CN106357144B - 一种双逆变器拓扑结构的开绕组电机驱动***中逆变器故障诊断与容错控制方法 - Google Patents

一种双逆变器拓扑结构的开绕组电机驱动***中逆变器故障诊断与容错控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种开绕组电机驱动***中逆变器故障诊断与容错控制运行的方法。通过将普通三相电机绕组中性点拆开，在其两端级联两个标称的两电平逆变器由双电源供电，当两逆变器任一桥臂开关器件由于过压击穿或在恶劣工况下导致短路，短路电流流过检测电阻发出过流保护信号。控制器对这个报错信号迅速处理并且定位逆变器位置，立即闭合电磁继电器，切除故障相逆变器电源维持稳定的转矩输出，实现驱动装置的容错运行。在出现开关器件开路情况下，对应相序的扇区时间会相应变小，经过软件检测锁定故障位置可按照短路故障容错方式运行。

Description

一种双逆变器拓扑结构的开绕组电机驱动***中逆变器故障 诊断与容错控制方法
技术领域
本发明属于永磁同步电机控制技术领域，特别是涉及开绕组电机驱动***中逆变器故障诊断与容错控制运行。
背景技术
近年来，基于双逆变器拓扑结构的开绕组成功运用于航天、电动汽车等大功率驱动***中，这主要由于双逆变器拓扑结构能够将直流电压利用率进行有效的提高而开关耐压等级不需要增加，在较低的开关频率下输出谐波含量更小，优化后的控制策略可消除共模电压、零序电流对电子元器件的危害，通过普通的两电平逆变器级联得到更优的三电平控制，有效解决了电机驱动***中电磁干扰的问题。但是开关元器件数量增加了一倍，而逆变器中开关元器件故障在电机驱动***中占有很大部分，因此整个驱动***能否可靠运行与双逆变器拓扑结构的稳定性及可靠性有很大的关系，故而对双逆变器拓扑结构容错控制运行很有必要。
已有的文献基于双逆变器拓扑结构的开绕组驱动***故障检测及容错运行主要针对开关管元器件开路故障、单桥臂短路故障、缺相故障等的容错研究，在故障发生后经过大量的全控或半空元器件进行电路硬件拓扑结构重构，处于比较恶劣工况下实时性切除故障很难得到保证。
发明内容
发明目的：针对上述控制复杂实时性低的问题，本发明的目的在开绕组电机驱动***中逆变器故障诊断与容错控制运行中提出一种基于电磁继电器的简单方便快速实时性切除短路故障，确保开绕组电机容错后能够稳定运行的方法。通过扇区时间变化锁定故障相桥臂，同时根据T1、T2变化再次检验是否是单开关元器件故障，确保保护的灵敏性。
技术方案：为实现上述发明目的，本发明提出了一种双逆变器拓扑结构的开绕组电机驱动***中逆变器故障诊断与容错控制方法，该方法由双逆变器拓扑结构的开绕组电机驱动***中逆变器故障诊断与容错控制电路实现，该电路包括初级电磁继电器和初级过流检测电阻，以及次级电磁继电器和次级过流检测电阻；初级电磁继电器包括第一常开开关、第二常开开关、第三常开开关和第一常闭开关，初级电磁继电器的第一常开开关与初级直流电压源并联，初级过流检测电阻串联在初级电压源和初级电容之间，第一常闭开关串联在初级电容和初级逆变器之间，第二常开开关的一端连接初级直流电压源与初级电容的公共端，第二常开开关的另一端连接次级直流电压与次级电容的公共端，第三常开开关的一端连接初级过流检测电阻与初级电容的公共端，第三常开开关的另一端连接次级过流检测电阻与次级电容的公共端；次级电磁继电器包括第四常开开关、第五常开开关、第六常开开关和第二常闭开关，次级电磁继电器第四常开开关与次级直流电压源并联，次级过流检测电阻串联在次级电压源和次级电容之间，第二常闭开关串联在次级电容和次级逆变器之间，第五常开开关的一端连接初级直流电压源与初级电容的公共端，第五常开开关的另一端连接次级直流电压源与次级电容的公共端，第六常开开关的一端连接初级过流检测电阻与初级电容的公共端，第六常开开关的另一端连接次级过流检测电阻与次级电容的公共端；电机容错运行后电磁继电器或电磁继电器的常闭开关断开，将故障逆变器切除，常开闭合将两电源并联运行。
