CN110098782B - 一种初级永磁直线电机牵引系统的容错控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种初级永磁直线电机牵引系统在电机绕组开路故障下的容错控制方法，该牵引系统由两台三相牵引变流器、两台三相初级永磁直线电机和两台交流接触器组成，当两台电机均无故障时，系统工作在正常运行模式，两台电机共同为系统提供推力；当两台电机的任意一相绕组发生开路故障时，系统可工作在三种不同的容错运行模式下，包括单电机运行模式、铜耗最小运行模式、推力最大运行模式，具体的容错运行模式由系统的实时负载决定。本发明涉及的控制方法能够实现系统在电机单相绕组开路故障下的不间断容错运行，同时可以在不同的运行模式下快速切换，具有良好的鲁棒性。

Description

一种初级永磁直线电机牵引系统的容错控制方法

技术领域

本发明属于电机驱动与控制技术领域，尤其涉及一种初级永磁直线电机牵引系统的容错控制方法。

背景技术

电力机车作为轨道交通的运载载体，其中的牵引系统显然是电力机车实现机电能量相互转换的“心脏”单元。目前，绝大多数城市轨道交通车辆属于钢轮钢轨式，无论运行在任何工况下都依赖于车轮与钢轨的相互作用力。当动轮对的牵引力大于最大黏着力时，轮对就会发生空转，导致动车牵引力下降，且高速空转使得轮对的踏面严重擦伤并引发重大事故。因此，旋转电机牵引是一种受轮轨黏着力制约的驱动方式。

为了克服传统轮轨黏着驱动方式存在的一系列缺点，世界各国开始研究使用直线电机牵引方式代替传统的旋转电机牵引方式。与普通的永磁同步直线电机相比，初级永磁直线电机将永磁体和绕组置于初级，而次级既无绕组也无永磁体，在继承了永磁同步直线电机功率密度高、体积小、效率高、重量轻等特点的同时，还具有机械结构简单、便于定期维护等特点。

初级永磁直线电机牵引系统是由多台电机组成的电力驱动系统。与单台三相电机相比，多电机牵引系统的自由度增加，冗余度更高，具有更高的可靠性与容错能力。当牵引电机发生缺相故障时，通常将故障电机从系统切除，这就导致系统的输出推力能力大幅下降，不利于系统运行在工况恶劣的地形条件下。因此，在开路故障下如何利用故障电机提高系统的推力输出能力，实现牵引系统的容错控制具有重要的研究价值。

发明内容

发明目的：针对以上问题，本发明提出一种初级永磁直线电机牵引系统的容错控制方法，该方法能够根据牵引系统的实际运行工况选择相应的容错运行模式，在满足牵引系统推力输出能力的前提下，使牵引系统处于最优运行模式，实现牵引系统开路故障下的容错运行，提高系统的稳定性。

技术方案：为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：一种初级永磁直线电机牵引系统在电机绕组开路故障下的容错控制方法，所述初级永磁直线电机牵引系统包括：两台三相牵引变流器、两台三相初级永磁直线电机和两台交流接触器。

所述三相牵引变流器为两电平结构，初级永磁直线电机的三相绕组分别通过交流接触器连接至牵引变流器的三个桥臂；所述初级永磁直线电机由定子永磁型电机发展而来，该类电机初级含有电枢绕组和永磁体，次级为凸极导磁铁心；所述交流接触器为普通三相交流接触器，用于控制初级永磁直线电机从系统中接入或切除。

上述初级永磁直线电机牵引系统在开路故障下的容错控制方法，包括如下步骤：

步骤一：首先检测两台初级永磁直线电机之间的电角度差Δθ，由于两台直线电机通过刚性连接，因此电角度差在运行过程中保持恒定；

步骤二：检测两台初级永磁直线电机是否发生开路故障，若未发生开路故障，系统工作在正常运行模式下，进入步骤三；若发生开路故障，对故障相进行定位，并根据系统的速度环计算得到系统的给定电磁推力F_e，若给定电磁推力小于单台电机的额定推力F_N，系统工作在单电机运行模式下，进入步骤四；若给定电磁推力大于单台电机的额定推力F_N，进入步骤五；

