CN108809203A

CN108809203A - 一种三相交流电机缺相故障后的容错控制方法

Info

Publication number: CN108809203A
Application number: CN201810640483.XA
Authority: CN
Inventors: 王冬雪; 王中华; 李猛
Original assignee: University of Jinan
Current assignee: University of Jinan
Priority date: 2018-06-21
Filing date: 2018-06-21
Publication date: 2018-11-13

Abstract

本发明公开一种三相交流电机缺相故障后的容错控制方法，在电路拓扑结构中增加一路连接电机绕组中线的半桥可控功率开关器件，在三相交流电机出现缺相故障时投入使用，跟现有容错控制电路需要在每一相绕组都增加备用的半桥电路相比，实现容错控制的成本较低，容易实现。本发明给出了在两相绕组控制下开关电压矢量扇区形成的方法，所形成的开关电压矢量能形成6个扇区，6个扇区形成圆形旋转电磁场，本发明还给出了符合新形成的开关电压矢量的空间向量PWM的调制方法，能够有效实现三相交流电机的容错控制。

Description

一种三相交流电机缺相故障后的容错控制方法

技术领域

本发明涉及一种三相交流电机缺相故障后的容错控制方法，在三相交流电机发生单相故障(短路或者开路)后，从控制回路中断开故障相并进行容错控制，使电机能够继续运行，属于三相交流电机控制技术领域。

背景技术

三相交流电机可靠性高、功率大，易于维护，尤其是永磁同步电机具有结构简单、体积小、效率高、功率密度高等优点。目前被广泛用于空调制冷、工业控制、机器人控制及新能源汽车等领域。在三相交流电机控制过程中，控制器的逆变电路及电机定子绕组容易发生单相短路或开路故障，造成电机无法继续运行，影响整个***的正常工作，甚至带来更严重的后果。

目前，针对三相电机缺相故障的控制基本以硬件容错为主，并且主要针对逆变器故障。当逆变器某一相中的功率开关器件(IGBT或MOSFET)发生故障后，通过硬件电路切除故障相并接入容错电路，仍然形成三相控制电路，为了实现容错运行，需要在每一相绕组都增加备用的半桥电路，一方面大幅增加逆变器的硬件成本和体积，另一方面不能对电机定子绕组故障实现有效的容错控制。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种三相交流电机缺相故障后的容错控制方法，在三相交流电机发生缺相故障后，从控制回路中断开故障相并进行容错控制，使电机能够继续运行，该方法只需要较低的硬件成本并且适用于逆变器故障和定子绕组故障。

为了解决所述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种三相交流电机缺相故障后的通错控制方法，包括以下步骤：

S01)、构造三相四桥容错控制电路，该三相四桥容错控制电路包括主驱动电路和备用驱动电路，主驱动电路是由6个可控功率开关器件按照Y型接法构成的三相桥式驱动电路，每相均通过可控开关连接至电机定子绕组，备用驱动电路是由2个可控功率开关器件组成的半桥驱动电路，半桥驱动电路通过可控开关连接至电机定子绕组的中线；

S02)、电机正常运行时，三相桥式驱动电路作为驱动电路，备用驱动电路不工作，三相桥式驱动电路驱动三相交流电机工作；

S03)、当检测到三相交流电机发生缺相故障时，首先隔离故障相，根据故障信号判断是哪一路发生故障，并断开故障相的可控开关；然后引入备用驱动电路，令备用驱动电路的可控开关导通，把备用驱动电路的可控功率器件连接至电机定子绕组的中线，形成新的容错控制电路；

S04)、根据故障相发生的位置选择定子参考坐标系，新的定子参考坐标系的横坐标被定义为X轴，滞后120°角的绕组定义为Y轴；

S05)、将新容错控制电路划分成三个半桥，每个半桥由上桥臂和下桥臂组成，上桥臂和下桥臂分别代表一个可控功率开关器件，根据每个半桥的可控功率开关器件的逻辑状态确定电压空间矢量的扇区，3个半桥共有8种开关状态，将这8种开关状态的基本电压空间矢量映射到复平面中，得到新容错控制电路两相绕组控制下的电压空间矢量图，新容错控制电路仍然能够形成依次相隔60°电角度的6个扇区以及两个零矢量，6个扇区以及两个零矢量形成圆形旋转电磁场；

