向晶闸管；四个逆变器桥臂并联后与公共直流电源相接；一个双向晶闸管连接第一、二电枢绕组的一个端口，另一个双向晶闸管连接第一、二电枢绕组的另一个端口，且第一电枢绕组的两个端口分别通过快速熔断保险丝与两个逆变器桥臂中点相连，第二电枢绕组的两个端口分别通过快速熔断保险丝与另外两个逆变器桥臂中点相连。本发明能够从普通的八开关两相全桥逆变器工作方式转变为两相六开关拓扑结构的工作方式，从而保证了在逆变器单相桥臂出现故障时两相电机能够持续安全可靠的运行。另外，本发明的容错逆变器具有很强的通用性。

Description

一种两相交流电机容错逆变器

技术领域

本发明属于电力电子技术领域，具体涉及一种两相交流电机容错逆变器。

背景技术

随着近年来工农业过程趋向大型化和复杂化，社会生活趋向高品质和舒适化，对相关工业和生活产品的控制品质的要求日益突出。在工业交流传动应用领域，对系统的可靠性和安全性的需求日趋迫切。其中，交流电机系统容错技术是一个典型的应用研究领域。目前，交流电机容错控制技术研究工作仍属于起步阶段，且大部分应用在三相绕组的交流电机之中，如三相感应电机，三相永磁同步电机和三相无刷直流电机等。两相电机由于电机体积小、结构简单、制造成本较低、功率和效率较高，目前已经广泛应用于低功耗工业应用中，如电冰箱，真空吸尘器，风机，空调和水泵等。比较常见的两相电机主要有异步电机、步进电机、开关磁阻电机和永磁电机等。目前对于两相电机的本体设计和其控制技术有广泛的研究和工业应用，然而针对两相电机的容错理论和技术比较少。

两相电机一般指定子具有两相独立绕组的电机，其两相绕组通常按照90电角度分开放置。两相交流电机驱动通常使用相位互差90度的两相方波电压驱动，其驱动的方法比较简单并且有效降低驱动硬件成本。传统的交流电机三相绕组电流和电压相位互差120度。正常工作时的两相和三相交流电机都形成圆形旋转磁场，系统的稳定性能高。目前两相电机的研究工作仅局限于电机本体的设计、四开关逆变器驱动技术、六开关逆变器驱动技术和八开关逆变器驱动技术等。其中，八开关逆变器在两相交流驱动技术中的输出功率最大，具有优异的驱动性能，其驱动系统结构如图1所示。

在八开关逆变器两相交流电机驱动中，逆变器的功率开关经常处于高频工作状态，因此，在逆变器单相桥臂中，一个或两个功率开关发生短路或断路故障，为两相电机运行的可靠性和安全性带来潜在的威胁。

发明内容

本发明的目的在于提供一种两相交流电机容错逆变器，该两相交流电机容错逆变器能够增强两相交流电机的可靠性和安全性。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：包括控制器、第一、二、三、四逆变器桥臂、第一、二、三、四快速熔断保险丝以及第一、二双向晶闸管；第一、二、三、四逆变器桥臂并联后与公共直流电源相接；

两相交流电机的第一电枢绕组的一个端口分为两路，一路通过第一快速熔断保险丝与第一逆变器桥臂中点相连，另一路与第一双向晶闸管的第二端子相连；

两相交流电机的第二电枢绕组的一个端口分为两路，一路通过第二快速熔断保险丝与第二逆变器桥臂中点相连，另一路与第一双向晶闸管的第一端子相连；

两相交流电机的第一电枢绕组的另一个端口分为两路，一路通过第四快速熔断保险丝与第四逆变器桥臂中点相连，另一路与第二双向晶闸管的第一端子相连；

两相交流电机的第二电枢绕组的另一个端口分为两路，一路通过第三快速熔断保险丝与第四逆变器桥臂中点相连，另一路与第二双向晶闸管的第二端子相连；

第一电枢绕组的一个端口处设置有第一电压传感器，第一电枢绕组的另一个端口处设置有第二电压传感器，第二电枢绕组的一个端口处设置有第三电压传感器，第二电枢绕组的另一个端口处设置有第四电压传感器，第一、二、三、四电压传感器分别与控制器相连，控制器分别与第一、二双向晶闸管的控制极以及第一、二、三、四逆变器桥臂相连。

