CN105356703B - 一种六相开关磁阻电机的容错系统及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种六相开关磁阻电机的容错系统及其控制方法，该容错系统为双重双通道系统，所述双重双通道系统由双通道六相电机和双通道三相电机构成，当电机不同相的齿极发生故障时，可将该齿切除，系统做双通道六相运行，调节对应齿的电压从而调节系统输出；当某相发生故障时，可将该相切除，系统做双通道三相运行，调节另一通道对应相电压从而调节系统输出，两种双通道间可以灵活的切换，其解决了开关磁阻电机在系统故障时系统输出降低的缺点，同时本发明可以在电机出现不同的故障时，方便的进行通道切换与控制。相间相互独立，出现故障时，采用调节电压从而调节每相电流的方式，使电机能够维持额定输出的工作状态。
Description
技术领域
本发明涉及一种六相开关磁阻电机容错系统及其控制方法，属于开关磁阻电机技术领域
背景技术
开关磁阻电机是在上世纪八十年代出现的一种新型电机，由于开关磁阻电机具有结构简单坚固、可控参数多，控制灵活，效率高、起动性能好等优点，使其在电动车驱动系统、家用电器、通用工业、伺服驱动、矿山机械等领域得到了广泛应用。
多相开关磁阻电机具有以下显著优势：在功率管容量不变情况下可通过增加功率管数来实现功率变换器的大容量输出，从而解决变换器的多管并联中的均流难题；随着电机相数的增加，电机的转矩脉动频率升高，脉动的幅值减少；控制更灵活、容错性好：随着相数的增加，可供选择的开关矢量将以2的倍数方式增加，大大增加了系统的可控性。由于相冗余，当一相或者多相发生故障时，系统可以调整剩余相的控制策略，方便进行容错控制；多相电机的绕组系数随着相数的增大而增大，从而使产生同样转矩的相电流减小，定子的铜耗降低。
双通道开关磁阻电机，不需要增加电机的个数，同时不改变电机的结构，仅仅在电机的原有的基础上改变电机的二次接线，形成双通道开关磁阻电机，配以两套电气独立的功率变换器和两套独立的控制器即可构成双通道开关磁阻电机，目前研究较多的为三相12/8开关磁阻电机，双通道开关磁阻电机在系统故障时，可方便的切除故障通道，使电机能正常运行，但是由于通道间的耦合此时电机实际的输出功率将会低于正常运行的50％。
发明内容
发明目的：开关磁阻电机本身具有较高的容错性，在故障时电机仍旧可以正常运行，可以通过调节其他相的控制策略调节系统输出，但是此时输出较正常运行系统输出低，本发明提出一种六相开关磁阻电机的容错系统及其控制方法，主要解决开关磁阻电机在系统故障时系统输出降低的缺点，同时本发明提出的同一电机的两种双通道，可以在电机出现不同的故障时，方便的进行通道切换与控制。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种六相开关磁阻电机的容错系统，该电机结构为定子24齿、转子20齿，绕组排列方式为NNSS绕线形式，每一相包含四个齿极，每个齿极空间间隔90度，构成每相的四个齿极可采取2串2并或者4齿并联，所述容错系统为双重双通道系统，所述双重双通道系统由双通道六相电机和双通道三相电机构成，且所述双通道六相电机和双通道三相电机为相差6度的双三相电机；所述双通道六相电机由以间隔180度的两个齿极串联构成一相，电机共有12相构成，选取间隔两相的六相构成一个通道，构成双12/10结构的六相电机；所述双通道三相电机由选取间隔一相的六相构成一个通道，构成双12/10结构三相电机。
一种六相开关磁阻电机的容错系统的控制方法，主电路上相间独立且电压可调，在主开关的关断控制上，每一相上的四个齿极采用相同的控制关断角；当电机不同相的齿极发生故障时，可将该齿切除，系统做双通道六相电机运行；当双通道六相电机中一个通道的一相或者几相出现故障时，切除该通道中的故障相，调节另一通道中的对应相的电压，调节输出转矩，使系统故障时能达到额定的输出转矩；当双通道六相电机的两个通道同一相均发生故障时，电机转入双通道三相模式，切除故障通道，另一通道升压运行，达到系统额定的输出转矩，使系统稳定输出。
本发明提供的一种六相开关磁阻电机的容错系统及其控制方法，相比现有技术，具有以下有益效果：
