CN107947685A - 一种直流偏置型变流器的容错运行方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开直流偏置型变流器的容错运行方法，包括：当直流偏置型变流器包括的n个上半周开关管或n个下半周开关管中有开关管发生开路故障时，封锁该半周的所有开关管，以改变直流偏置型变流器的等效拓扑结构；调整直流偏置型变流器输出电流中的直流偏置电流分量和交流电流分量的分配关系，使得直流偏置型变流器输出单极性的电流，保证电机的稳定运行和电磁转矩的输出。本发明在部分开关管发生开路故障时，通过封锁部分开关管改变变流器的等效拓扑结构，同时调整输出相电流中的直流电流和交流电流的分配关系，使变流器输出单极性的电流，保证电机的稳定运行和电磁转矩的输出，提高驱动系统的可靠性。

Description

一种直流偏置型变流器的容错运行方法

技术领域

本发明属于交流电机驱动与控制领域，更具体地，涉及一种直流偏置型变流器的容错运行方法。

背景技术

直流偏置型电机具有集中绕组和双凸极结构，使得这种电机具有高可靠性、低成本、散热方便、容错性强等优点。这种电机的相电流波形是带直流偏置加上正弦电流。通过改变直流偏置电流的大小，可以灵活地改变电机内部的转子磁通，不仅可以拓宽调速范围，而且可以提高转矩密度，特别适合需要频繁调速的工作场合。这些独有的特性使得这种电机在学术界越来越受到关注。为了实现直流偏置电流的注入，一般使用直流偏置型变流器来驱动直流偏置型电机。但是，直流偏置电流的注入会引起直流偏置型变流器内的不同开关管通过电流大小不同，使一部分开关管容易发生开路故障而导致系统故障或停机。研究直流偏置型变流器的容错运行方法可提高电机控制系统的可靠性，从而推动其实用化进程，故需选用合适的运行方法以保证部分开关管故障后电机的稳定运行和电磁转矩的输出。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于解决使用直流偏置型变流器来驱动直流偏置型电机，直流偏置电流的注入会引起直流偏置型变流器内的不同开关管通过电流大小不同，使一部分开关管容易发生开路故障而导致系统故障或停机的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供一种直流偏置型变流器的容错运行方法，包括：

当直流偏置型变流器包括的n个上半周开关管或n个下半周开关管中有开关管发生开路故障时，封锁该半周的所有开关管，以改变直流偏置型变流器的等效拓扑结构，所述直流偏置型变流器用于通过注入直流偏置电流以驱动直流偏置型电机，所述直流偏置电流的注入使得上半周开关管和下半周开关管通过电流的大小不同，n为大于1的整数；调整直流偏置型变流器输出电流中的直流偏置电流分量和交流电流分量的分配关系，使得直流偏置型变流器输出单极性的电流，保证直流偏置型电机的稳定运行和电磁转矩的输出。

可选地，若发生开路故障的开关管为上半周开关管，则d轴电流给定值i_d ^*＝0；q轴电流给定值0轴电流给定值其中，i_rms ^*为电枢电流给定值，d轴电流和q轴电流为所述交流分量，0轴电流为所述直流偏置电流分量。

可选地，若发生开路故障的开关管为下半周开关管，则d轴电流给定值i_d ^*＝0，q轴电流给定值0轴电流给定值

可选地，若所述直流偏置型变流器中有上半周开关管发生开路故障，则通过输出低电平封锁所述n个上半周开关管，利用与这一部分开关管反并联的续流二极管，使得原有的直流偏置型变流器的拓扑结构等效为三相半桥变流器，以保证直流偏置型电机的稳定运行，所述三相半桥变流器输出单极性的电流。

可选地，若所述直流偏置型变流器中有下半周开关管发生开路故障，则通过输出低电平封锁所述n个下半周开关管，利用与这一部分开关管反并联的续流二极管，使得原有的直流偏置型变流器的拓扑结构等效为三相半桥变流器，以保证直流偏置型电机的稳定运行。

可选地，若所述直流偏置型变流器中的开关管未发生开路故障，则直流偏置型电机稳定运行时，输出的电磁转矩为其中，n_r为转子极数，L₀为电机0轴等效电感，i_rms为电枢电流的有效值，电机稳定运行时，i_rms ^*和i_rms相等；若所述直流偏置型变流器中有上半周开关管发生开路故障，则调整直流偏置型变流器输出电流中的直流偏置电流分量和交流电流分量的分配关系后，直流偏置型电机稳定运行时，输出的电磁转矩为n_rL₀i_rms ²。

可选地，若所述直流偏置型变流器中有下半周开关管发生开路故障，则调整直流偏置型变流器输出电流中的直流偏置电流分量和交流电流分量的分配关系后，直流偏置型电机稳定运行时，输出的电磁转矩为n_rL₀i_rms ²。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

