CN106849702A - 一种带有故障监测功能的新型旋转整流器 - Google Patents

Abstract

本发明一种带有故障监测功能的新型旋转整流器涉及旋转整流系统。本发明是为了解决现有的整流器交流励磁机输出功率低，谐波成分高，旋转整流控制器不能及时开启的及系统故障的问题。本发明的带有故障检测功能的旋转整流系统，包括：三相三倍压整流电路、交流励磁机、基于VIENNA的旋转整流桥模块、启动功率模块、启动电阻、旋转整流控制器、同步电动机励磁机组、故障检测模块、无线通讯装置、第一无线收发装置、第二无线收发装置及外部监控模块；本发明采用注入零序电压的中点电位平衡法，在不同时刻分别将零序电压V_Z(+)和V_Z(‑)注入到三相参考电压中，解决直流母线两电容电压不均衡问题。

Description

一种带有故障监测功能的新型旋转整流器

技术领域

本发明一种带有故障监测功能的新型旋转整流器涉及旋转整流系统。

背景技术

随着电磁驱动技术的不断发展，旋转整流器已经广泛应用到工业中。传统的旋转整流器的每个桥臂采用一个晶闸管和一个二极管串联，这种结构的接入，使交流励磁机侧谐波增加，功率因数降低，制约旋转整流器的发展；

旋转整流器中传统的供电电源开启电压较高，当同步电动机的励磁绕组的感应电压已经很高时，旋转整流控制器仍然不能开启启动功率模块，易烧坏励磁绕组的绝缘层；

如果旋转整流模块中某个桥臂出现断路或者短路，都会造成交流励磁机的电枢电流和磁场电流的增加，如果系统不能立即处理故障问题，会损坏器件，甚至烧毁整个系统。

发明内容

本发明针对上述问题，提出一种带有故障监测功能的新型旋转整流器。

本发明的目的是这样实现的：

一种带有故障监测功能的新型旋转整流器，包括：交流励磁机、三相三倍压整流电路、旋转整流控制器、基于VIENNA的旋转整流器模块、启动功率模块、启动电阻、同步电动机励磁机组、故障检测模块、无线通讯装置、第一无线收发装置、第二无线收发装置及外部监控模块；

所述交流励磁机的输入端连接输入励磁电流，输出端连接基于VIENNA的旋转整流器模块和三相三倍压整流电路的输入端，所述三相三倍压整流电路的输出端连接旋转整流控制器，所述基于VIENNA的旋转整流器模块的输出端连接启动功率模块和启动电阻，所述启动功率模块和启动电阻均连接同步电动机励磁绕组，所述启动功率模块还连接启动电阻；

所述故障检测模块发出的故障报警信号被无线通讯装置接收，所述无线通讯装置将故障报警信号通过第一无线收发装置发送给旋转整流控制器，所述第一无线收发装置同时将故障报警信号传递至第二无线收发装置，所述第二无线收发装置接受故障报警信号并将其传递至外部监控模块，同时外部监控模块针对故障发出的指令信号依次经过第二无线发射装置、第一信号收发装置，传输至旋转整流控制器，旋转整流控制器根据指令信号控制基于VIENNA的旋转整流器模块；

所述故障检测模块包括电流检测电路、交流电压检测电路和直流电压检测电路及数字信号处理器DSP，DSP对采样的模拟信号转化成数字信号，对转换结果读取后，进行电流、电压的PI调节，并将故障报警信号发送给无线检测装置；

所述外部监控模块包括人机交互界面和核心控制器。

上述带有故障监测功能的新型旋转整流器，所述基于VIENNA的旋转整流器模块采用拓扑结构，VIENNA整流电路每个桥臂由一个功率开关和四个二极管构成的整流桥组成双向开关，另有上下两个二极管起到续流的作用，所述基于VIENNA的旋转整流器模块通过L_a、L_b、L_c三相升压电感连接交流励磁机。

上述带有故障监测功能的新型旋转整流器，所述三相三倍压整流电路包括升压电路和整流电路，输入电压来自交流励磁机的电枢绕组。

上述带有故障监测功能的新型旋转整流器，所述启动功率模块由一个晶闸管和一个二极管反向并联组成，晶闸管由旋转整流控制器控制，其作用是当同步电动机的励磁绕组上感应出来的交流电压减小到设定值时，切除启动功率模块和启动电阻，完成顺极性投励，实现同步电动机的异步启动过程。

