一種帶容錯運行的同步電機轉子勵磁電路的制作方法

本發明涉及一種電勵磁同步電機勵磁電路，該電路可以在電勵磁同步電機勵磁電路部分器件發生故障時維持電機正常運行。

背景技術：
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同步電動機在交流傳動領域中有著廣泛應用，根據同步電機轉子勵磁方式的不同，可以分為電勵磁同步電機和永磁同步電機兩種。其中，電勵磁同步電機轉子直流勵磁磁場是由外部電源提供，勵磁電流可調。電勵磁同步電機具有功率因數可調、電機工作效率高等特點。在大容量和高性能的電力拖動場合中，電勵磁同步電機的使用更加廣泛。

實際運行中，由于勵磁電路中的電力電子器件會產生故障，會導致電勵磁同步電機不能正常工作。當電勵磁同步電機失去勵磁時，會導致電機失步而無法正常運轉，嚴重時還會危害電機本體。電機故障的同時也會對操作人員的人身安全造成風險，因此需要設計一種帶有容錯運行功能的勵磁電路。現有的勵磁電路絕大多數為直流斬波電路，但是電路中并沒有考慮故障容錯方法，在出現故障時只能停機處理，因此可靠性較低。

技術實現要素：

針對未考慮故障容錯的電勵磁同步電機勵磁電路，本發明設計了一種帶容錯運行的電勵磁同步電機轉子勵磁電路。本發明提出的勵磁電路主要針對在勵磁電路中部分全控型電力電子器件(IGBT)損壞的情況下，仍能給電勵磁同步電機轉子提供勵磁，維持電機正常運行。

本發明采用的技術方案是：在檢測到勵磁電路部分器件存在故障后，能將故障橋臂切除，并用非故障橋臂維持轉子勵磁電路容錯運行。如圖1所示，轉子勵磁電路包括第一個橋臂和第二個橋臂。所述第一個橋臂中，第一個全控型電力電子器件V₁與第一個電力二極管D₁反向并聯，第二個全控型電力電子器件V₂與第二個電力二極管D₂反向并聯，這兩組反向并聯二極管的IGBT與第一個開關S_1a串聯，兩組反并聯二極管的IGBT的中間引出橋臂輸出端，并且橋臂輸出端通過第二個開關S_1b連接到直流母線的負極。第二個橋臂中，第三個全控型電力電子器件V₃與第三個電力二極管D₃反向并聯，第四個全控型電力電子器件V₄與第四個電力二極管D₄反向并聯，這兩組反向并聯二極管的IGBT與第三個開關S_2a串聯，兩組反并聯二極管的IGBT的中間引出橋臂輸出端，并且橋臂輸出端通過第四個開關S_2b連接到直流母線的負極。第一個橋臂與第二個橋臂的輸出端連接勵磁繞組兩端。

本發明效果：

故障運行狀態下，可將故障橋臂切除，并利用非故障橋臂維持運行。本發明結構簡單、實現容易，在電勵磁同步電機勵磁電路中的電力電子器件發生故障時，能夠切除故障并使電機正常運行。

附圖說明

圖1為本發明的帶容錯運行功能的轉子勵磁電路的電勵磁同步電機系統圖；

圖2a為勵磁電路正常運行時電路開關狀態圖；

圖2b為勵磁電路正常運行時的等效電路圖；

圖3a為勵磁電路第二橋臂故障并切除故障橋臂后的開關狀態圖；

圖3b為勵磁電路第二橋臂故障并切除故障橋臂后的等效電路圖。

具體實現方式

下面結合附圖對本發明具體實現方法做進一步說明。

圖1為采用本發明設計的帶容錯運行轉子勵磁電路的電勵磁同步電機系統圖。本發明設計的轉子勵磁電路由4個全控器件IGBT(V₁、V₂、V₃、V₄)、4個反并聯二極管(D₁、D₂、D₃、D₄)、4個開關(S_1a、S_1b、S_2a、S_2b)組成。其中：

發明的帶容錯運行的轉子勵磁電路的直流母線電壓由直流電壓源E提供，勵磁電路由兩個橋臂組成。第一個橋臂中，第一個全控型電力電子器件V₁與第一個電力二極管D₁反向并聯，第二個全控型電力電子器件V₂與第二個電力二極管D₂反向并聯，這兩組反并聯二極管的IGBT與第一個開關S_1a串聯，兩組反并聯二極管的IGBT的中間引出橋臂輸出端A，并且橋臂輸出端A通過第二個開關S_1b連接到直流母線的負極。第二個橋臂中，第三個全控型電力電子器件V₃與第三個電力二極管D₃反向并聯，第四個全控型電力電子器件V₄與第四個電力二極管D₄反向并聯，這兩組反并聯二極管的IGBT與第三個開關S_2a串聯，兩組反并聯二極管的IGBT的中間引出橋臂輸出端B，并且橋臂輸出端B通過第四個開關S_2b連接到直流母線的負極。電勵磁同步電機轉子可以等效簡化為阻值為R_f、電感值為L_f的阻感負載，本發明的兩個橋臂的輸出端口A、B加載到電勵磁同步電機轉子阻感負載兩端。

勵磁電路正常運行時，開關S_1a、S_2a閉合，開關S_1b、S_2b斷開。圖2a所示為正常運行下電路開關狀態。圖2b為正常運行時的等效電路。在正常運行時，全控器件V₁和V₄的開關狀態相同，V₂和V₃的開關狀態相同，并且，同一橋臂開關管的開關狀態呈互補狀態，即V₁開通時V₂的狀態為關斷狀態，V₁關斷時V₂的狀態為開通狀態；V₃開通時V₄的狀態為關斷狀態，V₃關斷時V₄的狀態為開通狀態。根據目標輸出電壓和直流母線電壓的值，可以得到各開關管的占空比。

當勵磁電路中某一開關器件故障時，這里以全控器件V₃發生故障為例進行說明。圖3a所示為V₃發生故障后，切除V₃所在橋臂，以單橋臂維持運行。圖3b為容錯運行下的等效電路。當V₃發生故障時，非故障橋臂的開關S_1a、S_2b維持正常運行時的狀態，V₃所在的故障橋臂中的開關S_2a轉換為斷開狀態、開關S_2b轉換為閉合狀態，因此故障橋臂被切除并且故障橋臂的輸出端接到了直流母線電壓的負極。從圖3b所示的等效電路可以看出，勵磁電路仍構成直流斬波電路。在切除橋臂后，全控器件V₁和V₂的開關狀態仍需要滿足互補條件。根據目標輸出電壓和直流母線電壓的比值，可以得到正常工作橋臂各開關管相應的占空比。

總結歸納為：(1)正常無故障運行狀態下，開關S_1a閉合、S_1b斷開、S_2a閉合、S_2b斷開；(2)當第一個橋臂中的V₁或V₂發生故障時，開關S_1a斷開、S_1b閉合、S_2a閉合、S_2b斷開；(3)當第二個橋臂中的V₃或V₄發生故障時，開關S_1a閉合、S_1b斷開、S_2a斷開、S_2b閉合。再改變相應全控器件V₁、V₂或V₃、V₄的占空比即可實現正常勵磁的作用。(4)故障發生之后，全橋結構的勵磁裝置變為半橋結構，雖然半橋結構的勵磁裝置不能實現雙向勵磁，但是可以在電機控制單元中通過改變空間矢量的旋轉方向實現正反轉。因此勵磁電路某個開關管發生故障后，電勵磁同步電機仍然可以實現故障發生之前的功能。