CN113890434B - 动态切换实现励磁变换器容错控制的电励磁双凸极电机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种动态切换实现励磁变换器容错控制的电励磁双凸极电机，涉及电励磁双凸极电机领域，该电励磁双凸极电机在励磁变换器开路故障时，从正常发电运行时导通的两个开关管切换至另外两个开关管导通进行容错发电运行，并在励磁电流从当前方向的目标电流绝对值减少至0并增大至相反方向的目标电流绝对值的过程中，控制所述主功率驱动电路中的IGBT开关的通断调整三相电枢绕组中各相的工作状态以控制输出电压稳定在目标电压值，保证在励磁电流切换过程中输出功率基本不变，提高了电励磁双凸极电机在航空航天、汽车等重要场合下发电的可靠性，适合多象限运行的电励磁双凸极电机。
Description
技术领域
本发明涉及电励磁双凸极电机领域，尤其是一种动态切换实现励磁变换器容错控制的电励磁双凸极电机。
背景技术
电励磁双凸极电机是一种由位置传感器、主功率变换器、励磁功率电路、控制器和凸极定转子结构的电机本体组成的新式电机。电励磁双凸极电机的励磁功率电路的主要功能是通过励磁变换器把直流励磁电源转换成电机励磁绕组的直流输入电流，控制器控制相应功率管的占空比，调节励磁电流实现对电机输出电压的控制。
励磁功率电路的开路故障是制约电机驱动系统稳定运行的关键因素，因此目前有不少针对励磁功率电路的开路故障进行容错控制的技术，包括：史立伟等公开的“电励磁双凸极电机励磁故障容错发电系统及其控制方法”(中国，授权日：2017年5月17日，授权号：CN104579067B)在三相全桥基础上添加冗余桥臂构成三相四桥臂变换器，通过给三相四桥臂变换器给每相交替通以正向和负向的励磁电流，实现电机励磁故障的容错发电功能。周兴伟等公开的“一种四相电励磁双凸极电机失磁故障容错发电方法”(中国，授权日：2019年6月4日，授权号：CN107147339B)通过添加一个冗余桥臂结合四相电机自感时刻随转子位置变换的特点提出一种新的控制方法，实现失磁故障容错发电。温腾翔等公开的“电励磁双凸极电机励磁故障容错发电系统及其控制方法”(中国，授权日：2020年11月6日，授权号：CN201711235101.7)也提出了直接使用三相全桥变换器，通过控制功率变换器的IGBT开关为每相提供正负交替的电流以实现失磁故障发电的功能，该方法无需增加新的桥臂，主功率电路结构简单，成本较低。王开淼等公开的“电励磁双凸极电机失磁故障容错发电系统及其控制方法”(中国，公开日：2019年3月8日，公开号：CN109450340A)还提出了使用H桥变换器，该方法通过12个IGBT开关将三相绕组独立开来，每相单独进行励磁和发电。此外，赵峰等公开的“电励磁双凸极电机失磁故障容错发电系统及其控制方法”(中国，公开日：20200417，公开号：CN111030554A)提出了在原三相全桥拓扑的基础上引入两电容，构成分裂电容式拓扑，同时两电容也作为储能电容存在，在励磁故障发生前，通过三相全桥拓扑以传统不控整流发电方式进行发电，在励磁故障发生后，切换至故障发电模式通过分裂电容式拓扑进行容错发电。
由上述列举可知，目前针对励磁功率电路的容错控制主要是集中考虑励磁绕组的故障，主要的做法都是在励磁绕组故障下切断直流励磁电源进行容错控制，输出功率不高，而且在电励磁双凸极电机的励磁功率电路中，励磁变换器以及励磁绕组都是薄弱环节，但目前并没有针对励磁变换器故障的容错发电控制。
发明内容
本发明人针对上述问题及技术需求，提出了一种动态切换实现励磁变换器容错控制的电励磁双凸极电机，本发明的技术方案如下：
