CN110138306B - 一种电励磁双凸极电机功率变换器及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电励磁双凸极电机功率变换器及其方法，对传统功率变换器的三相全桥拓扑做了一定的改变，实现了续流电流与回馈电流的分离，再通过对电励磁双凸极电机运行状态的分析，得到母线电流与相电流的关系，从而重构出三相电流控制电机。在此基础上，利用非换相期间母线电流值作为开关管发生开路故障的依据，通过对非工作桥臂上管注入单脉冲的方法进行故障的定位。本发明只需一个电流传感器，完成了以往三个电流传感器的功能，并可以实现功率变换器单管开路故障的诊断，在不降低电机性能的前提下，降低了系统的硬件复杂度及成本。

Description

一种电励磁双凸极电机功率变换器及其方法

技术领域

本发明涉及电机控制技术领域，尤其涉及一种电励磁双凸极电机功率变换器及其方法。

背景技术

功率变换器是电机驱动系统中最为薄弱的环节，电励磁双凸极电机功率变换器故障是制约其稳定运行的关键因素。一般来说，功率变换器故障分为短路故障和开路故障。通过在桥臂中串入快速熔丝可以将短路故障转化为开路故障，因此功率变换器开路故障的检测与容错是目前研究的热点。功率变换器开路故障会导致电机系统出力减少，严重时甚至烧毁电机。故障诊断是故障容错的基础，为故障后电机容错运行提供基础。目前，不少学者提出功率变换器开路故障诊断方法。

胡豆豆等公开的“一种四相电励磁双凸极电机系统及其功率管单管开路故障检测方法”（中国，公开日：2018年8月13日，公开号：CN109188271A）专利中公开了一种四相电励磁双凸极电机功率管单管开路故障检测方法，其通过采用双通道接法，然后根据相桥臂中点电压特性确定故障管是上管还是下管。但该方法需要增加额外硬件电路，且只适用于四相双凸极电机。

史立伟等公开的“一种四相电励磁双凸极电机及其开路故障诊断方法”（中国，公开日：2015年1月19日，公开号：CN104579099B）专利中公开了一种通过在两个通道的中点设置检测电阻，对该电阻的检测电压进行采样并提取故障特征，以诊断出发生的故障类型。这种方法将检测电阻引入系统，会引入寄生电感影响原系统。同时，需要电压传感器，增加了系统的硬件复杂度及成本。

魏佳丹等公开的“双凸极电机全桥变换器单相开路故障容错方案”（中国电机工程学报，2008年8月25日，第28卷，第24期，88-93页）论文中介绍了一种利用不同状态下电流的逻辑值的方法进行故障判断，接着根据母线分裂式电容中点－相绕组端点之间电压差的方法来辨别故障发生管。这种方法诊断时间较长，同时需要引入电压传感器进行故障定位，增加了系统的硬件复杂度及成本。

目前诸多学者利用故障前后电励磁双凸极相电压或者线电压的不同进行故障诊断，由于电压量的测量需要电压传感器，增加了硬件的复杂度及系统的成本。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的缺陷，提供一种电励磁双凸极电机功率变换器及其方法。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种电励磁双凸极电机功率变换器，包含直流电源、滤波电容、第一至第六开关管、第一至第六二极管和电流传感器；

所述滤波电容的一端分别和直流电源的正极、第一开关管的集电极、第一二极管的负极、第三开关管的集电极、第三二极管的负极、第五开关管的集电极、第五二极管的负极相连，滤波电容的另一端分别和直流电源的负极、第二二极管的正极、第四二极管的正极、第六二极管的正极、电流传感器的一端相连；