上述带有故障监测功能的新型旋转整流器，所述无线通讯装置以NRF2401模块为核心，其作用是故障的报警，当旋转整流器模块出现短路或者断路故障时，故障检测模块的DSP将故障信号通过无线收发装置发送给外部的核心控制器和人机交互界面。

上述带有故障监测功能的新型旋转整流器，采用以下方法平衡中点电压：

步骤a、直流侧两个电容电压V_dc,上和V_dc,下的参考电压为V_{x,ref,DPWM,Vienna}(x＝a,b,c)，V_dc,上和V_dc,下会上下波动，在波动前判断V_dc,上增加或者减小的趋势来确定注入零序电压V_Z的方向：在V_dc,上将要减小的时刻注入正向的V_Z(+)使V_dc,上增加，V_dc,下减小；反之，在V_dc,上将要增加的时刻注入V_Z(-)使V_dc,上减小，V_dc,上增加；

步骤b、确定三个输入电流中间的电流I_mid的正负，如果I_mid为正，则注入正向的零序电压V_Z(+)，如果I_mid为负值，则注入负的零序电压V_Z(-)；

步骤c、选择一个大于最大纹波电流的值作为I_T，

如果步骤b中注入正向的零序电压V_Z(+)，比较I_mid与I_T的大小，如果I_mid>I_T，则：

其中，V_max，Vienna和V_min,Vienna是V_{a，ref，DPWM,Vienna}和V_{b，ref，DPWM,Vienna}和V_{c，ref，DPWM,Vienna}的最大值和最小值，M_a为调制比，m为临界调制比，

如果I_mid≤I_T，则返回步骤b；

如果步骤b中注入负的零序电压V_Z(-)，比较I_mid与-I_T的大小，如果I_mid＜-I_T，则：

如果I_mid≥-I_T，则返回步骤b；

步骤d、根据上述步骤中得到的注入零序电压V_Z方向和大小，注入V_Z，以平衡中点电压。

有益效果：

第一，本发明采用三相VIENNA整流器的拓扑结构，其开关器件少、无需设定死区时间、可靠性高，并可以避免由死区导致的电流谐波，最主要的是励磁机侧能在单位功率因数下运行；同时，VIENNA整流器拓扑结构采用三电平空间矢量调制算法和基于前馈解耦的电压电流双闭环控制策略，该方法能使输入电流正弦化，减小谐波，还能使交流输入侧的电流与电压同相位，补偿无功功率，实现系统单位功率因数运行；

第二，本发明采用一种新型的三相三倍压整流电路，启动时，将励磁机电枢绕组输出的较低的三相电压经三相三倍压整流电路后，可及早为旋转整流控制器供电，防止同步电动机的励磁绕组感应出过高的电压；

第三，本发明采用无线设备进行故障检测，当检测到不正常信号时，会通过无线收发装置给外部的人机交互界面发出警报，能对故障及时处理，传输安全可靠，减少复杂的布线，不受空间和地域的限制，传输速度快；

第四，本发明的带有故障监测功能的新型旋转整流器的中点电压平衡方法，直流侧的两个串联电容，进行中点电位均衡控制，避免电容分压不均而烧毁。

附图说明

图1系统整体结构图；

图2主电路拓扑结构图；

图3三相三倍压整流电路；

图4电流检测电路；

图5交流电压检测电路；

图6直流电压检测电路；

图7 VIENNA整流器矢量控制框图；

图8零序电压注入示意图；

图9 VIENNA整流器的中点电位平衡控制流程图；

图10空间矢量状态示意图；

图11 A/D转换中断服务子程序流程图；

图12投励子程序流程图；

图13故障保护子程序流程图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1～3说明本实施方式，本实施方式的带有故障监测功能的新型旋转整流器如图1所示，包括：交流励磁机、三相三倍压整流电路、旋转整流控制器、基于VIENNA的旋转整流桥模块、启动功率模块、启动电阻、同步电动机励磁机组、故障检测模块、无线通讯装置、第一无线收发装置、第二无线收发装置及外部监控模块；

所述交流励磁机的输入端连接输入励磁电流，输出端连接基于VIENNA的旋转整流桥模块和三相三倍压整流电路的输入端，所述三相三倍压整流电路的输出端连接旋转整流控制器，所述旋转整流控制器的输出端连接基于VIENNA的旋转整流桥模块的输出端连接启动功率模块和启动电阻，所述启动功率模块和启动电阻均连接同步电动机励磁绕组，所述启动功率模块还连接启动电阻；