本发明在直流偏置型变流器部分开关管发生开路故障的条件下，通过封锁部分开关管改变变流器的等效拓扑结构，同时调整输出电流中的直流偏置电流分量和交流电流分量的分配关系，使得直流偏置型变流器输出单极性的电流，以保证电机的稳定运行和电磁转矩的输出，进一步提高电机驱动系统的可靠性，从而推动其实用化进程。

附图说明

图1为本发明提供的直流偏置型变流器的容错运行方法流程图；

图2为直流偏置型电机的结构图；

图3(a)为直流偏置型变流器正常运行时的相电流波形示意图；

图3(b)为直流偏置型变流器容错运行时的相电流波形示意图(上半周开关管故障)；

图3(c)为直流偏置型变流器容错运行时的相电流波形示意图(下半周开关管故障)；

图4(a)为直流偏置型变流器正常运行时的拓扑结构示意图；

图4(b)为本发明提供的直流偏置型变流器容错运行时的等效拓扑结构示意图(上半周开关管故障)；

图4(c)为本发明提供的直流偏置型变流器容错运行时的等效拓扑结构示意图(下半周开关管故障)；

图5本发明提供的实现容错控制的系统框图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明提供一种直流偏置型变流器的容错运行方法，在直流偏置型变流器部分开关管发生开路故障的条件下，封锁包括开路故障的开关管在内的一部分开关管，利用与这一部分开关管反并联的续流二极管，使得原有的直流偏置型变流器的拓扑结构等效为三相半桥变流器，这种结构只能输出单极性的电流。同时由于变流器等效拓扑结构的改变，需要改变系统的控制策略。

为了实现单极性电流的输出，需要改变原有的直流偏置电流和交流电流的分配关系。将相电流中直流偏置电流的比例增大，使直流偏置电流的大小和交流电流的幅值相等，此时得到一种单极性的电流，并以此作为容错运行时相电流的控制目标。

图1为本发明提供的直流偏置型变流器的容错运行方法流程图，如图1所示，包括如下步骤：

S101，当直流偏置型变流器包括的n个上半周开关管或n个下半周开关管中有开关管发生开路故障时，封锁该半周的所有开关管，以改变直流偏置型变流器的等效拓扑结构，所述直流偏置型变流器用于通过注入直流偏置电流以驱动直流偏置型电机，所述直流偏置电流的注入使得上半周开关管和下半周开关管通过电流的大小不同，n为大于1的整数。

S102，调整直流偏置型变流器输出电流中的直流偏置电流分量和交流电流分量的分配关系，使得直流偏置型变流器输出单极性的电流，保证直流偏置型电机的稳定运行和电磁转矩的输出。

具体控制方法参见下面的实施例，在此不做赘述。

如图2所示，直流偏置型电机包括定子10、转子20以及绕组30，以及转轴、机壳、端盖、位置编码器等电机的其他通用结构件。该电机采用集中绕组，且绕组中电流包括正弦交流分量和直流偏置电流分量，正弦交流分量用于产生旋转磁势，直流偏置电流分量用于产生旋转磁场。

直流偏置型电机正常运行时，一般采用最大转矩电流比运行方式。电机在相电流有效值相同的情况下，输出最大的电磁转矩，从而提高电机效率。根据直流偏置型电机电磁转矩公式：其中，T_e为直流偏置型电机的电磁转矩，n_r为转子极数，L₀为电机0轴等效电感，i_q、i₀分别为电机的q轴、0轴电流。

直流偏置型电机采用最大转矩电流比运行方式时，每相绕组电流波形如图3(a)所示，此时i_d＝0；i_q＝i_rms，其中，i_rms为电枢电流的有效值，电机稳定运行时，i_rms ^*和i_rms完全相等。对应的输出转矩为：

为了实现这种带直流偏置的正弦电流的输出，使用如图4(a)所示的直流偏置型变流器来驱动直流偏置型电机，这里以直流偏置型变流器包括的六个上半周开关管和六个下半周开关管为例进行说明。定义图4(a)中的开关管S1、S3、S5、S8、S10、S12为上半周开关管；S2、S4、S5、S7、S9、S11为下半周开关管；当变流器输出电流驱动电机正常工作时，流经上半周开关管的电流波形为图3(a)电流瞬时值为正的部分，而流经下半周开关管的电流波形为图3(a)电流瞬时值为负的部分，因此上半周开关管通过的电流有效值较大，更容易发生开路故障而导致系统故障或停机，故需选用合适的运行方法以保证部分开关管故障后电机的稳定运行和电磁转矩的输出。

