一種一相開(kāi)路時(shí)雙三相永磁同步電機(jī)的故障容錯(cuò)控制系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種一相開(kāi)路時(shí)雙三相永磁同步電機(jī)的故障容錯(cuò)控制系統(tǒng)，由雙三相永磁同步電機(jī)，具有故障隔離和容錯(cuò)功能的硬件驅(qū)動(dòng)電路，以及新型的容錯(cuò)控制策略組成，當(dāng)雙三相永磁同步電機(jī)的任意一相發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)能夠及時(shí)切除故障相，并能根據(jù)故障前的電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，選擇容錯(cuò)控制策略，實(shí)現(xiàn)雙三相永磁同步電機(jī)的容錯(cuò)控制功能。該容錯(cuò)控制系統(tǒng)具有硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高，魯棒性強(qiáng)，能夠根據(jù)系統(tǒng)故障前的電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，選擇最佳的容錯(cuò)控制策略，實(shí)現(xiàn)故障容錯(cuò)后系統(tǒng)的優(yōu)越控制性能等特點(diǎn)。
【專利說(shuō)明】一種一相開(kāi)路時(shí)雙三相永磁同步電機(jī)的故障容錯(cuò)控制系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及電氣傳動(dòng)領(lǐng)域，尤其是一種一相開(kāi)路時(shí)雙三相永磁同步電機(jī)的故障容錯(cuò)控制系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]三相交流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)一直在傳統(tǒng)傳動(dòng)系統(tǒng)中占有絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)。但是近幾年來(lái)，由于一些特殊的應(yīng)用場(chǎng)合如:航空航天，電動(dòng)/混合燃料車輛、艦船推進(jìn)系統(tǒng)等，對(duì)調(diào)速系統(tǒng)的可靠性和功率范圍提出了更高的要求。受制于電力電子器件的電壓和功率等級(jí)，在大功率場(chǎng)合中常采用電力電子器件的串聯(lián)、并聯(lián)的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)多電平大功率的輸出，但隨之而來(lái)的是電力電子器件的均壓和均流等問(wèn)題，影響了調(diào)速系統(tǒng)的整體可靠性；與多電平結(jié)構(gòu)相對(duì)應(yīng)的是多相結(jié)構(gòu)，通過(guò)增加電機(jī)的相數(shù)來(lái)提高電機(jī)的功率，實(shí)現(xiàn)低壓大功率調(diào)速。
[0003]相比與傳統(tǒng)的三電機(jī)，多相電機(jī)具有如下的優(yōu)點(diǎn):
[0004]I)在供電電壓幅值受限制的場(chǎng)合，可以采用多相電機(jī)實(shí)現(xiàn)低壓大功率傳動(dòng)；
[0005]2)多相電機(jī)隨著相數(shù)的增加，電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩更加平衡，脈動(dòng)更小，可以大大提高傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能；
[0006]2)系統(tǒng)的可靠性更高，具有較強(qiáng)的容錯(cuò)運(yùn)行能力；多相電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)中，隨著相數(shù)的增多，當(dāng)多相電機(jī)中的某一相繞組或幾相繞組發(fā)生短路或開(kāi)路故障時(shí)，或者電力電子變換器中的某一相或幾相發(fā)生短路或開(kāi)路故障時(shí)，通過(guò)容錯(cuò)控制，切除故障相，多相電機(jī)仍可運(yùn)行。