由于本发明的容错系统为双重双通道系统，所述双重双通道系统由双通道六相电机和双通道三相电机构成，且所述双通道六相电机和双通道三相电机为相差6度的双三相电机，其解决了开关磁阻电机在系统故障时系统输出降低的缺点，同时本发明可以在电机出现不同的故障时，方便的进行通道切换与控制。相间相互独立，出现故障时，采用调节电压从而调节每相电流的方式，使电机能够维持额定输出的工作状态。
附图说明
图1为24/20电机NNSS绕组排列方式与电机每齿的命名
图2为24/20电机双通道六相绕组排列方式
图3为24/20电机双通道三相绕组排列方式
图4为六相开关磁阻电机容错结构图
图5为六相开关磁阻电机各相对应的位置信号
图6为电机正常运行时转矩波形图
图7为电机A11齿故障时，双通道六相运行时的转矩波形图
图8为电机A相故障时，双通道三相运行时的转矩波形图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
一种六相开关磁阻电机的容错系统，如图1-4所示，该电机结构为定子24齿、转子20齿，绕组排列方式为NNSS绕线形式，每一相包含四个齿极，每个齿极空间间隔90度，构成每相的四个齿极可采取2串2并或者4齿并联，所述容错系统为双重双通道系统，所述双重双通道系统由双通道六相电机和双通道三相电机构成，且所述双通道六相电机和双通道三相电机为相差6度的双三相电机；所述双通道六相电机由以间隔180度的两个齿极串联构成一相，电机共有12相构成，选取间隔两相的六相构成一个通道，构成双12/10结构的六相电机；所述双通道三相电机由选取间隔一相的六相构成一个通道，构成双12/10结构三相电机。
一种六相开关磁阻电机的容错系统的控制方法，主电路上相间独立且电压可调，在主开关的关断控制上，每一相上的四个齿极采用相同的控制关断角；当电机不同相的齿极发生故障时，可将该齿切除，系统做双通道六相电机运行；当双通道六相电机中一个通道的一相或者几相出现故障时，切除该通道中的故障相，调节另一通道中的对应相的电压，调节输出转矩，使系统故障时能达到额定的输出转矩；当双通道六相电机的两个通道同一相均发生故障时，电机转入双通道三相模式，切除故障通道，另一通道升压运行，达到系统额定的输出转矩，使系统稳定输出。
实例
六相开关磁阻电机容错系统构成：如附图1所示，采用24/20齿形，即24/20电机，正常运行时，电机采用NNSS结构，也就是绕组排列方式为NNSS绕线形式，相间耦合极小，此时相间耦合可以忽略，构成每相的四个齿极可采取2串2并或者4齿并联的方式增加系统的容错性，以A相为例，2串2并连接方式下，A相四齿A11和A12齿串联成一条支路A1，A21和A22齿串联成一条支路A2，两条支路并联；4齿并联方式时，A相4个齿均并联。两种连接方式中，2串2并连接方式一般适合低、中速电机；4齿并联连接方式适合高速电机。
双通道六相定义方式见附图2，此时A11,A12,B11…F12构成通道L1，A21,A22,B21…F22构成通道L2，即在24/20电机基础上间隔两相选取六相构成双通道六相电机。双通道三相定义方式见附图3，此时，A11,C21,E11…E22,即所有的A、C、E相构成通道S1，B21,D11,F21…F12,即所有的B、D、F相构成通道S2，即在24/20电机基础上间隔一相选取三相构成双通道三相电机。
六相开关磁阻电机容错系统主要由双重双通道系统构成，即在同一个六相电机中，电机可做双通道六相和双通道三相运行，以2串2并的连接方式说明电机的运行情况。双通道六相电机的定义方法如下：以通道L1为例，齿A11和A12构成通道L1中A1相，齿B11和B12构成通道L1中B1相，间隔两齿，齿E11和E12构成通道L1中E1相，通道L1中F1、C1和D1相定义依次类推，具体齿极定义见附图2，电机成为由通道L1和L2两个通道构成的双六相开关磁阻电机。双通道三相定义方法如下：以通道S1为例，齿A11，A12，A21，A22按照2串2并方式构成通道S1中A1相，间隔一齿，C11,C12,C21,C22按照2串2并方式构成通道S1中B1相，F11,F12,F21,F22按照2串2并方式构成通道S1中C1相，如附图3所示，电机成为由通道S1和通道S2两个通道构成的双三相电机。系统结构图见附图4.
