CN105577071B - 一种三相交流电机驱动系统 - Google Patents

Abstract

一种三相交流电机驱动系统，包括：直流电源Vdc、四个电容、电感、四个桥臂电路和6个开关。四个桥臂电路构成三相四桥臂逆变器。三相交流电机正常工作时，所述的第四桥臂电路不投入运行；当三相交流电机运行过程中发生一相故障时，切除故障相所连接的桥臂，将第四桥臂投入运行；若三相交流电机在停机时出现一相开路故障，还需要在剩余两相绕组中选择一相，通过开关切换加入电容，改变两相绕组电角度为90度，进而产生旋转磁场，驱动三相交流电机。

Description

一种三相交流电机驱动系统

技术领域

本发明涉及一种三相交流电机驱动系统。

背景技术

汽车作为人的代步工具，它的安全性一直有着很高的要求。电机驱动系统作为电动汽车的动力来源，安全与可靠非常重要。在电驱动系统中，电机是主要机械的执行部件，电机本体的故障会影响系统的最终执行动作。电驱动系统的工况十分复杂，电机需要频繁的起停、加速、减速，系统一直处于不平稳的运行状态。而且电驱动系统的工作区域较变频系统大，电机的转矩和速度范围要求很宽。在复杂的工况和宽工作域下，电驱动系统会因振动和加速度过大等原因而发生定子绕组开路故障。一旦三相电机某一相出现故障而不切断该相，将会导致灾难性的后果。在这种场合，系统的可靠性和容错能力是一项最重要的指标。研究如何在缺相情况下能够继续单相运行而不至于停车，具有重要的现实意义。

目前，电动汽车的驱动电机主要是三相交流电机，包括三相异步电机和三相永磁同步电机。当三相交流电机出现开路故障后，原来的三相电机实际就变成了单相电机运行，而这种单相电机没有启动能力，一旦停车将无法继续运行。如果在运行中发生开路故障，而仍旧采用三相电机的驱动方式，电机虽然可以继续运行，但是在负载情况下，剩余两相电流会增大，电机发热严重，烧毁电机，导致严重后果发生。

图1所示为传统的三相交流电机驱动系统，其包括：直流电源Vdc、电容C1、第一桥臂电路、第二桥臂电路、第三桥臂电路以及三相交流电机。具体驱动系统各元件连接关系如图1所示，三个桥臂中点a、b、c引出线与三相交流电机的三相绕组La、Lb、Lc引出端连接，当驱动系统运行时，给三相交流电机通入三相交流电，三相交流电在电机内部形成圆形旋转磁场，驱动电机运行。当电机绕组La或Lb或Lc出现开路故障，整个驱动系统将停止工作。

申请号为201310480349.5的发明专利《一相开路时双三相永磁同步电机的故障容错控制系统》，公开一种一相开路时双三相永磁同步电机的故障容错控制系统，其硬件驱动电路具有六个桥臂，永磁电机是双三相电机，具有六套绕组，当任意一相发生故障时，系统能够及时切除故障相，实现双三相永磁同步电机的容错控制功能。该发明虽然能够实现一相开路时的容错运行，但本身电机和驱动系统结构复杂，增加了故障发生率和成本；另外，对于电动汽车以及工业应用的其他领域，主要是以三相交流电机为主，因此这种针对双三相电机的故障容错控制系统的应用范围小。

发明内容

本发明的目的是克服现有三相交流电机一相开路后运行性能恶化以及不能自启动的问题，提供一种三相交流电机驱动系统，本发明可以在一相开路时，使得三相交流电机具有故障容错功能。

本发明解决其技术问题采用的技术方案为：

本发明三相交流电机驱动系统由具有故障隔离和容错功能的驱动电路组成，当三相交流电机的任意一相发生开路故障时，系统能够及时切除故障相，同时将三相电机控制策略切换到单相电机控制策略，使三相电机按照单相电机方式运行，实现三相交流电机的容错控制功能。该容错控制系统具有硬件结构简单，可靠性高，鲁棒性强的特点。

所述的驱动电路包括：直流电源Vdc、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、电感L0、第一桥臂电路、第二桥臂电路、第三桥臂电路、第四桥臂电路、第一开关S1、第二开关S2、第三开关S3、第四开关S4、第五开关S5，以及第六开关S6。

