CN204392129U - 一种容错型瞬时转矩控制异步电机发电*** - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种容错型瞬时转矩控制异步电机发电***，包括主电路、初始励磁电路、检测电路和控制电路；主电路包含异步电机、容错型变换器、第一母线电容、第二母线电容；容错型变换器由三相桥臂和一个双向晶闸管组成；异步电机发电***在容错后容错型变换器由三相六开关变换器变为两相四开关变换器，只要根据两相四开关变换器电压矢量的特点重新设计新的最优电压矢量选择表，就可继续实现对异步电机发电***瞬时转矩的快速控制，使容错后的异步电机发电***保持控制算法简单、受电机参数影响小、动态特性好的优点。本实用新型设计合理、电路结构简单，成本增加有限，大大提高了异步电机发电***的工作可靠性。

Description

一种容错型瞬时转矩控制异步电机发电***

技术领域

本实用新型涉及一种容错型瞬时转矩控制异步电机发电***，适用于对发电可靠性要求较高的场合，属于电机控制技术领域。

背景技术

由电力电子变换器与异步电机结合构成的新型异步电机发电***，采用先进的控制技术，性能较传统异步发电机得到极大的改善，因而它已成为飞机、汽车、坦克等新型机载、车载独立电源***的理想选择。

作为航空、军事上应用的电源***，可靠性是首先必须考虑的问题，容错技术是提高可靠性的有力保证。由电力电子变换器与异步电机结合构成的新型发电***中，电力电子变换器可大大改善发电***性能，但它也是***中易发生故障的薄弱环节。一旦发生故障，整个发电***将丧失正常工作的能力，这在一般民用场合会带来经济损失，而在航空、军事等重要场合，将造成灾难性事故，因此进行发电***容错研究具有重要的现实意义。

采用瞬时转矩控制的异步电机发电***因为动态性能特别优良，在突加、突卸负载时的动态恢复时间小于美军标要求的30ms，可以很好地满足电传***和高级仪器不中断供电的要求，因而作为飞机、坦克、军舰、轮船等运动载体的独立电源极有应用前景，已经授权的中国发明专利：瞬时转矩控制的笼型异步电机电力电子变换器直流起动/发电***，公开号：CN 1396705A，公布了瞬时转矩控制的异步电机发电***的组成和控制方法，但该专利仅发明了瞬时转矩控制异步电机发电***正常运行时的硬件电路和控制方法，未考虑***的故障容错技术。

为了提高瞬时转矩控制异步电机发电***的可靠性，使其真正满足飞机、坦克、军舰、轮船等高可靠性工作场合的要求，对该***的容错技术进行研究十分必要。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种所需功率器件少、硬件电路简单、成本低、可靠性高、能实现功率管开路和短路故障容错的瞬时转矩控制异步电机发电***。

为实现上述目的，本实用新型的技术方案是：一种容错型瞬时转矩控制异步电机发电***，包括主电路、初始励磁电路、检测电路和控制电路；

所述主电路包含异步电机、容错型变换器、第一母线电容、第二母线电容；容错型变换器包含第一相桥臂、第二相桥臂、第三相桥臂和一个双向晶闸管；第一相桥臂由第一熔断器、第一功率管、第二功率管和第二熔断器串联组成，第二相桥臂由第三熔断器、第三功率管、第四功率管和第四熔断器串联组成，第三相桥臂由第五熔断器、第五功率管、第六功率管和第六熔断器串联组成；第一母线电容的负极和第二母线电容的正极相连；三相桥臂的正极和第一母线电容的正极相连，作为直流电源输出的正极；三相桥臂的负极和第二母线电容的负极相连，作为直流电源输出的负极；三相桥臂中点分别接异步电机三相绕组的出线端；双向晶闸管接在异步电机中性点及第一母线电容和第二母线电容的连接点之间；

