一種四相電勵磁雙凸極電機失磁故障容錯發電方法與流程
2023-06-10 14:46:21 1
本發明涉及電機控制技術領域，尤其涉及一種四相電勵磁雙凸極電機失磁故障容錯發電方法。
背景技術：
作為一種新型無刷直流電機，電勵磁雙凸極電機具有結構簡單可靠、控制靈活、容錯性能好、適用於惡劣工況的優點，在航空、風力發電等領域具有廣闊的應用前景。多相電勵磁雙凸極電機能夠降低轉矩脈動、減小發電輸出電壓紋波、提高系統容錯性能。作為發電機運行時，電勵磁雙凸極電機經不控整流向負載供電，通過調節勵磁電流實現輸出電壓的調節，勵磁部分是系統脆弱部件，其發生故障時的容錯發電方法亟待研究。
目前，有關電勵磁雙凸極電機失磁故障的容錯控制策略研究尚處於起步階段。史立偉等公開的「電勵磁雙凸極電機勵磁故障容錯發電系統及其控制方法」（中國，公開日：2015年4月29號，公開號：104579067a）專利中公開了一種基於三相四橋臂的電勵磁雙凸極電機失磁故障容錯發電方法，其將兩個電角度周期作為一個控制周期，向三相繞組內通以正負反向的勵磁電流實現失磁故障下的發電。但其不能直接根據轉子位置角實現失磁故障的勵磁功能，實際實施複雜。
在全橋變換器的基礎上增加一相冗餘橋臂即能實現電勵磁雙凸極電機的失磁故障發電功能，但在四相電勵磁雙凸極電機中，每相電樞繞組自感在任意扇區均隨轉子位置變化，上述公開專利中使得自感變化區間的繞組均向負載供電，這在四相五橋臂驅動的電勵磁雙凸極電機中會引起第五橋臂的短路，不能實現系統的失磁故障容錯發電。
技術實現要素：
本發明所要解決的技術問題是針對背景技術中所涉及到的缺陷，提供一種四相電勵磁雙凸極電機失磁故障容錯發電方法。
本發明為解決上述技術問題採用以下技術方案：
一種四相電勵磁雙凸極電機失磁故障容錯發電方法，所述四相電勵磁雙凸極電機星型連接，四相繞組分別為a相繞組、b相繞組、c相繞組、d相繞組，採用四相五橋臂變換器驅動；
所述四相五橋臂變換器包含四相全橋變換器和第五橋臂；
所述四相全橋變換器包含開關管t1至t8、二極體d1至d8；所述第五橋臂包含開關管t9至t10、二極體d9至d10；
所述開關管t1至t10的集電極分別和二極體d1至d10的陰極相連、發射極分別和二極體d1至d10的陽極相連；
a相繞組分別和二極體d1的陽極、二極體d2的陰極相連；
b相繞組分別和二極體d3的陽極、二極體d4的陰極相連；
c相繞組分別和二極體d5的陽極、二極體d6的陰極相連；
d相繞組分別和二極體d7的陽極、二極體d8的陰極相連；
四相電勵磁雙凸極電機的中性點通過開關s分別和二極體d9的陽極、二極體d10的陰極相連；
二極體d1的陰極分別和二極體d3的陰極、二極體d5的陰極、二極體d7的陰極、二極體d9的陰極、外部直流母線的正極相連；
二極體d2的陽極分別和二極體d4的陽極、二極體d6的陽極、二極體d8的陽極、二極體d10的陽極、外部直流母線的負極相連；
所述失磁故障容錯發電方法包括如下步驟：
步驟1），判斷四相電勵磁雙凸極電機的勵磁部分是否故障；
步驟2），若四相電勵磁雙凸極電機的勵磁部分無故障，使開關s處於斷開狀態，四相繞組a、b、c、d通過四相全橋變換器的反並二極體不控整流向負載發電：
如果四相電勵磁雙凸極電機的轉子位置角在0°~90°區間，四相繞組a、b、c、d通過二極體d1、d7、d4、d6向負載發電；
如果四相電勵磁雙凸極電機的轉子位置角在90°~180°區間，四相繞組a、b、c、d通過二極體d1、d3、d6、d8向負載發電；
如果四相電勵磁雙凸極電機的轉子位置角在180°~270°區間，四相繞組a、b、c、d通過二極體d3、d5、d2、d8向負載發電；
如果四相電勵磁雙凸極電機的轉子位置角在270°~360°區間，四相繞組a、b、c、d通過二極體d5、d7、d2、d4向負載發電；
步驟3），若四相電勵磁雙凸極電機的勵磁部分故障，閉合開關s使能第五橋臂，在系統失磁故障下進行a、c兩相正向發電、b、d兩相反向發電的失磁故障容錯發電運行：
如果四相電勵磁雙凸極電機的轉子位置角在0°~(90-α)°區間內，控制開關管t1至t10均關閉，b相繞組通過二極體d3、d10反向發電，α為預設的勵磁角度值；