所述电流传感器的另一端分别和第二开关管的发射极、第四开关管的发射极、第六开关管的发射极相连；

所述第一开关管的发射极分别和第一二极管的正极、第二开关管的集电极、第二二极管的负极相连；

所述第三开关管的发射极分别和第三二极管的正极、第四开关管的集电极、第四二极管的负极相连；

所述第五开关管的发射极分别和第五二极管的正极、第六开关管的集电极、第六二极管的负极相连。

本发明还公开了一种该电励磁双凸极电机功率变换器的工作方法，包含以下步骤：

步骤A.1），将电励磁双凸极电机的A、B、C相绕组分别和第一、第三、第五开关管的发射极对应相连；

步骤A.2），控制功率变换器工作在以下三种状态，并得到该三种状态下电励磁双凸极电机中母线电流与相电流的关系：

状态一：第一开关管斩波，第六开关管恒通，第二、第三、第四、第五开关管关闭，电流正负为A+C-，i _m=i _a=-i _c,i _b=0;

状态二：第三开关管斩波，第二开关管恒通，第一、第四、第五、第六开关管关闭，电流正负为B+A-，i _m=i _b=-i _a,i _c=0；

状态三：第五开关管斩波，第四开关管恒通，第一、第二、第三、第六开关管关闭，电流正负为C+B-，i _m=i _c=-i _b,i _a=0；

其中，i _a、i _b、i _c、i _m分别为功率变换器中的A相电流值、B相电流值、C相电流值、母线电流值；

步骤A.3），重构电励磁双凸极电机中相电流，完成电励磁双凸极电机的闭环控制。

本发明还公开了一种基于该电励磁双凸极电机功率变换器的工作方法的单管开路故障诊断方法，包含以下步骤：

步骤B.1），通过电流传感器测得非换相期间第二开关管、滤波电容之间母线的电流值K；

步骤B.2），将电流值K和预设的电流阈值δ进行比较，如果电流值K小于等于预设的电流阈值δ，判断功率变换器发生开路故障，此时：

步骤B.2.1），获取电励磁双凸极电机中转子所在位置的电角度M，根据M判断功率变换器的工作状态：

若0°≤M≤120°，功率变换器工作在状态一；

若120°≤M≤240°，功率变换器工作在状态二；

若24°≤M≤360°，功率变换器工作在状态三；

步骤B.2.2），对功率变换器的非工作桥臂上管注入脉冲信号并观察电流值K，定位故障：

如果功率变换器工作在状态一，对第三开关管注入脉冲信号，如果电流值K增大，则第一开关管故障；如果电流值K不变，则第六开关管故障；

如果功率变换器工作在状态二，对第五开关管注入脉冲信号，如果电流值K增大，则第三开关管故障；如果电流值K不变，则第二开关管故障；

如果功率变换器工作在状态三，对第一开关管注入脉冲信号，如果电流值K增大，则第五开关管故障；如果电流值K不变，则第四开关管故障。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1. 只需一个电流传感器即可完成电机的控制及故障诊断。

2. 减少了系统的硬件复杂度，降低了系统的成本。

附图说明

图1是本发明提供的电励磁双凸极电机及功率变换器驱动拓扑图；

图2是电励磁双凸极电机的截面图；

图3是电励磁双凸极电机的“三相三状态”导通方式图；

图4是本发明的系统控制框图；

图5是本发明中单管开路故障诊断方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

本发明可以以许多不同的形式实现，而不应当认为限于这里所述的实施例。相反，提供这些实施例以便使本公开透彻且完整，并且将向本领域技术人员充分表达本发明的范围。在附图中，为了清楚起见放大了组件。

如图1所示，本发明公开了一种电励磁双凸极电机功率变换器，包含直流电源、滤波电容、第一至第六开关管、第一至第六二极管和电流传感器；滤波电容的一端分别和直流电源的正极、第一开关管的集电极、第一二极管的负极、第三开关管的集电极、第三二极管的负极、第五开关管的集电极、第五二极管的负极相连，滤波电容的另一端分别和直流电源的负极、第二二极管的正极、第四二极管的正极、第六二极管的正极、电流传感器的一端相连；电流传感器的另一端分别和第二开关管的发射极、第四开关管的发射极、第六开关管的发射极相连；第一开关管的发射极分别和第一二极管的正极、第二开关管的集电极、第二二极管的负极相连；第三开关管的发射极分别和第三二极管的正极、第四开关管的集电极、第四二极管的负极相连；第五开关管的发射极分别和第五二极管的正极、第六开关管的集电极、第六二极管的负极相连。