S07)、扇区判断及调制空间向量，根据需要调节的三相交流电机的位置进行扇区判断和空间向量调制，根据生成的空间向量控制新容错控制电路的半桥导通或者关断特定时间，使三相交流电机到达需要调节的位置，其中空间向量调制采用平均值等效原理，在一个开关周期内通过对基本电压矢量加以组合，使基本电压矢量的平均值与给定电压矢量相等。

本发明所述三相交流电机缺相故障后的空间向量调制方法，步骤S05中，若故障相为A相，以定子绕组原B轴的正方向为X轴，原C轴滞后B轴120°，以原C轴的正方向为Y轴；若故障相为B相，以定子绕组原C轴的正方向为X轴，原A轴滞后C轴120°，以原A轴的正方向为Y轴；若故障相为C相，以定子绕组原A轴的正方向为X轴，原B轴滞后C轴120°，以原B轴的正方向为Y轴。

本发明所述三相交流电机缺相故障后的空间向量调制方法，空间向量调制的过程为：设置输出参考电压为U_ref＝|U_ref|e^jθ，其中θ是输出参考电压与α轴的角度，假设输出参考电压U_ref所在的扇区为ξ，所在扇区的两个边缘开关矢量分别为U_ξ1，U_ξ2，U_ξ1、U_ξ2属于{U₁，U₂，…U₆}，U_ref和U_ξ1之间的夹角为其中U_ξ1超前U_ξ2π/3电角度，即U_ref与U_ξ2的夹角为U_ξ1、U_ξ2对应的持续时间分别为T_ξ1、T_ξ2，根据平均值等效原理可知，

其中，T_S为PWM的调制周期，|U_ξ1|＝|U_ξ2|＝U_dc，U_dc表示新容错控制电路的输入电压，可以得到T_ξ1，T_ξ2的状态保持时间为：

零电压向量所分配的时间为：T₇＝T₀＝(T_s-T_ξ1-T_ξ2)/2 (3)。

本发明所述三相交流电机缺相故障后的空间向量调制方法，进行扇区判断的过程为：控制单元接收到电机的转子位置信号并计算出α轴电压u_α，β轴电压u_β，定义三个变量u_s1，u_s2，u_s3分别为：

定义三个变量A，B，C，如果u_s1>0，则A＝1，否则A＝0；如果u_s2>0，则B＝1，否则B＝0；如果u_s3>0，则C＝1，否则C＝0；令N＝4C+2B+A，根据N的值判断电机转子位置信号所在的扇区，其中扇区与N的对应关系为：N＝1，处于扇区II，N＝2，处于扇区VI，N＝3，处于扇区I，N＝4，处于扇区IV，N＝5，处于扇区III，N＝6，处于扇区V。

本发明所述三相交流电机缺相故障后的空间向量调制方法，缺相故障由短路或者开路造成。

本发明所述三相交流电机缺相故障后的空间向量调制方法，所述可控功率开关器件为MOSFET或者IGBT，可控开关为双向晶闸管或者继电器。

本发明的有益效果：本发明在电路拓扑结构中增加一路连接电机绕组中线的半桥可控功率开关器件，在三相交流电机出现缺相故障时投入使用，跟现有容错控制电路需要在每一相绕组都增加备用的半桥电路相比，实现容错控制的成本较低，容易实现。本发明给出了在两相绕组控制下开关电压矢量扇区形成的方法，所形成的开关电压矢量能形成6个扇区，6个扇区形成圆形旋转电磁场，本发明还给出了符合新形成的开关电压矢量的空间向量PWM的调制方法，能够有效实现三相交流电机的容错控制。

