CN1090837C - 在逆变器故障之后多绕组感应电机的削减操作 - Google Patents

Abstract

一种具有N组独立绕组的多绕组的三相可变速电机被N个逆变器驱动，每个逆变器响应转矩和激磁电流指令的1/N，在所有逆变器都工作时，转矩电流被限制为N乘以每个逆变器可以允许的限制电流。当M个逆变器故障时，它们被和电机断开，转矩电流被限制为N-M乘以每个逆变器可以允许的限制电流。剩余的N-M个逆变器每个可以响应转矩和激磁指令的1/(N-M)。最大激磁电流可以等于(N-M)乘以由2的平方根除的限制电流。

Description

在逆变器故障之后多绕组感应电机的削减操作

本发明涉及由相应的多个脉宽调制(PWM)逆变器驱动的多绕组感应电机在一个或几个逆变器故障之后的削减操作。

使用由相应数量的PWM逆变器驱动的多绕组三相电动机在现有技术中是公知的，其中每个逆变器相应于电机上的一组绕组。还已知在一个或几个逆变器故障之后可以用未故障的逆变器操作电动机。在这种情况下，每个逆变器驱动和其相应的一组绕组，并且故障的逆变器和系统断开。可以使用串联的电机结构，使得未故障的逆变器可以操作电机而不用转换。不过，串联结构成本高并要求过大的轴长度，其轴的长度是单绕组电机的两倍。

在日本专利申请No.SH062(1987)64957披露了两个单独的逆变器和相-相电抗器相连用于驱动一个电动机；如果一个逆变器单元故障，其便被断开，电机则利用未故障的逆变器以较低的速度和转矩操作。在Hokari等人的文章“Drive Systerm of Ultra High SpeedElevator”，1994 National Conference of the ElectricAssociation，No.551，pp，5-91-52中提及，在双绕组电机上两个独立绕组的每一个被相应的逆变器独立地驱动，当一个逆变器故障时，它便被断开，并且另一组绕组利用未故障的逆变器驱动。日本kokoku专利HEI 7(1995)-002037提及，在一个逆变器故障之后，使电流指令减少一半，以便操作三相双绕组电机。当在一个逆变器故障之后，一个未故障的逆变器用于驱动双绕组电机的一组绕组时，电机内的激磁电流指令I_O ^*和转矩电流指令I_T ^*成为用两个逆变器驱动电机时的一半，因而转矩被减少到正常转矩的1/4。

本发明的目的包括：为三相多绕组电动机配备多个逆变器单元，这些逆变器单元，在一个或几个逆变器单元故障之后，能够提供转矩，所述转矩大于当电机正常响应各个未故障的逆变器单元时所应当产生的转矩；以及在一个或几个逆变器故障之后的多绕组三相电机的削减操作期间，对电机提供转矩，所述转矩大于在现有技术中公知的三相多绕组电机系统中在逆变器故障之后的削减操作期间所提供的转矩。

按照本发明，一种可变速的驱动系统包括：多个逆变器单元，每个逆变器单元驱动在多绕组的三相电机上的多组独立绕组中的相应的一组绕组，在正常操作期间，每组绕组提供电机电流中的相应的一部分电流，并且在一个或几个逆变器故障时，转矩电流指令限制被改变，以便提供未故障逆变器的减少的电流功率。按照本发明，未故障的逆变器被这样改变，使得由电机产生的转矩被增加而超过由响应剩余逆变器的正常操作所产生的转矩。

按照本发明的一个方面，当驱动多绕组三相电机的一个或几个逆变器故障时，未故障逆变器的激磁电流和转矩电流被从1/N改变为1/(N-M)，其中N是总的逆变器数，M是故障的逆变器数，使得利用较少的逆变器提供所需的电流。按照本发明的另一个方面，当驱动多绕组三相电机的多个逆变器中的一个故障时，提供给未故障的逆变器的激磁电流指令是每个逆变器可以提供的最大电流的一个比例部分。按照本发明的另一个方面，驱动多绕组三相电机的多个逆变器中的一个逆变器的故障使未故障的逆变器的电流反馈环中断，从而使电机只根据速度反馈环在可扩展的方式下被过驱动。按照本发明的另一个方面，在一个以上的逆变器故障之后，由未故障逆变器向多绕组三相电机提供的转矩电流被这样控制：考虑未故障的逆变器的电流限制，将速度指令限制为这样一个值，这个速度指令值将产生一个在未故障的逆变器所能够提供的最大转矩内可以达到的加速度。

