CN109687808B - 一种基于电压前馈的永磁同步电机端部短路保护系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及同步电机故障处理技术领域，具体涉及一种基于电压前馈的永磁同步电机端部短路保护系统，包括母线电压滤波器、电压斜率检测器、电压门限判断器和端部短路动作执行器，母线电压滤波器对逆变器直流母线电压进行滤波处理；当上升斜率超过设定阈值时，触发端部短路动作执行器工作；当直流母线电压值超过设定阈值时，触发端部短路动作执行器工作，端部短路动作执行器调节同步电机电流达到稳态电流点时进行短路操作。本发明的实质性效果是：通过检测电压变化斜率，可以提前检测到同步电机故障，提前动作，从而使得稳态电流的调整具有充足的时间，避免短路瞬态冲击电流，保护控制器元件安全。

Description

一种基于电压前馈的永磁同步电机端部短路保护系统

技术领域

本发明涉及同步电机故障处理技术领域，具体涉及一种基于电压前馈的永磁同步电机端部短路保护系统。

背景技术

随着国民经济和科学技术的发展，电机在各行各业中发挥的作用越来越重要。永磁同步电机得益于其设计、制造、控制的方面的诸多优点，广泛应用于各种工业生产生活的场合。加之我国的稀土资源丰富，永磁同步电机的应用市场在我国尤其大。永磁同步电机可由交直轴电感的异同被分为表贴式和内置式，由于内置式永磁同步电机(IPMSM)可在弱磁条件下具有较宽的调速区间，应用较为广泛。在永磁同步电机特别是车用永磁同步电机的控制中，往往会遇到一些不可预知的故障以及恶劣工况。在故障等级达到一定程度(过流、过压、失速等)时，有必要采用一种方法讯速地将电机能量快速泻放掉，达到迅速停车的效果。另外，当车用永磁同步电机工作在发电状态，且指令不当或母线主继电器断开等故障发生时，母线电压会陡然上升。当母线电压达到IGBT(绝缘栅双极型晶体管)耐受电压上限时，会立即击穿IGBT，导致同步电机报废或需要大修。因而需要进行端部短路操作，达到保护IGBT的目的，才能保证IGBT的安全即整车动力系统的受控。

由于现有技术采用直接将上三桥或下三桥直通实现短路，其短路瞬间的过冲电流往往可达1.5～2倍的稳态电流值，此电流会触发硬件过流保护造成IGBT六相全断导致端部短路保护失败。由于电压检测门限是判断端部短路算法进入的重要依据，电压检测的延迟将会导致母线电压的非预期升高。因而需要研制出新的永磁同步电机端部短路保护系统。

中国专利CN107658852A，公开日2018年2月2日，一种交流励磁同步电机励磁绕组相间短路故障的保护方法和系统，方法首先采集电机三相励磁绕组电流，然后根据采集到的电流计算电流瞬时值绝对值和电流有效值，在进行过流保护的决策时，设定过流瞬时值判据即主要判据，过流有效值判据即辅助判据，利用延时计数器对满足电流瞬时值越限判据，或不满足电流瞬时值越限判据，但满足电流有效值越限判据的时间进行累加计数；对同时不满足电流瞬时值越限判据以及电流有效值越限判据的时间进行累减计数；进而根据延时计数器的值确定过流保护启动、动作和启动返回的时间。其结合了瞬时值判据的快速性和有效值判据的可靠性，能够快速反映交流励磁同步电机的励磁绕组的相间短路故障。但其不能解决永磁同步电机发生故障时容易造成控制器内元件损坏的技术问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：目前永磁同步电机发生故障时容易造成控制器内元件损坏的技术问题。提出了一种逐渐调节电机稳态电流后再进行电机短路泄耗剩余能量的永磁同步电机端部短路保护系统。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案为：一种基于电压前馈的永磁同步电机端部短路保护系统，包括母线电压滤波器、电压斜率检测器、电压门限判断器和端部短路动作执行器，所述母线电压滤波器与同步电机的逆变器直流母线连接，所述母线电压滤波器对逆变器直流母线电压进行滤波处理，所述滤波处理后的直流母线电压值分别传输至电压斜率检测器以及电压门限判断器；所述电压斜率检测器检测直流母线电压上升斜率，当所述上升斜率超过设定阈值时，触发端部短路动作执行器工作；所述电压门限判断器检测直流母线电压值是否超过设定阈值，当直流母线电压值超过设定阈值时，触发端部短路动作执行器工作，所述端部短路动作执行器调节同步电机相电流达到稳态电流点时进行短路操作。通过控制同步电机的相电流达到稳态电流点，同时监测电压值，解决了端部短路算法中电压与电流的矛盾，即可保证电压电流皆在限定范围内。

