一种带有源双向开关的三相并联拓扑开关器件故障容错方法与流程

1.本发明涉及三相电机驱动控制技术领域，尤其涉及一种带有源双向开关的三相并联拓扑开关器件故障容错方法。


背景技术：

2.随着电力电子技术的发展，电机驱动系统被广泛用于航空航天、轨道交通、船舶推进系统中，大范围的应用对电机驱动系统的可靠性提出了更高的要求，但驱动系统中组成逆变器的功率半导体器件在高温、高压、高频开关动作中极易失效，导致电机无法产生平滑转矩、甚至是引起短路电流冲击毁坏系统。
3.现有的容错方法更多的是采用多相系统，通过更多的相数冗余实现容错能力的提升，但该方案需要对电机进行改制，开发周期长、成本高，对于三相y接绕组的电机驱动器，当发生器件短路故障时会引起桥臂直通短路引发极大的短路电流烧毁电路，即使配备短路检测也存在电压箝位问题，当发生器件断路故障时则会由于缺乏足够的驱动自由度无法保证电机继续输出平滑的转矩，因此现有驱动拓扑方案不具备开关器件故障后的容错运行能力。


技术实现要素：

4.基于上述目的，本发明提供了一种带有源双向开关的三相并联拓扑开关器件故障容错方法。
5.一种带有源双向开关的三相并联拓扑开关器件故障容错方法，包括以下步骤：
6.步骤一：在三相并联拓扑中配置三组有源双向开关；
7.步骤二：采用退饱和检测方法，以便在开关器件故障工况后实现快速有效的电气隔离和拓扑重构。
8.进一步的，还包括三相电机，三相电机包括多个相位绕组，每个相位绕组都连接到两个并联的桥臂。
9.进一步的，所述桥臂的输出中点串入六个故障隔离单元。
10.进一步的，所述故障隔离单元由全控器件反串制成的双向开关。
11.进一步的，所述故障隔离单元具备主动控制能力的继电器、接触器。
12.进一步的，所述隔离单元分为两套，两套隔离单元间连入一组切换单元。
13.进一步的，电机系统在正常工作时，各故障隔离单元保持常通，切换单元保持断开；当检测到故障时，可以通过切换有源双向开关，实现对故障部分的电气隔离和系统拓扑的重构。
14.进一步的，所述故障工况包括单相断路、单相短路、相间短路，所述相间短路包括同相相间短路、不同相相间短路，不同故障工况的具体隔离方法为：
15.当发生单相断路故障时，通过断开故障桥臂中点串联的故障隔离单元实现断路桥臂的电气隔离；
16.当发生单相短路故障时，根据故障信息封锁故障器件所在桥臂的互补对管避免直通，并通过断开故障桥臂中点串联的故障隔离单元实现断路桥臂的电气隔离；
17.当发生不同相相间短路故障时，可视为第二类故障的叠加，根据故障信息封锁故障器件所在桥臂的互补对管避免直通，并通过断开故障桥臂中点串联的故障隔离单元实现断路桥臂的电气隔离；
18.当发生同相相间短路故障时，根据故障信息封锁故障器件所在桥臂的互补对管避免直通，并通过断开故障桥臂中点串联的故障隔离单元实现断路桥臂的电气隔离。
19.进一步，所述同相相间短路故障时，还需断开一个健康相的故障隔离单元，并闭合一个切换单元，使健康相桥臂重构至故障相中供电。
20.本发明的有益效果：
21.1.本发明，通过带有源开关的驱动拓扑及其容错方法，当发生短/断路故障后配合短路检测提供的故障信息可有效切除故障桥臂的电气连接，采用冗余桥臂保证电机各相电流的正常控制，当发生恶劣的相间短路故障(同相)后，也可凭借切换单元进行拓扑重构，保证故障相的供电能力，因此，具备开关器件意外故障下保证电机系统继续容错运行的能力，可以快速有效地处理开关器件的短路或断路故障，提高三相电机系统的故障容错能力，进一步提高电机系统的稳定。
22.2.本发明，在拓扑中引入新的控制自由度，使得故障前后电机控制时可利用的自由度不低于两个，但现有方案均采用保险丝作为故障发生后的电气隔离手段，在大电流应用中难以满足快速响应的要求，因而对最为恶劣的短路故障无法起到有效的保护效果。
附图说明
23.为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
24.图1为本发明实施例的带有源双向开关的三相并联拓扑图；
25.图2为本发明实施例a1断路桥臂电流的单相短路故障中实现容错控制的关键波形图；
26.图3为本发明实施例a1断路故障后转速的单相短路故障中实现容错控制的关键波形图；
27.图4为本发明实施例桥臂电流的相间短路故障中实现容错控制的关键波形图故障仿真结果；
28.图5为本发明实施例转速的相间短路故障中实现容错控制的关键波形图故障仿真结果。
具体实施方式
29.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，对本发明进一步详细说明。
30.需要说明的是，除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发
明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
31.如图1-5所示，一种带有源双向开关的三相并联拓扑开关器件故障容错方法，包括以下步骤：
32.在三相并联拓扑中配置三组有源双向开关；
33.采用退饱和检测方法，以便在开关器件故障工况后实现快速有效的电气隔离和拓扑重构。
34.还包括三相电机，三相电机包括多个相位绕组，每个相位绕组都连接到两个并联的桥臂。
35.所述桥臂的输出中点串入六个故障隔离单元。