一种动态切换实现励磁变换器容错控制的电励磁双凸极电机，应用于发电控制中，该电励磁双凸极电机包括主功率驱动电路、励磁侧电源、H桥励磁变换器、控制器和凸极定转子结构；控制器连接并控制主功率驱动电路和H桥励磁变换器中各个IGBT开关的通断；
主功率驱动电路连接并驱动凸极定转子结构中的三相电枢绕组，励磁侧电源连接H桥励磁变换器的直流侧，H桥励磁变换器的两个桥臂的中间点连接凸极定转子结构中的励磁绕组的出线端；
当H桥励磁变换器正常工作时，控制器控制H桥励磁变换器中的第一组IGBT开关中的两个IGBT开关处于导通状态、第二组IGBT开关中的两个IGBT开关处于关断状态，控制器通过主功率驱动电路进行不控整流发电，并通过对第一组IGBT开关斩波控制励磁绕组中的励磁电流；
当检测到H桥励磁变换器开路故障时，控制器切换至封锁第一组IGBT开关的导通信号并导通第二组IGBT开关，控制器对第二组IGBT开关进行斩波控制励磁绕组中的励磁电流，并在励磁电流从当前方向的目标电流绝对值减少至0并增大至相反方向的目标电流绝对值的过程中，控制主功率驱动电路中的IGBT开关的通断调整三相电枢绕组中各相的工作状态以控制输出电压稳定在目标电压值。
本发明的有益技术效果是：
本申请公开了一种动态切换实现励磁变换器容错控制的电励磁双凸极电机，主要应用于容错发电控制中。该电励磁双凸极电机在励磁变换器开路故障时，从正常发电运行时导通的两个开关管切换至另外两个开关管导通进行容错发电运行，保证了励磁电流(规定容错前励磁电流为正向)从正向电流逐渐减小为零并反向逐渐增大到所需励磁电流的时间内的电压稳定，可以保证励磁变换器切换前后输出功率保持不变，显著提高了电励磁双凸极电机在航空航天、汽车等重要场合下发电的可靠性，适合多象限运行的电励磁双凸极电机。同时该电励磁双凸极电机也可以在励磁绕组故障时进行失磁发电运行。
附图说明
图1是本申请的电励磁双凸极电机的结构示意图。
图2是基于图1所示的电路结构在进行励磁变换器容错发电控制时，励磁变换器容错前后控制逻辑以及t1时间内三相桥式变换器中各个IGBT开关的控制逻辑示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。
本申请公开了一种动态切换实现励磁变换器容错控制的电励磁双凸极电机，请参考图1，该电励磁双凸极电机包括主功率驱动电路、励磁侧电源Uf、H桥励磁变换器、控制器和凸极定转子结构。凸极定转子结构包括定子和转子，定子上安装有三相电枢绕组(包括A相绕组La、B相绕组Lb和C相绕组Lc)和励磁绕组Lf。励磁侧电源Uf连接H桥励磁变换器的直流侧，H桥励磁变换器的两个桥臂的中间点连接凸极定转子结构中的励磁绕组Lf的出线端。
具体的，如图1所示，H桥励磁变换器包括IGBT开关T7和IGBT开关T8反向串联构成的第一桥臂、IGBT开关T9和IGBT开关T10反向串联构成的第二桥臂，其中IGBT开关T7和T9位于上桥臂，IGBT开关T8和T10位于下桥臂。每个IGBT开关包括一个开关管及反向并联于开关管两端的二极管，比如具体的对于H桥励磁变换器中的第一桥臂，T7的集电极连接励磁侧电源Uf的正极、发射极连接T8的集电极，T8的发射极连接励磁侧电源Uf的负极，二极管D7的阳极连接T7的发射极、阴极连接T7的集电极，二极管D8的阳极连接T8的发射极、阴极连接T8的集电极，同理第二桥臂的具体连接结构类似，且后续主功率驱动电路中的桥臂连接也类似，后续不再详细描述。H桥励磁变换器的第一桥臂的中间点连接励磁绕组Lf的一端，H桥励磁变换器的第二桥臂的中间点连接励磁绕组Lf的另一端。控制器连接并控制H桥励磁变换器提供相应的驱动信号，以控制H桥励磁变换器中各个IGBT开关的通断。
