CN104579067B - 电励磁双凸极电机励磁故障容错发电系统及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种电励磁双凸极电机励磁故障容错发电系统及其控制方法，其控制方法是：系统检测到励磁故障后断开励磁电路并切换到容错模式运行，在容错运行模式中，通过给三相四桥臂变换器每相分别通以正向和负向的励磁电流的新型的六拍发电控制策略，来实现电机励磁故障的容错发电功能。本发明公开的控制方法，充分利用电励磁双凸极电机的三相四桥臂变换器，可使电机在励磁故障的情况下继续发电，适合航空航天、汽车等行业用于制动回馈电机、起动发电机等多象限运行的电励磁双凸极电机。
Description
技术领域
本发明涉及一种电励磁双凸极电机励磁故障容错发电系统及其控制方法，属于特种电机容错技术领域。
背景技术
电励磁双凸极电机是一种由位置传感器、电力电子功率变换器、励磁功率电路、控制器和凸极定转子结构的电机本体组成的新式电机。电励磁双凸极电机励磁功率电路的主要功能是把直流励磁电源转换成电机励磁绕组的直流输入电流，控制器控制相应功率管的占空比，调节励磁电流实现对电机转矩的控制。电励磁双凸极电机励磁绕组老化、受潮、受热、受侵蚀、异物侵入、外力的冲击等可能会造成对绕组的伤害。同时，控制励磁绕组的励磁功率电路也可能因为过流、反向电压冲击等原因造成故障。对于航空航天、汽车等高可靠性要求的领域来说，利用故障诊断隔离技术将出现励磁故障的励磁绕组进行隔离，并重构系统使电机能够容错运行具有十分重要的意义。
目前国内外的双凸极电机容错技术主要集中在永磁双凸极电机领域。例如，授权的中国发明专利：定子永磁式双凸极容错电机，授权号：ZL200610041575.3，发明了一种相与相绕组之间通过容错齿隔离、实现了电路、磁路和温度场的独立的定子永磁式双凸极容错电机结构。授权的中国发明专利：双通道容错式磁通切换永磁电机及其控制方法，授权号：ZL200710132578.2，发明了一种集开关磁阻电机和转子永磁型容错电机这两种主要的容错电机结构的优点于一身、带故障运行能力较为出色的双通道容错式磁通切换永磁电机。公告的发明专利：一种双凸极永磁电机的容错控制方法，申请号：200810021000.4，公开了一种双凸极永磁电机的容错控制方法，当系统发生缺相故障时，通过等效正弦波驱动控制算法计算出等效于正常运行时所产生转矩的三相正弦波电流，再计算出两个非故障相容错式正弦波电流的幅值以及相位，从而实现了双凸极永磁电机的带故障运行。在开关磁阻发电领域：授权的中国发明专利：开关磁阻发电机，授权号：ZL200510129731.7，发明了一种带有递升转换器、可以向相绕组提供足够的激发电流的开关磁阻(SR)发电机，以在低速和高速下取得较高的效率。授权的中国发明专利：一种开关磁阻起动/发电机功率变换器，授权号：ZL200910033555.5，发明了一种通过在传统的自励模式不对称半桥功率变换器拓扑中外加六个辅助开关管，而有效衔接了各桥臂的开关管以及负载开关管，从而可以实现各桥臂任意开关管发生故障时的冗余的功率变换器拓扑。
传统的三相电励磁双凸极电机采用三相全桥变换器，在电动和发电运行时是两相同时出力。在励磁绕组发生故障的情况下，电励磁双凸极电机相当于一台开关磁阻电机，而开关磁阻电机是使用三相不对称半桥变换器工作的。电励磁双凸极电机没有不对称半桥变换器，而三相全桥变换器不能应用于开关磁阻发电机。因此需要采用本申请提出的三相四桥臂变换器以实现给电枢绕组通电励磁。
发明内容
所要解决的技术问题：
本发明旨在提出一种各相轴向分布的具有细长型结构的双凸极无刷直流电机，既可以作为发电机运行，又可以作为起动机运行。
技术方案：
为了实现以上功能，本发明提供了一种电励磁双凸极电机励磁故障容错发电系统，包括电源、三相全桥变换器、励磁绕组、电枢绕组、控制器、电流传感器、位置传感器，其特征在于：还包括一个第四桥臂，所述第四桥臂与三相全桥变换器并联构成一个三相四桥臂变换器，三相全桥变换器A相的中间点、B相的中间点、C相的中间点各连接一个绕组自感，再经电流传感器连接到第四桥臂的中间点；
所述电流传感器、位置传感器连接到控制器的输入端，控制器控制各桥臂的功率开关管。
