CN107147339A - 一种四相电励磁双凸极电机失磁故障容错发电方法 - Google Patents
一种四相电励磁双凸极电机失磁故障容错发电方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种四相电励磁双凸极电机失磁故障容错发电方法，通过检测励磁电流大小判断***励磁部分是否故障，若无故障，则四相电励磁双凸极电机经过全桥变换器向负载进行不控整流发电，通过调节励磁电流实现输出电压闭环控制；若发生故障，则使能第五桥臂，设定一励磁角经过四相五桥臂变换器向四相绕组分别通入正反向的励磁电流，利用磁阻电势实现失磁故障的容错发电，通过调节励磁角调节可实现***发电输出电压的闭环控制。本发明在传统全桥变换器上仅增加一个冗余桥臂，实现了电励磁双凸极电机失磁故障容错发电，控制简单灵活有效，提高了电励磁双凸极电机的可靠性，在航空起动发电、风力发电等领域具有广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及电机控制技术领域，尤其涉及一种四相电励磁双凸极电机失磁故障容错发电方法。
背景技术
作为一种新型无刷直流电机，电励磁双凸极电机具有结构简单可靠、控制灵活、容错性能好、适用于恶劣工况的优点，在航空、风力发电等领域具有广阔的应用前景。多相电励磁双凸极电机能够降低转矩脉动、减小发电输出电压纹波、提高***容错性能。作为发电机运行时，电励磁双凸极电机经不控整流向负载供电，通过调节励磁电流实现输出电压的调节，励磁部分是***脆弱部件，其发生故障时的容错发电方法亟待研究。
目前，有关电励磁双凸极电机失磁故障的容错控制策略研究尚处于起步阶段。史立伟等公开的“电励磁双凸极电机励磁故障容错发电***及其控制方法”（中国，公开日：2015年4月29号，公开号：104579067A）专利中公开了一种基于三相四桥臂的电励磁双凸极电机失磁故障容错发电方法，其将两个电角度周期作为一个控制周期，向三相绕组内通以正负反向的励磁电流实现失磁故障下的发电。但其不能直接根据转子位置角实现失磁故障的励磁功能，实际实施复杂。
在全桥变换器的基础上增加一相冗余桥臂即能实现电励磁双凸极电机的失磁故障发电功能，但在四相电励磁双凸极电机中，每相电枢绕组自感在任意扇区均随转子位置变化，上述公开专利中使得自感变化区间的绕组均向负载供电，这在四相五桥臂驱动的电励磁双凸极电机中会引起第五桥臂的短路，不能实现***的失磁故障容错发电。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的缺陷，提供一种四相电励磁双凸极电机失磁故障容错发电方法。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
一种四相电励磁双凸极电机失磁故障容错发电方法，所述四相电励磁双凸极电机星型连接，四相绕组分别为A相绕组、B相绕组、C相绕组、D相绕组，采用四相五桥臂变换器驱动；
所述四相五桥臂变换器包含四相全桥变换器和第五桥臂；
所述四相全桥变换器包含开关管T1至T8、二极管D1至D8；所述第五桥臂包含开关管T9至T10、二极管D9至D10；
所述开关管T1至T10的集电极分别和二极管D1至D10的阴极相连、发射极分别和二极管D1至D10的阳极相连；
A相绕组分别和二极管D1的阳极、二极管D2的阴极相连；
B相绕组分别和二极管D3的阳极、二极管D4的阴极相连；
C相绕组分别和二极管D5的阳极、二极管D6的阴极相连；
D相绕组分别和二极管D7的阳极、二极管D8的阴极相连；
四相电励磁双凸极电机的中性点通过开关S分别和二极管D9的阳极、二极管D10的阴极相连；
二极管D1的阴极分别和二极管D3的阴极、二极管D5的阴极、二极管D7的阴极、二极管D9的阴极、外部直流母线的正极相连；
二极管D2的阳极分别和二极管D4的阳极、二极管D6的阳极、二极管D8的阳极、二极管D10的阳极、外部直流母线的负极相连；
所述失磁故障容错发电方法包括如下步骤：
步骤1），判断四相电励磁双凸极电机的励磁部分是否故障；
步骤2），若四相电励磁双凸极电机的励磁部分无故障，使开关S处于断开状态，四相绕组A、B、C、D通过四相全桥变换器的反并二极管不控整流向负载发电：
如果四相电励磁双凸极电机的转子位置角在0°~90°区间，四相绕组A、B、C、D通过二极管D1、D7、D4、D6向负载发电；