作为优选，所述端部短路动作执行器包括短路执行器、电压判断器和前馈信号发生器，所述端部短路动作执行器受到触发时，所述前馈信号发生器调节同步电机的相电流，使其接近稳态电流点，在调节过程中所述电压判断器判断电压抬升值，若电压抬升值达到设定上限，则所述短路执行器立即进行短路操作。消耗同步电机线圈内残余的能量，使同步电机停止转动，避免负载超程，同时避免同步电机被动旋转时成为发电机，产生过高的感应电压，损坏控制器内元件。

作为优选，所述母线电压滤波器为低通滤波器。

作为优选，所述电压斜率检测器的工作方法为：A1)以时间T1为周期，获取滤波处理后的直流母线电压值；A2)计算最后获取的直流母线电压值与前一次获取的直流母线电压值的差值err；A3)当err大于设定单步增量△s+时，判断直流母线电压处于陡升阶段，当err小于设定单步减量△s-时，认为直流母线电压处于陡降阶段；A4)若直流母线电压处于陡升阶段或陡降阶段，则判断上升斜率超过设定阈值，反之，回到步骤A2执行。

作为优选，所述端部短路动作执行器在受到触发后的工作方法为：B1)所述短路动作执行器向逆变器发送指令，使逆变器上三桥全通且下三桥全断、或者上三桥全断且下三桥全通；B2)所述前馈信号发生器逐步调节同步电机相电压，直至供电电压与预设的电流对应，使同步电机相电流缓缓趋于稳态电流点；B3)所述电压判断器检测并判断当前同步电机相电压是否超过设定上限值，若是，则短路执行器进行短路动作，若否，则继续检测。

作为优选，所述稳态电流点的计算方法为：

其中I_dSTA为稳态电流点，λ_PM为同步电机的永磁体磁链，L_d为同步电机本体的直轴电感。

本发明的实质性效果是：通过检测电压变化斜率，可以提前检测到同步电机故障，逐渐调整同步电机相电流到达或接近稳态电流值，避免短路瞬态冲击电流，保护控制器元件安全。

附图说明

图1为实施例一短路保护系统结构示意图。

图2为实施例一电压斜率检测器的工作流程框图。

图3为实施例一端部短路动作执行器触发后的工作流程框图。

其中：100、逆变器直流母线，200、母线电压滤波器，300、电压门限判断器，400、端部短路动作执行器，500、电压斜率检测器，600、同步电机。

具体实施方式

下面通过具体实施例，并结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步具体说明。

实施例一：

一种基于电压前馈的永磁同步电机600端部短路保护系统，如图1所示，为实施例一短路保护系统结构示意图，本实施例包括母线电压滤波器200、电压斜率检测器500、电压门限判断器300和端部短路动作执行器400，母线电压滤波器200与同步电机600的逆变器直流母线100连接，母线电压滤波器200对逆变器直流母线100电压进行滤波处理，滤波处理后的直流母线电压值分别传输至电压斜率检测器以及电压门限判断器300；电压斜率检测器检测直流母线电压上升斜率，当上升斜率超过设定阈值时，触发端部短路动作执行器400工作；电压门限判断器300检测直流母线电压值是否超过设定阈值，当直流母线电压值超过设定阈值时，触发端部短路动作执行器400工作，端部短路动作执行器400调节同步电机600电流达到稳态电流点时进行短路操作。通过控制工作电流达到稳态电流点，同时监测电压值，解决了端部短路算法中电压与电流的矛盾，即可保证电压电流皆在限定范围内。

端部短路动作执行器400包括短路执行器、电压判断器和前馈信号发生器，端部短路动作执行器400受到触发时，前馈信号发生器调节同步电机600的电流，使其接近稳态电流点，在调节过程中电压判断器判断电压抬升值，当电压抬升值达到设定上限时，短路执行器进行短路操作，消耗同步电机600线圈内残余的能量。母线电压滤波器200为低通滤波器。

如图2所示，为实施例一电压斜率检测器500的工作流程框图，电压斜率检测器500的工作方法为：A1)以时间T1为周期，获取滤波处理后的直流母线电压值；A2)计算最后获取的直流母线电压值与前一次获取的直流母线电压值的差值err；A3)当err大于设定单步增量Δs+时，判断直流母线电压处于陡升阶段，当err小于设定单步减量Δs-时，认为直流母线电压处于陡降阶段；A4)若直流母线电压处于陡升阶段或陡降阶段，则判断上升斜率超过设定阈值，反之，回到步骤A2执行。

如图3所示，为实施例一端部短路动作执行器400触发后的工作流程框图，端部短路动作执行器400在受到触发后的工作方法为：B1)短路动作执行器向逆变器发送指令，使逆变器上三桥全通且下三桥全断、或者上三桥全断且下三桥全通；B2)前馈信号发生器逐步调节同步电机600相电压，直至供电电压与预设的电流对应，使同步电机600相电流缓缓趋于稳态电流点；B3)电压判断器检测并判断当前同步电机600相电压是否超过设定上限值，若是，则短路执行器进行短路动作，若否，则继续检测。