进一步的，短路故障过流保护容错运行的具体步骤包括：
(1)检测初级过流检测电阻和次级过流检测电阻的电流或电压，如果检测到的电流或电压大于给定值，发出过流保护信号；
(2)控制器迅速响应动作电磁继电器，将第一常闭开关断开，第一常开开关闭合，将反并联在第一逆变器开关元器件上的二极管共阴极和共阳极短接在一起，同时第二常开开关和第三常开开关闭合，将初级直流电压源并联到次级直流电压源继续工作；或者将第二常闭开关断开，第四常开开关闭合，将反并联在第二逆变器开关元器件上的二极管共阴极和共阳极短接在一起，同时第五常开开关和第六常开开关闭合，将次级直流电压源并联到初级直流电压源继续工作。
进一步的，出现开关器件开路后的逆变器故障诊断与故障容错运行的步骤包括：
(1)检测电压矢量作用下相邻两个矢量的作用时间T1和T2，将检测到的T1和T2与给定值比较，如果T1和T2时间大于给定值，判断发生故障；
(2)根据发生异常的T1和T2所在扇区的扇区号判断故障相；
(3)根据异常的T1和T2的出现的先后顺序判断发生故障的逆变器，如果是T1在先，T2在后，则判断初级逆变器发生故障；如果是T2在先，T1在后，判断次级逆变器发生故障；
(4)控制器迅速响应动作电磁继电器，如果是初级逆变器发生故障，将第一常闭开关断开，第一常开开关闭合，将反并联在第一逆变器开关元器件上的二极管共阴极和共阳极短接在一起，同时第二常开开关和第三常开开关闭合，将初级直流电压源并联到次级直流电压源继续工作；如果是次级逆变器发生故障，将第二常闭开关断开，第四常开开关闭合，将反并联在第二逆变器开关元器件上的二极管共阴极和共阳极短接在一起，同时第五常开开关和第六常开开关闭合，将次级直流电压源并联到初级直流电压源继续工作。
有益效果：本发明的容错运行方法是基于开绕组电机驱动***中逆变器故障诊断后快速方便切换***运行方式，确保在工况复杂下亦能保持电机稳定转矩输出持续运行。根据开关管不同的故障类型，对于短路故障快速切除故障，而单开关管元器件断路故障，根据扇区时间的变化和对应的扇区号锁定扇区，提高了***的可靠性。相比于已有的容错方案，该方案控制故障前后电路拓扑更简单可靠，不需要复杂的控制逻辑，实用性强，便于推广。
附图说明
图1为本发明开绕组电机驱动***拓扑结构示意图。
图2为本发明初级逆变器出现不可逆故障切除时候***容错运行示意图。
图3为本发明初级逆变器上桥臂A相开关管断路对应扇区分布示意图。
图4为本发明初级逆变器上桥臂A相开关管断路对应T1和T2示意图。
图5为本发明次级逆变器上桥臂B相开关管断路对应扇区分布示意图。
图6为本发明次级逆变器上桥臂B相开关管断路对应T1和T2示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
如图1所示的一种双逆变器拓扑结构的开绕组电机驱动***中逆变器故障诊断与容错控制方法，该方法由双逆变器拓扑结构的开绕组电机驱动***中逆变器故障诊断与容错控制电路实现，该电路包括初级电磁继电器7和初级过流检测电阻9，以及次级电磁继电器8和次级过流检测电阻10；初级电磁继电器7包括第一常开开关7-1、第二常开开关7-2、第三常开开关7-3和第一常闭开关7-4，初级电磁继电器7的第一常开开关7-1与初级直流电压源5并联，初级过流检测电阻9串联在初级电压源5和初级电容3之间，第一常闭开关7-4串联在初级电容3和初级逆变器1之间，第二常开开关7-2的一端连接初级直流电压源5与初级电容3的公共端，第二常开开关7-2的另一端连接次级直流电压源6与次级电容4的公共端，第三常开开关7-3的一端连接初级过流检测电阻9与初级电容3的公共端，第三常开开关7-3的另一端连接次级过流检测电阻10