为了实现上述目的，本发明提出的容错控制框图如图5所示，包括速度调节模块1、电流分配模块2、d轴电流调节模块3a、q轴电流调节模块3b、0轴电流调节模块3c、电压变换模块4、脉宽调节模块5、直流偏置型变流器6、直流偏置型电机7、速度传感器8以及旋转坐标变换模块9。

当检测到直流偏置型变流器中的部分开关管发生开路故障时，首先确定发生开路故障的开关管属于上半周开关管或者下半周开关管。若发生开路故障的开关管属于上半周开关管，则输出低电平封锁全部六个上半周开关管，利用与这一部分开关管反并联的续流二极管，使得原有的直流偏置型变流器的拓扑结构等效为三相半桥变流器，如图4(b)所示，这种结构只能输出极性为负的电流。需要改变原有的直流偏置电流和交流电流的分配关系。将相电流中直流偏置电流的比例增大，使直流偏置电流的大小和交流电流的幅值相等，每相绕组电流波形如图3(b)所示，此时i_d＝0；对应的输出转矩为：T_e＝n_rL₀i_rms ²。相比正常运行时的输出转矩：在相电流有效值相同的条件下，虽然容错运行时的输出转矩降低了5.7％，但是输出转矩的方向不变。

若发生开路故障的开关管属于下半周开关管，则输出低电平封锁全部六个下半周开关管，利用与这一部分开关管反并联的续流二极管，使得原有的直流偏置型变流器的拓扑结构等效为三相半桥变流器，如图4(c)所示，这种结构只能输出极性为正的电流。需要改变原有的直流偏置电流和交流电流的分配关系。将相电流中直流偏置电流的比例增大，使直流偏置电流的大小和交流电流的幅值相等，每相绕组电流波形如图3(c)所示，此时i_d＝0；对应的输出转矩为：T_e＝n_rL₀i_rms ²。

将电机转速给定值ω_r ^*与电机转速反馈值ω_r的差值送入速度调节模块1，速度调节器1输出电枢电流给定值i_rms ^*，通过调节i_rms ^*，使得ω_r ^*与ω_r的差值始终为零，即ω_r始终跟随ω_r ^*的变化而变化。

电机转速反馈值ω_r由位置传感器8检测获取的转子位置信号θ_r进行微分得到，ω_r＝dθ_r/dt；电枢电流给定值i_rms ^*送入电流分配模块2，同时发生开路故障的开关管编号也送入电流分配模块2。

若发生开路故障的开关管属于上半周开关管，则d轴电流给定值i_d ^*＝0，q轴电流给定值0轴电流给定值若发生开路故障的开关管属于下半周开关管，则d轴电流给定值i_d ^*＝0，q轴电流给定值0轴电流给定值

将i_d ^*与d轴电流反馈值i_d的差值送入d轴电流调节器3a，所述d轴电流调节器输出d轴电压给定值u_d ^*，通过调节u_d ^*，使得i_d ^*-i_d始终为零，即对i_d ^*进行无差跟踪；

将i_q ^*与q轴电流反馈值i_q的差值送入q轴电流调节器3b，所述q轴电流调节器输出q轴电压给定值u_q ^*，通过调节u_q ^*，使得i_q ^*-i_q始终为零，即对i_q ^*进行无差跟踪；将i₀ ^*与0轴电流反馈值i₀的差值送入0轴电流调节器3c，所述0轴电流调节器输出0轴电压给定值u₀ ^*，通过调节u₀ ^*，使得i₀ ^*-i₀始终为零，即对i₀ ^*进行无差跟踪；d轴电压给定值u_d ^*，q轴电压给定值u_q ^*与转子位置信号θ_r送入电压变换模块4，所述第一给定电压移相模块将u_d ^*、u_q ^*合成的电压矢量旋转-静止坐标变换，得到三相静止坐标系下的电压矢量u_a ^*、u_b ^*、u_c ^*。

u_a1 ^*、u_b1 ^*、u_c1 ^*和u₀ ^*输入第一脉宽调制器5，进行正弦脉宽调制(SPWM)，产生A相交流电压占空比信号T_A＝u_a ^*/u_dc，B相交流电压占空比信号T_B＝u_b ^*/u_dc，C相交流电压占空比信号T_C＝u_c ^*/u_dc。针对u₀ ^*输出一个直流电压占空比信号T₀＝u₀ ^*/u_dc，其中，u_dc为变流器直流母线电源电压；最终得到A相PWM信号占空比：T_a＝T_A+T₀；B相PWM信号占空比：T_b＝T_B+T₀；C相PWM信号占空比：T_c＝T_C+T₀。