所述初始励磁电路包含二极管和低压辅助电源，二极管的阳极和低压辅助电源的正极相连；二极管的阴极接直流电源输出的正极，低压辅助电源的负极接直流电源输出的负极；

所述检测电路包含电流传感器、电压传感器、模/数转换器，电流传感器为三只交流霍尔电流传感器，连接在异步电机三相绕组输出端和容错型变换器三相桥臂中点的三根导线分别穿过三只电流传感器；电压传感器为一只直流霍尔电压传感器，其输入端并联在直流电源输出的正负极线上；电流传感器和电压传感器的输出端均与模/数转换器的模拟信号输入端相连；电流传感器获得的三相交流电流模拟信号、电压传感器获得的直流电压模拟信号都送入模/数转换器的模拟信号输入端，模/数转换器将输入模拟信号转换成数字信号输出；

所述控制电路包含数字信号处理器、驱动电路，数字信号处理器的输入端与模/数转换器数字信号输出端相连，其输出端与驱动电路的输入端相连，驱动电路的输出端与主电路中容错型变换器的第一功率管到第六功率管的栅极及双向晶闸管的控制极相接。

本实用新型具有以下有益技术效果：在现有的由三相六开关变换器和异步电机构成的发电***中，增加一个双向晶闸管、六个熔断器及一路晶闸管的硬件驱动电路，就实现了对三相六开关变换器常见的功率管开路和短路故障的容错，其设计合理、电路结构简单，成本增加有限，大大提高了异步电机发电***的工作可靠性；并且，异步电机发电***在容错后容错型变换器由三相六开关变换器变为两相四开关变换器，只要根据两相四开关变换器电压矢量的特点重新设计新的最优电压矢量选择表，就可继续实现对异步电机发电***瞬时转矩的快速控制，使容错后的异步电机发电***保持控制算法简单、受电机参数影响小、动态特性好的优点。

附图说明

图1为本实用新型的原理图；

图2为本实用新型正常工作时的主电路图；

图3为本实用新型第一相桥臂中功率管之一发生故障，并且变换器容错为两相四开关变换器后，***的主电路图；

图4(a)为本实用新型第一相桥臂中功率管之一发生故障、变换器容错为两相四开关变换器后，***的四个电压矢量；

图4(b)为本实用新型第二相桥臂中功率管之一发生故障、变换器容错为两相四开关变换器后，***的四个电压矢量；

图4(c)为本实用新型第三相桥臂中功率管之一发生故障、变换器容错为两相四开关变换器后，***的四个电压矢量；

图5为本实用新型第一相桥臂中功率管之一发生故障、变换器容错为两相四开关变换器后，扇区划分及θ₁扇区中电压矢量对磁链和转矩的调节作用示意图；

图6为本实用新型正常运行与容错后转矩给定示意图。

图中：1为异步电机，2为容错型变换器，3为第一母线电容，4为第二母线电容，5为二极管，6为低压辅助电源，7为电流传感器，8为电压传感器、9为模/数转换器，10为数字信号处理器，11为驱动电路。2.1为第一相桥臂，2.2为第二相桥臂，2.3为第三相桥臂；T1～T6为第一～第六功率管，F1～F6为第一～第六熔断器，TRn为双向晶闸管，i_a、i_b、i_c为电机a、b、c三相电流，U_dc为输出直流电压；V₀(00)、V₁(01)、V₂(10)、V₃(11)为电压矢量；θ₁～θ₄为定子磁链运动平面均分的四个扇区，ψ_s为定子磁链，ψ_r为转子磁链，δ为定子磁链ψ_s落后于转子磁链ψ_r的角度；T_e ^*为转矩给定值，T_e ^*’为转矩给定值的滤波值。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步详述。