所述的第一逆变器桥臂由第一、二功率开关管组成，第二逆变器桥臂由第三、四功率开关管组成，第三逆变器桥臂由第五、六功率开关管组成，第四逆变器桥臂由第七、八功率开关管组成，控制器分别与第一、二、三、四、五、六、七、八功率开关管的控制极相连。

所述的第一、二、三、四、五、六、七、八功率开关管均采用IGBT或MOSFET。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明的容错逆变器是在传统的八开关逆变器基础上增加了4个熔断丝和两个双向晶闸管，同时在电枢绕组的两端还都设置有能够监控电枢绕组端口电压的电压传感器，电压传感器又与控制器相连，控制器还分别与桥臂以及双向晶闸管的控制极相连。由于电枢绕组与发生故障时，电枢绕组与发生故障的逆变器桥臂中点之间的快速熔断保险丝会断开，发生与故障的逆变器桥臂相连的电枢绕组端口处的电压传感器就会检测到异常电压，并传输给控制器，控制器控制故障桥臂停止工作，并触发双向晶闸管导通；因此，本发明能够从普通的八开关两相全桥逆变器工作方式转变为两相六开关拓扑结构的工作方式，从而保证了在逆变器单相桥臂出现故障时两相电机能够持续安全可靠的运行。另外，本发明的容错逆变器具有很强的通用性，可以适用于多种不同类型的两相电机，如两相永磁同步电机、两相无刷直流电机、两相开关磁阻电机和两相步进电机等。

附图说明

图1为本发明两相交流电机容错逆变器正常工作方式时的驱动结构图；

图2为本发明两相交流电机容错逆变器在正常模式工作下的空间矢量电压分布示意图；

图3为本发明两相交流电机容错逆变器在故障模式工作下的空间矢量电压分布示意图；

图4为本发明第一逆变器桥臂发生故障下两相交流电机容错逆变器重构拓扑结构图；

图5为本发明第二逆变器桥臂发生故障下两相交流电机容错逆变器重构拓扑结构图；

图6为本发明第四逆变器桥臂发生故障下两相交流电机容错逆变器重构拓扑结构图；

图7为本发明第三逆变器桥臂发生故障下两相交流电机容错逆变器重构拓扑结构图。

具体实施方式

下面结合附图对本技术发明进行进一步的详细说明。

参见图2，本发明包括第一、二、三、四逆变器桥臂L1，L2，L3，L4、第一、二、三、四快速熔断保险丝Fa，Fb，Fx，Fy以及第一、二双向晶闸管TR1，TR2；第一、二、三、四逆变器桥臂Lqu1，L2，L3，L4并联后与公共直流电源相接；公共直流电源用于为第一、二、三、四、逆变器桥臂L1，L2，L3，L4供电，其正极为V_dc，负极为GND。

第一逆变器桥臂L1由第一、二功率开关管S1，S2组成，第二逆变器桥臂L2由第三、四功率开关管S3，S4组成，第三逆变器桥臂L3由第五、六功率开关管S5，S6组成，第四逆变器桥臂L4由第七、八功率开关管S7，S8组成，且第一、二、三、四、五、六、七、八功率开关管S1，S2，S3，S4，S5，S6，S7，S8均采用IGBT或MOSFET功率器件。

两相电机有第一、二电枢绕组A，B，两相交流电机的第一电枢绕组A的一个端口分为两路，一路通过第一快速熔断保险丝Fa与第一逆变器桥臂中点a相连，另一路与第一双向晶闸管TR1的第二端子相连；

两相交流电机的第二电枢绕组B的一个端口分为两路，一路通过第二快速熔断保险丝Fb与第二逆变器桥臂中点b相连，另一路与第一双向晶闸管TR1的第一端子相连；

两相交流电机的第一电枢绕组A的另一个端口分为两路，一路通过第四快速熔断保险丝Fy与第四逆变器桥臂中点x相连，另一路与第二双向晶闸管TR2的第一端子相连；

两相交流电机的第二电枢绕组B的另一个端口分为两路，一路通过第三快速熔断保险丝Fy与第四逆变器桥臂中点y相连，另一路与第二双向晶闸管TR2的第二端子相连。

第一电枢绕组A的一个端口处设置有第一电压传感器，第一电枢绕组A的另一个端口处设置有第二电压传感器，第二电枢绕组B的一个端口处设置有第三电压传感器，第二电枢绕组B的另一个端口处设置有第四电压传感器，第一、二、三、四电压传感器分别与控制器相连，控制器分别与第一、二双向晶闸管TR1，TR2的控制极以及第一、二、三、四逆变器桥臂L1，L2，L3，L4相连。

