CN111327217A - 开关磁阻电机容错功率变换器设计方法 - Google Patents

开关磁阻电机容错功率变换器设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种开关磁阻电机容错功率变换器设计方法。该设计方法首先给定的基础功率变换器和限制条件，通过有向图和矩阵的相关知识，进行回路计算，再结合电路原理得到最优容错型功率变换器。本发明提出的容错功率变换器设计方法灵活，可根据实际需求，给定相应的条件，设计出在该条件下容错性能最优的功率变换器。

Description

开关磁阻电机容错功率变换器设计方法
技术领域
本发明涉及开关磁阻电机功率变换器领域。
背景技术
开关磁阻电机结构坚固简单、成本低，各相独立工作，系统可靠性高，适用于高速、环境恶劣的场合。但由于元器件老化、过流过压等原因，在电机的运行过程中，故障的发生是不可避免的。当故障出现时，有时设备不具备停机条件，需要设备在故障状态下继续运行一段时间。因此，为了提高设备的带故障运行能力以及避免故障带来的重大损失，有必要进行容错技术的研究。
发明内容
本发明提出了一种开关磁阻电机容错功率变换器的设计方法，具体如下。
一种开关磁阻电机容错功率变换器的设计方法，其特征在于：该设计方法包括以下步骤：
步骤1、给定一个开关磁阻电机功率变换器，该功率变换器包括开关管和二极管。将该功率变换器和其负载构成的电路用有向图表示，其中电流可双向流通的元件用两条方向相反的有向边表示，有向元件用一条有向边表示，有向边方向为电流可流通方向。用数字对该有向图的节点进行编号，有向边的权值用符号Xij表示并将其定义为布尔变量，其中X表示有向边对应的元件符号，i表示有向边的起始节点，j表示有向边的终端节点。用连接矩阵C＝[cxy]表达有向图，其中cxy表示连接矩阵的元素，x为对应的行号，y为对应的列号，其中连接矩阵C中的元素定义如下：
Figure BDA0002357488190000011
步骤2、给定一个条件：在所述功率变换器中增加多个电路元件。
步骤3、在限制条件下，将所述增加的电路元件连接在所述功率变换器的两个电路节点之间。所述限制条件为：增加的电路元件不能互相并联或反并联，不能并联或反并联在所述功率变换器中的电路元件的两端，不能并联或反并联在所述功率变换器的负载的两端，其连接的两个电路节点不能相同。用步骤1的方式将所述增加的多个电路元件用有向边表示，在步骤2的给定条件下，增加的多个电路元件连接在不同的电路节点之间将产生不同的位置组合，其对应的有向边组合也不同，列出所有增加的有向边的组合，然后将增加的有向边用连接矩阵C中的元素表示，得到连接矩阵C′，一个增加的有向边组合对应一个连接矩阵C′。
步骤4、将所述连接矩阵C′和单位对角阵E相加得到矩阵C′+E。计算C′+E的减1布尔行列式，其中，减1布尔行列式的定义为：设矩阵A为一个电路对应的连接矩阵，那么A+E的减1布尔行列式为A+E的积和式减1经过布尔运算得到的计算结果。这里给出减1布尔行列式的一个性质：若矩阵A为一个电路对应的连接矩阵，那么A+E的减1布尔行列式能够表示该电路的所有回路，且减1布尔行列式的每一项对应该电路的一个回路。
步骤5、由C′+E的减1布尔行列式可知因增加电路元件而增加的电路回路。给定选择条件：条件1、增加的电路元件能够在作用上替代最多的所述功率变换器中的电路元件；条件2、所述增加的电路回路包括的励磁回路(正电压回路)、续流回路(零电压回路)、退磁回路(负电压回路)之和最多；条件1的优先级高于条件2。根据所述选择条件得到一个增加的电路元件位置组合，然后得到相应的开关磁阻电机容错功率变换器。
步骤1所述的开关磁阻电机功率变换器为不对称半桥功率变换器、双绕组功率变换器、双极性直流电源功率变换器、C-Dump型功率变换器、Miller功率变换器其中之一。
步骤1所述的开关磁阻电机功率变换器的开关管类型为门极关断晶闸管(GTO)、双极型晶体管(BJT)、功率MOS场效应晶体管(power MOSFET)、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)其中之一。
步骤2所述的增加的多个电路元件的类型为开关管、电阻、电感器、电容器、二极管中的一种或多种。
其中增加的开关管类型为门极关断晶闸管(GTO)、双极型晶体管(BJT)、功率MOS场效应晶体管(power MOSFET)、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)其中之一。