附图说明

图1为三相四桥容错控制电路的原理图；

图2为发生缺相故障后新形成的容错控制电路的原理图；

图3为故障前后三相交流电机在静止坐标系下的数学模型，3a为故障前的数学模型，3b为故障后的数学模型；

图4为缺相故障后的电压空间矢量图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明。

实施例1

本实施例公开一种三相交流电机缺相故障后的容错控制方法，包括以下步骤：

S01)、构造三相四桥容错控制电路，如图1所示，该三相四桥容错控制电路包括主驱动电路和备用驱动电路，主驱动电路是由6个可控功率开关器件V1、V2、V3、V4、V5、V6按照Y型接法构成的三相桥式驱动电路，三相分别通过可控开关S1、S2、S3连接至电机定子绕组La、Lb、Lc，备用驱动电路是由2个可控功率开关器件V7、V8组成的半桥驱动电路，半桥驱动电路通过可控开关S4连接至电机定子绕组的中线；

S02)、电机正常运行时，三相桥式驱动电路作为驱动电路，备用驱动电路不工作，三相桥式驱动电路驱动三相交流电机工作，图3a为故障前(正常工作时)三相交流电机在静止坐标系下的数学模型，A轴、B轴、C轴分别代表A相、B相、C相的电流，三相电流之间产生圆形旋转电磁场，使电机平稳运动；

S03)、当检测到三相交流电机发生缺相故障时，形成新的容错控制电路，首先隔离故障相，根据故障信号判断是哪一路发生故障，并断开故障相的可控开关，如发生A相缺相，则断开S1；B相缺相，则断开S2；C相缺相，则断开S3；然后引入备用驱动电路，令备用驱动电路的可控开关S4导通，把备用驱动电路的可控功率器件V6、V7接入电机定子绕组的中线，新形成的容错控制电路如图2所示；

S04)、根据故障相发生的位置选择定子参考坐标系，新的定子参考坐标系的横坐标被定义为X轴，滞后120°角的绕组定义为Y轴，具体为：

1)发生A相缺相故障时，以定子绕组原B轴的正方向为X轴，原C轴滞后B轴120°，以原C轴的正方向为Y轴；

2)发生B相缺相故障时，以定子绕组原C轴的正方向为横坐标，原A轴滞后C轴120°，以原A轴的正方向为Y轴；

3)发生C相缺相故障时，以定子绕组原A轴的正方向为横坐标，原B轴滞后A轴120°，以原B轴的正方向为Y轴；

如图3b所示，为加入容错控制电路后的定子绕组的静止坐标系，也就是故障后三相交流电机在静止坐标系下的数学模型，右图3b可知，故障后的三相交流电机只有两相绕组，如果继续按照原来的控制方式，不能形成圆形旋转电磁场，无法实现对电机的容错控制，所以需要本实施例所述的三相交流电机缺陷故障后的容错控制方法；

S05)、在新的容错控制电路中，按照如下方式划分成3个半桥：

Vx1、Vx3构成半桥S₁，Vx1是半桥S₁的上桥臂，Vx3是下桥臂；

Vx2，Vx4构成半桥S₂，Vx2是半桥S₂的上桥臂，Vx4是下桥臂；

V7、V8构成半桥S₃，V7是半桥S₃的上桥臂，Vx8是下桥臂；

根据新容错控制电路中每个半桥的可控功率开关器件的逻辑状态确定电压空间矢量的扇区，其中1代表半桥的上桥臂导通，下桥臂关断；0表半桥的上桥臂关断，下桥臂导通。本实施例中的半桥状态的组合总共如表1所示，其中U_x(U₀，U₁…U₇)是新***的开关电压矢量，V_xN，V_yN分别为两相绕组(新电路结构定义的x,y绕组)的线电压，V_out是输出的电压矢量，U_dc表示半桥两端的输入电压。

表1

从上述表格可以看出，新容错控制电路的3个半桥共有8种开关状态，将这8种开关状态的基本电压空间矢量映射到复平面中，得到新容错控制电路两相绕组控制下的电压空间矢量图，如图4所示，新容错控制电路仍然能够形成依次相隔60°电角度的6个扇区以及两个零矢量，这些扇区和三相交流电机相似，但是顺序不同。新形成的电压空间矢量图中，[0，π/3]为扇区I，扇区I的两个边缘开关矢量分别为U4、U1；[π/3，2π/3]为扇区II，扇区II的两个边缘开关矢量分别为U1、U2；[2π/3，π]为扇区III，扇区III的两个边缘开关矢量分别为U2、U3；[π，4π/3]为扇区IV，扇区IV的两个边缘开关矢量分别为U3、U6；[4π/3，5π/3]为扇区V，扇区V的两个边缘开关矢量分别为U6、U5；[5π/3，2π]为扇区VI，扇区VI的两个边缘开关矢量分别为U5、U4，U0、U7是零矢量，位于电压空间矢量图的原点；

