基于繼電器網絡的開關磁阻電機多類型故障容錯系統的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于電機技術領域，具體涉及一種基于繼電器網絡的開關磁阻電機多類型故障容錯系統。
【背景技術】
[0002]開關磁阻電機(Switched Reluctance Motor，SRM)是上世紀80年代發展起來的一種新型電機。該電機作為一種價格便宜、結構簡單、魯棒性好的新型調速電機，問世不久便引起了各國電氣傳動界的廣泛重視并成為最熱門的調速電動機之一。近幾十年來，開關磁阻電機得到了越來越多的關注，由于具有結構簡單、造價低廉、機體堅固、可靠性高、調速范圍廣等優點，在工業應用中受到青睞，并且已經在電動汽車、家用電器、通用工業、航空等領域中得到了不同程度的應用和發展。該電機系統包括SRM、位置傳感器、電流傳感器、功率變換器和控制器，是一種機電一體化的調速裝置。
[0003]開關磁阻電機系統(Switched Reluctance Motor Drive，SRD)中，有別于其他電機系統的主要標志是該系統中實現機電能量裝換的部件開關磁阻電機。功率變換器一般是由蓄電池或者交流電整流后得到的直流電供電，負責向SRM提供運轉所需要的能量，該模塊采用的多為不對稱半橋型功率變換器結構，由于其各相繞組之間容錯性能好、相互獨立、穩定性強的優點而得到廣泛應用。位置檢測模塊是用來檢測SRM轉子的位置；電流檢測模塊則是用于檢測SRM繞組中的各相電流；控制器模塊是整個系統的中樞，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器件的工作狀態，實現對SRM運行狀態的控制。
[0004]開關磁阻電機由于其定轉子的特殊結構以及各相控制的獨立性，而具備高可靠性，特別適合在一些環境惡劣、要求連續工作的應用場合，比如航空啟動/發電系統、礦井提升機和車載電車制動系統等。功率變換器作為系統控制中的中樞執行機構，是系統中比較容易出現故障的薄弱環節。功率變換器故障將會對整個系統運行產生不利影響，會對驅動系統運行的平衡造成破壞，并會產生無法抑制的轉矩缺口甚至是制動轉矩，長期故障運行將會引起整個系統的損壞。因此，對系統中功率變換器實施故障診斷是非常必要的。
[0005]為了提高開關磁阻電機的故障診斷和故障容錯能力，許多基于軟件和硬件的有效控制策略已經被廣大學者和研究者們采用，包括神經網絡方法、模糊推理方法、電流頻譜分析法和模式識別方法等。而一個好的電機故障診斷和故障容錯策略，通常需要滿足下面的幾個條件:
[0006](1)不改變或者盡可能小的改變傳統的開關磁阻電機驅動拓撲；
[0007](2)故障診斷很容易進行:
[0008](3)適用在各種變換器，并可以在各種故障下容錯運行:
[0009](4)模塊化結構設計；
[0010](5)適合于各相電機。
【發明內容】
[0011]為了充分滿足上面涉及到的條件，在傳統的開關磁阻電機驅動拓撲的基礎上，本發明提出了一種基于繼電器網絡的開關磁阻電機多類型故障診斷及容錯系統。
[0012]基于繼電器網絡的開關磁阻電機多類型故障容錯系統，其特征在于，包括開關磁阻電機、功率變換器、電流傳感器、位置傳感器、故障容錯模塊以及控制器；其中:
[0013]所述的開關磁阻電機為三相12/8極電機，每相定子繞組L均由四個繞組L1、L2、L3和L4首尾順序串聯構成，每相的抽頭節點N ^立于繞組L占L 2之間，抽頭節點N 2位于繞組匕與L4之間；
[0014]所述的功率變換器用于為開關磁阻電機的各相定子繞組提供勵磁；
[0015]所述的電流傳感器用于檢測三相定子繞組上對應的三相繞組電流；
[0016]所述的位置傳感器用于檢測電機轉子位置；
[0017]所述的故障容錯模塊用于當開關磁阻電機發生開路或短路故障時實現故障診斷以及容錯運行；
[0018]所述的控制器根據三相繞組電流和轉子位置對開關磁阻電機進行故障診斷，并為功率變換器以及故障容錯模塊中的功率開關器件提供控制信號。
[0019]所述的功率變換器包括三組功率變換單元，所述的功率變換單元包含兩個帶反并聯二極管的開關管Q1、Q2以及兩個續流二極管VD 1、VD2;其中，開關管Q i的一端與續流二極管VDi的陰極以及直流電壓的正極相連，開關管Q i的另一端與對應相定子繞組L的首端以及續流二極管VD2的陰極相連，續流二極管VD 2的陽極與開關管Q 2的一端以及直流電壓的負極相連，開關管Q2的另一端與對應相定子繞組L的尾端以及續流二極管VD i的陽極相連。