本发明的其它的目的特点和优点通过下面结合附图对示例性的实施例进行的详细说明将更加清楚。

图1A和图1B是按照现有技术由一对逆变器驱动的双绕组所需可变速电机的原理图。

图2是按照本发明的由一对脉宽调制逆变器驱动的双绕组电机的原理方块图，其中包括故障检测电路，用于说明本发明的一个方面。

图3是用于说明转矩电流、激磁电流和限制电流之间的关系的矢量图。

图4说明对图2的装置进行修改，以便用两个以上的逆变器操作多绕组电机的部分原理方块图。

图5是说明双绕组电机中的电流关系的矢量图。

图6是说明本发明的第二方面的部分原理方块图。

图7是说明具有三个或更多绕组的电机中的电流的矢量图。

图8是说明本发明的第二方面的具有两组以上绕组的电机的部分原理图。

图9-12是说明本发明的第三方面的不同形式的部分原理方块图。

图13是使用本发明的电梯系统的削减的原理图。

图14是按照本发明的第四方面的速度和转矩关系的曲线。

参看图1A和图1B，一个三相双绕组可变速电机1被一对逆变器2，3驱动，每个逆变器驱动电机1中的一组相应的线圈。逆变器2包括逆变器开关2A和逆变器控制2B。类似地，逆变器3包括逆变器开关3A和逆变器控制3B。转差频率发生器4响应激磁电流指令I_O ^*和转矩电流指令I_T ^*，向加法器5A提供转差频率ω_s，在加法器5A中，实际的旋转频率ω_r和ω_s相加，从而提供频率ω，其在积分器7中被积分，从而对逆变器控制2B，3B的各部分提供相角θ。电机的实际的旋转频率ω_r由脉冲发生器5的信号提供，其在速度检测器6中被转换为频率，所有这些都是常规的。为了利用两个逆变器驱动电机，激磁电流指令I_O ^*和转矩电流指令I_T ^*的每一个被相应的除法器8，9除以2。这对两个逆变器控制2B和3B提供了同相电流指令分量i_1q ^*，i_2q ^*，i_1d ^*，i_2d ^*。

比例和积分放大器10响应1/2激磁电流指令I_1d ^*和由逆变器2提供的实际的三相电机电流的正交分量I_1d之间的差提供转矩电压指令ΔV_1d。比例与积分放大器11响应1/2转矩电流指令I_1q ^*和实际的三相电机电流的同相分量I_1q之间的差提供转矩电压指令ΔV_1q。同相和正交分量利用三相-二相转换器12提供。由放大器10，11提供的电压指令分量和由常规的电压指令发生器13提供的同相和正交电压指令V_1q ^*、V_1d ^*相加，从而向常规的脉宽调制电路14提供同相和正交电压分量V_1q，V_1d，而脉宽调制电路14继而控制逆变器2A内的开关。

速度指令ω_s*和转子的实际速度ω_r相减，从而提供被供给速度放大器21的速度误差信号。速度放大器的输出被提供给限制器22，其限制值由算术函数23提供。因为两个逆变器同时驱动电机，所以电流限制值可以是每个逆变器的电流限制的两倍，即2I_ILIM。图3说明了转矩电流指令I_T ^*限制。

多绕组电机响应多个逆变器而产生的转矩是： $T=\frac{\mathrm{POLE}}{2}x{M}^{\′}(i_{1d}+i_{2d}+i_{3d}...)(i_{1q}+i_{2q}+i_{3q}...)$ 其中POLE＝电机的极数M＝关于电机线圈的互感的一般常数当一个或几个逆变器故障时，由于d分量和q分量的损失，转矩减少(N-M)²/N²。在双绕组电机中，一个逆变器的故障使转矩减少到正常转矩的1/4。