本发明总体的工作原理如下：当本发明容错逆变器处于正常工作状态时，本发明容错逆变器按照普通的八开关两相全桥逆变器工作方式运行；由于控制器与四个电压传感器相连，这四个电压传感器分别检测第一、二电枢绕组四个端口的电压，控制器也同时与八个功率开关管的控制极相连；当某一个桥臂发生故障，比如短路故障，与该桥臂相连的保险丝由于电流过大而熔断。同时，电压传感器会检查到与该故障桥臂相连的电枢绕组的端口处的异常电压，电压传感器经异常电压传输给控制器，控制器根据该异常电压作出故障判断后停止故障桥臂两个功率开关管的控制极信号，同时给故障桥臂相连的双向晶闸管控制极发出导通信号。这样，故障桥臂停止工作并与相连的电枢绕组端口断开连接，同时该电枢绕组端口通过双向晶闸管连接到相邻桥臂的中点上，提出的容错逆变器拓扑结构将会发生改变，系统可以按照新的逆变器拓扑结构继续工作。

由容错机构发出控制信号，快速调整电机控制策略和实现逆变器重构，逆变器将会工作在两相六开关拓扑结构。此时，两相电机系统仍然可持续工作。

如图1所示，容错逆变器8个功率开关管不同的开关状态组合，在容错逆变器所供电的两相交流电机相电压会发生变化。本发明的容错逆变器在正常运行状态下，逆变器按照传统的八开关两相逆变器拓扑结构工作(本发明容错逆变器在正常工作模式下的空间电压矢量空间分布如图2)。本发明容错逆变器可以输出16组空间电压矢量V_i，其中四组为零电压矢量V₀₀，剩余的12组为非零电压矢量。具体定义如下：

表1正常逆变器输出的空间电压矢量

表1中，V_i代表空间电压矢量，i为该矢量的空间相位。空间电压矢量二进制表达形式为(S_a S_x S_b S_y)，其中开关状态信号S_a、S_x、S_b和S_y分别代表第一、七、三、五功率开关管S1，S7，S3和S5的触发信号。它们与同一桥臂上的第二、八、四、六功率开关管S2，S8，S4和S6的出发信号是对称的。V_a和V_b分别代表第一、二电枢绕组A，B的相电压。Vs代表输出的电压矢量幅值。

本发明的容错逆变器在桥臂故障工作模式下，容错逆变器将根据4种不同的故障情况进行拓扑结构的重构。重构后的容错逆变器拓扑结构都为两相六开关逆变器。具体工作原理如下：

如图4所示，当本发明第一逆变器桥臂L1发生故障时，第一快速熔断丝Fa断开，第一逆变器桥臂L1退出工作模式。同时，第一双向晶闸管TR1触发，第一电枢绕组A的一个端口通过第一双向晶闸管TR1与第二电枢绕组B的一个端口汇合后连接到第二逆变器桥臂中点b。此时，本发明容错逆变器的其他结构不发生变化。这样，第一、二电枢绕组A，B出现一个公共连接点，该点连接到第二逆变器桥臂中点b，其电压由第二电枢桥臂L2进行控制。由以上分析可以看出，本发明容错逆变器实现了第一逆变器桥臂L1发生故障时的拓扑结构重构。

如图5所示，当第二逆变器桥臂L2发生故障时，第二快速熔断丝Fb断开，第二逆变器桥臂L2退出工作模式。同时，第一双向晶闸管TR1触发，第二电枢绕组B的一个端口经过第一双向晶闸管TR1与第一电枢绕组回合后连接到第一逆变器桥臂中点a。此时，本发明容错逆变器其他结构不发生变化。这样，第一、二电枢绕组A，B出现一个公共连接点，该点连接到第一逆变器桥臂中点a，其电压由第一逆变器桥臂L1进行控制。由以上分析可知，本发明容错逆变器实现了第二逆变器桥臂L2发生故障时的拓扑结构重构。

如图6所示，当第四逆变器桥臂L4发生故障时，第四快速熔断丝Fx断开，第四逆变器桥臂L4退出工作模式。同时，第二双向晶闸管TR2触发，第一电枢绕组A的另一个端口经过第二双向晶闸管TR2与第二电枢绕组B的另一个端口汇合，然后连接到第三逆变器桥臂中点y。此时，本发明容错逆变器的其他结构不发生变化。这样，绕组A和B出现一个公共连接点，该点连接到第三逆变器桥臂中点y，其电压由第三逆变器桥臂L3进行控制。由以上分析可以看出，本发明容错逆变器实现了第四逆变器桥臂L4发生故障时的拓扑结构重构。