步骤三：系统正常运行时，两台交流接触器均处于闭合状态，此时两台直线电机均连接至对应的牵引变流器，共同为系统提供推力；由下式计算得到两台电机的q轴电流：

式中，I_q为系统q轴电流之和，τ为电机极距，p为极对数，ψ_f为永磁体磁链，i_q1、i_q2分别为两台电机的q轴电流；令两台电机的d轴电流i_d1和i_d2均为零，由反派克变换分别计算得到两台电机的各相电流值，进入步骤六；

步骤四：利用交流接触器将故障电机从系统中切除，系统仅由非故障电机提供推力，该非故障电机的q轴电流即为I_q，同理，由反派克变换计算得到非故障电机的各相电流值，进入步骤六；

步骤五：单台电机的额定推力无法满足给定电磁推力需求，控制故障电机与非故障电机合成恒定的推力，使系统工作在铜耗最小运行模式或推力最大运行模式；铜耗最小运行模式以铜耗最小为优化目标，其输出最大推力为F_max3；推力最大运行模式以输出推力最大为优化目标，其输出最大推力为F_max4；若给定电磁推力F_e小于F_max3，系统工作在铜耗最小运行模式下；若给定电磁推力大于F_max3且小于F_max4，系统工作在推力最大运行模式下；分别计算得到牵引系统在铜耗最小运行模式或推力最大运行模式下的各相电流，进入步骤六；

进一步，步骤五中，铜耗最小运行模式下的最大推力F_max3和推力最大运行模式下的最大推力F_max4计算公式如下：

式中，

进一步，步骤五所述分别计算得到牵引系统在铜耗最小运行模式或推力最大运行模式下的各相电流，方法如下：

以C1相发生开路故障为例，电机1的各相电流为：

式中，i_A1、i_B1和i_C1分别为电机1的三相电流值；

根据派克变换，有：

式中，i_q1为电机1的q轴电流，i_d1为电机1的d轴电流，θ₁为电机1的电角度；

将电机1各相电流代入上式得d、q轴电流如下式：

若产生恒定的推力，则有：

式中，i_q2为电机2的q轴电流，I_q为系统q轴电流之和；

基于牵引系统的节能考虑，令电机2的d轴电流i_d2＝0，再由反派克变换得：

式中，i_A2、i_B2和i_C2分别为电机2的三相电流值，θ₂为电机2的电角度；

展开后得到：

因此，牵引系统在铜耗最小运行模式或推力最大运行模式下的各相电流均可由A1相电流计算得到；

进一步，系统工作在铜耗最小运行模式时，为了使系统总铜耗最小，给定A1相电流为电角度θ₁相关的函数，如式(3)所示，结合式(1)和(2)即可得到两台电机各相电流值；

进一步，系统工作在推力最大运行模式时，为了使系统输出推力最大，给定A1相电流为电角度θ₁相关的函数，如式(4)所示，结合式(1)和(2)即可得到两台电机各相电流值；

式中，sign为符号函数；

步骤六：根据电流滞环控制确保电机各相电流跟踪给定值，实现牵引系统的控制。

有益效果：与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益的技术效果：本发明方法在初级永磁直线电机牵引系统中，提出了一种电机绕组开路故障情况下的容错控制方法，该方法除了算法易于实现的优点之外，还包括以下技术优势：

(1)当初级永磁直线电机牵引系统发生电机绕组开路故障时，不需要直接将故障电机从系统中切除，可根据实际运行需要选择是否利用故障电机的剩余两相获得更大的推力输出能力；