开关磁阻电机24/20中，转子周期为36度，在每相提前角度和导通宽度相同时，每相开通角相隔6度，因此A与D相的开通角度相隔18度，所以A相的位置信号取反即为D相位置信号，类似的有B相和E相，C相和F相，位置信号图见附图5。
开关磁阻电机结构上完全对称，电机采用2串2并绕组形式时，同一通道的两相的电感变化率是完全相同的，因此电机A相产生的转矩可分解为通道L1和通道L2中A相产生的转矩之和。电机发生齿极故障时，以L1通道A1相发生故障为例，此时切除通道L1中A1相故障相，根据转矩与电流的平方成正比例的关系，调节L2通道中A2相电压，可使系统达到故障前的运行状态。类似的当通道L1中几相故障时，调节另一通道的对应相电压，极端情况下，可完全切除通道L1，通道L2升压运行，达到故障前运行状态。当通道L1和L2中A相均发生故障时，此时电机切换为双通道三相运行状态，切除A相对应的单通道S1，电机整体做双相三通道中单通道三相电机运行，调节S2通道电压，可使系统达到故障前运行状态。
电机采用4齿并联的情况时，电机发生齿极故障时，仍旧以L1通道A11齿极发生故障为例，此时，电机A相有3齿运行，电机震动加剧，因此可切除与A11对应的A12齿，调节A21和A22齿电压，使得电机稳定运行。并且此时一相完全故障的几率将大大减小，因此在高速电机中采用4齿并联的双重双通道电机运行，可以极大的提高电机的容错性能。
在主开关的关断控制上，每齿的控制时间一致，因此A11,A12,A21,A22采用相同的控制关断角，同样的有B,C,D,E,F相每相四齿的控制关断角是一致的。当电机不同相的齿极发生故障时，可将该齿切除，系统做双通道六相运行，调节对应齿的电压从而调节系统输出；当某相发生故障时，可将该相切除，系统做双通道三相运行，调节另一通道对应相电压从而调节系统输出，两种双通道间可以灵活的切换。
针对图1所示电机，在每相开通和关断角均相同的情况下，仿真比较电机正常运行与故障时系统的输出。电机正常运行转矩图见附图6，此时平均转矩为20.2NM，转矩脉动为11，图7所示为2串2并连接方式下，A11齿极故障切除时，调节A21和A22绕组电压后系统的转矩输出，此时系统平均转矩为20.17NM，转矩脉动为10.9，图8所示为A相整体故障切除时采用三相双通道运行时系统的输出转矩，此时，转矩输出为21.7NM，转矩脉动为49。
综上所述：本发明能有效降低相间耦合与通道间的耦合；同一电机中两种不同的双通道定义，针对双通道出现故障时两种通道间可以灵活的切换；相间相互独立，出现故障时，采用调节电压从而调节每相电流的方式，使电机能够维持额定输出的工作状态。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (1)
1.一种六相开关磁阻电机容错系统的控制方法，电机结构为定子24齿、转子20齿，绕组排列方式为NNSS绕线形式，每一相包含四个齿极，每个齿极空间间隔90度，构成每相的四个齿极可采取2串2并或者4齿并联，所述容错系统为双重双通道系统，所述双重双通道系统由双通道六相电机和双通道三相电机构成，且所述双通道六相电机和双通道三相电机为相差6度的双三相电机；所述双通道六相电机由以间隔180度的两个齿极串联构成一相，电机共有12相构成，选取间隔两相的六相构成一个通道，构成双12/10结构的六相电机；所述双通道三相电机由选取间隔一相的三相构成一个通道，构成双12/10结构三相电机，其特征在于：主电路上相间独立且电压可调，在主开关的关断控制上，每一相上的四个齿极采用相同的控制关断角；当电机不同相的齿极发生故障时，可将该齿极切除，系统做双通道六相电机运行；当双通道六相电机中一个通道的一相或者几相出现故障时，切除该通道中的故障相，调节另一通道中的对应相的电压，调节输出转矩，使系统故障时能达到额定的输出转矩；当双通道六相电机的两个通道同一相均发生故障时，电机转入双通道三相模式，切除故障通道，另一通道升压运行，达到系统额定的输出转矩，使系统稳定输出。
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