所述第四桥臂由串联的第七功率开关管T7和第八功率开关管T8构成，所述第七功率开关管T7的集电极连接直流母线的正极，第八功率开关管T8的发射极连接直流母线的负极；第七功率开关管T7和第八功率开关管T8各并联一个反向二极管D7和D8。
一种电励磁双凸极电机励磁故障容错发系统电控制方法，其特征在于：当电流传感器未检测到励磁故障时，电机工作在正常的发电机状态；当电流传感器检测到励磁故障后断开励磁电路并切换到容错模式运行；
设定θ1和θ2分别表示绕组的开通角和关断角，θ1<θ2；
在容错运行模式中，电机电角度为θ1且θ1∈[0°，120°)时给A相通以正向电流且A相绕组的绕组自感处于上升阶段以使该相电流逐渐增加；
在电机电角度为θ2且θ2∈[120°，240°)时A相绕组自感处于下降阶段，驱动电机的原动机将克服磁阻转矩做功储能，关断A相励磁电流，结束电机的A相励磁阶段，储存的磁场能和电磁转矩产生的机械能转换为电能，开始A相的发电阶段；
在电机电角度为θ1+120°时给B相通以负向电流且B相绕组的绕组自感处于上升阶段以使该相电流逐渐增加，并在电角度为θ2+120°时关断B相励磁电流结束B相励磁阶段，储存的磁场能和电磁转矩产生的机械能转换为电能，开始B相的发电阶段；
在电机电角度为θ1+240°时给C相通以正向电流励磁且C相绕组的绕组自感处于上升阶段以使该相电流逐渐增加，在电角度为θ2+240°时关断C相励磁电流结束B相励磁阶段，储存的磁场能和电磁转矩产生的机械能转换为电能，开始C相的发电阶段；
同理可推出，在电机电角度为θ1+360°时给A相通以负向电流励磁，在电角度为θ2+360°时关断A相励磁电流则A相开始续流发电；以此循环，利用三相四桥臂变换器实现电励磁双凸极电机在有励磁故障的情况下能够继续发电运行。
有益效果：
本发明公开的电励磁双凸极电机励磁故障容错发电控制方法，通过改变开通角θ1、关断角θ2可调节电励磁双凸极电机在励磁故障容错模式下的输出电压，也可以通过对励磁电流或者励磁电压进行斩波控制来实现该电机输出电压的稳定。
使用三相四桥臂变换器，既能作为三相全桥变换器使用给电励磁双凸极电机双相绕组通电，又可使电机在励磁故障下发电，显著提高电励磁双凸极电机在航空航天、汽车等重要场合下发电的可靠性，适合制动回馈电机、起动发电机等多象限运行的电励磁双凸极电机。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：
图1是本发明电励磁双凸极电机励磁故障容错发电系统组成框图；
图2是本发明电励磁双凸极电机励磁故障容错发电系统控制方法的三相电流示意图；
图3为本发明实施例样机容错发电时三相电流波形图；
其中：1、电源；2、三相全桥变换器；3、励磁绕组；4、电枢绕组；5、控制器；6、电流传感器；7、位置传感器；8、第四桥臂；
La为A相绕组自感，Lb为B相绕组自感，Lc为B相绕组自感，ia为A相绕组电流，ib为B相绕组电流，ic为C相绕组电流，ip为输出电流。
具体实施方式
本发明提供一种电励磁双凸极电机励磁故障容错发系统及其控制方法，为使本发明的目的，技术方案及效果更加清楚，明确，以及参照附图并举实例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示的电励磁双凸极电机励磁故障容错发系统，包括电源1、三相全桥变换器2、励磁绕组3、电枢绕组4、控制器5、电流传感器6、位置传感器7，还包括一个第四桥臂8，所述第四桥臂8与三相全桥变换器2并联构成一个三相四桥臂变换器，三相全桥变换器2A相的中间点、B相的中间点、C相的中间点各连接一个绕组自感，再经电流传感器6连接到第四桥臂8的中间点；
所述电流传感器6、位置传感器7连接到控制器5的输入端，控制器5控制各桥臂的功率开关管。
所述第四桥臂8由串联的第七功率开关管T7和第八功率开关管T8构成，所述第七功率开关管T7的集电极连接直流母线的正极，第八功率开关管T8的发射极连接直流母线的负极；第七功率开关管T7和第八功率开关管T8各并联一个反向二极管D7和D8。
系统可以通过励磁电流传感器6是否存在励磁故障，当未检测到励磁故障时系统按正常模式运行。在正常模式发电工况下，系统利用三相四桥臂变换器上的体二极管进行整流输出；在正常模式电动工况下，系统和普通三相电励磁双凸极电机工作原理一致。
当检测到励磁故障后断开励磁电路并切换到容错模式运行。