所述第一桥臂电路包括：绝缘栅双极型晶体管VT1及与其并联的二极管，以及绝缘栅双极型晶体管VT2及与其并联的二极管，绝缘栅双极型晶体管VT1的源极和绝缘栅双极型晶体管VT2的漏极连接。所述第二桥臂电路包括：绝缘栅双极型晶体管VT3及与其并联的二极管，以及绝缘栅双极型晶体管VT4及与其并联的二极管，绝缘栅双极型晶体管VT3的源极和绝缘栅双极型晶体管VT4的漏极连接。所述第三桥臂电路包括：绝缘栅双极型晶体管VT5及与其并联的二极管，以及绝缘栅双极型晶体管VT6及与其并联的二极管，绝缘栅双极型晶体管VT5的源极和绝缘栅双极型晶体管VT6的漏极连接。所述第四桥臂电路包括：绝缘栅双极型晶体管Q1及与其并联的二极管，以及绝缘栅双极型晶体管Q2及与其并联的二极管，绝缘栅双极型晶体管Q1的源极和绝缘栅双极型晶体管Q2的漏极连接。

第一桥臂电路、第二桥臂电路、第三桥臂电路和第四桥臂电路构成三相四桥臂逆变器。

所述第一电容C1与直流电源Vdc、第一桥臂电路、第二桥臂电路、第三桥臂电路、第四桥臂电路并联连接。

所述第二电容C2与第一开关S1串联后与第二开关S2并联，该并联支路的一端连接第一桥臂电路的中点a，该并联支路的另一端连接三相交流电机A相绕组La的引出端。所述第三电容C3与第三开关S3串联后与第四开关S4并联，该并联支路的一端连接第二桥臂电路中点b，该并联支路的另一端连接三相交流电机B相绕组Lb的引出端。所述第四电容C4与第五开关S5串联后与第六开关S6并联，该并联支路的一端连接第三桥臂电路中点c，该并联支路的另一端连接三相交流电机C相绕组Lc的引出端；电感L0连接于第四桥臂电路中点n和三相交流电机的中性点O之间。

所述的三相交流电机可以是三相异步电机或三相永磁同步电机。

三相交流电动机定子上结构完全相同的在空间位置各相差120度的三相绕组，分别接入三相对称交流电，则在定子与转子间所产生的合成磁场是沿定子内圆旋转的旋转磁场。旋转磁场是电机启动的必要条件。而空间相差90度的两相绕组也可以产生旋转磁场，其效果是相同的。如果三相交流电机正在运行时出现一相开路，此时电机只有两相绕组工作，实质上属于单相电机，需切除故障相所连接的桥臂，并将第四桥臂投入运行，此时本发明的驱动电路为单相电机采用的两相三桥臂驱动电路，同时切换到单相电机的控制方法，一相开路的三相交流电机即可稳定运行；若三相交流电机在停机时出现一相开路故障，在启动时除了需要切换到单相电机的两相三桥臂驱动电路和控制方法外，还需要在剩余两相绕组中选择一相，通过使用开关切换加入电容，加入电容可改变两相绕组电角度为90度，进而产生旋转磁场，驱动电机。当故障电机启动后，再通过开关切除电容，使电机按照单相电机运行方式运行。

本发明有益的效果是：与现有的技术相比，当三相交流电机出现一相故障时，采用简单控制算法，可使缺相三相电机按照单相交流电机运行规律稳定运行；故障电机停机后，具有再次启动能力。本发明通过改进传统逆变器拓扑结构，使电机驱动系统具有容错能力；故障后的容错控制策略有效，提高了整个电驱动控制系统的安全性和稳定性。

附图说明

图1是传统三相交流电机驱动系统示意图；

图2是本发明具体实施方式示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

如图2所示，本发明的实施例包括：直流电源Vdc、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、电感L0、第一桥臂电路、第二桥臂电路、第三桥臂电路、第四桥臂电路、第一开关S1、第二开关S2、第三开关S3、第四开关S4、第五开关S5，以及第六开关S6。

第一桥臂电路、第二桥臂电路、第三桥臂电路和第四桥臂电路构成三相四桥臂逆变器。

所述的第一桥臂电路包括：绝缘栅双极型晶体管VT1及与其并联的二极管和绝缘栅双极型晶体管VT2及与其并联的二极管，绝缘栅双极型晶体管VT1的源极和绝缘栅双极型晶体管VT2的漏极连接；所述第二桥臂电路包括：绝缘栅双极型晶体管VT3及与其并联的二极管和绝缘栅双极型晶体管VT4及与其并联的二极管，绝缘栅双极型晶体管VT3的源极和绝缘栅双极型晶体管VT4的漏极连接；所述第三桥臂电路包括：绝缘栅双极型晶体管VT5及与其并联的二极管和绝缘栅双极型晶体管VT6及与其并联的二极管，绝缘栅双极型晶体管VT5的源极和绝缘栅双极型晶体管VT6的漏极连接；所述第四桥臂电路包括：绝缘栅双极型晶体管Q1及与其并联的二极管和绝缘栅双极型晶体管Q2及与其并联的二极管，绝缘栅双极型晶体管Q1的源极和绝缘栅双极型晶体管Q2的漏极连接。