本实用新型所述的一种容错型瞬时转矩控制异步电机发电***，如图1所示，包括主电路、初始励磁电路、检测电路和控制电路；

所述主电路由异步电机1、容错型变换器2、第一母线电容3、第二母线电容4组成；容错型变换器2包含三相桥臂2.1、2.2、2.3和双向晶闸管TRn；第一相桥臂2.1由第一熔断器F1、第一功率管T1、第二功率管T2和第二熔断器F2串联组成，第二相桥臂2.2由第三熔断器F3、第三功率管T3、第四功率管T4和第四熔断器F4串联组成，第三相桥臂2.3由第五熔断器F5、第五功率管T5、第六功率管T6和第六熔断器F6串联组成；第一母线电容3的负极和第二母线电容4的正极相连；三相桥臂2.1、2.2、2.3的正极和第一母线电容3的正极相连，作为直流电源输出的正极；三相桥臂2.1、2.2、2.3的负极和第二母线电容4的负极相连，作为直流电源输出的负极；三相桥臂2.1、2.2、2.3中点分别接异步电机1三相绕组的出线端；双向晶闸管TRn接在异步电机1中性点及母线电容3、4的连接点之间；功率管T1～T6均为并联有体二极管的IGBT功率管，熔断器F1～F6均为快速熔断器；

所述初始励磁电路包含二极管5、低压辅助电源6，二极管5的阳极和低压辅助电源6的正极相连，其阴极接直流电源输出的正极；低压辅助电源6的负极接直流电源输出的负极。低压辅助电源6为12V或24V蓄电池，它经过二极管5和三相桥臂2.1、2.2和2.3构成的三相六开关变换器向异步电机1提供初始励磁电压，激励异步电机1发出的电压逐渐增加。异步电机1发出的三相交流电压经过三相六开关变换器的整流，再经过第一母线电容3和第二母线电容4的滤波作用，输出直流电压；当输出的直流电压超过低压辅助电源6的电压时，二极管5起阻断作用，使低压辅助电源6自然脱离异步电机发电***；

所述检测电路包含电流传感器7、电压传感器8和模数转换器9；电流传感器7为三只交流霍尔电流传感器，连接在异步电机三相绕组输出端和容错型变换器三相桥臂中点的三根导线分别穿过三只电流传感器7，电流传感器7将异步电机1三相绕组的交流强电流信号i_a、i_b、i_c转换成弱电压模拟信号；电压传感器8为一只直流霍尔电压传感器，其输入端并联在直流电源输出端的正负极线上；电流传感器7和电压传感器8的输出端均与模/数转换器9的模拟信号输入端相连；电流传感器7与电压传感器8获得的弱电压模拟信号接入模/数转换器的模拟信号输入端，模/数转换器将输入模拟信号转换成数字信号输出；采用电流传感器7和电压传感器8可使检测电路在进行准确信息检测的同时，使控制电路和主电路实现可靠的电气隔离；

所述控制电路包含数字信号处理器10、驱动电路11，数字信号处理器10的输入端与模/数转换器9的输出端相连，其输出端与驱动电路11的输入端相连；驱动电路11的输出端与主电路中功率管T1～T6的基极及双向晶闸管TRn的控制极相接；数字信号处理器10依据模数转换器9输入的数字信号——三相电流信息和主电路电压信息，在异步电机发电***正常运行时，根据现有的常规三相六开关变换器与异步电机构成的发电***的瞬时转矩控制方法，算出应该发给容错型变换器的控制信号，在异步电机发电***容错运行时，根据本实用新型提出的两相四开关变换器和异步电机组成的发电***的瞬时转矩控制方法，算出应该发给容错型变换器的控制信号；容错型变换器的控制信号经过驱动电路11的驱动放大，送到六个功率管T1～T6的栅极和双向晶闸管TRn的控制极，进行异步电机发电***的容错控制。

本实用新型所述的一种容错型瞬时转矩控制异步电机发电***的控制方法：

异步电机发电***正常运行时，其主电路如图2所示，三相桥臂2.1、2.2、2.3工作，双向晶闸管TRn不工作，异步电机1发出的三相交流电，经过三相六开关变换器整流后，变为直流电输出；

当某一相桥臂中的一个功率管出现开路故障时，检测电路检测到三相电流中的某一相电流为零的时间达到半个电流周期，控制电路据此断开该相桥臂中的两个功率管的驱动信号，然后触发双向晶闸管TRn导通，异步电机由另外两相桥臂和双向晶闸管TRn构成的两相四开关变换器控制，继续容错发电运行。下面以第一相桥臂2.1中功率管T1(或者功率管T2)出现开路故障为例，如图3所示，控制电路断开功率管T1、T2的驱动信号，同时触发双向晶闸管TRn导通，由双向晶闸管TRn、第二相桥臂2.2及第三相桥臂2.3构成的两相四开关变换器控制异步电机1继续发电运行；