在容错运行模式中，当A相在电角度为θ1时导通后励磁电流会逐渐增大至励磁结束，根据磁通总是沿磁阻最小的路径闭合的原理，原动机会克服磁阻转矩驱动电励磁双凸极电机旋转，电源输入的电能和电磁转矩产生的机械能都转化成磁场能储存在气隙中；当关掉A相励磁电流后，转子仍在原动机驱动下转动，于是通过A相对应的二极管续流，储存的磁场能和电磁转矩产生的机械能转换为电能，开始发电。
其六拍控制原理是：A相发出正向电流时，给下一相B相提供反向励磁电流，即控制第六功率开关管T6导通使B相通以反向电流励磁，当A相励磁结束时时断开第六功率开关管T6使B相利用D3和D8发电。此时三相绕组中性点接负极，可由第五功率开关管T5为C相提供正向励磁电流，如此反复，通过给三相四桥臂变换器每相分别通以正向和负向的励磁电流的新型的六拍发电控制策略，来实现电机励磁故障的容错发电功能。
实施例
θ1和θ2分别表示绕组的开通角和关断角，θ1<θ2。
图2所示的本发明容错发电控制方法的三相电流示意图。在容错运行模式中，A相绕组的自感在电机电角度为[0°，120°)时A相绕组的绕组自感处于上升阶段处于上升阶段，在[120°，240°)时A相绕组的绕组自感处于上升阶段处于下降阶段。若假设从左向右的电流为正，当电机电角度为θ1且θ1∈[0°，120°)时给A相通以正向电流以使该相电流逐渐增加，当电机电角度θ2[120°，240°)时控制第一功率开关管T1和第八功率开关管T8导通，A相自感处于下降阶段，驱动电励磁双凸极电机的原动机将克服磁阻转矩做功储能。
在电机电角度为θ2且θ2∈[120°，240°]时关断第一功率开关管T1和第八功率开关管T8，结束电机的A相励磁阶段，电机转子仍在原动机驱动下转动，于是通过三相四桥臂变换器上A相对应的第七二极管D7和第四二极管D4续流，储存的磁场能和电磁转矩产生的机械能转换为电能，开始A相的发电阶段。
在电机电角度为θ1+120°时给B相通以负向电流且B相绕组的绕组自感处于上升阶段以使该相电流逐渐增加，并在电角度为θ2+120°时关断B相励磁电流结束B相励磁阶段，储存的磁场能和电磁转矩产生的机械能转换为电能，开始B相的发电阶段；
在电机电角度为θ1+240°时给C相通以正向电流励磁且C相绕组的绕组自感处于上升阶段以使该相电流逐渐增加，在电角度为θ2+240°时关断C相励磁电流结束B相励磁阶段，储存的磁场能和电磁转矩产生的机械能转换为电能，开始C相的发电阶段；
同理可推出，在电机电角度为θ1+360°时给A相通以负向电流励磁，在电角度为θ2+360°时关断A相励磁电流则A相开始续流发电；图3为本发明实施例样机容错发电时三相电流波形图。以此循环，通过改变开通角θ1、关断角θ2可调节电励磁双凸极电机在励磁故障容错模式下的输出电压；也可以通过对励磁电流或者励磁电压进行斩波控制来实现该电机输出电压的稳定，利用三相四桥臂变换器实现电励磁双凸极电机在有励磁故障的情况下能够继续发电运行。
在励磁阶段，对励磁电流或者励磁电压进行斩波控制可以控制励磁磁场的大小，从而控制输出电压的高低。因此通过控制励磁阶段的电流可以实现该电机输出电压的控制。
可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
Claims (1)
1.一种电励磁双凸极电机励磁故障容错发系统电控制方法，其特征在于：该方法基于一种电励磁双凸极电机励磁故障容错发电系统，包括电源、三相全桥变换器、励磁绕组、电枢绕组、控制器、电流传感器、位置传感器，
还包括一个第四桥臂，所述第四桥臂与三相全桥变换器并联构成一个三相四桥臂变换器，三相全桥变换器A相的中间点、B相的中间点、C相的中间点各连接一个绕组自感，再经电流传感器连接到第四桥臂的中间点；
所述电流传感器、位置传感器连接到控制器的输入端，控制器控制各桥臂的功率开关管；
所述第四桥臂由串联的第七功率开关管T7和第八功率开关管T8构成，所述第七功率开关管T7的集电极连接直流母线的正极，第八功率开关管T8的发射极连接直流母线的负极；第七功率开关管T7和第八功率开关管T8各并联一个反向二极管D7和D8；
当电流传感器未检测到励磁故障时，电机工作在正常的发电机状态；当电流传感器检测到励磁故障后断开励磁电路并切换到容错模式运行；
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