CN109742732A - 一种永磁同步电机的开断式端部短路保护方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及同步电机故障处置技术领域，具体涉及一种永磁同步电机的开断式端部短路保护方法，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，滤波处理后的直流母线电压值分别传输至电压抬升检测器以及电压门限判断器；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。本发明的实质性效果是：通过短路执行器和开路执行器的交替动作，使同步电机短路处置快速停转过程中，始终保持短路电流不超过上限阈值，能够保护同步电机控制器元件，同时避免了短路瞬间的冲击扭矩过大的问题。
Description
技术领域
本发明涉及同步电机故障处置技术领域，具体涉及一种永磁同步电机的开断式端部短路保护方法。
背景技术
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。如果永磁同步电机发生的故障达到一定程度(如过流、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泄放掉，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，导致同步电机控制器报废。
当前对于同步电机的泄放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CN2697926Y，公开日2005年5月4日，一种三相交流同步电机主整流短路保护装置，它包括纹波变压器和控制板，纹波变压器的原边串接在三相交流同步电机的励磁回路，副边输出提供控制的输入信号。控制板由整流桥V2、R1、RP1和继电器K串联组成输入回路，发光二极管VD1、R2和K1组成自锁回路，继电器的另一触头接在励磁绕组的控制回路。其体积小，重量轻、成本相对低廉，同时使用灵活，可与微机接口，实现智能监控。对大中型交流同步电机整流管击穿具有可靠的保护作用和极高的实用价值。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：目前永磁同步电机的短路保护方法容易造成控制器内元件损坏的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案为：一种永磁同步电机的开断式端部短路保护方法，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抬升检测器以及电压门限判断器；所述电压抬升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将同步电机的逆变器的上三桥或下三桥进行短路操作，并检测短路电流，当短路电流高于上限阈值时，停止短路，当短路电流低于下限阈值时恢复短路操作，如此反复直至同步电机停止转动。
作为优选，所述端部短路动作执行器包括短路执行器、电流判断器和开路执行器，所述端部短路动作执行器受到触发时，所述短路执行器将同步电机的逆变器的上三桥或下三桥进行短路操作，电流判断器检测并判断短路电流是否高于上限阈值，若是，则短路执行器停止工作，且开路执行器动作，使同步电机的三相脱离短路而正常运转，电流判断器检测并判断短路电流是否低于下限阈值，若是，则开路执行器停止动作，短路执行器将同步电机的逆变器的上三桥或下三桥进行短路操作，如此反复直至同步电机停止转动。
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)所述短路执行器将同步电机的逆变器的上三桥或下三桥进行短路操作；B2)电流判断器检测并判断短路电流是否高于上限阈值，若是，则短路执行器停止工作，且开路执行器动作，使同步电机的三相脱离短路而正常运转；B3)电流判断器检测并判断短路电流是否低于下限阈值，若是，则开路执行器停止动作，循环执行步骤B1-B3，直至同步电机停止转动。
作为优选，所述稳态电流点的计算方法为：其中IdSTA为稳态电流点，λPM为同步电机的永磁体磁链，Ld为同步电机本体的直轴电感。
作为优选，所述稳态电流点的计算方法为：其中IdSTA为稳态电流点，λPM为同步电机的永磁体磁链，Ld为同步电机本体的直轴电感,k为惯性补偿系数，k∈[0.96，1.18]，当同步电机负载转动惯性越大、同步电机与负载之间传动比越大、同步电机典型工作转速越高时，k取区间内越大值。
本发明的实质性效果是：通过短路执行器和开路执行器的交替动作，使同步电机短路处置快速停转过程中，始终保持短路电流不超过上限阈值，能够保护同步电机控制器元件，同时避免了短路瞬间的冲击扭矩过大的问题。
附图说明
图1为实施例一短路保护方法的结构示意图。
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：