本发明的功率变换器在三相全桥的基础上做了一些改变，将三相下桥臂开关管接到直流母线上，其反并联的续流二极管接到滤波电容上，将母线电流传感器置于A相下管与电容间的直流母线上，使得流经电流传感器上的电流为导通电流和续流电流，电机换相时回馈电流不流经电流传感器，从而实现电机续流电流与回馈电流的分离。励磁部分由传统的不对称半桥变换器构成。电励磁双凸极电机截面如图2所示，定转子均为凸极结构，转子上既无永磁体也无绕组。采用电励磁双凸极电机常用的“三相三状态”导通方式如图3所示，一个电角度周期分为三个导通状态。本发明的系统控制框图如图4所示，利用重构得到的三相电流进行系统闭环控制。

本发明还公开了一种该电励磁双凸极电机功率变换器的工作方法，包含以下步骤：

步骤A.1），将电励磁双凸极电机的A、B、C相绕组分别和开关管T ₁、T ₃、T ₅的发射极对应相连；

步骤A.2），控制功率变换器工作在以下三种状态，并得到该三种状态下电励磁双凸极电机中母线电流与相电流的关系：

状态一：开关管T ₁斩波、T ₆恒通，T ₂、T ₃、T ₄、T ₅关闭，电流正负为A+C-，i _m=i _a=-i _c,i _b=0;

状态二：开关管T ₃斩波、T ₂恒通，T ₁、T ₄、T ₅、T ₆关闭，电流正负为B+A-，i _m=i _b=-i _a,i _c=0；

状态三：开关管T ₅斩波、T ₄恒通，T ₁、T ₂、T ₃、T ₆关闭，电流正负为C+B-，i _m=i _c=-i _b,i _a=0；

其中，i _a、i _b、i _c、i _m分别为功率变换器中的A相电流值、B相电流值、C相电流值、母线电流值；

步骤A.3），重构电励磁双凸极电机中相电流，完成对电励磁双凸极电机的闭环控制。

如图5所示，本发明还公开了一种基于该电励磁双凸极电机功率变换器的工作方法的单管开路故障诊断方法，包含以下步骤：

步骤B.1），通过电流传感器测得非换相期间开关管T ₂、滤波电容之间母线的电流值K；

步骤B.2），将电流值K和预设的电流阈值δ进行比较，如果电流值K小于等于预设的电流阈值δ，判断功率变换器发生开路故障，此时：

步骤B.2.1），获取电励磁双凸极电机中转子所在位置的电角度M，根据M判断功率变换器的工作状态：

若0°≤M≤120°，功率变换器工作在状态一；

若120°≤M≤240°，功率变换器工作在状态二；

若24°≤M≤360°，功率变换器工作在状态三；

所述预设的电流阈值δ应选取合适的阈值，过大容易发生误诊断，过小容易发生漏诊断，一般选取阈值是零附近的一个值；

步骤B.2.2），对功率变换器的非工作桥臂上管注入脉冲信号并观察电流值K，定位故障：

如果功率变换器工作在状态一，对开关管T ₃注入脉冲信号，如果电流值K增大，则开关管T ₁故障；如果电流值K不变，则开关管T ₆故障；

如果功率变换器工作在状态二，对开关管T ₅注入脉冲信号，如果电流值K增大，则开关管T ₃故障；如果电流值K不变，则开关管T ₂故障；

如果功率变换器工作在状态三，对开关管T ₁注入脉冲信号，如果电流值K增大，则开关管T ₅故障；如果电流值K不变，则开关管T ₄故障。

单脉冲信号的注入使得非工作桥臂上管短时导通，若工作的上管发生开路故障，则注入单脉冲信号的开关管则会取代故障开关管，与下管构成导通回路，因此母线电流会出现脉冲信号；若工作的下管发生开路故障，则不构成导通回路，母线电流不发生变化。