S06)、扇区判断及空间向量调制，控制***接收到电机的控制信号后，首先进行扇区判断，判断出来电机控制信号处于的扇区后进行空间向量调制，根据生成的空间向量控制新容错控制电路的半桥导通或者关断特定时间，使三相交流电机到达控制信号所在的位置。由于新的容错控制电路形成了圆形旋转电磁场，所以能够在360°角范围内实现对三相交流电机位置的调节，实现在缺陷故障后对三相交流电机的有效容错控制。

本实施例中，扇区判断可以采用三种方法，分别为：

A)、当控制单元接收到电机的控制信号时，计算出输出电压的α轴电压分量u_α，β轴电压分量u_β，并计算出电压矢量的角度，根据角度判断所在扇区；若角度在[0，π/3内，属于扇区I；在[π/3，2π/3]内，属于扇区II；在[2π/3，π]内，属于扇区III；在[π，4π/3]内，属于扇区IV；在[4π/3，5π/3]内，属于扇区V，在[5π/3，2π]内，属于扇区V。

B)、可以根据转子位置检测的角度进行扇区判定，根据角度判断扇区的方法同A。

C)、控制单元接收到电机的转子位置信号，计算出α轴电压u_α，β轴电压u_β，定义三个变量u_s1，u_s2，u_s3。

定义三个变量A，B，C

如果u_s1>0,A＝1,否则A＝0；

如果u_s2>0,B＝1,否则B＝0；

如果u_s3>0,C＝1,否则C＝0。

令N＝4C+2B+A，得到扇区与N的关系如下表所示:

N	3	1	5	4	6	2
							扇区(ξ)	I	II	III	IV	V	VI

然后根据N的值进行扇区判断即可。

本实施例中，采用平均值等效原理进行空间向量调制，就是在一个开关周期内通过对基本电压矢量加以组合，使基本电压矢量的平均值与给定电压矢量相等。

空间向量调制的具体过程为：

假设***给定的输出参考电压为U_ref＝|U_ref|e^jθ，其中θ是输出参考电压与α轴的角度，U_ref也称为给定电压矢量，U_ref输出至三相交流电机，使三相交流电机按照U_ref转动至特定位置。假设输出参考电压U_ref所在的扇区为ξ，所在扇区的两个边缘开关矢量分别为U_ξ1，U_ξ2，U_ξ1，U_ξ2为U₁，U₂，…U₆中的任意两个数值，U_ref和U_ξ1之间的夹角为其中U_ξ1超前U_ξ2π/3电角度，则U_ref与U_ξ2的夹角为U_ξ1，U_ξ2对应的开关时间分别为T_ξ1，T_ξ2，根据平均值等效原理可知，

其中，T_s为PWM的调制周期，|U_ξ1|＝|U_ξ2|＝U_dc，U_dc表示新容错控制电路的输入电压，由公式1可以得到T_ξ1，T_ξ2的状态保持时间为：

零电压向量所分配的时间为：T₇＝T₀＝(T_s-T_ξ1-T_ξ2)/2 (3)，

U_ξ1，U_ξ2通过调节半桥S1、S2、S3的上桥臂和下桥臂的状态得到，T_ξ1，T_ξ2就是半桥S₁、S₂、S₃的上桥臂和下桥臂的状态保持时间，将U_ξ1，U_ξ2保持T_ξ1，T_ξ2时间，并使U₀，U₇保持T₀，T₇时间，即可得到U_ref，U_ref输出至三相交流电机，使三相交流电机按照U_ref转动至特定位置。这是PWM的一个调制周期，在其他调制周期内，按照上述过程进行调制即可。