第一电容C1与直流电源Vdc、第一桥臂电路、第二桥臂电路、第三桥臂电路、第四桥臂电路并联连接。

第二电容C2与第一开关S1串联后与的二开关S2并联，该并联支路的一端连接第一桥臂电路中点a，该并联支路的另一端连接三相交流电机A相绕组引出端。第三电容C3与第三开关S3串联后与第四开关S4并联，该并联支路的一端连接第二桥臂电路中点b，该并联支路的另一端连接三相交流电机B相绕组Lb引出端。第四电容C4与第五开关S5串联后与第六开关S6并联，该并联支路的一端连接第三桥臂电路中点c，该并联支路的另一端连接三相交流电机C相绕组Lc引出端。电感L0连接于第四桥臂电路中点n和三相交流电机的中性点O之间。

三相交流电机可以是三相异步电机或三相永磁同步电机。

正常工作时，第四桥臂电路不投入运行，三相四桥臂逆变器作为传统的三相逆变器使用，驱动三相交流电机。当三相交流电机运行过程中系统发生一相故障时，采用电气方式切除故障相，并将第四桥臂投入运行，此时三相电机工作于两相三桥臂模式，采取单相电机的控制方法即可实现系统的稳定运行；当缺相系统停机后需再次启动时，将连接故障绕组的桥臂切除。此时假设C相绕组Lc故障，可将绕组Lc所连接的第三桥臂切除，此时驱动器拓扑结构变为两相三桥臂。同时可将第二开关S2打开，闭合第一开关S1，使第二电容C2与电机A相绕组La串联，构成单相电机的启动绕组，当逆变器供电后，第二电容C2和绕组La串联而成的支路与绕组Lb相差90度相位，因此两套绕组在电机内部可形成圆形旋转磁场，以驱动电机旋转，当电机启动后，打开第一开关S1，同时闭合第二开关S2，将第二电容C2切除，采用单相电机的控制方法使三相电机工作于单相模式下稳定运行。若绕组La或绕组Lb发生故障，处理方式与上述绕组Lc发生故障类同。

Claims (1)

1.一种三相交流电机驱动系统，包括：直流电源Vdc、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、电感L0、第一桥臂电路、第二桥臂电路、第三桥臂电路、第四桥臂电路、第一开关S1、第二开关S2、第三开关S3、第四开关S4、第五开关S5，以及第六开关S6；

所述的第一桥臂电路、第二桥臂电路、第三桥臂电路和第四桥臂电路构成三相四桥臂逆变器；

第一电容C1与直流电源Vdc、第一桥臂电路、第二桥臂电路、第三桥臂电路、第四桥臂电路并联连接；第二电容C2与第一开关S1串联后与第二开关S2并联，该并联支路的一端连接第一桥臂电路中点a，该并联支路的另一端连接三相交流电机A相绕组的引出端；第三电容C3与第三开关S3串联后与第四开关S4并联，该并联支路的一端连接第二桥臂电路中点b，该并联支路的另一端连接三相交流电机B相绕组Lb的引出端；第四电容C4与第五开关S5串联后与第六开关S6并联，该并联支路的一端连接第三桥臂电路中点c，该并联支路的另一端连接三相交流电机C相绕组Lc的引出端；电感L0连接于第四桥臂电路中点n和三相交流电机的中性点O之间，

其特征在于，正常工作时，所述的第四桥臂电路不投入运行；当三相交流电机运行过程中发生一相故障时，切除故障相所连接的桥臂，将第四桥臂投入运行；此时所述的驱动电路为单相电机采用的两相三桥臂驱动电路，同时切换到单相电机的控制方法，一相开路的三相交流电机即可稳定运行；若三相交流电机在停机时出现一相开路故障，启动时除了需要切换到单相电机的两相三桥臂驱动电路和控制方法外，还需要在剩余两相绕组中选择一相，通过使用开关切换加入电容，改变两相绕组电角度为90度，进而产生旋转磁场，驱动电机；当故障电机启动后，再通过开关切除电容，使电机按照单相电机运行方式运行。