主功率驱动电路连接并驱动凸极定转子结构中的三相电枢绕组，控制器连接并控制主功率驱动电路提供相应的驱动信号，以控制主功率驱动电路中各个IGBT开关的通断。具体的，主功率驱动电路包括三相桥式变换器、负载侧储能电容C和负载R，负载侧储能电容C和负载R并联并连接三相桥式变换器的直流侧，三相电枢绕组采用星型连接，三相桥式变换器的三个桥臂的中间点分别连接三相电枢绕组的出线端。如图1所示，三相桥式变换器包括IGBT开关T1和IGBT开关T4反向串联构成的第一桥臂、IGBT开关T3和IGBT开关T6反向串联构成的第二桥臂、以及IGBT开关T5和IGBT开关T2反向串联构成的第三桥臂，IGBT开关T1、T3和T5分别位于相应桥臂的上桥臂，IGBT开关T4、T6和T2分别位于相应桥臂的下桥臂。三相桥式变换器的第一桥臂的中间点连接A相绕组，三相桥式变换器的第二桥臂的中间点连接B相绕组，三相桥式变换器的第三桥臂的中间点连接C相绕组。控制器连接并控制三相桥式变换器提供相应的驱动信号，以控制三相桥式变换器中各个IGBT开关的通断。
除此之外，该电励磁双凸极电机中还设置有各种传感器连接到控制器以获取各种参数值，具体的：位置传感器设置在凸极定转子结构中用于采集转子位置信号θ，励磁绕组Lf处设置电流传感器以采集励磁绕组电流if，三相电枢绕组分别设置电流传感器以采用三相相绕组电流ia、ib、ic，负载R处设置有电压传感器以采集负载电压U0。
结合图1所示的结构，对该电励磁双凸极电机的工作过程介绍如下：
一、H桥励磁变换器正常发电工作时。
当H桥励磁变换器正常发电工作时，控制器控制H桥励磁变换器中的第一组IGBT开关中的两个IGBT开关处于导通状态、第二组IGBT开关中的两个IGBT开关处于关断状态，控制器通过主功率驱动电路利用二极管进行不控整流发电，并通过对第一组IGBT开关斩波控制励磁绕组Lf中的励磁电流。
基于图1示出的这种结构，第一组IGBT开关包括IGBT开关T8和T9，第二组IGBT开关包括IGBT开关T7和T10，也即T8和T9导通，T7和T10一直关断。
二、H桥励磁变换器开路故障时。
当H桥励磁变换器发生开路故障时，进入容错发电控制模式，控制器切换至封锁第一组IGBT开关的导通信号并导通第二组IGBT开关，也即切换到采用另外两个IGBT开关进行容错。在本申请中，也即切换到封锁T8和T9的导通信号，同时控制T7和T10开通。此时控制器对第二组IGBT开关、也即T7和T10进行斩波控制励磁绕组中的励磁电流。
在进入容错发电控制模式后，励磁电流会从当前方向的目标电流绝对值减少至0，并反向增大至相反方向的目标电流绝对值，假设规定容错前为励磁电流正向，则励磁电流会从正向电流逐渐减小为0再增大到反向的所需的励磁电流值。假设励磁电流从当前方向的目标电流绝对值减少至0并增大至相反方向的目标电流绝对值的过程的时长为t1，t1＝f(Uf,Lf,Rf,U0,R)通过离线计算获得，Lf是励磁绕组的励磁自感，Rf是励磁绕组的内阻。这一阶段励磁电流不可控且小于所需励磁电流值，导致输出电压在t1时长内下降且不可控，因此控制器控制主功率驱动电路中的IGBT开关的通断调整三相电枢绕组中各相的工作状态，通过配合三相桥式变换器的开关管动作使得输出电压提升，以控制输出电压稳定在目标电压值。
具体的，控制器将输出电压与目标电压值进行PI调节得到励磁导通角度给定值，并按照励磁导通角度给定值控制主功率驱动电路中的IGBT开关的通断以调整三相电枢绕组中各相的工作状态；并在输出电压低于目标电压值时增大励磁导通角度给定值，在输出电压高于目标电压值时减小励磁导通角度给定值。
控制器在控制主功率驱动电路中的IGBT开关的通断调整三相电枢绕组中各相的工作状态时，在每两个电感周期形成的一个控制周期内，除了控制各相电枢绕组在相应的电机电角度范围内进行正向发电和负向发电之外，还控制各相电枢绕组在相应的电机电角度范围内进行正向励磁和负向励磁，使得每相电枢绕组在两个电感周期下有正向励磁、正向发电、负向励磁、负向发电四个状态，每相电枢绕组的励磁电流由当前处于正向发电和/或负向发电的电枢绕组以及负载侧储能电容C联合提供。