当某一相桥臂中的一个功率管出现短路故障时，同一相桥臂上的互补功率管、该桥臂上的两个熔断器与第一母线电容3、第二母线电容4会形成短路回路，两个熔断器因为过流被熔断，该桥臂从电路中断开，短路故障自动转化为开路故障，再利用上述功率管开路故障容错方法进行控制。

异步电机发电***正常运行时采用现有的瞬时转矩控制方法，其基本原理是，异步电机所产生的转矩是电机进行机电能量转换的关键物理量，控制了瞬时转矩，就控制了电机发电时的机电能量转换过程，从而可使整个发电***获得优良的动态性能。由于瞬时转矩正比于电机定、转子磁链之间夹角的正弦值，要迅速控制瞬时转矩，应尽可能快地改变定、转子磁链的夹角。因转子磁链是由定子磁链感应产生的，它的变化相对于定子磁链来说要慢，因此迅速改变定、转子磁链之间的夹角，实际上是通过快速改变定子磁链来实现的。瞬时转矩控制的方法是通过选择变换器的不同开关状态，也就是发电***的不同电压矢量，直接作用到电机绕组上，使电机的定子磁链ψ_s得到迅速的改变，从而迅速控制电机的瞬时转矩。在控制过程中，为保持高动态性能，定子磁链幅值|ψ_s|需满足恒定的条件，因此磁链ψ_s的运动轨迹为圆形。

异步电机发电***正常运行的瞬时转矩控制包括电压建立和稳压发电两个过程。

电压建立过程包括三个阶段：一是进入发电状态，在初始励磁电路作用下，数字信号处理器通过对三相六开关变换器电压矢量的选择，控制电机瞬时转矩为负，控制定子磁链幅值随时间增长，使异步电机进入发电状态；二是低压辅助电源退出阶段，数字信号处理器继续控制电机瞬时转矩为负，使直流输出电压U_dc逐渐增加，当U_dc大于低压辅助电源电压时，由于二极管5的阻断作用，低压辅助电源自然退出发电***；三是电压增长发电阶段，该阶段所需控制的瞬时转矩(又称转矩给定值)T_e ^*由电压传感器8所测得的直流输出电压U_dc与所需要控制的直流输出电压(又称电压给定值)U_dc ^*的偏差经PID调节(P代表比例、I代表积分、D代表微分)得到：

$T_e^{*}=k_p(U_{\mathrm{dc}}-U_{\mathrm{dc}}^{*})+k_i\∫(U_{\mathrm{dc}}-{U_{\mathrm{dc}}}^{*})\mathrm{dt}+k_d\frac{d(U_{\mathrm{dc}}-{U_{\mathrm{dc}}}^{*})}{\mathrm{dt}}$

式中k_p、k_i、k_d分别为比例、积分和微分系数。

数字信号处理器控制电机的瞬时转矩跟随转矩给定值T_e ^*，使电压U_dc增长，直到与所需要控制的直流输出电压U_dc ^*的偏差达到规定的误差范围。

异步电机发电***稳压发电运行时，转矩给定值T_e ^*计算方法与电压建立过程中电压增长阶段的计算方法相同。

异步电机发电***容错运行时，由于变换器电路拓扑发生了变化，不再是图2所示的三相六开关变换器方式，而变为两相四开关变换器方式，电压矢量与正常运行时相比发生了变化，其对电机定子磁链和转矩的调节作用与正常运行时完全不一样，因此电压矢量的选择方案要重新设计。本实用新型中控制方法的一个重要特点是分析了容错后两相四开关变换器异步电机发电***中电压矢量对于电机磁链和转矩的影响，据此设计出新的最优电压矢量选择表，实现对电机磁链和瞬时转矩的快速控制，继续保持容错后***优良的动态性能。容错后两相四开关变换器异步电机发电***最优电压矢量选择表的建立是本实用新型控制方法的核心。