本发明的设计方法还可以取消步骤3的限制条件。
步骤5的选择条件还可以为：对步骤1所述功率变换器的电路元件进行可靠性分析，增加的电路元件中能够在作用上替代步骤1所述功率变换器中可靠性最低电路元件的数目最多。
步骤5的选择条件还可以为：所述增加的电路回路数目最多。
本发明提出了一套开关磁阻电机容错功率变换器的设计规则，解决了目前该领域设计无规率问题，该设计规则具有普遍性，可用于其它类型功率变换器的容错结构设计。
附图说明
图1是本发明提出的开关磁阻电机容错功率变换器设计方法的步骤图。
图2是本发明具体实施方式中给定的开关磁阻电机功率变换器。
图3是本发明具体实施方式中给定的开关磁阻电机功率变换器对应的有向图。
图4是本发明具体实施方式得到的开关磁阻电机容错功率变换器。
具体实施方式
根据步骤1，给定的开关磁阻电机功率变换器选择为三相不对称半桥功率变换器，如图2所示。该功率变换器由电压源e和三相桥臂构成，其所接负载为电机绕组L1、L2、L3，其电路节点用数字1-8编号。其中，第一相桥臂由开关管T1、T2，续流二极管D7、D8，反并联二极管D1、D2构成，其所接负载为绕组L1；第二相桥臂由开关管T3、T4，续流二极管D9、D10，反并联二极管D3、D4构成，其所接负载为绕组L2；第三相桥臂由开关管T5、T6，续流二极管D11、D12，反并联二极管D5、D6构成，其所接负载为绕组L3。开关管T1、T2、T3、T4、T5、T6采用集成有反并联二极管的IGBT，反并联二极管D1、D2、D3、D4、D5、D6分别集成开关管T1、T2、T3、T4、T5、T6中。在图2开关磁阻电机功率变换器对应的有向图如图3所示。该有向图节点用数字1-8编号，与电路节点一一对应。其中，电压源e对应有向边e12和e21，开关管T1对应有向边T13，开关T2对应有向边T42，开关管T3对应有向边T15，开关管T4对应有向边T62，开关管T5对应有向边T17，开关管T6对应有向边T82，反并联二极管D1对应有向边D31，反并联二极管D2对应有向边D24，反并联二极管D3对应有向边D51，反并联二极管D4对应有向边D26，反并联二极管D5对应有向边D71，反并联二极管D6对应有向边D28，续流二极管D7对应有向边D41，续流二极管D8对应有向边D23，续流二极管D9对应有向边D61，续流二极管D10对应有向边D25，续流二极管D11对应有向边D81，续流二极管D12对应有向边D27，绕组L1对应有向边L34和L43，绕组L2对应有向边L56和L65，绕组L3对应有向边L78和L87。e12、e21、T13、T15、T17、T42、T62、T82、D23、D24、D25、D26、D27、D28、D31、D41、D51、D61、D71、D81、L34、L43、L56、L65、L78、L87均为有向边的权值，该权值被定义为布尔变量。该有向图的连接矩阵C为：
Figure BDA0002357488190000021
根据步骤2，给定的条件为：功率变换器的每一相增加一个不带反并联二极管的IGBT，一共增加三个不带反并联二极管的IGBT。
根据步骤3，满足步骤3限制条件的所述IGBT的位置组合有8组，分别为(35,57,73)，(36,58,74)，(37,53,75)，(38,54,76)，(45,67,83)，(46,68,84)，(47,63,85)，(48,64,86)。其中，一个括号代表一种IGBT的位置组合，括号中的一个数字代表两个节点，例如，(35,57,73)表示分别在节点3和节点5，节点5和节点7，节点7和节点3之间添加一个IGBT，开关的导通方向分别为节点3到节点5,节点5到节点7,节点7到节点3。以(35,57,73)组合为例，其连接矩阵为：
Figure BDA0002357488190000031
根据步骤4，计算C′(35,57,73)+E，C′(36,58,74)+E，C′(37,53,75)+E，C′(38,54,76)+E，C′(45,67,83)+E，C′(46,68,84)+E，C′(47,63,85)+E，C′(48,64,86)+E的减1布尔行列式。