(2)在实现初级永磁直线电机牵引系统容错运行的同时，能够根据实时工况在单电机运行模式、铜耗最小模式和推力最大模式下快速切换，实现牵引系统的最优控制。

附图说明

图1是本发明方法的流程框图；

图2是硬件实验系统结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。

本发明所述的一种初级永磁直线电机牵引系统的容错控制方法，流程框图如图1所示。本发明的实施例的系统硬件结构如图2所示，包括：两台三相牵引变流器、两台三相初级永磁直线电机、两台交流接触器。图2(a)为正常运行模式，接触器1、2均闭合；图2(b)为单电机运行模式，C1相开路，接触器1断开，接触器2闭合；图2(c)为铜耗最小和推力最大运行模式，C1相开路，接触器1、2闭合。

本发明的初级永磁直线电机牵引系统电机绕组开路故障下的容错控制方法，包括如下步骤：

步骤一：首先检测两台初级永磁直线电机之间的电角度差Δθ，由于两台直线电机通过刚性连接，因此电角度差在运行过程中保持恒定；

步骤二：检测两台初级永磁直线电机是否发生开路故障，若未发生开路故障，系统工作在正常运行模式下，进入步骤三；若发生开路故障，对故障相进行定位，并根据系统的速度环计算得到系统的给定电磁推力F_e，若给定电磁推力小于单台电机的额定推力F_N，系统工作在单电机运行模式下，进入步骤四；若给定电磁推力大于单台电机的额定推力F_N，进入步骤五；

步骤三：系统正常运行时，两台交流接触器均处于闭合状态，此时两台直线电机均连接至对应的牵引变流器，共同为系统提供推力；由下式计算得到两台电机的q轴电流：

式中，I_q为系统q轴电流之和，τ为电机极距，p为极对数，ψ_f为永磁体磁链，i_q1、i_q2分别为两台电机的q轴电流；令两台电机的d轴电流i_d1和i_d2均为零，由反派克变换分别计算得到两台电机的各相电流值，进入步骤六；

步骤四：利用交流接触器将故障电机从系统中切除，系统仅由非故障电机提供推力，该非故障电机的q轴电流即为I_q，同理，由反派克变换计算得到非故障电机的各相电流值，进入步骤六；

步骤五：单台电机的额定推力无法满足给定电磁推力需求，控制故障电机与非故障电机合成恒定的推力，使系统工作在铜耗最小运行模式或推力最大运行模式；铜耗最小运行模式以铜耗最小为优化目标，其输出最大推力为F_max3；推力最大运行模式以输出推力最大为优化目标，其输出最大推力为F_max4；若给定电磁推力F_e小于F_max3，系统工作在铜耗最小运行模式下；若给定电磁推力大于F_max3且小于F_max4，系统工作在推力最大运行模式下；分别计算得到牵引系统在铜耗最小运行模式或推力最大运行模式下的各相电流，进入步骤六；

步骤五中，铜耗最小运行模式下的最大推力F_max3和推力最大运行模式下的最大推力F_max4计算公式如下：

式中，

步骤五所述分别计算得到牵引系统在铜耗最小运行模式或推力最大运行模式下的各相电流，方法如下：

以C1相发生开路故障为例，电机1的各相电流为：

式中，i_A1、i_B1和i_C1分别为电机1的三相电流值；

根据派克变换，有：

式中，i_q1为电机1的q轴电流，i_d1为电机1的d轴电流，θ₁为电机1的电角度；

将电机1各相电流代入上式得d、q轴电流如下式：

若产生恒定的推力，则有：

式中，i_q2为电机2的q轴电流，I_q为系统q轴电流之和；

基于牵引系统的节能考虑，令电机2的d轴电流i_d2＝0，再由反派克变换得：

式中，i_A2、i_B2和i_C2分别为电机2的三相电流值，θ₂为电机2的电角度；

展开后得到：

因此，牵引系统在铜耗最小运行模式或推力最大运行模式下的各相电流均可由A1相电流计算得到；

系统工作在铜耗最小运行模式时，为了使系统总铜耗最小，给定A1相电流为电角度θ₁相关的函数，如式(3)所示，结合式(1)和(2)即可得到两台电机各相电流值；

系统工作在推力最大运行模式时，为了使系统输出推力最大，给定A1相电流为电角度θ₁相关的函数，如式(4)所示，结合式(1)和(2)即可得到两台电机各相电流值；

式中，sign为符号函数；

步骤六：根据电流滞环控制确保电机各相电流跟踪给定值，实现牵引系统的控制。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。