所述故障检测模块发出的故障报警信号被无线通讯装置接收，所述无线通讯装置将故障报警信号通过第一无线收发装置发送给旋转整流控制器，所述第一无线收发装置同时将故障报警信号传递至第二无线收发装置，所述第二无线收发装置接受故障报警信号并将其传递至外部监控模块，同时外部监控模块针对故障发出的指令信号依次经过第二无线发射装置、第一信号收发装置，传输至旋转整流控制器，旋转整流控制器根据指令信号控制基于VIENNA的旋转整流桥模块；

所述故障检测模块包括电流检测电路、交流电压检测电路和直流电压检测电路及数字信号处理器DSP，DSP对采样的模拟信号转化成数字信号，对转换结果读取后，进行电流、电压的PI调节，并将故障报警信号发送给无线检测装置；

所述外部监控模块包括人机交互界面和核心控制器。

如图2所示，所述基于VIENNA的旋转整流桥模块采用拓扑结构，VIENNA整流电路每个桥臂由一个功率开关和四个二极管构成的整流桥组成双向开关，上下两个二极管起到续流的作用，所述基于VIENNA的旋转整流桥模块通过L_a、L_b、L_c三相升压电感连接交流励磁机。

如图3所示，三相三倍压整流电路中D1-D6、C1-C6和R1-R6构成升压电路，D7-D12为整流电路，输入电压来自交流励磁机的电枢绕组。

所述启动功率模块由一个晶闸管和一个二极管反向并联组成，晶闸管由旋转整流控制器控制，其作用是当同步电动机的励磁绕组上感应出来的交流电压减小到设定值时，切除启动功率模块和启动电阻，完成顺极性投励，实现同步电动机的异步启动过程。

所述无线通讯装置以NRF2401模块为核心，其作用是故障的报警，当旋转整流器模块出现短路或者断路故障时，故障检测模块的DSP将故障信号通过无线收发装置发送给外部的人机交互界面，发出报警，同时发出控制指令以改变晶闸管触发角大小并调整各项参数。

图4为电流检测电路，采用电流霍尔传感器CHB-25NP对励磁机的电枢绕组电流进行检测，以A相为例，采样的电流通过霍尔传感器的采样电阻R_M得到U_M，经隔离、偏置、低通滤波和嵌位处理后输入到DSP的A/D口。

图5为同步电动机的励磁绕组上的交流电压检测电路。选择型号为CHV50P的电压霍尔传感器实现对电压的实时检测，在该电路中将电信号转化成为易于DSP处理的数字信号，同时霍尔传感器具有隔离作用，避免强电信号对控制系统的干扰。

图6为直流侧电压采样电路，HCNR201为线性光耦，其中I₁为发光二极管，I₂、I₃为两个受光二极管，通过线性光耦采样直流电压，经电阻分压、滤波、隔离处理后，由DSP进行采样。

本实施方式的带有故障监测功能的新型旋转整流器的控制策略：

将交流励磁机的三相电压转化成两相旋转坐标系下的公式为：

对于开关函数相应的坐标变换为：

将式带入得：

式(3)经过整理得公式：

令W_d＝S_dqV_c1-S_dnV_c2为交流侧电压在d轴的分量，W_q＝S_qpV_c1-S_qnV_c2为交流侧电压在q轴的分量，设微分算子P＝d/dt，经过整理，把上式(4)化简成如下公式：

每一个恒等式中都含有i_d、i_q。每一相电流的变化都会对另一相电压电流产生影响，方便对电流的dq轴分量进行控制，现对相互耦合的电流i_d、i_q采用电流前馈解耦控制算法，引入前馈电流i_d*、i_q*。

通过上式得到指令电压矢量值在dq坐标系的分量，再经过Park反变换即可得到在α、β坐标系下的分量。也就是指令电压矢量在α、β坐标轴中的投影。由于d轴代表有功分量，q轴表示无功分量，通过解耦后的电压电流可以分别控制系统的有功与无功。指令电流矢量可以通过下面的公式获得：