本实施例中，假设参考电压U_ref处于扇区I，则U_ref和u₄之间的夹角为θ，套用公式1可得到：

T_S为PWM的调制周期，U1、U4为扇区I的两个边缘电压矢量，|U₁|＝|U₄|＝U_dc，T1、T4分别为U1、U4的状态保持时间，通过公式4可以得到U1、U4的状态保持时间为：

零电压向量所分配的时间为：T₇＝T₀＝(T_s-T₄-T₁)/2。

由表1可知，使半桥S₁、S₂、S₃的状态分别为0、0、1可以得出U₁，使半桥S1、S2、S3的状态分别为1、0、0可以得出U₄，使半桥S₁、S₂、S₃的状态分别为0、0、0可以得出U₀，使半桥S₁、S₂、S₃的状态分别为1、1、1可以得出U₇。在一个调制周期内，使U₁、U₄的保持时间为T₁、T₄，U₀、U₇的保持时间为T₀、T₇，可以得到U_ref，将U_ref输出至三相交流电机，使三相交流电机按照U_ref转动至特定位置，就完成本调制周期的调节。这是PWM的一个调制周期，在其他调制周期内，按照上述过程进行调制即可。由于新的容错控制电路形成了圆形旋转电磁场，所以能够在360°角范围内实现对三相交流电机位置的调节，实现在缺陷故障后对三相交流电机的有效容错控制。

三相交流电机在发生缺相故障时如果继续按照原有控制策略运行，不能继续产生圆形旋转电磁场，造成电机不能继续运转或者产生强烈的电磁转矩波动。采用本实施例所述方法仍能够产生相对均匀的圆形旋转磁场，电机能够继续平稳运行，避免出现严重事故。

本方法对逆变器功率器和绕组发生单相短路、开路故障时均可适用，且电路拓扑结构中只需增加一路连接电机绕组中线的半桥可控功率开关器件，而目前大多数驱动电路如果实现容错运行需要在每一相绕组都增加备用的半桥电路，使电机实现容错控制的成本较高，本方法成本较低。

以上描述的仅是本发明的基本原理和优选实施例，本领域技术人员根据本发明做出的改进和替换，属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种三相交流电机缺相故障后的容错控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的三相交流电机缺相故障后的容错控制方法，其特征在于：步骤S05中，若故障相为A相，以定子绕组原B轴的正方向为X轴，原C轴滞后B轴120°，以原C轴的正方向为Y轴；若故障相为B相，以定子绕组原C轴的正方向为X轴，原A轴滞后C轴120°，以原A轴的正方向为Y轴；若故障相为C相，以定子绕组原A轴的正方向为X轴，原B轴滞后C轴120°，以原B轴的正方向为Y轴。

3.根据权利要求1所述的三相交流电机缺相故障后的容错控制方法，其特征在于：空间向量调制的过程为：假设***给定的输出参考电压为U_ref＝|U_ref|e^jθ，其中θ是输出参考电压与α轴的角度，假设输出参考电压U_ref所在的扇区为ξ，所在扇区的两个边缘开关矢量分别为U_ξ1，U_ξ2，U_ξ1、U_ξ2属于{U₁，U₂，…U₆}，U_ref和U_ξ1之间的夹角为其中U_ξ1超前U_ξ2π/3电角度，即U_ref与U_ξ2的夹角为U_ξ1、U_ξ2对应的持续时间分别为T_ξ1、T_ξ2，根据平均值等效原理可知，

零电压向量所分配的时间为：T₇＝T₀＝(T_s-T_ξ1-T_ξ2)/2 (3)。

4.根据权利要求1所述的三相交流电机缺相故障后的容错控制方法，其特征在于：进行扇区判断的过程为：控制单元接收到电机的转子位置信号并计算出α轴电压u_α，β轴电压u_β，定义三个变量u_s1，u_s2，u_s3分别为：

5.根据权利要求1所述的三相交流电机缺相故障后的容错控制方法，其特征在于：缺相故障由短路或者开路造成。

6.根据权利要求1所述的三相交流电机缺相故障后的容错控制方法，其特征在于：所述可控功率开关器件为MOSFET或者IGBT，可控开关为双向晶闸管或者继电器。