具体做法是，基于θ1和θ2对一个控制周期划分若干个电机电角度范围，控制器根据当前所处的电机电角度范围内通过主功率驱动电路控制相应的电枢绕组进行正向励磁或负向励磁，当通过电流传感器检测到H桥励磁变换器出现开路故障时，θ1为三相电枢绕组的开通角、θ2为三相电枢绕组的关断角，θ1+120°<θ2。具体控制策略如下，同时提供了基于图1所示电路的开关管控制方案：
(1)当电机电角度在[0,θ1)范围内时，控制C相绕组负向励磁。在图1中通过控制IGBT开关T2导通实现。
(2)当电机电角度在[θ1,θ2-120°)范围内时，控制C相绕组负向励磁以及A相绕组正向励磁。在图1中通过控制IGBT开关T1和T2导通实现。
(3)当电机电角度在[θ2-120°,θ1+120°)范围内时，控制A相绕组正向励磁。在图1中通过控制IGBT开关T1导通、T2关断实现。
(4)当电机电角度在[θ1+120°,θ2)范围内时，控制A相绕组正向励磁以及B相绕组负向励磁。在图1中通过控制IGBT开关T1和T6导通实现。
(5)当电机电角度在[θ2,θ1+240°)范围内时，控制B相绕组负向励磁。在图1中通过控制IGBT开关T6导通、T1关断实现。
(6)当电机电角度在[θ1+240°,θ2+120°)范围内时，控制B相绕组负向励磁以及C相绕组正向励磁。在图1中通过控制IGBT开关T5和T6导通实现。
(7)当电机电角度在[θ2+120°,θ1+360°)范围内时，控制C相绕组正向励磁。在图1中通过控制IGBT开关T5导通、T6关断实现。
(8)当电机电角度在[θ1+360°,θ2+240°)范围内时，控制C相绕组正向励磁以及A相绕组负向励磁。在图1中通过控制IGBT开关T4和T5导通实现。
(9)当电机电角度在[θ2+240°,θ1+480°)范围内时，控制A相绕组负向励磁。在图1中通过控制IGBT开关T4导通、T5关断实现。
(10)当电机电角度在[θ1+480°,θ2+360°)范围内时，控制A相绕组负向励磁以及B相绕组正向励磁。在图1中通过控制IGBT开关T3和T4导通实现。
(11)当电机电角度在[θ2+360°,θ1+600°)范围内时，控制B相绕组正向励磁。在图1中通过控制IGBT开关T3导通、T4关断实现。
(12)当电机电角度在[θ1+600°,θ2+480°)范围内时，控制B相绕组正向励磁以及C相绕组负向励磁。在图1中通过控制IGBT开关T3和T2导通实现。
(13)当电机电角度在[θ2+480°,720°)范围内时，控制C相绕组负向励磁。在图1中通过控制IGBT开关T2导通、T3关断实现。
以两个电感周期720°电角度作为一个控制周期，按上述控制策略驱动三相桥式变换器中的开关管并以此在t1时长内循环，一个控制周期内的驱动信号示意如图2所示，可以实现电励磁双凸极电机在此时间内电压的平稳，在此阶段，通过控制主功率驱动电路中的IGBT开关的通断对各相电枢绕组的励磁电流进行斩波控制，和/或，对各相电枢绕组的起始励磁角的大小进行控制以控制各相电枢绕组的励磁时长，以调节输出电压稳定在目标电压值。
以上所述的仅是本申请的优选实施方式，本发明不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种动态切换实现励磁变换器容错控制的电励磁双凸极电机，应用于发电控制中，其特征在于，所述电励磁双凸极电机包括主功率驱动电路、励磁侧电源、H桥励磁变换器、控制器和凸极定转子结构；所述控制器连接并控制所述主功率驱动电路和所述H桥励磁变换器中各个IGBT开关的通断；