如果四相电励磁双凸极电机的转子位置角在90°~180°区间，四相绕组A、B、C、D通过二极管D1、D3、D6、D8向负载发电；
如果四相电励磁双凸极电机的转子位置角在180°~270°区间，四相绕组A、B、C、D通过二极管D3、D5、D2、D8向负载发电；
如果四相电励磁双凸极电机的转子位置角在270°~360°区间，四相绕组A、B、C、D通过二极管D5、D7、D2、D4向负载发电；
步骤3），若四相电励磁双凸极电机的励磁部分故障，闭合开关S使能第五桥臂，在***失磁故障下进行A、C两相正向发电、B、D两相反向发电的失磁故障容错发电运行：
如果四相电励磁双凸极电机的转子位置角在0°~(90-α)°区间内，控制开关管T1至T10均关闭，B相绕组通过二极管D3、D10反向发电，α为预设的励磁角度值；
如果四相电励磁双凸极电机的转子位置角在(90-α)°~90°区间内，开通开关管T5对C相绕组进行正向励磁，并控制开关管T1至T4、T6至T10关闭，B相绕组通过二极管D3、D10反向发电；
如果四相电励磁双凸极电机的转子位置角在90°~(180-α)°区间内，控制开关管T1至T10均关闭，C相绕组通过二极管D6、D9正向发电；
如果四相电励磁双凸极电机的转子位置角在(180-α)°~180°区间内，开通开关管T8对D相绕组进行反向励磁，并控制开关管T1至T7、T9至T10关闭，C相绕组通过二极管D6、D9正向发电；
如果四相电励磁双凸极电机的转子位置角在180°~(270-α)°区间内，控制开关管T1至T10均关闭，D相绕组通过二极管D7、D10反向发电；
如果四相电励磁双凸极电机的转子位置角在(270-α)°~270°区间内，开通开关管T1对A相绕组进行正向励磁，并控制开关管T2至T10关闭，D相绕组通过二极管D7、D10反向发电；
如果四相电励磁双凸极电机的转子位置角在270°~(360-α)°区间内，控制开关管T1至T10均关闭，A相绕组通过二极管D2、D9正向发电；
如果四相电励磁双凸极电机的转子位置角在(360-α)°~360°区间内，，开通开关管T4对B相绕组进行反向励磁，并控制开关管T1至T3、T5至T10关闭，A相绕组通过二极管D2、D9正向发电。
作为本发明一种四相电励磁双凸极电机失磁故障容错发电方法进一步的优化方案，所述步骤2）中通过调节四相电励磁双凸极电机的励磁电流实现对四相电励磁双凸极电机发电电压的闭环控制，若四相电励磁双凸极电机的发电电压小于给定电压，则增大四相电励磁双凸极电机的励磁电流；若四相电励磁双凸极电机的发电电压大于给定电压，则减小四相电励磁双凸极电机的励磁电流。
作为本发明一种四相电励磁双凸极电机失磁故障容错发电方法进一步的优化方案，所述步骤3）中通过调节励磁角α进行四相电励磁双凸极电机发电电压的闭环调节，若四相电励磁双凸极电机的发电电压小于给定电压，增大励磁角α；若四相电励磁双凸极电机的发电电压大于给定电压，则减小励磁角α。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
1. 使用四相五桥臂驱动电励磁双凸极电机，能够同时实现正常情况及励磁故障时的四相电励磁双凸极电机发电，进一步提高了电励磁双凸极电机的可靠性；
2. 正常情况下电励磁双凸极电机通过调节励磁电流即可实现输出电压的调节，励磁故障时通过调节励磁角便可调节输出电压及负载电流，发电控制简单灵活。
附图说明
图1是本发明提供的四相电励磁双凸极电机的四相五桥臂变换器驱动拓扑；
图2是四相电励磁双凸极电机四相自感曲线；
图3是四相电励磁双凸极电机失磁故障容错发电电流示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
本发明公开了一种四相电励磁双凸极电机失磁故障容错发电方法，所述四相电励磁双凸极电机星型连接，四相绕组分别为A相绕组、B相绕组、C相绕组、D相绕组，采用四相五桥臂变换器驱动；
所述四相五桥臂变换器包含四相全桥变换器和第五桥臂；
所述四相全桥变换器包含开关管T1至T8、二极管D1至D8；所述第五桥臂包含开关管T9至T10、二极管D9至D10；
所述开关管T1至T10的集电极分别和二极管D1至D10的阴极相连、发射极分别和二极管D1至D10的阳极相连；
A相绕组分别和二极管D1的阳极、二极管D2的阴极相连；
B相绕组分别和二极管D3的阳极、二极管D4的阴极相连；
C相绕组分别和二极管D5的阳极、二极管D6的阴极相连；
D相绕组分别和二极管D7的阳极、二极管D8的阴极相连；