容错后两相四开关变换器的电压矢量如图4(a)、(b)、(c)所示。图4(a)为第一相桥臂2.1功率管之一发生故障并容错为两相四开关变换器后，异步电机发电***的电压矢量，此时构成两相四开关变换器的是T3、T4、T5、T6，控制电机b相与c相绕组电流流通。图4(a)中四个电压矢量与功率管开通和关断的对应状态如表1所示。

表1 四个电压矢量与功率管开通和关断的对应状态

电压矢量	T3	T4	T5	T6
					V0(00)	关断	导通	关断	导通
V1(01)	关断	导通	导通	关断
					V2(10)	导通	关断	关断	导通
V3(11)	导通	关断	导通	关断

两相四开关变换器异步电机发电***电压矢量特点为：有四个幅值不等的有效矢量，各矢量依次相差90o。

图4(b)为第二相桥臂(2.2)中功率管发生故障并容错为两相四开关变换器后***的电压矢量，由于此时构成两相四开关变换器的是T1、T2、T5、T6，对应控制电机a相与c相绕组电流流通，因而所有电压矢量比图4(a)中的均落后120°。图4(c)为第三相桥臂2.3中功率管发生故障并容错为两相四开关变换器后***的电压矢量，所有电压矢量比图4(b)中的均落后120°。

由图4(a)、(b)、(c)可知，容错型变换器含有四个互相垂直的电压矢量V₀(00)、V₁(01)、V₂(10)、V₃(11)，根据电压矢量的相对位置可将磁链运动平面均分为四个扇区，以第一相桥臂2.1功率管发生故障并容错为两相四开关变换器***为例，将磁链运动平面划分为图5中的θ₁、θ₂、θ₃、θ₄四个扇区。以θ₁扇区为例分析电压矢量对定子磁链和转矩的调节作用。

图5中，圆形实线表示电机定子磁链运动圆形轨迹的平均位置，两条圆形虚线表示定子磁链运动轨迹范围。当电机发电运行时，定子磁链矢量ψ_s落后于转子磁链矢量ψ_r一个角度δ，由于V₀(00)、V₂(10)使ψ_s向偏离磁链圆圆心的方向运动，因此这两个矢量使|ψ_s|增加，V₁(01)、V₂(10)使ψ_s向靠近磁链圆圆心的方向运动，因此这两个矢量使|ψ_s|减小；V₂(10)、V₃(11)使ψ_s和ψ_r的夹角减小，T_e绝对值减小，但由于发电时T_e为负，因此T_e数值实际在增加；V₀(00)、V₁(01)使ψ_s和ψ_r之间的夹角增加，T_e绝对值增加，数值减小。图中↑表示增加，↓表示减小。这说明电压矢量作用到电机绕组上，会引起定子磁链和转矩的迅速变化，变化趋势和程度与定子磁链所处的扇区有关，据此可直接选择最优的电压矢量作用到电机绕组上，满足***的转矩控制要求。本实用新型设计的容错后两相四开关变换器异步电机发电***瞬时转矩控制最优电压矢量选择表，如表2所示。

表2 两相四开关变换器异步电机发电***瞬时转矩控制最优电压矢量选择表

ψ	τ	θ1	θ2	θ3	θ4
						0	0	V2(10)	V3(11)	V1(01)	V0(00)
0	1	V0(00)	V2(10)	V3(11)	V1(01)

1	0	V3(11)	V1(01)	V0(00)	V2(10)
						1	1	V1(01)	V0(00)	V2(10)	V3(11)

表2中ψ或τ为0表示要求选用使定子磁链幅值或转矩增加的矢量，ψ或τ为1则表示要求选用使定子磁链幅值或转矩减少的矢量。以图5中θ₁扇区为例，如果要求磁链和转矩均增加，则最优电压矢量是V₂(10)；如果要求磁链增加、转矩减少，则最优电压矢量是V₀(00)；如果要求磁链减少、转矩增加，则最优电压矢量是V₃(11)；如果要求磁链和转矩均减少，则最优电压矢量是V₁(01)。