本发明采用三电平空间矢量控制的电压电流双闭环电流前馈解耦控制策略，如图7所示是VIENNA整流器矢量控制框图。输出侧电压采样值与给定值做差在经过一个PI调节器控制可以获得电流指令值。三相电压和电流先经过Clark变换为静止坐标系下的量后，再经过Park变换为同步旋转坐标系下的直流量。按照解耦方法，搭建一个电流回路方程。输出的指令电压矢量值即是本空间矢量控制所需要跟踪的量。输入SVPWM矢量控制模块中，通过SVPWM算法实现对开关管的驱动。

具体实施方式二：结合图8～9说明本实施方式，本实施方式的带有故障监测功能的新型旋转整流器，采用流图如图9所示的以下方法平衡中点电压：

步骤a、直流侧两个电容电压V_dc,上和V_dc,下的参考电压为V_{x,ref,DPWM,Vienna}(x＝a,b,c)，V_dc,上和V_dc,下会上下波动，在波动前判断V_dc,上增加或者减小的趋势来确定注入零序电压V_Z的方向：在V_dc,上将要减小的时刻注入正向的V_Z(+)使V_dc,上增加，V_dc,下减小；反之，在V_dc,上将要增加的时刻注入V_Z(-)使V_dc,上减小，V_dc,上增加；

步骤b、确定三个输入电流中间的电流I_mid的正负，如果I_mid为正，则注入正向的零序电压V_Z(+)，如果I_mid为负值，则注入负的零序电压V_Z(-)；

步骤c、选择一个大于最大纹波电流的值作为I_T，

如果步骤b中注入正向的零序电压V_Z(+)，比较I_mid与I_T的大小，如果I_mid>I_T，则：

其中，V_max，Vienna和V_min,Vienna是V_{a，ref，DPWM,Vienna}和V_{b，ref，DPWM,Vienna}和V_{c，ref，DPWM,Vienna}的最大值和最小值，M_a为调制比，m为临界调制比，

如果I_mid≤I_T，则返回步骤b；

如果步骤b中注入负的零序电压V_Z(-)，比较I_mid与-I_T的大小，如果I_mid＜-I_T，则：

如果I_mid≥-I_T，则返回步骤b；

步骤d、根据上述步骤中得到的注入零序电压V_Z方向和大小，注入V_Z，以平衡中点电压。

三电平拓扑空间矢量图中的小矢量直接影响直流母线电压，小矢量分为P型小矢量和N型小矢量两种，这些矢量在中点电压平衡中有互补的效果，随着V_Z(+)的改变，开关状态也发生改变，在将V_Z(+)注入到参考电压之前，开关状态的顺序是：OON、PON、PPN、PON和OON，OON是N型小矢量，另一方面，加入V_Z(+)的参考电压后，开关状态是：PON、PPN、PPO、PPN和PON，PPO是P型小矢量，与N型小矢量效果作用相反，如图10所示为空间矢量状态示意图；

图11为A/D转换中断服务子程序流程图该子程序目的是对采样的模拟信号转化成数字信号，对转换结果读取后，进行电流、电压的PI调节。

图12为投励子程序流程图，转子短接电阻切除后，延时一段时间，保证过渡过程结束，启动A/D对定子电流进行采样，确定出定子电流峰值变化周期内的波头数，并判断其变化趋势，满足投励要求后，施加小的励磁电流，测试出转子磁极的位置，观察一个基频周期内定子电流的变化，确定是否投励，投励时产生一个外部信号发送给无线检测装置。

图13为故障保护子程序流程图，该部分保证系统安全、可靠运行，当系统发生故障时，DSP检测到励磁机的电枢绕组过流时，DSP进入保护中断，封锁驱动脉冲，设置故障标志，等待。

Claims (6)

1.一种带有故障监测功能的新型旋转整流器，其特征在于，包括：交流励磁机、三相三倍压整流电路、旋转整流控制器、基于VIENNA的旋转整流器模块、启动功率模块、启动电阻、同步电动机励磁机组、故障检测模块、无线通讯装置、第一无线收发装置、第二无线收发装置及外部监控模块；

所述交流励磁机的输入端连接输入励磁电流，输出端连接基于VIENNA的旋转整流器模块和三相三倍压整流电路的输入端，所述三相三倍压整流电路的输出端连接旋转整流控制器，所述基于VIENNA的旋转整流器模块的输出端连接启动功率模块和启动电阻，所述启动功率模块和启动电阻均连接同步电动机励磁绕组，所述启动功率模块还连接启动电阻；