所述主功率驱动电路连接并驱动所述凸极定转子结构中的三相电枢绕组，所述励磁侧电源连接所述H桥励磁变换器的直流侧，所述H桥励磁变换器的两个桥臂的中间点连接所述凸极定转子结构中的励磁绕组的出线端；
当所述H桥励磁变换器正常工作时，所述控制器控制所述H桥励磁变换器中的第一组IGBT开关中的两个IGBT开关处于导通状态、第二组IGBT开关中的两个IGBT开关处于关断状态，所述控制器通过所述主功率驱动电路进行不控整流发电，并通过对所述第一组IGBT开关斩波控制所述励磁绕组中的励磁电流；
当检测到所述H桥励磁变换器开路故障时，所述控制器切换至封锁所述第一组IGBT开关的导通信号并导通所述第二组IGBT开关，所述控制器对所述第二组IGBT开关进行斩波控制所述励磁绕组中的励磁电流，并在励磁电流从当前方向的目标电流绝对值减少至0并增大至相反方向的目标电流绝对值的过程中，控制所述主功率驱动电路中的IGBT开关的通断调整三相电枢绕组中各相的工作状态以控制输出电压稳定在目标电压值。
2.根据权利要求1所述的电励磁双凸极电机，其特征在于，所述控制所述主功率驱动电路中的IGBT开关的通断调整三相电枢绕组中各相的工作状态以控制输出电压稳定在目标电压值，包括：
将输出电压与所述目标电压值进行PI调节得到励磁导通角度给定值，并按照所述励磁导通角度给定值控制所述主功率驱动电路中的IGBT开关的通断以调整三相电枢绕组中各相的工作状态；并在输出电压低于所述目标电压值时增大所述励磁导通角度给定值，在输出电压高于所述目标电压值时减小所述励磁导通角度给定值。
3.根据权利要求2所述的电励磁双凸极电机，其特征在于，所述主功率驱动电路包括三相桥式变换器、负载侧储能电容和负载，所述负载侧储能电容与负载并联并连接所述三相桥式变换器的直流侧，所述凸极定转子结构中的三相电枢绕组采用星型连接，所述三相桥式变换器的三个桥臂的中间点分别连接所述三相电枢绕组的出线端；
所述控制器在控制所述主功率驱动电路中的IGBT开关的通断调整三相电枢绕组中各相的工作状态时，在每两个电感周期形成的一个控制周期内，除了控制各相电枢绕组在相应的电机电角度范围内进行正向发电和负向发电之外，还控制各相电枢绕组在相应的电机电角度范围内进行正向励磁和负向励磁，每相电枢绕组的励磁电流由当前处于正向发电和/或负向发电的电枢绕组以及所述负载侧储能电容联合提供。
4.根据权利要求3所述的电励磁双凸极电机，其特征在于，所述控制器通过控制所述主功率驱动电路中的IGBT开关的通断对各相电枢绕组的励磁电流进行斩波控制，和/或，对各相电枢绕组的起始励磁角的大小进行控制以控制各相电枢绕组的励磁时长，从而调节输出电压稳定到所述目标电压值。
5.根据权利要求3所述的电励磁双凸极电机，其特征在于，所述三相电枢绕组包括采用星型连接的A相绕组、B相绕组和C相绕组，则：
当电机电角度在[0,θ1)范围内时，控制C相绕组负向励磁；
当电机电角度在[θ1,θ2-120°)范围内时，控制C相绕组负向励磁以及A相绕组正向励磁；
当电机电角度在[θ2-120°,θ1+120°)范围内时，控制A相绕组正向励磁；
当电机电角度在[θ1+120°,θ2)范围内时，控制A相绕组正向励磁以及B相绕组负向励磁；
当电机电角度在[θ2,θ1+240°)范围内时，控制B相绕组负向励磁；
当电机电角度在[θ1+240°,θ2+120°)范围内时，控制B相绕组负向励磁以及C相绕组正向励磁；
当电机电角度在[θ2+120°,θ1+360°)范围内时，控制C相绕组正向励磁；
当电机电角度在[θ1+360°,θ2+240°)范围内时，控制C相绕组正向励磁以及A相绕组负向励磁；
当电机电角度在[θ2+240°,θ1+480°)范围内时，控制A相绕组负向励磁；
