CN106787977A - 一种带容错运行的同步电机转子励磁电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种运用于电励磁同步电机中的带容错运行的转子励磁电路。该电路可以实现电励磁同步电机励磁电路部分器件故障时，将故障桥臂进行切除并用非故障桥臂维持正常运行。转子励磁电路包含两个桥臂，每个桥臂都有可将桥臂切除的开关，并且桥臂的输出端都通过一个开关与直流母线的负极相连。当检测到转子励磁电路存在故障器件时，将故障器件所在桥臂的开关断开，使故障桥臂被切除，同时闭合故障桥臂的输出端与直流母线负极相连的开关。通过调整非故障桥臂IGBT的触发脉冲占空比，可以实现利用非故障桥臂实现正常励磁。

Description

一种带容错运行的同步电机转子励磁电路

技术领域：

本发明涉及一种电励磁同步电机励磁电路，该电路可以在电励磁同步电机励磁电路部分器件发生故障时维持电机正常运行。

背景技术：

同步电动机在交流传动领域中有着广泛应用，根据同步电机转子励磁方式的不同，可以分为电励磁同步电机和永磁同步电机两种。其中，电励磁同步电机转子直流励磁磁场是由外部电源提供，励磁电流可调。电励磁同步电机具有功率因数可调、电机工作效率高等特点。在大容量和高性能的电力拖动场合中，电励磁同步电机的使用更加广泛。

实际运行中，由于励磁电路中的电力电子器件会产生故障，会导致电励磁同步电机不能正常工作。当电励磁同步电机失去励磁时，会导致电机失步而无法正常运转，严重时还会危害电机本体。电机故障的同时也会对操作人员的人身安全造成风险，因此需要设计一种带有容错运行功能的励磁电路。现有的励磁电路绝大多数为直流斩波电路，但是电路中并没有考虑故障容错方法，在出现故障时只能停机处理，因此可靠性较低。

发明内容

针对未考虑故障容错的电励磁同步电机励磁电路，本发明设计了一种带容错运行的电励磁同步电机转子励磁电路。本发明提出的励磁电路主要针对在励磁电路中部分全控型电力电子器件(IGBT)损坏的情况下，仍能给电励磁同步电机转子提供励磁，维持电机正常运行。

本发明采用的技术方案是：在检测到励磁电路部分器件存在故障后，能将故障桥臂切除，并用非故障桥臂维持转子励磁电路容错运行。如图1所示，转子励磁电路包括第一个桥臂和第二个桥臂。所述第一个桥臂中，第一个全控型电力电子器件V₁与第一个电力二极管D₁反向并联，第二个全控型电力电子器件V₂与第二个电力二极管D₂反向并联，这两组反向并联二极管的IGBT与第一个开关S_1a串联，两组反并联二极管的IGBT的中间引出桥臂输出端，并且桥臂输出端通过第二个开关S_1b连接到直流母线的负极。第二个桥臂中，第三个全控型电力电子器件V₃与第三个电力二极管D₃反向并联，第四个全控型电力电子器件V₄与第四个电力二极管D₄反向并联，这两组反向并联二极管的IGBT与第三个开关S_2a串联，两组反并联二极管的IGBT的中间引出桥臂输出端，并且桥臂输出端通过第四个开关S_2b连接到直流母线的负极。第一个桥臂与第二个桥臂的输出端连接励磁绕组两端。

本发明效果：

故障运行状态下，可将故障桥臂切除，并利用非故障桥臂维持运行。本发明结构简单、实现容易，在电励磁同步电机励磁电路中的电力电子器件发生故障时，能够切除故障并使电机正常运行。

附图说明

图1为本发明的带容错运行功能的转子励磁电路的电励磁同步电机系统图；

图2a为励磁电路正常运行时电路开关状态图；

图2b为励磁电路正常运行时的等效电路图；

图3a为励磁电路第二桥臂故障并切除故障桥臂后的开关状态图；

图3b为励磁电路第二桥臂故障并切除故障桥臂后的等效电路图。

具体实现方式

下面结合附图对本发明具体实现方法做进一步说明。

图1为采用本发明设计的带容错运行转子励磁电路的电励磁同步电机系统图。本发明设计的转子励磁电路由4个全控器件IGBT(V₁、V₂、V₃、V₄)、4个反并联二极管(D₁、D₂、D₃、D₄)、4个开关(S_1a、S_1b、S_2a、S_2b)组成。其中：