如果四相電勵磁雙凸極電機的轉子位置角在(90-α)°~90°區間內，開通開關管t5對c相繞組進行正向勵磁，並控制開關管t1至t4、t6至t10關閉，b相繞組通過二極體d3、d10反向發電；
如果四相電勵磁雙凸極電機的轉子位置角在90°~(180-α)°區間內，控制開關管t1至t10均關閉，c相繞組通過二極體d6、d9正向發電；
如果四相電勵磁雙凸極電機的轉子位置角在(180-α)°~180°區間內，開通開關管t8對d相繞組進行反向勵磁，並控制開關管t1至t7、t9至t10關閉，c相繞組通過二極體d6、d9正向發電；
如果四相電勵磁雙凸極電機的轉子位置角在180°~(270-α)°區間內，控制開關管t1至t10均關閉，d相繞組通過二極體d7、d10反向發電；
如果四相電勵磁雙凸極電機的轉子位置角在(270-α)°~270°區間內，開通開關管t1對a相繞組進行正向勵磁，並控制開關管t2至t10關閉，d相繞組通過二極體d7、d10反向發電；
如果四相電勵磁雙凸極電機的轉子位置角在270°~(360-α)°區間內，控制開關管t1至t10均關閉，a相繞組通過二極體d2、d9正向發電；
如果四相電勵磁雙凸極電機的轉子位置角在(360-α)°~360°區間內，，開通開關管t4對b相繞組進行反向勵磁，並控制開關管t1至t3、t5至t10關閉，a相繞組通過二極體d2、d9正向發電。
作為本發明一種四相電勵磁雙凸極電機失磁故障容錯發電方法進一步的優化方案，所述步驟2）中通過調節四相電勵磁雙凸極電機的勵磁電流實現對四相電勵磁雙凸極電機發電電壓的閉環控制，若四相電勵磁雙凸極電機的發電電壓小於給定電壓，則增大四相電勵磁雙凸極電機的勵磁電流；若四相電勵磁雙凸極電機的發電電壓大於給定電壓，則減小四相電勵磁雙凸極電機的勵磁電流。
作為本發明一種四相電勵磁雙凸極電機失磁故障容錯發電方法進一步的優化方案，所述步驟3）中通過調節勵磁角α進行四相電勵磁雙凸極電機發電電壓的閉環調節，若四相電勵磁雙凸極電機的發電電壓小於給定電壓，增大勵磁角α；若四相電勵磁雙凸極電機的發電電壓大於給定電壓，則減小勵磁角α。
本發明採用以上技術方案與現有技術相比，具有以下技術效果：
1.使用四相五橋臂驅動電勵磁雙凸極電機，能夠同時實現正常情況及勵磁故障時的四相電勵磁雙凸極電機發電，進一步提高了電勵磁雙凸極電機的可靠性；
2.正常情況下電勵磁雙凸極電機通過調節勵磁電流即可實現輸出電壓的調節，勵磁故障時通過調節勵磁角便可調節輸出電壓及負載電流，發電控制簡單靈活。
附圖說明
圖1是本發明提供的四相電勵磁雙凸極電機的四相五橋臂變換器驅動拓撲；
圖2是四相電勵磁雙凸極電機四相自感曲線；
圖3是四相電勵磁雙凸極電機失磁故障容錯發電電流示意圖。
具體實施方式
下面結合附圖對本發明的技術方案做進一步的詳細說明：
本發明公開了一種四相電勵磁雙凸極電機失磁故障容錯發電方法，所述四相電勵磁雙凸極電機星型連接，四相繞組分別為a相繞組、b相繞組、c相繞組、d相繞組，採用四相五橋臂變換器驅動；
所述四相五橋臂變換器包含四相全橋變換器和第五橋臂；
所述四相全橋變換器包含開關管t1至t8、二極體d1至d8；所述第五橋臂包含開關管t9至t10、二極體d9至d10；
所述開關管t1至t10的集電極分別和二極體d1至d10的陰極相連、發射極分別和二極體d1至d10的陽極相連；
a相繞組分別和二極體d1的陽極、二極體d2的陰極相連；
b相繞組分別和二極體d3的陽極、二極體d4的陰極相連；
c相繞組分別和二極體d5的陽極、二極體d6的陰極相連；
d相繞組分別和二極體d7的陽極、二極體d8的陰極相連；
四相電勵磁雙凸極電機的中性點通過開關s分別和二極體d9的陽極、二極體d10的陰極相連；
二極體d1的陰極分別和二極體d3的陰極、二極體d5的陰極、二極體d7的陰極、二極體d9的陰極、外部直流母線的正極相連；
二極體d2的陽極分別和二極體d4的陽極、二極體d6的陽極、二極體d8的陽極、二極體d10的陽極、外部直流母線的負極相連；
所述失磁故障容錯發電方法包括如下步驟：
步驟1），判斷四相電勵磁雙凸極電機的勵磁部分是否故障；
這可以通過在電機的勵磁繞組上設置勵磁電流傳感器，根據勵磁電流傳感器的感應數據來判斷；