根据步骤5，由IGBT位置组合(35,57,73)构造的励磁回路有6个，退磁回路18个，零电压续流回路51个。6个励磁回路为L34*T42*T15*T57*T73*e21，L56*T62*T17*T35*T73*e21，L78*T13*T82*T35*T57*e21，L34*T42*T17*T73*e21，L56*T13*T62*T35*e21，L78*T15*T82*T57*e21，其中，L34*T42*T15*T57*T73*e21代表一条经过有向边L34、T42、T15、T57、T73和e21的回路，其余项表达的意义相同，并且在下文中沿用该回路表达方式。注意到，这6个回路全部都是上桥臂开关管的替代回路。因此，IGBT位置组合(35,57,73)不能构造出理想的容错结构。同理，IGBT位置组合(37,53,75)也不能构造出理想的容错结构。IGBT位置组合(46,68,84)和(48,64,86)构造的6个励磁回路全部都是下桥臂开关管的替代回路，也不能构造出理想的容错结构。
由IGBT位置组合(36,58,74)构造的励磁回路有6个，退磁回路24个，零电压续流回路61个。6个励磁回路为L43*T17*T36*T62*T74*e21，L65*T13*T36*T58*T82*e21，L87*T15*T42*T58*T74*e21，L43*L65*T17*T36*T58*T74*T82*e21，L43*L87*T15*T36*T58*T62*T74*e21，L65*L87*T13*T36*T42*T58*T74*e21。励磁回路L43*L65*T17*T36*T58*T74*T82*e21，L43*L87*T15*T36*T58*T62*T74*e21，L65*L87*T13*T36*T42*T58*T74*e21均包含两个绕组，对于开关磁阻电机，这种回路会影响相独立控制。励磁回路L43*T17*T36*T62*T74*e21，L65*T13*T36*T58*T82*e21，L87*T15*T42*T58*T74*e21可以保证上、下桥臂开关管断路故障时的正常励磁。
由IGBT位置组合(38,54,76)构造的励磁回路6个，退磁回路24个，零电压续流回路61个。6个励磁回路为L43*T15*T38*T54*T82*e21，L65*T17*T42*T54*T76*e21，L87*T13*T38*T62*T76*e21，L43*L65*T17*T38*T54*T76*T82*e21，L43*L87*T15*T38*T54*T62*T76*e21，L65*L87*T13*T38*T42*T54*T76*e21。励磁回路L43*L65*T17*T38*T54*T76*T82*e21，L43*L87*T15*T38*T54*T62*T76*e21，L65*L87*T13*T38*T42*T54*T76*e21均包含两个绕组，对于开关磁阻电机，这种回路会影响相独立控制。励磁回路L43*T15*T38*T54*T82*e21，L65*T17*T42*T54*T76*e21，L87*T13*T38*T62*T76*e21可以保证上、下桥臂开关管断路故障时的正常励磁。
IGBT位置组合(45,67,83)增加的励磁回路有6个，退磁回路24个，零电压续流回路61个。其中励磁回路为L34*L56*L78*T13*T45*T67*T82*e21，L34*L56*L78*T15*T42*T67*T83*e21，L34*L56*L78*T17*T45*T62*T83*e21，L34*L56*T13*T45*T62*e21，L34*L78*T17*T42*T83*e21，L56*L78*T15*T67*T82*e21。这些回路均包含两个绕组，对于开关磁阻电机，这种回路会影响相独立控制。因此，该IGBT位置组合构造的电路不是理想的。
IGBT位置组合(47,63,85)增加的励磁回路有6个，退磁回路24个，零电压续流回路61个。其中励磁回路为L34*L56*L78*T13*T47*T62*T85*e21，L34*L56*L78*T15*T47*T63*T82*e21，L34*L56*L78*T17*T42*T63*T85*e21，L34*L56*T15*T42*T63*e21，L34*L78*T13*T47*T82*e21，L56*L78*T17*T62*T85*e21。这些回路均包含两个绕组，对于开关磁阻电机，这种回路会影响相独立控制。因此，该IGBT位置组合构造的电路不是理想的。
综上分析可知，以不对称半桥功率变换器为开关磁阻电机功率变换器，在每相只增加一个IGBT的情况下，根据所述选择条件，得到IGBT位置组合(36,58,74)，(38,54,76)。IGBT位置组合(36,58,74)对应的开关磁阻电机容错功率变换器如图4所示，图4在图2的基础上增加了开关管T7、T8、T9。