若用正常运行时转矩给定值T_e ^*的计算方法，T_e ^*随直流电源输出电压U_dc波动而波动，如图6中T_e ^*，这样两相四开关变换器***中发V₀(00)、V₁(01)、V₂(10)和V₃(11)四个电压矢量的机会与时间长短不一样，第一母线电容3和第二母线电容4的充、放电机会不均等，若一个电流周期中，第一母线电容3充电量大于放电量，第二母线电容4充电量必小于放电量，随着时间的积累，第一母线电容3电压向大于U_dc/2的方向漂移，第二母线电容4电压向小于U_dc/2的方向漂移，两个电容工作状态不平衡。为抑制母线电容3、4的电压漂移，容错后对两相四开关***的转矩给定进行修正，使转矩给定的波动幅度减小，两相四开关变换器***的转矩给定值T_e ^*’为：

${T_e^{*}}^{\′}=k_p(U_{\mathrm{dc}}^{\′}-U_{\mathrm{dc}}^{*})+k_i\∫(U_{\mathrm{dc}}-{U_{\mathrm{dc}}}^{*})\mathrm{dt}+k_d\frac{d(U_{\mathrm{dc}}-{U_{\mathrm{dc}}}^{*})}{\mathrm{dt}}$

上式中第一项U_dc’是电压传感器8所测直流电压U_dc的数字滤波值。T_e ^*’依然包括比例、积分与微分三项，比例项对U_dc’与所需电压U_dc ^*的误差进行，积分与微分仍然对所测直流电源输出电压U_dc与所需直流电源输出电压U_dc ^*的偏差进行。T_e ^*’的变化，如图6中虚线所示。

相对于T_e ^*而言，由于T_e ^*’的波动得到有效抑制，控制器发V₀(00)、V₁(01)、V₂(10)和V₃(11)矢量的机会与时间长短基本均等，第一母线电容3和第二母线电容4获得基本均等的充、放电机会，电压漂移得到抑制，两个电容工作状态平衡，直流输出电压稳定，同时保证了***优良的动态性能。

Claims (1)

1.一种容错型瞬时转矩控制异步电机发电***，其特征在于：包括主电路、初始励磁电路、检测电路和控制电路；

所述主电路包含异步电机、容错型变换器、第一母线电容、第二母线电容；容错型变换器包含第一相桥臂、第二相桥臂、第三相桥臂和一个双向晶闸管；第一相桥臂由第一熔断器、第一功率管、第二功率管和第二熔断器串联组成，第二相桥臂由第三熔断器、第三功率管、第四功率管和第四熔断器串联组成，第三相桥臂由第五熔断器、第五功率管、第六功率管和第六熔断器串联组成；第一母线电容的负极和第二母线电容的正极相连；三相桥臂的正极和第一母线电容的正极相连，作为直流电源输出的正极；三相桥臂的负极和第二母线电容的负极相连，作为直流电源输出的负极；三相桥臂中点分别接异步电机三相绕组的出线端；双向晶闸管接在异步电机中性点及第一母线电容和第二母线电容的连接点之间；

所述初始励磁电路包含二极管和低压辅助电源，二极管的阳极和低压辅助电源的正极相连；二极管的阴极接直流电源输出的正极，低压辅助电源的负极接直流电源输出的负极；

所述检测电路包含电流传感器、电压传感器、模/数转换器，电流传感器为三只交流霍尔电流传感器，连接在异步电机三相绕组输出端和容错型变换器三相桥臂中点的三根导线分别穿过三只电流传感器；电压传感器为一只直流霍尔电压传感器，其输入端并联在直流电源输出的正负极线上；电流传感器和电压传感器的输出端均与模/数转换器的模拟信号输入端相连；所述控制电路包含数字信号处理器、驱动电路，数字信号处理器的输入端与模/数转换器数字信号输出端相连，其输出端与驱动电路的输入端相连，驱动电路的输出端与主电路中容错型变换器的第一功率管到第六功率管的栅极及双向晶闸管的控制极相接。