本发明的第一方面如图2所示，其中一对开关26，27使除法器短路，从而在逆变器3故障时，向逆变器控制2B提供电流指令的全部值。开关26，27被来自故障控制电路30的开关控制输出操作，故障控制电路30包括故障检测器30₁，逆变器开关控制30₂，和开关控制30₃。故障检测器30₁确定在逆变器2或3中发生故障的时刻，例如熔断器故障或逆变器中的主电路元件的损坏。这向逆变器控制2B提供全部激磁电流指令I_O ^*和转矩指令I，从而利用一个逆变器以增强方式驱动电机，如同利用两个逆变器驱动电机一样。此外，来自故障控制电路30的开关控制输出使开关25将来自算术函数23的限制控制转换到算术函数24，使得转矩电流限制基于一个逆变器所允许的最大电流限制，I_ILIM。来自故障控制电路30的开关控制输出还操作一对电机开关28，29中的选择的一个开关，使得故障的逆变器(此处假定是逆变器3)和电机1断开。

参见图3，其中示出当存在全部激磁电流I_O ^*时，所允许的转矩电流I_T ^*是一个略小于当只存在1/2的激磁电流，1/2I_O ^*，时的激磁电流。

参照图2进行的本发明的一个方面的说明是由两个逆变器驱动的双绕组电机的一个特定的情况。在图4所示的N绕组电机的一般情况下，通过提供除法器电路31，32，其中的除数是(N-M)，本发明的这一方面可以允许M个逆变器发生故障。类似地，在算术函数24中产生的限制系数由剩余的逆变器的数量，N减去M，来确定。(N-M)的值由逆变器开关电路30响应被检测到发生故障的逆变器的数量M来提供。

图5说明本发明的第二方面。其中，同相电流指令I_1q，正交电流指令I_1d，和逆变器的限制电流I_ILIM之间的关系表明，通过简单的算术运算，同相电流分量，其和转矩电流指令I_T ^*等效，等于限制电流除以2的平方根。参见图6，当一个逆变器故障时，为了以仅被最大逆变器电流I_ILIM限制的最大的允许电流操作未故障的逆变器，除去开关25-27使除法器8，9短路，并改变转矩电流指令限制值之外，开关34把来自激磁电流指令I_O ^*＝λ_3d/M的输入转换为除法器33的输出，其输入是限制电流I_ILIM，其输出是由2的平方根除得的限制电流。在图6中，由于开关34和除法器33而使I_O ^*2等于 时，算术函数24中的限制值在算术上被减少到

利用来自除法器33中的I_1d ^* 和来自限制器22中的最大 将获得在一个逆变器(3)故障之后，由另一个逆变器(2)得到的最大转矩。在所有其它方面，图6所示的实施例和图2所示的实施例相同。图7所示为本发明的这个方面的一般情况，其中可以有N-M个未故障的逆变器，限制电流将是N-M个逆变器的限制电流。因此，如图8所示，除法器33提供等效于(N-M)I_ILIM除以2的平方根的信号。在其它方面，图8的实施例和图4的实施例相同。

在图1中，电压指令发生器13提供和由放大器10，11提供的值ΔV_1q和ΔV_1d相加的输出。在没有来自变换器12的电流反馈的情况下，放大器10和11的输出将大大大于具有电流反馈时的输出。按照图9到图12说明的本发明的另一方面，这在电流反馈被断开时，可以具有利用较高的电压指令驱动脉宽调制电路14的效果。

图9除去没有提供用于短路除法器8，9的开关之外，和图2类似。代替的是，开关35可以使用“反馈断开”指令使逆变器控制2B内的电流反馈断开。参见图1可知，如果电流反馈被断开，在放大器10，11输入端的求和节点将没有信号被减去，从而使放大器10，11的输出比其正常时的输出高得多，电机驱动将只被对于速度放大器21的速度反馈控制。这使得脉宽调制电路14的驱动比正常时大大增强，以便补偿故障逆变器的断开。开关35由故障控制电路30操作，故障控制电路30还同时操作其它开关。图10说明，除去借助于开关35把反馈断开之外，除法器8，9可以被开关26，27短路，因为一旦反馈电流被断开，指令是否除以2只有小的差别。图11和图12说明，在电机上使用两组以上绕组，由两个以上相应的逆变器驱动的一般的情况下，本发明的第三方面可以通过使除法器31，32短路或不短路来实现。

在图13中，三相N绕组感应电动机1驱动滑轮36，滑轮36通过绳索系住电梯轿箱37和配重38。轿箱37以速度V和加速度α运动，如图14所示。其中，实线所示为全速运行，点划线所示为以减少的速度运行。可以看出，负载转矩T_MR(反抗重力而支持负载)在全速时是恒定的，并且不管是否使用减速曲线，其速度的变化率是相同的。