四相电励磁双凸极电机的中性点通过开关S分别和二极管D9的阳极、二极管D10的阴极相连；
二极管D1的阴极分别和二极管D3的阴极、二极管D5的阴极、二极管D7的阴极、二极管D9的阴极、外部直流母线的正极相连；
二极管D2的阳极分别和二极管D4的阳极、二极管D6的阳极、二极管D8的阳极、二极管D10的阳极、外部直流母线的负极相连；
所述失磁故障容错发电方法包括如下步骤：
步骤1），判断四相电励磁双凸极电机的励磁部分是否故障；
这可以通过在电机的励磁绕组上设置励磁电流传感器，根据励磁电流传感器的感应数据来判断；
步骤2），若四相电励磁双凸极电机的励磁部分无故障，使开关S处于断开状态，四相绕组A、B、C、D通过四相全桥变换器的反并二极管不控整流向负载发电：
如果四相电励磁双凸极电机的转子位置角在0°~90°区间，四相绕组A、B、C、D通过二极管D1、D7、D4、D6向负载发电；
如果四相电励磁双凸极电机的转子位置角在90°~180°区间，四相绕组A、B、C、D通过二极管D1、D3、D6、D8向负载发电；
如果四相电励磁双凸极电机的转子位置角在180°~270°区间，四相绕组A、B、C、D通过二极管D3、D5、D2、D8向负载发电；
如果四相电励磁双凸极电机的转子位置角在270°~360°区间，四相绕组A、B、C、D通过二极管D5、D7、D2、D4向负载发电；
步骤3），若四相电励磁双凸极电机的励磁部分故障，闭合开关S使能第五桥臂，在***失磁故障下进行A、C两相正向发电、B、D两相反向发电的失磁故障容错发电运行：
如果四相电励磁双凸极电机的转子位置角在0°~(90-α)°区间内，控制开关管T1至T10均关闭，B相绕组通过二极管D3、D10反向发电，α为预设的励磁角度值；
如果四相电励磁双凸极电机的转子位置角在(90-α)°~90°区间内，开通开关管T5对C相绕组进行正向励磁，并控制开关管T1至T4、T6至T10关闭，B相绕组通过二极管D3、D10反向发电；
如果四相电励磁双凸极电机的转子位置角在90°~(180-α)°区间内，控制开关管T1至T10均关闭，C相绕组通过二极管D6、D9正向发电；
如果四相电励磁双凸极电机的转子位置角在(180-α)°~180°区间内，开通开关管T8对D相绕组进行反向励磁，并控制开关管T1至T7、T9至T10关闭，C相绕组通过二极管D6、D9正向发电；
如果四相电励磁双凸极电机的转子位置角在180°~(270-α)°区间内，控制开关管T1至T10均关闭，D相绕组通过二极管D7、D10反向发电；
如果四相电励磁双凸极电机的转子位置角在(270-α)°~270°区间内，开通开关管T1对A相绕组进行正向励磁，并控制开关管T2至T10关闭，D相绕组通过二极管D7、D10反向发电；
如果四相电励磁双凸极电机的转子位置角在270°~(360-α)°区间内，控制开关管T1至T10均关闭，A相绕组通过二极管D2、D9正向发电；
如果四相电励磁双凸极电机的转子位置角在(360-α)°~360°区间内，，开通开关管T4对B相绕组进行反向励磁，并控制开关管T1至T3、T5至T10关闭，A相绕组通过二极管D2、D9正向发电。
四相电励磁双凸极电机采用的四相五桥臂变换器驱动拓扑如图1所示。
图2是四相电励磁双凸极电机四相绕组自感随转子位置变化曲线，可以看出在四相电枢绕组自感在任意位置均随转子位置变化。
图3是本发明提出的四相五桥臂变换器驱动的四相电励磁双凸极电机失磁故障时的容错发电电流示意图。
步骤2）中通过调节四相电励磁双凸极电机的励磁电流实现对四相电励磁双凸极电机发电电压的闭环控制，若四相电励磁双凸极电机的发电电压小于给定电压，则增大四相电励磁双凸极电机的励磁电流；若四相电励磁双凸极电机的发电电压大于给定电压，则减小四相电励磁双凸极电机的励磁电流。
步骤3）中通过调节励磁角α进行四相电励磁双凸极电机发电电压的闭环调节，若四相电励磁双凸极电机的发电电压小于给定电压，增大励磁角α；若四相电励磁双凸极电机的发电电压大于给定电压，则减小励磁角α。
通过上述步骤即可实现四相电励磁双凸极电机失磁故障的容错发电，进一步提高了电励磁双凸极电机的可靠性。
本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种四相电励磁双凸极电机失磁故障容错发电方法，其特征在于，所述四相电励磁双凸极电机星型连接，四相绕组分别为A相绕组、B相绕组、C相绕组、D相绕组，采用四相五桥臂变换器驱动；