若发生开路故障的开关管属于上半周开关管，则A相PWM信号作为变流器6的开关管S2、S7栅极的控制信号，B相PWM信号作为S4、S9栅极的控制信号，C相PWM信号作为S6、S11栅极的控制信号；若发生开路故障的开关管属于下半周开关管，则A相PWM信号作为开关管S1、S8栅极的控制信号，B相PWM信号作为S3、S10栅极的控制信号，C相PWM信号作为S5、S12栅极的控制信号。变流器6产生正比于PWM信号占空比的输出电压，作用在直流偏置型电机的相绕组上，控制直流偏置正弦电流电机7绕组A、B、C相的电流，实现d、q、0轴电流的无差跟踪。

电机转子位置信号θ_r，以及A、B、C相电流i_a、i_b、i_c送入所述旋转坐标变换模块9，经过旋转坐标变换模块9得到d、q、0轴直流电流信号，并分别作为d轴电流反馈值i_d、q轴电流反馈值i_q、0轴电流反馈值i₀。

本发明提供一种直流偏置型电机使用的直流偏置型变流器的容错运行方法。正常运行状态下，这种变流器输出带直流偏置的正弦电流，会引起变流器内的不同开关管通过电流大小不同，使一部分开关管容易发生开路故障而导致系统故障或停机；在直流偏置型变流器部分开关管发生开路故障的条件下，通过封锁部分开关管改变变流器的等效拓扑结构，同时调整输出相电流中的直流电流和交流电流的分配关系，使此时的变流器输出单极性的电流，保证电机的稳定运行和电磁转矩的输出，进一步提高驱动系统的可靠性，适用于直流偏置型电机的驱动控制。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种直流偏置型变流器的容错运行方法，其特征在于，包括：

当直流偏置型变流器包括的n个上半周开关管或n个下半周开关管中有开关管发生开路故障时，封锁该半周的所有开关管，以改变直流偏置型变流器的等效拓扑结构，所述直流偏置型变流器用于通过注入直流偏置电流以驱动直流偏置型电机，所述直流偏置电流的注入使得上半周开关管和下半周开关管通过电流的大小不同，n为大于1的整数；

调整直流偏置型变流器输出电流中的直流偏置电流分量和交流电流分量的分配关系，使得直流偏置型变流器输出单极性的电流，保证直流偏置型电机的稳定运行和电磁转矩的输出。

2.如权利要求1所述的直流偏置型变流器的容错运行方法，其特征在于，若发生开路故障的开关管为上半周开关管，则d轴电流给定值i_d ^*＝0；q轴电流给定值0轴电流给定值其中，i_rms ^*为电枢电流给定值，d轴电流和q轴电流为所述交流分量，0轴电流为所述直流偏置电流分量。

3.如权利要求1所述的直流偏置型变流器的容错运行方法，其特征在于，若发生开路故障的开关管为下半周开关管，则d轴电流给定值i_d ^*＝0，q轴电流给定值0轴电流给定值

4.如权利要求2所述的直流偏置型变流器的容错运行方法，其特征在于，若所述直流偏置型变流器中有上半周开关管发生开路故障，则通过输出低电平封锁所述n个上半周开关管，利用与这一部分开关管反并联的续流二极管，使得原有的直流偏置型变流器的拓扑结构等效为三相半桥变流器，以保证直流偏置型电机的稳定运行，所述三相半桥变流器输出单极性的电流。

5.如权利要求3所述的直流偏置型变流器的容错运行方法，其特征在于，若所述直流偏置型变流器中有下半周开关管发生开路故障，则通过输出低电平封锁所述n个下半周开关管，利用与这一部分开关管反并联的续流二极管，使得原有的直流偏置型变流器的拓扑结构等效为三相半桥变流器，以保证直流偏置型电机的稳定运行。

6.如权利要求4所述的直流偏置型变流器的容错运行方法，其特征在于，若所述直流偏置型变流器中的开关管未发生开路故障，则直流偏置型电机稳定运行时，输出的电磁转矩为其中，n_r为转子极数，L₀为电机0轴等效电感，i_rms为电枢电流的有效值，电机稳定运行时，i_rms ^*和i_rms相等；

若所述直流偏置型变流器中有上半周开关管发生开路故障，则调整直流偏置型变流器输出电流中的直流偏置电流分量和交流电流分量的分配关系后，直流偏置型电机稳定运行时，输出的电磁转矩为n_rL₀i_rms ²。

7.如权利要求5所述的直流偏置型变流器的容错运行方法，其特征在于，若所述直流偏置型变流器中有下半周开关管发生开路故障，则调整直流偏置型变流器输出电流中的直流偏置电流分量和交流电流分量的分配关系后，直流偏置型电机稳定运行时，输出的电磁转矩为n_rL₀i_rms ²。