在图14中，为了达到如图14的顶部所示的速度V，需要如图14的第二个曲线所示的加速转矩T_A。负载转矩T_MR是恒定的，所得的总转矩为T_MR+T_A，如图14的最下方所示。

在图13中，为运行电梯所需的功率P_R(单位千瓦)是； $P_R=\frac{F\×V}{6120\mathrm{\η}}$ 其中F＝力，单位千克

V＝轿箱和配重的速度，单位米/分钟，以及

η＝总的电梯驱动效率

电梯中的力是额定负载的系数K_u和轿箱负载电流W_R的乘积，因此 $P_R=\frac{K_u\×W_R\×V_R}{6120\mathrm{\η}}$ 其中V_R＝额定的轿箱速度

电机转矩T(单位千克米)是 $T=\frac{P\×1000}{1.027\×N_M}$ 其中，N_M＝电机的角速度，单位rpm

在加速期间的转矩T_A是

                  T_A＝(GD²×N_M)/(375t_a)其中，GD²＝电机轴换算系数，单位千克米平方，以及

t_a＝加速到恒定速度所需的时间

轿箱速度v(每秒米)和电机角速度N_m有关，表示如下： $v=2\mathrm{\π}\frac{D}{2}\frac{N_m}{60}=\frac{\mathrm{\πD}{N}_m}{60}$ 将电机角速度 代入转矩方程，得到用于加速所需的转矩：

      T_A    ＝(60GD²/375πD)v/t_a

            ＝(60GD²/375πD)α其中α是电梯轿箱的平均加速度。

参见图2，当两个逆变器中的一个故障时，转矩电流指令被限制器22和限制函数24限制：

            I_T ^*＝(I_ILIM ²-I_O ^*2)^并且最大转矩为： $T_{\mathrm{MAX}}=T_{\mathrm{MR}}+T_A=\frac{\mathrm{POLE}}{2}{M}^{\′}{I_o}^{*}{\{{\left[(N-M)I_{\mathrm{ILIM}}\right]}^2-{I_o}^{*2}\}}^{1/2}$ $\mathrm{TA}=\frac{\mathrm{POLE}}{2}{M}^{\′}{I_o}^{*}{\{{\left[(N-M)I_{\mathrm{ILIM}}\right]}^2-{I_o}^{*2}\}}^{1/2}-T_{\mathrm{MR}}$ 因此，加速度必须被限制为：

α＝375πD/60GD²{(POLE/2)M′I_o ^*{[(N-M)I_ILIM]²-I_o ^*2}^-T_MR}以便保持总转矩T_MAX在被上述限制的I_T ^*所允许的范围内。在双绕组电机中，N-M等于1(N-M＝1)。

本发明的这第四方面也可以和上面参照图5-7所述的本发明的第二方面结合使用。在这种情况下，在双绕组电机中，在一个逆变器故障之后，加速度必须被限制为： $\mathrm{\α}=375\mathrm{\πD}/60{\mathrm{GD}}^2\{(\mathrm{POLE}/2)M^{\′}(I_{\mathrm{ILIM}}/\sqrt{2}){[{I_{\mathrm{ILIM}}}^2-{(I_{\mathrm{ILIM}}/\sqrt{2})}^2]}^{1/2}-T_{\mathrm{MR}}\}$ $\mathrm{\α}=375\mathrm{\πD}/60{\mathrm{GD}}^2\{(\mathrm{POLE}/2)M^{\′}(I_{\mathrm{ILIM}}/\sqrt{2}){[{I_{\mathrm{ILIM}}}^2-({I_{\mathrm{ILIM}}}^2/2]}^{1/2}-T_{\mathrm{MR}}\}$ $\mathrm{\α}=375\mathrm{\πD}/60{\mathrm{GD}}^2\left\{(\mathrm{POLE}/2)M^{\′}(I_{\mathrm{ILIM}}/\sqrt{2}){(I_{\mathrm{ILIM}}/\sqrt{2})-T}_{\mathrm{MR}}\right\}$