当电机电角度在[θ1+480°,θ2+360°)范围内时，控制A相绕组负向励磁以及B相绕组正向励磁；
当电机电角度在[θ2+360°,θ1+600°)范围内时，控制B相绕组正向励磁；
当电机电角度在[θ1+600°,θ2+480°)范围内时，控制B相绕组正向励磁以及C相绕组负向励磁；
当电机电角度在[θ2+480°,720°)范围内时，控制C相绕组负向励磁；
其中，θ1为所述三相电枢绕组的开通角、θ2为所述三相电枢绕组的关断角，θ1+120°<θ2。
6.根据权利要求5所述的电励磁双凸极电机，其特征在于，所述三相桥式变换器包括IGBT开关T1和IGBT开关T4反向串联构成的第一桥臂、IGBT开关T3和IGBT开关T6反向串联构成的第二桥臂、以及IGBT开关T5和IGBT开关T2反向串联构成的第三桥臂，IGBT开关T1、T3和T5分别位于上桥臂，IGBT开关T4、T6和T2分别位于下桥臂；所述第一桥臂的中间点连接A相绕组，所述第二桥臂的中间点连接B相绕组，所述第三桥臂的中间点连接C相绕组；其中三相桥式变换器的每一个IGBT开关均反向并联一个二极管；
当电机电角度在[0,θ1)范围内时，控制IGBT开关T2导通使得C相绕组负向励磁；
当电机电角度在[θ1,θ2-120°)范围内时，控制IGBT开关T1和T2导通，使得C相绕组负向励磁以及A相绕组正向励磁；
当电机电角度在[θ2-120°,θ1+120°)范围内时，控制IGBT开关T1导通、T2关断，使得A相绕组正向励磁；
当电机电角度在[θ1+120°,θ2)范围内时，控制IGBT开关T1和T6导通，使得A相绕组正向励磁以及B相绕组负向励磁；
当电机电角度在[θ2,θ1+240°)范围内时，控制IGBT开关T6导通、T1关断，使得B相绕组负向励磁；
当电机电角度在[θ1+240°,θ2+120°)范围内时，控制IGBT开关T5和T6导通，使得B相绕组负向励磁以及C相绕组正向励磁；
当电机电角度在[θ2+120°,θ1+360°)范围内时，控制IGBT开关T5导通、T6关断，使得C相绕组正向励磁；
当电机电角度在[θ1+360°,θ2+240°)范围内时，控制IGBT开关T4和T5导通，使得C相绕组正向励磁以及A相绕组负向励磁；
当电机电角度在[θ2+240°,θ1+480°)范围内时，控制IGBT开关T4导通、T5关断，使得A相绕组负向励磁；
当电机电角度在[θ1+480°,θ2+360°)范围内时，控制IGBT开关T3和T4导通，使得A相绕组负向励磁以及B相绕组正向励磁；
当电机电角度在[θ2+360°,θ1+600°)范围内时，控制IGBT开关T3导通、T4关断，使得B相绕组正向励磁；
当电机电角度在[θ1+600°,θ2+480°)范围内时，控制IGBT开关T3和T2导通，使得B相绕组正向励磁以及C相绕组负向励磁；
当电机电角度在[θ2+480°,720°)范围内时，控制IGBT开关T2导通、T3关断，使得C相绕组负向励磁。
7.根据权利要求1所述的电励磁双凸极电机，其特征在于，所述H桥励磁变换器包括IGBT开关T7和IGBT开关T8反向串联构成的第一桥臂、IGBT开关T9和IGBT开关T10反向串联构成的第二桥臂，所述H桥励磁变换器的第一桥臂的中间点连接所述励磁绕组的一端，所述H桥励磁变换器的第二桥臂的中间点连接所述励磁绕组的另一端；IGBT开关T7和T9位于上桥臂，IGBT开关T8和T10位于下桥臂，则所述第一组IGBT开关包括IGBT开关T8和T9，所述第二组IGBT开关包括IGBT开关T7和T10，其中H桥励磁变换器每一个IGBT开关均反向并联一个二极管。
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