一種基于裂相抽頭具有容錯(cuò)功能的開關(guān)磁阻電機(jī)系統(tǒng)及其故障診斷方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于電機(jī)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于裂相抽頭具有容錯(cuò)功能的開關(guān)磁阻電機(jī)系統(tǒng)及其故障診斷方法。
【背景技術(shù)】
[0002]開關(guān)磁阻電機(jī)(Switched Reluctance Motor, SRM)是20世紀(jì)80年代發(fā)展起來的一種新的微型電機(jī)，作為一種結(jié)構(gòu)簡單、魯棒性好、價(jià)格便宜的新型調(diào)速系統(tǒng)，問世不久便引起了各國電氣傳動(dòng)界的廣泛重視，成為80年代最熱門的調(diào)速電動(dòng)機(jī)之一。近幾十年來，開關(guān)磁阻電機(jī)發(fā)展迅速，得到了越來越多的關(guān)注，并且已經(jīng)在電動(dòng)汽車、家用電器、航空、通用工業(yè)等領(lǐng)域中得到了不同程度的應(yīng)用。如圖1所示，該系統(tǒng)由雙凸極式磁阻電機(jī)、功率變換器、位置傳感器、電流傳感器和控制器組成，是機(jī)電一體化的調(diào)速驅(qū)動(dòng)裝置。它具有結(jié)構(gòu)簡單、造價(jià)低廉、機(jī)體堅(jiān)固、可靠性高、調(diào)速范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)應(yīng)用中受到青睞。
[0003]開關(guān)磁阻電機(jī)系統(tǒng)(Switched Reluctance Motor Drive，SRD)中，開關(guān)磁阻電機(jī)是該系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量裝換的部件，也是SRD有別于其他電機(jī)系統(tǒng)的主要標(biāo)志。功率變換器向SRM提供運(yùn)轉(zhuǎn)所需要的能量，由蓄電池或者交流電整流后得到的直流電供電，該模塊采用的是不對稱半橋型功率變換器結(jié)構(gòu)，由于其各相繞組之間相互獨(dú)立、容錯(cuò)性能好、穩(wěn)定性強(qiáng)的特點(diǎn)而廣泛應(yīng)用。位置檢測模塊是用來檢測SRM轉(zhuǎn)子的位置；電流檢測模塊則是用于檢測SRM繞組中的各相電流；控制器模塊是系統(tǒng)的中樞，它綜合處理速度指令、速度反饋信號、位置傳感器和電流傳感器的反饋信息，控制功率變換器中主開關(guān)器件的工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對SRM運(yùn)行狀態(tài)的控制。
[0004]開關(guān)磁阻電機(jī)由于其定轉(zhuǎn)子的特殊結(jié)構(gòu)以及各相控制的獨(dú)立性，而具備高可靠性，特別適合一些環(huán)境惡劣、要求連續(xù)工作的應(yīng)用場合，比如航空啟動(dòng)/發(fā)電系統(tǒng)、車載電車制動(dòng)系統(tǒng)、礦井提升機(jī)等。功率變換器作為系統(tǒng)控制中的中樞執(zhí)行機(jī)構(gòu)，是系統(tǒng)中最容易出現(xiàn)故障的薄弱環(huán)節(jié)。功率變換器故障將破壞驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行的平衡狀態(tài)，產(chǎn)生無法抑制的轉(zhuǎn)矩缺口甚至制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，長期故障運(yùn)行將導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的損壞。因此，對系統(tǒng)中功率變換器實(shí)施故障診斷是非常必要的。
[0005]為了提高開關(guān)磁阻電機(jī)的故障診斷和故障容錯(cuò)能力，包括電流頻譜分析法、模糊推理方法、模式識別方法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法等在內(nèi)的許多基于軟件和硬件的有效控制策略已經(jīng)被采用。然而，硬件的改進(jìn)在提高故障容錯(cuò)能力的同時(shí)，由于改變了電機(jī)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)而使得一些應(yīng)用領(lǐng)域受到限制；對于軟件方面的改善，電機(jī)結(jié)構(gòu)不變的前提下，卻增加了控制的難度。因此，我們需要的故障診斷和故障容錯(cuò)策略應(yīng)該盡可能的滿足下面的幾個(gè)條件:
[0006](I)不改變或者盡可能小的改變傳統(tǒng)的開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)拓?fù)洌?br>[0007](2)在極端故障狀況下，也能保證電機(jī)故障容錯(cuò)運(yùn)行；
[0008](3)模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]為了滿足上面提到的幾個(gè)條件，在傳統(tǒng)的開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)拓?fù)涞幕A(chǔ)上，本發(fā)明提出了一種基于裂相抽頭具有容錯(cuò)功能的開關(guān)磁阻電機(jī)系統(tǒng)及其故障診斷方法。