[0007]與感應(yīng)式電機(jī)相比，永磁同步電機(jī)具有高轉(zhuǎn)矩/慣量比、高功率密度、高效率等優(yōu)點(diǎn)。永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子采用永磁體，無(wú)勵(lì)磁電路，轉(zhuǎn)子無(wú)勵(lì)磁損耗和鐵損，簡(jiǎn)化了轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)，減小了電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，電機(jī)的效率和功率因數(shù)較高。隨著稀土永磁材料性能的不斷提高，永磁同步電機(jī)控制技術(shù)的不斷成熟，永磁同步電機(jī)已廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床，航空航天設(shè)備等高精度控制領(lǐng)域。
[0008]雙三相永磁同步電機(jī)將多相電機(jī)技術(shù)應(yīng)用于永磁同步電機(jī),使得雙三相永磁同步電機(jī)不僅具有永磁同步電機(jī)的特點(diǎn)，同時(shí)繼承了多相電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，將兩者進(jìn)行了很好的融
口 ο
[0009]對(duì)于多相電機(jī)的容錯(cuò)控制技術(shù)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)進(jìn)行了一定的研究，Yifan Zhao在它的博士論文中對(duì)六相感應(yīng)電機(jī)一相繞組開(kāi)路時(shí)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了深入的分析；法國(guó)研究人員Fnaiech，M A, Betin, F對(duì)六相感應(yīng)電機(jī)一相開(kāi)路時(shí)采用模糊控制或者滑模變結(jié)構(gòu)的控制策略進(jìn)行控制，來(lái)簡(jiǎn)化由于一相繞組開(kāi)路故障所造成的參數(shù)變化對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)的影響。Faa-Jeng Lin則通過(guò)TSKF模糊控制算法和FNN對(duì)雙三相永磁同步電機(jī)在一相繞組開(kāi)路的控制策略進(jìn)行了研究；國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)雙三相永磁同步電機(jī)的容錯(cuò)控制算法也進(jìn)行了一定研究，提出了 一些改進(jìn)的控制算法。但是這些控制硬件電路較為復(fù)雜，容錯(cuò)的控制策略對(duì)于系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型較為復(fù)雜，并且對(duì)參數(shù)的依賴性較大。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]本發(fā)明要解決上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，提供一種容錯(cuò)控制簡(jiǎn)單優(yōu)化的一相開(kāi)路時(shí)雙三相永磁同步電機(jī)的故障容錯(cuò)控制系統(tǒng)。
[0011]本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題采用的技術(shù)方案:這種一相開(kāi)路時(shí)雙三相永磁同步電機(jī)的故障容錯(cuò)控制系統(tǒng)，由雙三相永磁同步電機(jī)，具有故障隔離和容錯(cuò)功能的硬件驅(qū)動(dòng)電路，以及新型的容錯(cuò)控制策略組成，當(dāng)雙三相永磁同步電機(jī)的任意一相發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)能夠及時(shí)切除故障相，并能根據(jù)故障前的電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，選擇容錯(cuò)控制策略，實(shí)現(xiàn)雙三相永磁同步電機(jī)的容錯(cuò)控制功能。該容錯(cuò)控制系統(tǒng)具有硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高，魯棒性強(qiáng)，能夠根據(jù)系統(tǒng)故障前的電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，選擇最佳的容錯(cuò)控制策略，實(shí)現(xiàn)故障容錯(cuò)后系統(tǒng)的優(yōu)越控制性能等特點(diǎn)。