一种永磁同步电机的开断式端部短路保护方法，如图1所示，为实施例一短路保护方法的结构示意图，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抬升检测器以及电压门限判断器300；电压抬升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将同步电机600的逆变器的上三桥或下三桥进行短路操作，并检测短路电流，当短路电流高于上限阈值时，停止短路，当短路电流低于下限阈值时恢复短路操作，如此反复直至同步电机600停止转动。
端部短路动作执行器400包括短路执行器、电流判断器和开路执行器，端部短路动作执行器400受到触发时，短路执行器将同步电机600的逆变器的上三桥或下三桥进行短路操作，电流判断器检测并判断短路电流是否高于上限阈值，若是，则短路执行器停止工作，且开路执行器动作，使同步电机600的三相脱离短路而正常运转，电流判断器检测并判断短路电流是否低于下限阈值，若是，则开路执行器停止动作，短路执行器将同步电机600的逆变器的上三桥或下三桥进行短路操作，如此反复直至同步电机600停止转动。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△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。
如图3所示，为实施例一端部短路动作执行器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)短路执行器将同步电机600的逆变器的上三桥或下三桥进行短路操作；B2)电流判断器检测并判断短路电流是否高于上限阈值，若是，则短路执行器停止工作，且开路执行器动作，使同步电机600的三相脱离短路而正常运转；B3)电流判断器检测并判断短路电流是否低于下限阈值，若是，则开路执行器停止动作，循环执行步骤B1-B3，直至同步电机600停止转动。
稳态电流点的计算方法为：其中IdSTA为稳态电流点，λPM为同步电机600的永磁体磁链，Ld为同步电机600本体的直轴电感。
稳态电流点的计算方法的第二个实施例为：其中IdSTA为稳态电流点，λPM为同步电机600的永磁体磁链，Ld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)
1.一种永磁同步电机的开断式端部短路保护方法，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抬升检测器以及电压门限判断器；所述电压抬升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将同步电机的逆变器的上三桥或下三桥进行短路操作，并检测短路电流，当短路电流高于上限阈值时，停止短路，当短路电流低于下限阈值时恢复短路操作，如此反复直至同步电机停止转动。
2.根据权利要求1所述的一种永磁同步电机的开断式端部短路保护方法，其特征在于，
所述端部短路动作执行器包括短路执行器、电流判断器和开路执行器，所述端部短路动作执行器受到触发时，所述短路执行器将同步电机的逆变器的上三桥或下三桥进行短路操作，电流判断器检测并判断短路电流是否高于上限阈值，若是，则短路执行器停止工作，且开路执行器动作，使同步电机的三相脱离短路而正常运转，电流判断器检测并判断短路电流是否低于下限阈值，若是，则开路执行器停止动作，短路执行器将同步电机的逆变器的上三桥或下三桥进行短路操作，如此反复直至同步电机停止转动。
3.根据权利要求1或2所述的一种永磁同步电机的开断式端部短路保护方法，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所述的一种永磁同步电机的开断式端部短路保护方法，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所述的一种永磁同步电机的开断式端部短路保护方法，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所述的一种永磁同步电机的开断式端部短路保护方法，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)所述短路执行器将同步电机的逆变器的上三桥或下三桥进行短路操作；
B2)电流判断器检测并判断短路电流是否高于上限阈值，若是，则短路执行器停止工作，且开路执行器动作，使同步电机的三相脱离短路而正常运转；
B3)电流判断器检测并判断短路电流是否低于下限阈值，若是，则开路执行器停止动作，循环执行步骤B1-B3，直至同步电机停止转动。
7.根据权利要求1或2所述的一种永磁同步电机的开断式端部短路保护方法，其特征在于，所述稳态电流点的计算方法为：
其中IdSTA为稳态电流点，λPM为同步电机的永磁体磁链，Ld为同步电机本体的直轴电感。
8.根据权利要求1或2所述的一种永磁同步电机的开断式端部短路保护方法，其特征在于，所述稳态电流点的计算方法为：
其中IdSTA为稳态电流点，λPM为同步电机的永磁体磁链，Ld为同步电机本体的直轴电感,k为惯性补偿系数，k∈[0.96，1.18]，当同步电机负载转动惯性越大、同步电机与负载之间传动比越大、同步电机典型工作转速越高时，k取区间内越大值。
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