步驟2），若四相電勵磁雙凸極電機的勵磁部分無故障，使開關s處於斷開狀態，四相繞組a、b、c、d通過四相全橋變換器的反並二極體不控整流向負載發電：
如果四相電勵磁雙凸極電機的轉子位置角在0°~90°區間，四相繞組a、b、c、d通過二極體d1、d7、d4、d6向負載發電；
如果四相電勵磁雙凸極電機的轉子位置角在90°~180°區間，四相繞組a、b、c、d通過二極體d1、d3、d6、d8向負載發電；
如果四相電勵磁雙凸極電機的轉子位置角在180°~270°區間，四相繞組a、b、c、d通過二極體d3、d5、d2、d8向負載發電；
如果四相電勵磁雙凸極電機的轉子位置角在270°~360°區間，四相繞組a、b、c、d通過二極體d5、d7、d2、d4向負載發電；
步驟3），若四相電勵磁雙凸極電機的勵磁部分故障，閉合開關s使能第五橋臂，在系統失磁故障下進行a、c兩相正向發電、b、d兩相反向發電的失磁故障容錯發電運行：
如果四相電勵磁雙凸極電機的轉子位置角在0°~(90-α)°區間內，控制開關管t1至t10均關閉，b相繞組通過二極體d3、d10反向發電，α為預設的勵磁角度值；
如果四相電勵磁雙凸極電機的轉子位置角在(90-α)°~90°區間內，開通開關管t5對c相繞組進行正向勵磁，並控制開關管t1至t4、t6至t10關閉，b相繞組通過二極體d3、d10反向發電；
如果四相電勵磁雙凸極電機的轉子位置角在90°~(180-α)°區間內，控制開關管t1至t10均關閉，c相繞組通過二極體d6、d9正向發電；
如果四相電勵磁雙凸極電機的轉子位置角在(180-α)°~180°區間內，開通開關管t8對d相繞組進行反向勵磁，並控制開關管t1至t7、t9至t10關閉，c相繞組通過二極體d6、d9正向發電；
如果四相電勵磁雙凸極電機的轉子位置角在180°~(270-α)°區間內，控制開關管t1至t10均關閉，d相繞組通過二極體d7、d10反向發電；
如果四相電勵磁雙凸極電機的轉子位置角在(270-α)°~270°區間內，開通開關管t1對a相繞組進行正向勵磁，並控制開關管t2至t10關閉，d相繞組通過二極體d7、d10反向發電；
如果四相電勵磁雙凸極電機的轉子位置角在270°~(360-α)°區間內，控制開關管t1至t10均關閉，a相繞組通過二極體d2、d9正向發電；
如果四相電勵磁雙凸極電機的轉子位置角在(360-α)°~360°區間內，，開通開關管t4對b相繞組進行反向勵磁，並控制開關管t1至t3、t5至t10關閉，a相繞組通過二極體d2、d9正向發電。
四相電勵磁雙凸極電機採用的四相五橋臂變換器驅動拓撲如圖1所示。
圖2是四相電勵磁雙凸極電機四相繞組自感隨轉子位置變化曲線，可以看出在四相電樞繞組自感在任意位置均隨轉子位置變化。
圖3是本發明提出的四相五橋臂變換器驅動的四相電勵磁雙凸極電機失磁故障時的容錯發電電流示意圖。
步驟2）中通過調節四相電勵磁雙凸極電機的勵磁電流實現對四相電勵磁雙凸極電機發電電壓的閉環控制，若四相電勵磁雙凸極電機的發電電壓小於給定電壓，則增大四相電勵磁雙凸極電機的勵磁電流；若四相電勵磁雙凸極電機的發電電壓大於給定電壓，則減小四相電勵磁雙凸極電機的勵磁電流。
步驟3）中通過調節勵磁角α進行四相電勵磁雙凸極電機發電電壓的閉環調節，若四相電勵磁雙凸極電機的發電電壓小於給定電壓，增大勵磁角α；若四相電勵磁雙凸極電機的發電電壓大於給定電壓，則減小勵磁角α。
通過上述步驟即可實現四相電勵磁雙凸極電機失磁故障的容錯發電，進一步提高了電勵磁雙凸極電機的可靠性。
本技術領域技術人員可以理解的是，除非另外定義，這裡使用的所有術語（包括技術術語和科學術語）具有與本發明所屬領域中的普通技術人員的一般理解相同的意義。還應該理解的是，諸如通用字典中定義的那些術語應該被理解為具有與現有技術的上下文中的意義一致的意義，並且除非像這裡一樣定義，不會用理想化或過於正式的含義來解釋。
以上所述的具體實施方式，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施方式而已，並不用於限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。