[0012]雙三相永磁同步電機(jī)的繞組依次為A、B、C和a、b、C，硬件驅(qū)動(dòng)電路由六個(gè)橋臂組成，每一個(gè)橋臂的組成自上而下分別為一個(gè)快速熔斷器、兩個(gè)全控型功率開(kāi)關(guān)器件和一個(gè)常閉繼電器，其中常閉繼電器的一端與功率開(kāi)關(guān)器件的中點(diǎn)相連接，另一端與雙三相永磁同步電機(jī)的對(duì)應(yīng)繞組相連接。
[0013]所述雙三相永磁同步電機(jī)中的兩套繞組的中性點(diǎn)ol和02隔離。其中作為非對(duì)稱結(jié)構(gòu)形式的兩套繞組ABC和abc，兩套繞組相差30度電角度。而作為對(duì)稱結(jié)構(gòu)形式的兩套繞組ABC和abc，兩套繞組相差60度電角度。
[0014]在一相開(kāi)路時(shí)，剩余的五相繞組可以等效為非對(duì)稱的雙中性點(diǎn)隔離的五相永磁同步電機(jī)，對(duì)于該非對(duì)稱的雙中性點(diǎn)隔離的五相永磁同步電機(jī)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型采用在旋轉(zhuǎn)d-q和自然坐標(biāo)混合坐標(biāo)系下進(jìn)行建模分析，對(duì)于正常的三相繞組采用d-q坐標(biāo)系下進(jìn)行建模分析，對(duì)于發(fā)生故障的那一套繞組，在自然坐標(biāo)系下將剩余兩相等效為單相永磁同步電機(jī)，并在此混合坐標(biāo)下建立非對(duì)稱五相永磁同步電機(jī)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型。
[0015]在電機(jī)正常工作時(shí)，對(duì)繞組ABC和abc采用雙d-q坐標(biāo)變換的控制算法；在任意一相發(fā)生故障時(shí)，當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩小于等于額定轉(zhuǎn)矩的50%時(shí)，通過(guò)將與該套繞組相連接的三個(gè)常閉繼電器打開(kāi)，將整套故障繞組切除出去，對(duì)正常的三相繞組采用三相永磁同步電機(jī)的矢量控制算法進(jìn)行容錯(cuò)，保證系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)性；在任意一相發(fā)生故障時(shí)，當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩大于額定轉(zhuǎn)矩的50%時(shí)，通過(guò)將與該相繞組相連接的那一個(gè)常閉繼電器打開(kāi)，將故障相切除出去，其它不作任何變化；對(duì)正常的三相繞組采用三相永磁同步電機(jī)的矢量控制算法進(jìn)行容錯(cuò)，對(duì)于發(fā)生故障的那一套繞組，剩余兩相可以等效為單相永磁同步電機(jī)，即將剩余的五相繞組等效為一個(gè)三相永磁同步電機(jī)的和一個(gè)單相永磁同步電機(jī)，實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)控制，提高容錯(cuò)的轉(zhuǎn)矩輸出能力。
[0016]發(fā)明有益的效果是:本發(fā)明與現(xiàn)有的技術(shù)相比，容錯(cuò)控制的硬件電路更加簡(jiǎn)單，雙三相永磁同步電機(jī)的故障前和故障后的切換也變的更加簡(jiǎn)單和優(yōu)化；故障后的容錯(cuò)控制策略更加簡(jiǎn)便有效；整個(gè)容錯(cuò)控制系統(tǒng)具有更加優(yōu)越的性能。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0017]圖1雙三相永磁同步電機(jī)非對(duì)稱結(jié)構(gòu)形式的繞組結(jié)構(gòu)圖；
[0018]圖2雙三相永磁同步電機(jī)對(duì)稱結(jié)構(gòu)形式的繞組結(jié)構(gòu)圖；
[0019]圖3 —相開(kāi)路時(shí)雙三相永磁同步電機(jī)非對(duì)稱結(jié)構(gòu)形式的的繞組結(jié)構(gòu)圖；[0020]圖4 一相開(kāi)路時(shí)雙三相永磁同步電機(jī)對(duì)稱結(jié)構(gòu)形式的的繞組結(jié)構(gòu)圖；
[0021]圖5具有容錯(cuò)功能的雙三相永磁同步電機(jī)硬件控制系統(tǒng)；
[0022]圖6正常工作時(shí)雙三相永磁同步電機(jī)的控制系統(tǒng)框圖；
[0023]圖7 —相開(kāi)路時(shí)雙三相永磁同步電機(jī)的控制系統(tǒng)框圖；
【具體實(shí)施方式】
[0024]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明:
