CN103023411A - 一种开绕组电机的缺相容错驱动*** - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种开绕组电机的缺相容错驱动***，普通三相电机绕组首末端级联两个标称的两电平逆变器，一相绕组开路故障发生后，在线封锁故障相上桥臂的两个开关，下桥臂的两个开关管常“1”驱动，再经相电电流重构与有效冗余开关矢量重构调制后，维持稳定的转矩输出，实现驱动***的缺相容错运行，满足如电动汽车等高可靠性应用领域对***连续运行能力的要求；双电源供电的设计，可消除共模电压、零序电流对电子器件及电机的危险。该装置包括初级直流电压源(1)、初级电容(2)、初级逆变器(3)、次级直流电压源(4)、次级电容(5)、次级逆变器(6)、三相电机(7)、冗余开关矢量(8)。所述初级逆变器连接三相电机绕组的首端，次级逆变器连接到电机绕组的末端。

Description

一种开绕组电机的缺相容错驱动***

技术领域

本发明涉及一种新型开绕组电机的缺相容错驱动***，可应用于某些故障运行有较高要求的特殊应用场合，属于电机驱动技术。

背景技术

三相电机变频调速***以其优越的性能，在工业应用中起着举足轻重的作用。然而，在诸如航空航天，机车牵引甚至核工业等工业应用中，一旦三相电机某一相出现开路故障，譬如接线头松脱、导线过细烧断等不切断该相，将会导致灾难性的后果。在这些场合，***的可靠性和容错能力是一项最重要的指标，研究如何在缺相情况下能够继续运行而不至于停车，具有重要的现实意义。Takahashi I首次提出一种绕组开路型异步电机，三相绕组首末端级联2套逆变器，通过两个逆变器协调控制，提高异步电机的转矩响应速度和频带范围。标称两电平逆变器经级联后可控开关器件选择更多，存在容错冗余开关矢量组合状态，可实现三相电机的不间断运行，可避免事故和灾难发生，并维持稳定的转矩输出。因此，有必要提出一种新型开绕组电机的缺相容错驱动***。

发明内容

技术问题：本发明针对三相电机绕组开路后定子线圈不会产生旋转磁场，以及存在零序电流等特点，提出一种具有缺相容错功能的电机驱动***，解决电机缺相后转矩脉动和剩余两相电流重构等问题，本发明的内容是围绕一种新型开绕组电机的缺相容错驱动***性能而进行设计的。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明提供了一种开绕组电机的缺相容错驱动***，三相电机绕组首末端分别级联两个标称的两电平逆变器，***由两个直流电压源供电；

该容错驱动***包括初级直流电压源、初级电容、初级逆变器、次级直流电压源、次级电容、次级逆变器、三相电机、冗余开关矢量；初级电容、初级逆变器并联在初级直流电压源的两端，次级电容、次级逆变器并联在次级直流电压源的两端，三相电机初级的三个输入端分别接初级逆变器的三个输出端，三相电机次级的三个输入端分别接次级逆变器的的三个输出端，冗余开关矢量调制后产生6组开关信号，分别对应接初级逆变器和次级逆变器的6组基极控制端。

三相电机的绕组采用开路式结构，将传统Y型三相电机的中性点拆开，引出六根端线。

初级直流电压源和次级直流电压源均采用标称电压为120V的蓄电池组。

初级逆变器和次级逆变器均是标称的两电平电压型逆变器，级联后可工作在三电平区域。

故障相桥臂开关器件能使开路故障相绕组两端接地短接。

所述的冗余开关矢量，其中的容错控制***采用电压空间矢量脉宽调制的控制策略，由64种开关组合产生19个电压空间矢量，存在冗余开关矢量。

有益效果：

(1)级联逆变器结构相比常见二极管钳位型、飞跃电容型三电平逆变器拓扑结构，减小了功率器件的数量，不存在中点电压不平衡等问题，减小了驱动装置的体积、重量和制造成本。

(2)将传统三相电机绕组中性点分开，电机绕组独立工作，有效消除绕组之间的影响，提高电机自身的可靠性。

(3)级联逆变器结构能够在较低的开关频率下使输出电压的谐波含量减小，输出功率等级提高。

(4)两个直流电压源独立供电，避免共模电压、零序电流的产生对电子器件及电机的危害。

(5)不需要增加冗余开关器件，只需通过对冗余开关矢量的重构调制便可实现三相电机的缺相容错运行。

(6)从转矩脉动最小化和转矩最大化两个角度对剩余相电流进行重构，能维持稳定的转矩输出。

(7)封锁开路相上桥臂开关管驱动信号，常“1”驱动开路相下桥臂开关可消除故障绕组中的感应电势。

附图说明

图1为本发明结构示意图。

其中有：初级直流电压源1、初级电容2、初级逆变器3、次级直流电压源4、次级电容5、次级逆变器6、三相电机7、冗余开关矢量8。

图2表示为图1冗余开关矢量中的开关顺序。

其中有：初级逆变器(3)中A相桥臂的开关状态S_a、B相桥臂的开关状态S_b、C相桥臂的开关状态S_c；次级逆变器(6)中A相桥臂的开关状态S_A、B相桥臂的开关状态S_B、C相桥臂的开关状态S_C。开关状态值为1时表示所在相上桥臂导通，为O时表示所在相下桥臂导通。