发明的带容错运行的转子励磁电路的直流母线电压由直流电压源E提供，励磁电路由两个桥臂组成。第一个桥臂中，第一个全控型电力电子器件V₁与第一个电力二极管D₁反向并联，第二个全控型电力电子器件V₂与第二个电力二极管D₂反向并联，这两组反并联二极管的IGBT与第一个开关S_1a串联，两组反并联二极管的IGBT的中间引出桥臂输出端A，并且桥臂输出端A通过第二个开关S_1b连接到直流母线的负极。第二个桥臂中，第三个全控型电力电子器件V₃与第三个电力二极管D₃反向并联，第四个全控型电力电子器件V₄与第四个电力二极管D₄反向并联，这两组反并联二极管的IGBT与第三个开关S_2a串联，两组反并联二极管的IGBT的中间引出桥臂输出端B，并且桥臂输出端B通过第四个开关S_2b连接到直流母线的负极。电励磁同步电机转子可以等效简化为阻值为R_f、电感值为L_f的阻感负载，本发明的两个桥臂的输出端口A、B加载到电励磁同步电机转子阻感负载两端。

励磁电路正常运行时，开关S_1a、S_2a闭合，开关S_1b、S_2b断开。图2a所示为正常运行下电路开关状态。图2b为正常运行时的等效电路。在正常运行时，全控器件V₁和V₄的开关状态相同，V₂和V₃的开关状态相同，并且，同一桥臂开关管的开关状态呈互补状态，即V₁开通时V₂的状态为关断状态，V₁关断时V₂的状态为开通状态；V₃开通时V₄的状态为关断状态，V₃关断时V₄的状态为开通状态。根据目标输出电压和直流母线电压的值，可以得到各开关管的占空比。

当励磁电路中某一开关器件故障时，这里以全控器件V₃发生故障为例进行说明。图3a所示为V₃发生故障后，切除V₃所在桥臂，以单桥臂维持运行。图3b为容错运行下的等效电路。当V₃发生故障时，非故障桥臂的开关S_1a、S_2b维持正常运行时的状态，V₃所在的故障桥臂中的开关S_2a转换为断开状态、开关S_2b转换为闭合状态，因此故障桥臂被切除并且故障桥臂的输出端接到了直流母线电压的负极。从图3b所示的等效电路可以看出，励磁电路仍构成直流斩波电路。在切除桥臂后，全控器件V₁和V₂的开关状态仍需要满足互补条件。根据目标输出电压和直流母线电压的比值，可以得到正常工作桥臂各开关管相应的占空比。

总结归纳为：(1)正常无故障运行状态下，开关S_1a闭合、S_1b断开、S_2a闭合、S_2b断开；(2)当第一个桥臂中的V₁或V₂发生故障时，开关S_1a断开、S_1b闭合、S_2a闭合、S_2b断开；(3)当第二个桥臂中的V₃或V₄发生故障时，开关S_1a闭合、S_1b断开、S_2a断开、S_2b闭合。再改变相应全控器件V₁、V₂或V₃、V₄的占空比即可实现正常励磁的作用。(4)故障发生之后，全桥结构的励磁装置变为半桥结构，虽然半桥结构的励磁装置不能实现双向励磁，但是可以在电机控制单元中通过改变空间矢量的旋转方向实现正反转。因此励磁电路某个开关管发生故障后，电励磁同步电机仍然可以实现故障发生之前的功能。

Claims (2)

1.一种带容错运行的电励磁同步电机转子励磁电路，其特征在于：所述转子励磁电路包含第一个桥臂和第二个桥臂(见说明书附图1)；所述第一个桥臂中，第一个全控型电力电子器件IGBT与第一个电力二极管反并联，第二个全控型电力电子器件IGBT与第二个电力二极管反并联，这两组反并联二极管的IGBT与第一个开关串联，两组反并联二极管的IGBT的中间引出桥臂输出端，并且桥臂输出端通过第二个开关连接到直流母线的负极；第二个桥臂中，第三个全控型电力电子器件IGBT与第三个电力二极管反向并联，第四个全控型电力电子器件IGBT与第四个电力二极管反向并联，这两组反并联二极管的IGBT与第三个开关串联，两组反并联二极管的IGBT的中间引出桥臂输出端，并且桥臂输出端通过第四个开关连接到直流母线的负极。第一个桥臂与第二个桥臂的输出端为电励磁同步电机转子供电。

2.根据权利要求1所述的一种带容错运行的电励磁同步电机转子励磁电路，其特征在于，正常运行状态下，所述第一个开关闭合，第二个开关断开，第三个开关闭合，第四个开关断开；故障运行状态下，故障器件出现在第一个桥臂时，第一个开关断开，第二个开关闭合，第三个开关闭合，第四个开关断开。故障器件出现在第二个桥臂时，第一个开关闭合，第二个开关断开合，第三个开关断开，第四个开关闭合。在某一开关管出现故障时，本电路可以切除故障开关管所在桥臂，调整非故障桥臂IGBT的触发脉冲占空比，利用非故障桥臂实现励磁。