可以验证：以不对称半桥功率变换器为开关磁阻电机功率变换器，在每相只增加一个IGBT的情况下，图4所示开关磁阻电机容错功率变换器容错性能最好。

Claims (8)

1.一种开关磁阻电机容错功率变换器的设计方法，其特征在于：该设计方法包括以下步骤：
步骤1、给定一个开关磁阻电机功率变换器，该功率变换器包括开关管和二极管，将该功率变换器和其负载构成的电路用有向图表示，其中电流可双向流通的元件用两条方向相反的有向边表示，有向元件用一条有向边表示，有向边方向为电流可流通方向；用数字对该有向图的节点进行编号，有向边的权值用符号Xij表示并将其定义为布尔变量，其中X表示有向边对应的元件符号，i表示有向边的起始节点，j表示有向边的终端节点；用连接矩阵C＝[cxy]表达有向图，其中cxy表示连接矩阵的元素，x为对应的行号，y为对应的列号，其中连接矩阵C中的元素定义如下：
Figure FDA0002357488180000011
步骤2、给定一个条件：在所述功率变换器中增加多个电路元件；
步骤3、在限制条件下，将所述增加的电路元件连接在所述功率变换器的两个电路节点之间；所述限制条件为：增加的电路元件不能互相并联或反并联，不能并联或反并联在所述功率变换器中的电路元件的两端，不能并联或反并联在所述功率变换器的负载的两端，其连接的两个电路节点不能相同；用步骤1的方式将所述增加的多个电路元件用有向边表示，在步骤2的给定条件下，增加的多个电路元件连接在不同的电路节点之间将产生不同的位置组合，其对应的有向边组合也不同，列出所有增加的有向边的组合，然后将增加的有向边用连接矩阵C中的元素表示，得到连接矩阵C′，一个增加的有向边组合对应一个连接矩阵C′；
步骤4、将所述连接矩阵C′和单位对角阵E相加得到矩阵C′+E；计算C′+E的减1布尔行列式，其中，减1布尔行列式的定义为：设矩阵A为一个电路对应的连接矩阵，那么A+E的减1布尔行列式为A+E的积和式减1经过布尔运算得到的计算结果；
步骤5、由C′+E的减1布尔行列式可知因增加电路元件而增加的电路回路；给定选择条件：条件1、增加的电路元件能够在作用上替代最多的所述功率变换器中的电路元件；条件2、所述增加的电路回路包括的励磁回路、续流回路、退磁回路之和最多；条件1的优先级高于条件2；根据所述选择条件得到一个增加的电路元件位置组合，然后得到相应的开关磁阻电机容错功率变换器。
2.根据权利要求1所述的开关磁阻电机容错功率变换器的设计方法，其特征在于，步骤1所述的开关磁阻电机功率变换器为不对称半桥功率变换器、双绕组功率变换器、双极性直流电源功率变换器、C-Dump型功率变换器、Miller功率变换器其中之一。
3.根据权利要求1所述的开关磁阻电机容错功率变换器的设计方法，其特征在于，步骤1所述的开关磁阻电机功率变换器的开关管类型为门极关断晶闸管(GTO)、双极型晶体管(BJT)、功率MOS场效应晶体管(power MOSFET)、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)其中之一。
4.根据权利要求1所述的开关磁阻电机容错功率变换器的设计方法，其特征在于，步骤2所述的增加的多个电路元件的类型为开关管、电阻、电感器、电容器、二极管中的一种或多种。
5.根据权利要求4所述的开关磁阻电机容错功率变换器的设计方法，其特征在于，增加的开关管类型为门极关断晶闸管(GTO)、双极型晶体管(BJT)、功率MOS场效应晶体管(powerMOSFET)、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)其中之一。
6.根据权利要求1所述的开关磁阻电机容错功率变换器的设计方法，其特征在于，取消步骤3的限制条件。
7.根据权利要求1所述的开关磁阻电机容错功率变换器的设计方法，其特征在于，步骤5的选择条件为：对步骤1所述功率变换器的电路元件进行可靠性分析，增加的电路元件中能够在作用上替代步骤1所述功率变换器中可靠性最低电路元件的数目最多。
8.根据权利要求1所述的开关磁阻电机容错功率变换器的设计方法，其特征在于，步骤5的选择条件为：所述增加的电路回路数目最多。
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