Claims (3)

1.一种初级永磁直线电机牵引系统的容错控制方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤一：首先检测两台初级永磁直线电机之间的电角度差Δθ，电角度差在运行过程中保持恒定；

步骤二：检测两台初级永磁直线电机是否发生开路故障，若未发生开路故障，系统工作在正常运行模式下，进入步骤三；若发生开路故障，对故障相进行定位，并根据系统的速度环计算得到系统的给定电磁推力F_e，若给定电磁推力小于单台电机的额定推力F_N，系统工作在单电机运行模式下，进入步骤四；若给定电磁推力大于单台电机的额定推力F_N，进入步骤五；

步骤三：系统正常运行时，两台交流接触器均处于闭合状态，此时两台直线电机均连接至对应的牵引变流器，共同为系统提供推力；分别计算得到两台电机的各相电流值，进入步骤六；计算各相电流值方法如下：

由下式计算得到两台电机的q轴电流：

式中，I_q为系统q轴电流之和，τ为电机极距，p为极对数，ψ_f为永磁体磁链，i_q1、i_q2分别为两台电机的q轴电流；令两台电机的d轴电流i_d1和i_d2均为零，由反派克变换分别计算得到两台电机的各相电流值；

步骤四：利用交流接触器将故障电机从系统中切除，系统仅由非故障电机提供推力，计算得到非故障电机的各相电流值，进入步骤六；所述非故障电机的q轴电流即为系统q轴电流I_q，由反派克变换计算得到非故障电机的各相电流值；

步骤五：单台电机的额定推力无法满足给定电磁推力需求，控制故障电机与非故障电机合成恒定的推力，使系统工作在铜耗最小运行模式或推力最大运行模式；铜耗最小运行模式以铜耗最小为优化目标，其输出最大推力为F_max3；推力最大运行模式以输出推力最大为优化目标，其输出最大推力为F_max4；若给定电磁推力F_e小于F_max3，系统工作在铜耗最小运行模式下；若给定电磁推力大于F_max3且小于F_max4，系统工作在推力最大运行模式下；分别计算得到牵引系统在铜耗最小运行模式或推力最大运行模式下的各相电流，进入步骤六；F_max3和F_max4的计算公式如下：

式中，

F_N为单台电机的额定推力；

其中，计算各相电流方法如下：

当C1相发生开路故障，电机1的各相电流为：

式中，i_A1、i_B1和i_C1分别为电机1的三相电流值；

根据派克变换，有：

式中，i_q1为电机1的q轴电流，i_d1为电机1的d轴电流，θ₁为电机1的电角度；

将电机1各相电流代入上式得d、q轴电流如下式：

若产生恒定的推力，则有：

式中，i_q2为电机2的q轴电流，I_q为系统q轴电流之和；

基于牵引系统的节能考虑，令电机2的d轴电流i_d2＝0，再由反派克变换得：

式中，i_A2、i_B2和i_C2分别为电机2的三相电流值，θ₂为电机2的电角度；

展开后得到：

牵引系统在铜耗最小运行模式或推力最大运行模式下的各相电流均可由A1相电流计算得到；

步骤六：根据电流滞环控制确保电机各相电流跟踪给定值，实现牵引系统的控制。

2.根据权利要求1所述的一种初级永磁直线电机牵引系统的容错控制方法，其特征在于：系统工作在铜耗最小运行模式时，为了使系统总铜耗最小，给定A1相电流为电角度θ₁相关的函数，如式(3)所示，结合式(1)和(2)即可得到两台电机各相电流值；

3.根据权利要求1所述的一种初级永磁直线电机牵引系统的容错控制方法，其特征在于：系统工作在推力最大运行模式时，为了使系统输出推力最大，给定A1相电流为电角度θ₁相关的函数，如式(4)所示，结合式(1)和(2)即可得到两台电机各相电流值；

式中，sign为符号函数。

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