与次级电容4的公共端；次级电磁继电器8包括第四常开开关8-1、第五常开开关8-2、第六常开开关8-3和第二常闭开关8-4，次级电磁继电器8第四常开开关8-1与次级直流电压源6并联，次级过流检测电阻10串联在次级电压源6和次级电容4之间，第二常闭开关8-4串联在次级电容4和次级逆变器2之间，第五常开开关8-2的一端连接初级直流电压源5与初级电容3的公共端，第五常开开关8-2的另一端连接次级直流电压源6与次级电容4的公共端，第六常开开关8-3的一端连接初级过流检测电阻9与初级电容3的公共端，第六常开开关8-3的另一端连接次级过流检测电阻10与次级电容4的公共端；电机容错运行后电磁继电器7或电磁继电器8的常闭开关断开，将故障逆变器切除，常开闭合将两电源并联运行。
图2为初级逆变器发生短路故障时的电路结构图，检测初级过流检测电阻9和次级过流检测电阻10的电流或电压，如果检测到的电流或电压大于给定值，发出过流保护信号；控制器迅速响应动作电磁继电器，将第一常闭开关7-4断开，第一常开开关7-1闭合，将反并联在第一逆变器开关元器件上的二极管共阴极和共阳极短接在一起，同时第二常开开关7-2和第三常开开关7-3闭合，将初级直流电压源5并联到次级直流电压源6继续工作。
逆变器出现开关器件开路时的故障诊断与故障容错运行的步骤包括：检测电压矢量作用下相邻两个矢量的作用时间T1和T2，将检测到的T1和T2与给定值比较，如果T1和T2时间大于给定值，判断发生故障；根据发生异常的T1和T2所在扇区的扇区号判断故障相；根据异常的T1和T2的出现的先后顺序判断发生故障的逆变器，如果是T1在先，T2在后，则判断初级逆变器发生故障；如果是T2在先，T1在后，判断次级逆变器发生故障；控制器迅速响应动作电磁继电器，如果是初级逆变器发生故障，将第一常闭开关7-4断开，第一常开开关7-1闭合，将反并联在第一逆变器开关元器件上的二极管共阴极和共阳极短接在一起，同时第二常开开关7-2和第三常开开关7-3闭合，将初级直流电压源5并联到次级直流电压源6继续工作；如果是次级逆变器发生故障，将第二常闭开关8-4断开，第四常开开关8-1闭合，将反并联在第二逆变器开关元器件上的二极管共阴极和共阳极短接在一起，同时第五常开开关8-2和第六常开开关8-3闭合，将次级直流电压源6并联到初级直流电压源5继续工作。
以下，我们对本实施方案进行测试，所采用的开绕组混合励磁永磁同步电机的参数如表一所示：
表一开绕组混合励磁永磁同步电机参数
极对数 定子电阻 主磁通 励磁绕组自感 励磁绕组电阻 转动惯量
4 2.7Ω 0.11348Wb 0.57H 33Ω 0.00343kg·m<sup>2</sup>
直轴电感 交轴电感 额定输出功率 额定转速 额定转矩 额定相电流有效值
24.1mh 14.9mh 750W 1500rpm 4.8Nm 5A
图3-图6为开绕组混合励磁永磁同步电动机在0.12s到达稳定后让初级逆变器A相绕组上桥臂断开和次级逆变器B相绕组断开所得到的扇区示意图和对应T1和T2示意图。下面根据此现象可分析锁定单开关管断路故障位置。
在初、次级逆变器上有开关管断路时，例如图3的2和3扇区时间明显变大，此时处于A相位置，同时对应T1和T2变化也很大；相比较图5为次级逆变器B相处发生断路故障，对应扇区时间1和5，此时处于B相位置，而逆变器C相发生故障处则在扇区时间4和6处。根据图4和图6的T1、T2位置先后不同可以得出故障时图4发生在初级而T1在后是次级。