[0025]一相開(kāi)路時(shí)雙三相永磁同步電機(jī)的故障容錯(cuò)控制系統(tǒng)，由雙三相永磁同步電機(jī)，具有故障隔離和容錯(cuò)功能的硬件驅(qū)動(dòng)電路，以及新型的容錯(cuò)控制策略組成。其中具有容錯(cuò)功能的雙三相永磁同步電機(jī)硬件控制系統(tǒng)如圖5所示；其特征在于該硬件系統(tǒng)由六個(gè)橋臂組成，以A相橋臂為例，每一個(gè)橋臂的組成自上而下分別為一個(gè)快速熔斷器FTF_A、兩個(gè)全控型功率開(kāi)關(guān)器件S1、S2，和一個(gè)常閉繼電器KA，其中常閉繼電器KA的一端與功率開(kāi)關(guān)器件的中點(diǎn)相連接，另一端與雙三相永磁同步電機(jī)的A相繞組相連接。其余5相繞組的連接方式與A相繞組相同。
[0026]雙三相永磁同步電機(jī)的繞組依次為A、B、C和a、b、C，兩套繞組的中性點(diǎn)ol和o2隔離；圖1所示的兩套繞組ABC和abc為非對(duì)稱結(jié)構(gòu)形式,兩套繞組相差30度電角度。圖2所示的兩套繞組ABC和abc為對(duì)稱結(jié)構(gòu)形式，兩套繞組相差60度電角度。
[0027]一、對(duì)于電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)，故障的類型主要有功率開(kāi)關(guān)器件的短路和開(kāi)路以及電機(jī)相繞組的匝間短路和開(kāi)路這四種情況。如圖5所示以c相為例，對(duì)上述四種情況進(jìn)行分析，當(dāng)c相功率開(kāi)關(guān)器件Sll和S12發(fā)生短路故障時(shí)，F(xiàn)TF_c將快速熔斷，保護(hù)功率器件，同時(shí)將封鎖Sll和S12開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，并打開(kāi)常閉繼電器Kc隔離故障相c相；當(dāng)c相功率開(kāi)關(guān)器件Sll或S12發(fā)生開(kāi)路故障時(shí)，封鎖Sll和S12開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，并打開(kāi)常閉繼電器Kc隔離故障相c相；當(dāng)c相繞組發(fā)生匝間短路故障時(shí)，封鎖Sll和S12開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，并打開(kāi)常閉繼電器Kc隔離故障相c相；當(dāng)c相繞組發(fā)生開(kāi)路故障時(shí)，封鎖Sll和S12開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，并打開(kāi)常閉繼電器Kc隔離故障相c相。
[0028]由上可知，c相繞組無(wú)論發(fā)生上述四種故障情況的哪一種，最終都將通過(guò)繼電器Kc將該故障相隔離出來(lái)，從而保證了當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，能夠隔離故障，進(jìn)行容錯(cuò)控制，防止故障的漫延。從電機(jī)容錯(cuò)控制的角度講，這四種故障最終都等效為一相繞組的開(kāi)路故障問(wèn)題。因此下面將對(duì)雙三相永磁同步電機(jī)的正常運(yùn)行時(shí)以及一相開(kāi)路故障時(shí)的數(shù)學(xué)模型和容錯(cuò)控制策略進(jìn)行分析。
[0029]二、正常工作時(shí)，如圖1、2所示，雙三相永磁同步電機(jī)在雙d-q坐標(biāo)系下的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型如下:
[0030]電壓方稈為:
【權(quán)利要求】
1.一種一相開(kāi)路時(shí)雙三相永磁同步電機(jī)的故障容錯(cuò)控制系統(tǒng)，由雙三相永磁同步電機(jī)，具有故障隔離和容錯(cuò)功能的硬件驅(qū)動(dòng)電路，以及新型的容錯(cuò)控制策略組成，其特征是:當(dāng)雙三相永磁同步電機(jī)的任意一相發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)能夠及時(shí)切除故障相，并能根據(jù)故障前的電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，選擇容錯(cuò)控制策略，實(shí)現(xiàn)雙三相永磁同步電機(jī)的容錯(cuò)控制功能。