[0010]該開關(guān)磁阻電機(jī)系統(tǒng)包括開關(guān)磁阻電機(jī)、功率變換器、故障容錯(cuò)組件、電流傳感器以及控制器；其中:
[0011]所述的開關(guān)磁阻電機(jī)具有三相定子繞組，每相定子繞組均中間裂相抽頭；
[0012]所述的功率變換器用于為開關(guān)磁阻電機(jī)的各相定子繞組提供勵(lì)磁；
[0013]所述的電流傳感器用于檢測三相定子繞組上對應(yīng)的三相繞組電流；
[0014]所述的故障容錯(cuò)組件用于當(dāng)開關(guān)磁阻電機(jī)發(fā)生開路或短路故障時(shí)實(shí)現(xiàn)故障診斷以及容錯(cuò)運(yùn)行；
[0015]所述的控制器根據(jù)三相繞組電流對開關(guān)磁阻電機(jī)進(jìn)行故障診斷，并為功率變換器以及故障容錯(cuò)組件中的功率開關(guān)器件提供控制信號。
[0016]所述的功率變換器包括一直流母線電容以及三組功率變換單元，所述的功率變換單元包含兩個(gè)帶反并聯(lián)二極管的開關(guān)管S1' S 2以及兩個(gè)續(xù)流二極管D D 2;其中，開關(guān)管S1的一端與續(xù)流二極管D1的陰極、直流母線電容的一端以及直流電壓的正極相連，開關(guān)管S1的另一端與對應(yīng)相定子繞組的一端以及續(xù)流二極管02的陰極相連，續(xù)流二極管D2的陽極與開關(guān)管S2的一端、直流母線電容的另一端以及直流電壓的負(fù)極相連，開關(guān)管S 2的另一端與對應(yīng)相定子繞組的另一端以及續(xù)流二極管D1的陽極相連。
[0017]所述的故障容錯(cuò)組件包括三組故障容錯(cuò)單元，所述的故障容錯(cuò)單元包含兩個(gè)帶反并聯(lián)二極管的開關(guān)管s3?S 4;其中，開關(guān)管S 3的一端與直流電壓的正極相連，開關(guān)管S 3的另一端與開關(guān)管&的一端以及對應(yīng)相定子繞組的中間抽頭節(jié)點(diǎn)相連，開關(guān)管S4的另一端與直流電壓的負(fù)極相連。
[0018]所述的開關(guān)管S1-S 4均采用CooIMOS管或IGBT。
[0019]所述的續(xù)流二極管D1' D 2均采用快恢復(fù)二極管。
[0020]上述開關(guān)磁阻電機(jī)系統(tǒng)的故障診斷方法，如下:
[0021]開關(guān)磁阻電機(jī)正常運(yùn)行情況下，當(dāng)任一相定子繞組在其開通區(qū)間內(nèi)繞組電流為零時(shí)，則表明該相定子繞組或其對應(yīng)的功率變換單元存在開路故障；此時(shí)，開通對應(yīng)相故障容錯(cuò)單元中的開關(guān)管S3并判斷該相繞組電流:
[0022]若該相繞組電流重新出現(xiàn)，則表明故障位于對應(yīng)相功率變換單元中的開關(guān)管S1W及與其連接的裂相后的前半部分定子繞組所組成的線路中，且該相在由對應(yīng)功率變換單元中的開關(guān)管SjP二極管D 1、對應(yīng)故障容錯(cuò)單元中的開關(guān)管S3?S 4以及后半部分定子繞組所組成的不對稱半橋拓?fù)湎氯蒎e(cuò)運(yùn)行；
[0023]若該相繞組電流仍為零，則表明故障位于對應(yīng)相功率變換單元中的開關(guān)管S2以及與其連接的裂相后的后半部分定子繞組所組成的線路中，進(jìn)而開通對應(yīng)相故障容錯(cuò)單元中的開關(guān)管S4，使該相在由對應(yīng)功率變換單元中的開關(guān)管SJP二極管D 2、對應(yīng)故障容錯(cuò)單元中的開關(guān)管S3?S 4以及前半部分定子繞組所組成的不對稱半橋拓?fù)湎氯蒎e(cuò)運(yùn)行；
[0024]開關(guān)磁阻電機(jī)正常運(yùn)行情況下，當(dāng)任一相定子繞組在電機(jī)整個(gè)開關(guān)循環(huán)周期內(nèi)繞組電流始終大于零，則表明該相定子繞組或其對應(yīng)的功率變換單元存在短路故障；此時(shí)，開通對應(yīng)相故障容錯(cuò)單元中的開關(guān)管S3并判斷該相繞組電流:
[0025]若該相繞組電流減至零，則表明故障位于對應(yīng)相功率變換單元中的開關(guān)管S1以及與其連接的裂相后的前半部分定子繞組所組成的線路中，且該相在由對應(yīng)功率變換單元中的開關(guān)管SjP二極管D 1、對應(yīng)故障容錯(cuò)單元中的開關(guān)管S3?S 4以及后半部分定子繞組所組成的不對稱半橋拓?fù)湎氯蒎e(cuò)運(yùn)行；
[0026]若該相繞組電流仍始終大于零，則表明故障位于對應(yīng)相功率變換單元中的開關(guān)管S2以及與其連接的裂相后的后半部分定子繞組所組成的線路中，進(jìn)而開通對應(yīng)相故障容錯(cuò)單元中的開關(guān)管S4，使該相在由對應(yīng)功率變換單元中的開關(guān)管S1和二極管D2、對應(yīng)故障容錯(cuò)單元中的開關(guān)管S3?S 4以及前半部分定子繞組所組成的不對稱半橋拓?fù)湎氯蒎e(cuò)運(yùn)行。
[0027]由此可見，本發(fā)明通過對SRM在傳統(tǒng)控制策略下的故障分析和故障容錯(cuò)運(yùn)行，討論了在不同控制策略下該基于裂相抽頭的開關(guān)磁阻電機(jī)故障診斷與容錯(cuò)拓?fù)淠軌蛴行ПＷC電機(jī)發(fā)生故障時(shí)的容錯(cuò)運(yùn)行。本發(fā)明綜合考慮硬件和軟件的改善，具有結(jié)構(gòu)模塊化和控制容易的優(yōu)點(diǎn)，通過將傳統(tǒng)的不對稱半橋和逆變橋并行連接，實(shí)現(xiàn)了當(dāng)繞組和開關(guān)管發(fā)生開路或者短路故障時(shí)仍能保證電機(jī)容錯(cuò)運(yùn)行的功能。
【附圖說明