稳态电流点的计算方法为：

其中I_dSTA为稳态电流点，λ_PM为同步电机600的永磁体磁链，L_d为同步电机600本体的直轴电感。

稳态电流的的计算方法的实施例二为：

其中I_dSTA为稳态电流点，λ_PM为同步电机600的永磁体磁链，L_d为同步电机600本体的直轴电感，k为惯性补偿系数，k∈[0.96，1.18]，当同步电机600负载转动惯性越大、同步电机600与负载之间传动比越大、同步电机600典型工作转速越高时，k取区间内越大值。

以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，并非对本发明作任何形式上的限制，在不超出权利要求所记载的技术方案的前提下还有其它的变体及改型。

Claims (8)

1.一种基于电压前馈的永磁同步电机端部短路保护系统，其特征在于，

包括母线电压滤波器、电压斜率检测器、电压门限判断器和端部短路动作执行器，所述母线电压滤波器与同步电机的逆变器直流母线连接，所述母线电压滤波器对逆变器直流母线电压进行滤波处理，所述滤波处理后的直流母线电压值分别传输至电压斜率检测器以及电压门限判断器；所述电压斜率检测器检测直流母线电压上升斜率，当所述上升斜率超过设定阈值时，触发端部短路动作执行器工作；所述电压门限判断器检测直流母线电压值是否超过设定阈值，当直流母线电压值超过设定阈值时，触发端部短路动作执行器工作，所述端部短路动作执行器调节同步电机相电流达到稳态电流点时进行短路操作。

2.根据权利要求1所述的一种基于电压前馈的永磁同步电机端部短路保护系统，其特征在于，

所述端部短路动作执行器包括短路执行器、电压判断器和前馈信号发生器，所述端部短路动作执行器受到触发时，所述前馈信号发生器调节同步电机的相电流，使其接近稳态电流点，在调节过程中所述电压判断器判断电压抬升值，当电压抬升值达到设定上限时，所述短路执行器进行短路操作。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于电压前馈的永磁同步电机端部短路保护系统，其特征在于，

所述母线电压滤波器为低通滤波器。

4.根据权利要求1或2所述的一种基于电压前馈的永磁同步电机端部短路保护系统，其特征在于，

所述电压斜率检测器的工作方法为：

A1)以时间T1为周期，获取滤波处理后的直流母线电压值；

A2)计算最后获取的直流母线电压值与前一次获取的直流母线电压值的差值err；

A3)当err大于设定单步增量△s+时，判断直流母线电压处于陡升阶段，当err小于设定单步减量△s-时，认为直流母线电压处于陡降阶段；

A4)若直流母线电压处于陡升阶段或陡降阶段，则判断上升斜率超过设定阈值，反之，回到步骤A2执行。

5.根据权利要求3所述的一种基于电压前馈的永磁同步电机端部短路保护系统，其特征在于，所述电压斜率检测器的工作方法为：

A1)以时间T1为周期，获取滤波处理后的直流母线电压值；

A2)计算最后获取的直流母线电压值与前一次获取的直流母线电压值的差值err；

A3)当err大于设定单步增量△s+时，判断直流母线电压处于陡升阶段，当err小于设定单步减量△s-时，认为直流母线电压处于陡降阶段；

A4)若直流母线电压处于陡升阶段或陡降阶段，则判断上升斜率超过设定阈值，反之，回到步骤A2执行。

6.根据权利要求2所述的一种基于电压前馈的永磁同步电机端部短路保护系统，其特征在于，

所述端部短路动作执行器在受到触发后的工作方法为：

B1)所述短路动作执行器向逆变器发送指令，使逆变器上三桥全通且下三桥全断、或者上三桥全断且下三桥全通；

B2)所述前馈信号发生器逐步调节同步电机相电压，直至相电压与预设的电流对应，使同步电机相电流缓缓趋于稳态电流点；

B3)所述电压判断器检测并判断当前同步电机相电压是否超过设定上限值，若是，则短路执行器进行短路动作，若否，则继续检测。

7.根据权利要求1或2所述的一种基于电压前馈的永磁同步电机端部短路保护系统，其特征在于，

所述稳态电流点的计算方法为：

其中I_dSTA为稳态电流点，λ_PM为同步电机的永磁体磁链，L_d为同步电机本体的直轴电感。

8.根据权利要求3所述的一种基于电压前馈的永磁同步电机端部短路保护系统，其特征在于，所述稳态电流点的计算方法为：

其中I_dSTA为稳态电流点，λ_PM为同步电机的永磁体磁链，L_d为同步电机本体的直轴电感。

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