所述故障检测模块发出的故障报警信号被无线通讯装置接收，所述无线通讯装置将故障报警信号通过第一无线收发装置发送给旋转整流控制器，所述第一无线收发装置同时将故障报警信号传递至第二无线收发装置，所述第二无线收发装置接受故障报警信号并将其传递至外部监控模块，同时外部监控模块针对故障发出的指令信号依次经过第二无线发射装置、第一信号收发装置，传输至旋转整流控制器，旋转整流控制器根据指令信号控制基于VIENNA的旋转整流器模块；

所述故障检测模块包括电流检测电路、交流电压检测电路和直流电压检测电路及数字信号处理器DSP，DSP对采样的模拟信号转化成数字信号，对转换结果读取后，进行电流、电压的PI调节，并将故障报警信号发送给无线检测装置；

所述外部监控模块包括人机交互界面和核心控制器。

2.根据权利要求1所述的带有故障监测功能的新型旋转整流器，其特征在于，所述基于VIENNA的旋转整流器模块采用拓扑结构，VIENNA整流电路每个桥臂由一个功率开关和四个二极管构成的整流桥组成双向开关，另有上下两个二极管起到续流的作用，所述基于VIENNA的旋转整流器模块通过L_a、L_b、L_c三相升压电感连接交流励磁机。

3.根据权利要求1所述的带有故障监测功能的新型旋转整流器，其特征在于，所述三相三倍压整流电路包括升压电路和整流电路，输入电压来自交流励磁机的电枢绕组。

4.根据权利要求1所述的带有故障监测功能的新型旋转整流器，其特征在于，所述启动功率模块由一个晶闸管和一个二极管反向并联组成，晶闸管由旋转整流控制器控制，其作用是当同步电动机的励磁绕组上感应出来的交流电压减小到设定值时，切除启动功率模块和启动电阻，完成顺极性投励，实现同步电动机的异步启动过程。

5.根据权利要求1所述的带有故障监测功能的新型旋转整流器，其特征在于，所述无线通讯装置以NRF2401模块为核心，其作用是故障的报警，当旋转整流器模块出现短路或者断路故障时，故障检测模块的DSP将故障信号通过无线收发装置发送给外部的核心控制器和人机交互界面。

6.根据权利要求1所述的带有故障监测功能的新型旋转整流器，其特征在于，采用以下方法平衡中点电压：

步骤a、直流侧两个电容电压V_dc,上和V_dc,下的参考电压为V_{x,ref,DPWM,Vienna}(x＝a,b,c)，V_dc,上和V_dc,下会上下波动，在波动前判断V_dc,上增加或者减小的趋势来确定注入零序电压V_Z的方向：在V_dc,上将要减小的时刻注入正向的V_Z(+)使V_dc,上增加，V_dc,下减小；反之，在V_dc,上将要增加的时刻注入V_Z(-)使V_dc,上减小，V_dc,上增加；

步骤b、确定三个输入电流中间的电流I_mid的正负，如果I_mid为正，则注入正向的零序电压V_Z(+)，如果I_mid为负值，则注入负的零序电压V_Z(-)；

步骤c、选择一个大于最大纹波电流的值作为I_T，

如果步骤b中注入正向的零序电压V_Z(+)，比较I_mid与I_T的大小，如果I_mid>I_T，则：

$V_Z(+)=\left\{\begin{array}{cc}(\frac{V_{dc}}{2}-V_{max,vienna})& M_a>m\\ -V_{\min ,Vienna}& M_a<m\end{array}\right.$

其中，V_max，Vienna和V_min,Vienna是V_{a，ref，DPWM,Vienna}和V_{b，ref，DPWM,Vienna}和V_{c，ref，DPWM,Vienna}的最大值和最小值，M_a为调制比，m为临界调制比，

如果I_mid≤I_T，则返回步骤b；

如果步骤b中注入负的零序电压V_Z(-)，比较I_mid与-I_T的大小，如果I_mid＜-I_T，则：

$V_Z(-)=\left\{\begin{array}{cc}-(\frac{V_{dc}}{2}-V_{\min ,vienna})& M_a>m\\ -V_{\max ,Vienna}& M_a<m\end{array}\right.$

如果I_mid≥-I_T，则返回步骤b；

步骤d、根据上述步骤中得到的注入零序电压V_Z方向和大小，注入V_Z，以平衡中点电压。