图3为本发明的A相绕组开路后的容错冗余开关矢量分布图。

具体实施方式

下面将参照附图对本发明进行说明。

本发明提供的一种新型开绕组电机的缺相容错驱动***，将三相电机绕组中性点分开，首末端级联两个标称的两电平逆变器，一相绕组开路故障发生后，在线封锁故障相上桥臂的两个开关，下桥臂的两个开关管常“1”驱动，重构级联逆变器内在的冗余开关矢量，再对容错冗余开关矢量进行空间矢量调制，在矢量控制三相电机驱动***中对剩余两相电流进行重构。该装置包括初级直流电压源1、初级电容2、初级逆变器3、次级直流电压源4、次级电容5、次级逆变器6、三相电机7、冗余开关矢量8。所述初级逆变器3连接三相电机绕组的一端，次级逆变器6连接到绕组另一端。本发明的优点是：与已有缺相容错技术相比，只需在线重构调制级联逆变器内在的冗余开关矢量，使电机输出转矩维持恒定，适用于某些对故障运行有较高要求的特殊应用领域。

本发明公开一种新型开绕组电机的缺相容错驱动***，在矢量控制驱动电机***中，从转矩脉动最小化、转矩最大化角度对剩余两相电流进行重构设计，并充分利用电压空间矢量调制原理，通过电压空间矢量的有效选择，实现冗余开关矢量的容错重构调制，解决了传统三相电机缺相运行后输出转矩值变小及转矩脉动大的缺点。

所述的三相电机(7)包括异步电机、永磁同步电机等多种三相电机形式。

所述的具有缺相容错的电机驱动包括矢量控制、直接转矩控制等多种驱动形式。

本发明采用空间矢量脉宽调制技术，以A相绕组开路故障进行设计。绕组A相发生开路故障后，立刻封锁开路相所在上桥臂开关管的驱动信号，下桥臂常“1”驱动，使A相绕组两端接地短接。经重构后的容错冗余开关矢量如图2所示，对容错冗余开关矢量进行空间矢量脉宽调制便可得到圆形磁场，进而维持三相电机稳定的转矩输出。缺相运行下剩余两相绕组并联，降低了可控电流的维数，因此可以考虑在矢量控制的结构下重构相电流，但必须满足容错电流和为O，即零序电流为O的约束条件。从转矩脉动最小化即保持零序电流为O和转矩最大化两个角度考虑，得到的重构相电流为：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_a^{\′}=0\\ i_b^{\′}=\sqrt{3}{I}_m\sin (\mathrm{\ωt}-5\mathrm{\π}/6)\\ i_c^{\′}=\sqrt{3}{I}_m\sin (\mathrm{\ωt}+5\mathrm{\π}/6)\end{array}\right.$

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 (6)

1.一种开绕组电机的缺相容错驱动***，其特征在于：三相电机绕组首末端分别级联两个标称的两电平逆变器，***由两个直流电压源供电；

该容错驱动***包括初级直流电压源(1)、初级电容(2)、初级逆变器(3)、次级直流电压源(4)、次级电容(5)、次级逆变器(6)、三相电机(7)、冗余开关矢量(8)；初级电容(2)、初级逆变器(3)并联在初级直流电压源(1)的两端，次级电容(5)、次级逆变器(6)并联在次级直流电压源(4)的两端，三相电机(7)初级的三个输入端分别接初级逆变器(3)的三个输出端，三相电机(7)次级的三个输入端分别接次级逆变器(6)的的三个输出端，冗余开关矢量(8)调制后产生6组开关信号，分别对应接初级逆变器(3)和次级逆变器(6)的6组基极控制端。

2.根据权利要求1所述的开绕组电机的缺相容错驱动***，其特征在于：三相电机(7)的绕组采用开路式结构，将传统Y型三相电机的中性点拆开，引出六根端线。

3.根据权利要求1所述的开绕组电机的缺相容错驱动***，其特征在于：初级直流电压源(1)和次级直流电压源(4)均采用标称电压为120V的蓄电池组。

4.根据权利要求1所述的开绕组电机的缺相容错驱动***，其特征在于：初级逆变器(3)和次级逆变器(6)均是标称的两电平电压型逆变器，级联后可工作在三电平区域。

5.根据权利要求1所述的开绕组电机的缺相容错驱动***，其特征在于：故障相桥臂开关器件能使开路故障相绕组两端接地短接。

6.根据权利要求1所述的开绕组电机的缺相容错驱动***，其特征在于所述的冗余开关矢量(8)，其中的容错控制***采用电压空间矢量脉宽调制的控制策略，由64种开关组合产生19个电压空间矢量，存在冗余开关矢量。

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