如图7所示，当第三逆变器桥臂L3发生故障时，第三快速熔断丝Fy断开，第三逆变器桥臂L3退出工作模式。同时，第二双向晶闸管TR2触发，第二电枢绕组B的另一端口经过第二双向晶闸管TR2与第四逆变器桥臂中点x相连；此时，本发明容错逆变器的其他结构不发生变化。这样，第一、二电枢绕组A、B出现一个公共连接点，该点连接到第四逆变器桥臂中点x，其电压由第四逆变器桥臂L4进行控制。由以上分析可知，本发明容错逆变器实现了第三逆变器桥臂L3发生故障时的拓扑结构重构。

本发明的容错逆变器在桥臂故障状态下，容错逆变器按照传统的两相六开关逆变器拓扑结构工作(容错逆变器在桥臂故障模式下的空间电压矢量空间分布如图4所示)。逆变器输出空间电压矢量V_i有7组，其中1组为零电压矢量V₀₀，剩余的6组为非零电压矢量。具体定义如下：

表2桥臂故障后重构逆变器输出的空间电压矢量

表2中，开关状态信号中的F代表任意开关状态信号，F＝0或1。与表1比较，本发明重构后的逆变器少了两个电压矢量V₁₃₅和V₃₃₅，功率开关信号按照两相六开关拓扑结构工作。

需要注意的是，该拓扑结构并不适用于两个桥臂或两个桥臂以上发生故障的情况，在这些情况下，控制系统无法正常工作。

Claims

1.一种两相交流电机容错逆变器，其特征在于：包括控制器、第一、二、三、四逆变器桥臂(L1，L2，L3，L4)、第一、二、三、四快速熔断保险丝(Fa，Fb，Fx，Fy)以及第一、二双向晶闸管(TR1，TR2)；第一、二、三、四逆变器桥臂(L1，L2，L3，L4)并联后与公共直流电源相接；

两相交流电机的第一电枢绕组(A)的一个端口分为两路，一路通过第一快速熔断保险丝(Fa)与第一逆变器桥臂中点(a)相连，另一路与第一双向晶闸管(TR1)的第二端子相连；

两相交流电机的第二电枢绕组(B)的一个端口分为两路，一路通过第二快速熔断保险丝(Fb)与第二逆变器桥臂中点(b)相连，另一路与第一双向晶闸管(TR1)的第一端子相连；

两相交流电机的第一电枢绕组(A)的另一个端口分为两路，一路通过第四快速熔断保险丝(Fy)与第四逆变器桥臂中点(x)相连，另一路与第二双向晶闸管(TR2)的第一端子相连；

两相交流电机的第二电枢绕组(B)的另一个端口分为两路，一路通过第三快速熔断保险丝(Fy)与第四逆变器桥臂中点(y)相连，另一路与第二双向晶闸管(TR2)的第二端子相连；

第一电枢绕组(A)的一个端口处设置有第一电压传感器，第一电枢绕组(A)的另一个端口处设置有第二电压传感器，第二电枢绕组(B)的一个端口处设置有第三电压传感器，第二电枢绕组(B)的另一个端口处设置有第四电压传感器，第一、二、三、四电压传感器分别与控制器相连，控制器分别与第一、二双向晶闸管(TR1，TR2)的控制极以及第一、二、三、四逆变器桥臂(L1，L2，L3，L4)相连。

2.根据权利要求1所述的两相交流电机容错逆变器，其特征在于：所述的第一逆变器桥臂(L1)由第一、二功率开关管(S1，S2)组成，第二逆变器桥臂(L2)由第三、四功率开关管(S3，S4)组成，第三逆变器桥臂(L3)由第五、六功率开关管(S5，S6)组成，第四逆变器桥臂(L4)由第七、八功率开关管(S7，S8)组成，控制器分别与第一、二、三、四、五、六、七、八功率开关管(S1，S2，S3，S4，S5，S6，S7，S8)的控制极相连。

3.根据权利要求2所述的两相交流电机容错逆变器，其特征在于：所述的第一、二、三、四、五、六、七、八功率开关管(S1，S2，S3，S4，S5，S6，S7，S8)均采用IGBT或MOSFET。