[0020]所述的故障容錯模塊包括一組單相橋和一組繼電器網絡:
[0021]所述的單相橋包含四個帶反并聯二極管的開關管Q3?Q6;其中，開關管03的一端與開關管％的一端以及直流電壓的正極相連，開關管Q 3的另一端與開關管Q 4的一端以及繼電器網絡的一端X相連，開關管Q4的另一端與開關管Q6的一端以及直流電壓的負極相連，開關管Q6的另一端與開關管Q 5的另一端以及繼電器網絡的另一端Y相連；
[0022]所述的繼電器網絡由三組繼電器單元并聯而成，每組繼電器單元包含兩個繼電器開關1和K 2;其中，繼電器網絡端點X與繼電器開關K i的一端相連，繼電器開關K i的另一端與對應相繞組的抽頭節點Ni相連，繼電器網絡端點Y與繼電器開關K 2的一端相連，繼電器開關1(2的另一端與該相繞組抽頭節點N 2相連。
[0023]所述的開關管Qf Q 6均采用CoolMOQ管或IGBT。
[0024]所述的續流二極管VDp 采用快恢復二極管。
[0025]所述系統的開關磁阻電機多類型故障容錯運行方法，其特征在于包括如下步驟:
[0026]開關磁阻電機正常運行情況下，當任一相定子繞組在其開通區間內繞組電流始終為零時，則表明該相定子繞組或其對應的功率變換單元存在開路故障；此時，閉合該相對應繼電器單元中的開關I，同時使單相橋中的開關管Q3、Q4與功率變換單元中的開關管Q 2和二極管VDi在控制器提供的信號下工作，判斷該相繞組電流:
[0027]若該相繞組電流重新出現，則表明故障位于對應相功率變換單元中的開關管1、二極管VD2以及與其連接的定子繞組L #斤組成的線路中，之后該相在由對應功率變換單元中的開關管92和二極管VD 1、故障容錯模塊中的開關管Q3?Q 4以及由繞組L 2丄3和L 4所組成的不對稱半橋拓撲下容錯運行；
[0028]若該相繞組電流仍為零，則表明故障不位于對應相功率變換單元中的開關管1、二極管VD2以及與其連接的定子繞組1^所組成的線路中，此時，斷開該相對應繼電器單元中的開關K1,同時閉合開關K2，并使單相橋中的開關管Q5?Q 6與功率變換單元中的開關管Q !和二極管VD2在控制器提供的信號下工作，判斷該相繞組電流:
[0029]若該相繞組電流重新出現，則表明故障位于對應相功率變換單元中的開關管屯、二極管VD1以及與其連接的定子繞組L 4所組成的線路中，之后該相在由對應功率變換單元中的開關管QJP二極管VD 2、故障容錯模塊中的開關管Q5?Q 6以及繞組L 1、LjP L 3所組成的不對稱半橋拓撲下容錯運行；
[0030]若該相繞組電流仍為零，則表明故障位于定子繞組LjP L3K組成的線路中，此時，閉合該相對應繼電器單元中的開關&與K2，同時單相橋中的開關管03與Q4分別取代功率變換單元中的開關管QjP二極管VD 2，單相橋中的開關管05與Q 6分別取代對應相功率變換單元中的開關管92和二極管VD i，使該相在由故障容錯模塊中的開關管Q3?Q6以及繞組L2和1^所組成的不對稱半橋拓撲下容錯運行；
[0031 ] 開關磁阻電機正常運行情況下，當任一相定子繞組在電機整個開關循環周期內繞組電流始終大于零，則表明該相對應的功率變換單元存在短路故障；此時，閉合該相對應繼電器單兀中的開關K1,同時使單相橋中的開關管Q3、Q4與功率變換單兀中的開關管Q 2和二極管VD1在控制器提供的信號下工作，判斷該相繞組電流:
[0032]若該相繞組電流減至零，則表明故障位于對應相功率變換單元中的開關管Q1、二極管VD2以及與其連接的定子繞組L #斤組成的線路中，之后該相在由對應功率變換單元中的開關管92和二極管VD 1、故障容錯模塊中的開關管03為以及繞組L 2丄3和L 4所組成的不對稱半橋拓撲下容錯運行；
[0033]若該相繞組電流仍始終大于零，則表明故障位于對應相功率變換單元中的開關管Q2、二極管VD1以及與其連接的定子繞組“所組成的線路中，之后該相在由對應功率變換單元中的開關管QjP二極管VD 2、故障容錯模塊中的開關管Q5、Q6以及由繞組L ^2和L 3所組成的不對稱半橋拓撲下容錯運行。
【附圖說明】
[0034]圖1 (a)為三相12/8極SRM典型原理圖。
[0035]圖1 (b)為三相12/8極SRM的A相繞組及其節點位置示意圖。
[0036]圖1 (c)為三相12/8極SRM驅動拓撲示意圖。
[0037]圖1⑷為三相12/8極SRM的A相功率變換器單元線路分割示意圖。
[0038]圖2為三相12/8極SRM故障