α＝375πD/60GD²{(POLE/2)M′I_ILIM ²/2-T_MR}对于具有M个故障逆变器的N绕组电机的一般情况，可以提供类似的关系：

α＝375πD/60GD²{(POLE/2)M′[(N-M)(I_ILIM ²]/2-T_MR}利用由N-M个未故障的逆变器的最大转矩限制的加速度，速度将不能达到额定转速，而是如图14的点划线所示。为了达到这样一个速度曲线，速度指令ω_r*必须通过对上面给出的加速度图形进行积分来确定；在图14的简单情况下，速度指令被减少到ω_r＝αt_A。

因而虽然本发明根据示例性的实施例进行了说明，但是，本领域的技术人员应当理解，不脱离权利要求限定的构思，可以对所述实施例作出各种改变和改型。

Claims (6)

1.一种电梯电动机驱动系统，包括：

具有N个绕组的多绕组三相可变速电机；

被通过绳索系于由所述电机驱动的滑轮的轿箱和配重；

N个脉宽调制逆变器，其中的每一个用于对所述绕组中的相应的一组提供电流；

响应所述电机的角度运动的实际速度检测器，用于提供实际速度信号；

速度控制器，用于接收角速度指令信号，并按照所述角速度指令信号和所述实际速度信号之间的差的限制函数，提供转矩电流指令信号；

用于提供激磁电流指令信号的装置；

第一算术函数，用于提供转矩电流指令限制，所述转矩电流指令限制等于可由所有所述逆变器在总体上允许的最大电流的和的平方和所述激磁电流指令的平方之间的差的平方根；

其特征在于所作的改进，其包括：

故障控制，用于响应所述逆变器的任何一个的故障而提供开关控制输出信号，并用于使所述电机和已被检测到发生故障的逆变器断开；

第二算术函数，用于提供转矩电流指令限制，所述转矩电流指令限制等于可由所述逆变器中的未故障的逆变器在总体上允许的最大电流的和的平方和所述激磁电流指令的平方之间的差的平方根；以及

开关，在没有逆变器故障时，其响应所述故障控制使所述电流控制响应所述第一算术函数限制所述转矩电流指令信号，并响应所述开关控制输出信号使所述电流控制响应所述第二算术函数限制所述转矩电流指令信号。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于每个所述逆变器还包括：

第一电压指令分量放大器，用于响应所述转矩电流指令和实际电机反馈电流的同相分量之间的差提供同相电压指令分量；以及

第二电压指令分量放大器，用于响应所述激磁电流指令和实际电机反馈电流的正交分量之间的差提供正交电压指令分量；并且其中

所述开关控制输出信号使所述实际电机反馈电流的同相和正交分量与所述第一、第二放大器断开。

3.如权利要求1所述的系统，其特征在于还包括：

第一除法器，用于用N除所述激磁电流指令；

第二除法器，用于用N除所述被限制的转矩指令信号；

第三除法器，用于用N-M除所述激磁电流指令信号，其中M是所述故障控制已经检测到的发生故障的逆变器的数量；

第四除法器，用于用N-M除所述被限制的转矩指令信号；以及

开关，其响应所述故障控制，用于当没有逆变器故障时，从所述第一和第二除法器向所述N个逆变器提供电流指令，并响应所述开关控制输出信号从所述第三和第四逆变器向未故障的逆变器提供电流指令。

4.如权利要求3所述的系统，其特征在于每个所述逆变器还包括：第一电压指令分量放大器，用于响应所述转矩电流指令和实际电机反馈电流的同相分量之间的差提供同相电压指令分量；以及

第二电压指令分量放大器，用于响应所述激磁电流指令和实际电机反馈电流的正交分量之间的差提供正交电压指令分量；并且其中

所述开关控制输出信号使所述实际电机反馈电流的同相和正交分量与所述第一、第二放大器断开。

5.如权利要求1所述的系统，还包括：

一种装置，其用于当没有逆变器故障时，根据电机的二次磁通和互感提供所述激磁电流指令信号，并响应所述开关控制输出信号提供所述激磁电流指令信号，其等于可被未故障的所述逆变器允许的总的最大电流除以2的平方根。

6.如权利要求1-5任何一个所述的系统，还包括一种装置，其在操作上响应所述开关控制输出信号，用于提供所述角速度指令信号，其等于在由未故障的逆变器得到的最大转矩而限制的加速度加速的时间间隔内的积分，所述最大转矩是可被未故障的所述逆变器允许的总的最大电流的函数，其小于用于支持由所述轿箱和所述配重表示的负载所需的转矩。

Images