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一相開(kāi)路時(shí)雙三相永磁同步電機(jī)的故障容錯(cuò)控制系統(tǒng)，其特征是:雙三相永磁同步電機(jī)的繞組依次為A、B、C和a、b、c，硬件驅(qū)動(dòng)電路由六個(gè)橋臂組成，每一個(gè)橋臂的組成自上而下分別為一個(gè)快速熔斷器、兩個(gè)全控型功率開(kāi)關(guān)器件和一個(gè)常閉繼電器，其中常閉繼電器的一端與功率開(kāi)關(guān)器件的中點(diǎn)相連接，另一端與雙三相永磁同步電機(jī)的對(duì)應(yīng)繞組相連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一相開(kāi)路時(shí)雙三相永磁同步電機(jī)的故障容錯(cuò)控制系統(tǒng)，其特征是:所述雙三相永磁同步電機(jī)中的兩套繞組的中性點(diǎn)ol和o2隔離。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一相開(kāi)路時(shí)雙三相永磁同步電機(jī)的故障容錯(cuò)控制系統(tǒng)，其特征是:所述雙三相永磁同步電機(jī)中的兩套繞組ABC^Pabc為非對(duì)稱結(jié)構(gòu)形式，兩套繞組相差30度電角度。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一相開(kāi)路時(shí)雙三相永磁同步電機(jī)的故障容錯(cuò)控制系統(tǒng)，其特征是:所述雙三相永磁同步電機(jī)中的兩套繞組ABC和abc為對(duì)稱結(jié)構(gòu)形式，兩套繞組相差60度電角度。
6.根據(jù)權(quán)利要求3、4或5所述的一相開(kāi)路時(shí)雙三相永磁同步電機(jī)的故障容錯(cuò)控制系統(tǒng)，其特征是:在一相開(kāi)路時(shí)，剩余的五相繞組可以等效為非對(duì)稱的雙中性點(diǎn)隔離的五相永磁同步電機(jī)，對(duì)于該非對(duì)稱的雙中性點(diǎn)隔離的五相永磁同步電機(jī)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型采用在旋轉(zhuǎn)d_q和自然坐標(biāo)混合坐標(biāo)系下進(jìn)行建模分析，對(duì)于正常的三相繞組采用d_q坐標(biāo)系下進(jìn)行建模分析，對(duì)于發(fā)生故障的那一套繞組，在自然坐標(biāo)系下將剩余兩相等效為單相永磁同步電機(jī)，并在此混合坐標(biāo)下建立非對(duì)稱五相永磁同步電機(jī)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一相開(kāi)路時(shí)雙三相永磁同步電機(jī)的故障容錯(cuò)控制系統(tǒng)，其特征是:在電機(jī)正常工作時(shí)，對(duì)繞組ABC和abc采用雙d-q坐標(biāo)變換的控制算法；在任意一相發(fā)生故障時(shí)，當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩小于等于額定轉(zhuǎn)矩的50%時(shí)，通過(guò)將與該套繞組相連接的三個(gè)常閉繼電器打開(kāi)，將整套故障繞組切除出去，對(duì)正常的三相繞組采用三相永磁同步電機(jī)的矢量控制算法進(jìn)行容錯(cuò)，保證系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)性；在任意一相發(fā)生故障時(shí)，當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩大于額定轉(zhuǎn)矩的50%時(shí)，通過(guò)將與該相繞組相連接的那一個(gè)常閉繼電器打開(kāi)，將故障相切除出去，其它不作任何變化；對(duì)正常的三相繞組采用三相永磁同步電機(jī)的矢量控制算法進(jìn)行容錯(cuò)，對(duì)于發(fā)生故障的那一套繞組，剩余兩相可以等效為單相永磁同步電機(jī)，即將剩余的五相繞組等效為一個(gè)三相永磁同步電機(jī)的和一個(gè)單相永磁同步電機(jī)，實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)控制。
【文檔編號(hào)】H02P6/00GK103501138SQ201310480349
【公開(kāi)日】2014年1月8日 申請(qǐng)日期:2013年10月14日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月14日
【發(fā)明者】王海兵, 壽金喬, 張政毓, 程俊 申請(qǐng)人:杭州銳方科技有限公司