通过上述步骤即可实现电励磁双凸极电机功率变换器单管开路故障的诊断，在降低了系统硬件成本的基础上，完成了开关管单管开路故障的检测。本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种电励磁双凸极电机功率变换器，其特征在于，包含直流电源、滤波电容、第一至第六开关管、第一至第六二极管和电流传感器；

所述滤波电容的一端分别和直流电源的正极、第一开关管的集电极、第一二极管的负极、第三开关管的集电极、第三二极管的负极、第五开关管的集电极、第五二极管的负极相连，滤波电容的另一端分别和直流电源的负极、第二二极管的正极、第四二极管的正极、第六二极管的正极、电流传感器的一端相连；

所述电流传感器的另一端分别和第二开关管的发射极、第四开关管的发射极、第六开关管的发射极相连；

所述第一开关管的发射极分别和第一二极管的正极、第二开关管的集电极、第二二极管的负极相连；

所述第三开关管的发射极分别和第三二极管的正极、第四开关管的集电极、第四二极管的负极相连；

所述第五开关管的发射极分别和第五二极管的正极、第六开关管的集电极、第六二极管的负极相连。

2.基于权利要求1所述的电励磁双凸极电机功率变换器的工作方法，其特征在于，包含以下步骤：

步骤A.1），将电励磁双凸极电机的A、B、C相绕组分别和第一、第三、第五开关管的发射极对应相连；

步骤A.2），控制功率变换器工作在以下三种状态，并得到该三种状态下电励磁双凸极电机中母线电流与相电流的关系：

状态一：第一开关管斩波，第六开关管恒通，第二、第三、第四、第五开关管关闭，电流正负为A+C-，i _m=i _a=-i _c,i _b=0;

状态二：第三开关管斩波，第二开关管恒通，第一、第四、第五、第六开关管关闭，电流正负为B+A-，i _m=i _b=-i _a,i _c=0；

状态三：第五开关管斩波，第四开关管恒通，第一、第二、第三、第六开关管关闭，电流正负为C+B-，i _m=i _c=-i _b,i _a=0；

其中，i _a、i _b、i _c、i _m分别为功率变换器中的A相电流值、B相电流值、C相电流值、母线电流值；

步骤A.3），重构电励磁双凸极电机中相电流，完成电励磁双凸极电机的闭环控制。

3.基于权利要求2所述的电励磁双凸极电机功率变换器的工作方法的单管开路故障诊断方法，其特征在于，包含以下步骤：

步骤B.1），通过电流传感器测得非换相期间第二开关管、滤波电容之间母线的电流值K；

步骤B.2），将电流值K和预设的电流阈值δ进行比较，如果电流值K小于等于预设的电流阈值δ，判断功率变换器发生开路故障，此时：

步骤B.2.1），获取电励磁双凸极电机中转子所在位置的电角度M，根据M判断功率变换器的工作状态：

若0°≤M≤120°，功率变换器工作在状态一；

若120°≤M≤240°，功率变换器工作在状态二；

若240°≤M≤360°，功率变换器工作在状态三；

步骤B.2.2），对功率变换器的非工作桥臂上管注入脉冲信号并观察电流值K，定位故障：

如果功率变换器工作在状态一，对第三开关管注入脉冲信号，如果电流值K增大，则第一开关管故障；如果电流值K不变，则第六开关管故障；

如果功率变换器工作在状态二，对第五开关管注入脉冲信号，如果电流值K增大，则第三开关管故障；如果电流值K不变，则第二开关管故障；

如果功率变换器工作在状态三，对第一开关管注入脉冲信号，如果电流值K增大，则第五开关管故障；如果电流值K不变，则第四开关管故障。

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