所述四相五桥臂变换器包含四相全桥变换器和第五桥臂；
所述四相全桥变换器包含开关管T1至T8、二极管D1至D8；所述第五桥臂包含开关管T9至T10、二极管D9至D10；
所述开关管T1至T10的集电极分别和二极管D1至D10的阴极相连、发射极分别和二极管D1至D10的阳极相连；
A相绕组分别和二极管D1的阳极、二极管D2的阴极相连；
B相绕组分别和二极管D3的阳极、二极管D4的阴极相连；
C相绕组分别和二极管D5的阳极、二极管D6的阴极相连；
D相绕组分别和二极管D7的阳极、二极管D8的阴极相连；
四相电励磁双凸极电机的中性点通过开关S分别和二极管D9的阳极、二极管D10的阴极相连；
二极管D1的阴极分别和二极管D3的阴极、二极管D5的阴极、二极管D7的阴极、二极管D9的阴极、外部直流母线的正极相连；
二极管D2的阳极分别和二极管D4的阳极、二极管D6的阳极、二极管D8的阳极、二极管D10的阳极、外部直流母线的负极相连；
所述失磁故障容错发电方法包括如下步骤：
步骤1），判断四相电励磁双凸极电机的励磁部分是否故障；
步骤2），若四相电励磁双凸极电机的励磁部分无故障，使开关S处于断开状态，四相绕组A、B、C、D通过四相全桥变换器的反并二极管不控整流向负载发电：
如果四相电励磁双凸极电机的转子位置角在0°~90°区间，四相绕组A、B、C、D通过二极管D1、D7、D4、D6向负载发电；
如果四相电励磁双凸极电机的转子位置角在90°~180°区间，四相绕组A、B、C、D通过二极管D1、D3、D6、D8向负载发电；
如果四相电励磁双凸极电机的转子位置角在180°~270°区间，四相绕组A、B、C、D通过二极管D3、D5、D2、D8向负载发电；
如果四相电励磁双凸极电机的转子位置角在270°~360°区间，四相绕组A、B、C、D通过二极管D5、D7、D2、D4向负载发电；
步骤3），若四相电励磁双凸极电机的励磁部分故障，闭合开关S使能第五桥臂，在***失磁故障下进行A、C两相正向发电、B、D两相反向发电的失磁故障容错发电运行：
如果四相电励磁双凸极电机的转子位置角在0°~(90-α)°区间内，控制开关管T1至T10均关闭，B相绕组通过二极管D3、D10反向发电，α为预设的励磁角度值；
如果四相电励磁双凸极电机的转子位置角在(90-α)°~90°区间内，开通开关管T5对C相绕组进行正向励磁，并控制开关管T1至T4、T6至T10关闭，B相绕组通过二极管D3、D10反向发电；
如果四相电励磁双凸极电机的转子位置角在90°~(180-α)°区间内，控制开关管T1至T10均关闭，C相绕组通过二极管D6、D9正向发电；
如果四相电励磁双凸极电机的转子位置角在(180-α)°~180°区间内，开通开关管T8对D相绕组进行反向励磁，并控制开关管T1至T7、T9至T10关闭，C相绕组通过二极管D6、D9正向发电；
如果四相电励磁双凸极电机的转子位置角在180°~(270-α)°区间内，控制开关管T1至T10均关闭，D相绕组通过二极管D7、D10反向发电；
如果四相电励磁双凸极电机的转子位置角在(270-α)°~270°区间内，开通开关管T1对A相绕组进行正向励磁，并控制开关管T2至T10关闭，D相绕组通过二极管D7、D10反向发电；
如果四相电励磁双凸极电机的转子位置角在270°~(360-α)°区间内，控制开关管T1至T10均关闭，A相绕组通过二极管D2、D9正向发电；
如果四相电励磁双凸极电机的转子位置角在(360-α)°~360°区间内，，开通开关管T4对B相绕组进行反向励磁，并控制开关管T1至T3、T5至T10关闭，A相绕组通过二极管D2、D9正向发电。
2.根据权利要求1所述的四相电励磁双凸极电机失磁故障容错发电方法，其特征在于，所述步骤2）中通过调节四相电励磁双凸极电机的励磁电流实现对四相电励磁双凸极电机发电电压的闭环控制，若四相电励磁双凸极电机的发电电压小于给定电压，则增大四相电励磁双凸极电机的励磁电流；若四相电励磁双凸极电机的发电电压大于给定电压，则减小四相电励磁双凸极电机的励磁电流。
3.根据权利要求1所述的四相电励磁双凸极电机失磁故障容错发电方法，其特征在于，所述步骤3）中通过调节励磁角α进行四相电励磁双凸极电机发电电压的闭环调节，若四相电励磁双凸极电机的发电电压小于给定电压，增大励磁角α；若四相电励磁双凸极电机的发电电压大于给定电压，则减小励磁角α。
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