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种双逆变器拓扑结构的开绕组电机驱动***中逆变器故障诊断与容错控制方法，其特征在于：由双逆变器拓扑结构的开绕组电机驱动***中逆变器故障诊断与容错控制电路实现，该电路包括初级电磁继电器(7)和初级过流检测电阻(9)，以及次级电磁继电器(8)和次级过流检测电阻(10)；初级电磁继电器(7)包括第一常开开关(7-1)、第二常开开关(7-2)、第三常开开关(7-3)和第一常闭开关(7-4)，初级电磁继电器(7)的第一常开开关(7-1)与初级直流电压源(5)并联，初级过流检测电阻(9)串联在初级电压源(5)和初级电容(3)之间，第一常闭开关(7-4)串联在初级电容(3)和初级逆变器(1)之间，第二常开开关(7-2)的一端连接初级直流电压源(5)与初级电容(3)的公共端，第二常开开关(7-2)的另一端连接次级直流电压源(6)与次级电容(4)的公共端，第三常开开关(7-3)的一端连接初级过流检测电阻(9)与初级电容(3)的公共端，第三常开开关(7-3)的另一端连接次级过流检测电阻(10)与次级电容(4)的公共端；次级电磁继电器(8)包括第四常开开关(8-1)、第五常开开关(8-2)、第六常开开关(8-3)和第二常闭开关(8-4)，次级电磁继电器(8)的第四常开开关(8-1)与次级直流电压源(6)并联，次级过流检测电阻(10)串联在次级电压源(6)和次级电容(4)之间，第二常闭开关(8-4)串联在次级电容(4)和次级逆变器(2)之间，第五常开开关(8-2)的一端连接初级直流电压源(5)与初级电容(3)的公共端，第五常开开关(8-2)的另一端连接次级直流电压源(6)与次级电容(4)的公共端，第六常开开关(8-3)的一端连接初级过流检测电阻(9)与初级电容(3)的公共端，第六常开开关(8-3)的另一端连接次级过流检测电阻(10)与次级电容(4)的公共端；电机容错运行后初级电磁继电器(7)或次级电磁继电器(8)的常闭开关断开，将故障逆变器切除，常开闭合将两电源并联运行，
出现开关器件开路后的逆变器故障诊断与故障容错运行的步骤包括：
(1)检测电压矢量作用下相邻两个矢量的作用时间T1和T2，将检测到的T1和T2与给定值比较，如果T1和T2时间大于给定值，判断发生故障；
(2)根据异常的T1和T2的出现的先后顺序判断发生故障的逆变器，如果是T1在先，T2在后，则判断初级逆变器发生故障；如果是T2在先，T1在后，判断次级逆变器发生故障；
(3)控制器迅速响应动作电磁继电器，如果是初级逆变器发生故障，将第一常闭开关(7-4)断开，第一常开开关(7-1)闭合，将反并联在第一逆变器开关元器件上的二极管共阴极和共阳极短接在一起，同时第二常开开关(7-2)和第三常开开关(7-3)闭合，将初级直流电压源(5)并联到次级直流电压源(6)继续工作；如果是次级逆变器发生故障，将第二常闭开关(8-4)断开，第四常开开关(8-1)闭合，将反并联在第二逆变器开关元器件上的二极管共阴极和共阳极短接在一起，同时第五常开开关(8-2)和第六常开开关(8-3)闭合，将次级直流电压源(6)并联到初级直流电压源(5)继续工作。
2.根据权利要求1所述的一种双逆变器拓扑结构的开绕组电机驱动***中逆变器故障诊断与容错控制方法，其特征在于，短路故障过流保护容错运行的具体步骤包括：
(1)检测初级过流检测电阻(9)和次级过流检测电阻(10)的电流或电压，如果检测到的电流或电压大于给定值，发出过流保护信号；
(2)控制器迅速响应动作电磁继电器，将第一常闭开关(7-4)断开，第一常开开关(7-1)闭合，将反并联在第一逆变器开关元器件上的二极管共阴极和共阳极短接在一起，同时第二常开开关(7-2)和第三常开开关(7-3)闭合，将初级直流电压源(5)并联到次级直流电压源(6)继续工作；或者将第二常闭开关(8-4)断开，第四常开开关(8-1)闭合，将反并联在第二逆变器开关元器件上的二极管共阴极和共阳极短接在一起，同时第五常开开关(8-2)和第六常开开关(8-3)闭合，将次级直流电压源(6)并联到初级直流电压源(5)继续工作。
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