36.所述故障隔离单元可以使全控器件反串制成的双向开关。
37.所述故障隔离单元也可以是具备主动控制能力的继电器、接触器。
38.所述隔离单元分为两套，两套隔离单元间连入一组切换单元。
39.电机系统在正常工作时，各故障隔离单元保持常通，切换单元保持断开；当检测到故障时，可以通过切换有源双向开关，实现对故障部分的电气隔离和系统拓扑的重构。
40.所述故障工况包括单相断路、单相短路、相间短路，所述相间短路包括同相相间短路、不同相相间短路，不同故障工况的具体隔离方法为：
41.当发生单相断路故障时，通过断开故障桥臂中点串联的故障隔离单元实现断路桥臂的电气隔离；
42.当发生单相短路故障时，根据故障信息封锁故障器件所在桥臂的互补对管避免直通，并通过断开故障桥臂中点串联的故障隔离单元实现断路桥臂的电气隔离；
43.当发生不同相相间短路故障时，可视为第二类故障的叠加，根据故障信息封锁故障器件所在桥臂的互补对管避免直通，并通过断开故障桥臂中点串联的故障隔离单元实现断路桥臂的电气隔离；
44.当发生同相相间短路故障时，根据故障信息封锁故障器件所在桥臂的互补对管避免直通，并通过断开故障桥臂中点串联的故障隔离单元实现断路桥臂的电气隔离，还需断开一个健康相的故障隔离单元，并闭合一个切换单元，使健康相桥臂重构至故障相中供电。
45.下面结合具体实施例进一步说明本发明的具体实施方式，但并不限制本发明的保护范围：
46.一种带有源双向开关的三相并联拓扑开关器件故障容错方法，该方法通过在三相并联拓扑中配置三组有源双向开关结合退饱和检测方法，以实现器件故障后的快速有效电气隔离与拓扑重构。
47.带有源双向开关的三相并联拓扑如图1所示，其中三相电机绕组为y接，abc三相绕组每相接入两个并联桥臂，如a相绕组连接a1，a2桥臂，桥臂的输出中点串入六个故障隔离
单元u1～u6，隔离单元既可以是全控器件反串制成的双向开关，也可以是具备主动控制能力的继电器、接触器等，其中第一套三相桥臂a1～c1串入隔离单元u1～u3，第二套三相桥臂a2～c2串入隔离单元u4～u6。
48.两套隔离单元间连入一组切换单元u7～u9，图1中标号
①
～
③
位于隔离单元u1～u3的出线端，
④
～
⑥
位于隔离单元u4～u6的进线端，图1中表示切换单元的一侧(
①
～
③
)与第一套故障隔离单元u1～u3的出线端相连，切换单元的另一侧(
④
～
⑥
)与第二套故障隔离单元u4～u6的进线端相连，电机系统正常工作时，u1～u6保持常通，u7～u9保持断开。
49.具体的几类故障工况如下：
50.1.当发生单相断路故障时，通过断开故障桥臂中点串联的故障隔离单元实现断路桥臂的电气隔离，不失一般性假设a1桥臂上管s1发生断路故障，则检测到该故障后断开u1实现容错。
51.2.当发生单相短路故障时，根据故障信息封锁故障器件所在桥臂的互补对管避免直通，并通过断开故障桥臂中点串联的故障隔离单元实现断路桥臂的电气隔离，不失一般性假设a1桥臂上管s1发生短路故障，则检测到该故障后迅速封锁s2，并断开u1实现容错。
52.3.当发生相间短路故障(不同相)时，可视为第二类故障的叠加，根据故障信息封锁故障器件所在桥臂的互补对管避免直通，并通过断开故障桥臂中点串联的故障隔离单元实现断路桥臂的电气隔离，不失一般性假设a1桥臂上管s1、b2桥臂上管s9发生短路故障，则检测到该故障后迅速封锁s2、s10，并断开u1、u5实现容错。
53.4.当发生相间短路故障(同相)时，根据故障信息封锁故障器件所在桥臂的互补对管避免直通，并通过断开故障桥臂中点串联的故障隔离单元实现断路桥臂的电气隔离，此外，需断开一个健康相的故障隔离单元，并闭合一个切换单元，使健康相桥臂重构至故障相中实现供电，对应的故障类型与对应的器件动作顺序如下表所示，其中用于容错重构的桥臂驱动电平切换为故障相所需的驱动电平。
54.相间短路故障(同相)时的器件动作逻辑：
[0055][0056]
为验证上述方法的有效性，在三相异步电机上进行了短路故障容错方法的仿真验证。
[0057]
(1)单相故障
[0058]
设定电机工作于额定转速，70％额定转矩(16nm)，t＝0.5s发生s1所在桥臂的单相故障，由仿真波形图可知，故障后a1桥臂退出功率回路，输出电流为零，a2负责a相的供电。
[0059]
(2)相间短路故障
[0060]
设定电机工作于额定转速，50％额定转矩(11.5nm)，t＝0.5s发生a1桥臂短路故障，t＝0.6s发生a2桥臂短路故障，由仿真波形可知，发生单相短路时，a1桥臂退出供电，a2桥臂输出两倍电流，a2桥臂后续也发生了短路故障，退出供电，由b2桥臂接至a相，从a1桥臂回路进行供电，b1桥臂单独负责b相供电因此输出两倍电流，c相不受影响，发生故障后电机的转速波动略有上升，但仍可以稳定运行。电流对称度、正弦度在故障后仍较好。
[0061]
由以上仿真结果可知，提出的一种带有源双向开关的三相并联拓扑开关器件故障容错方法具有良好的有效性。
[0062]
所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本发明的范围被限于这些例子；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。
[0063]
本发明旨在涵盖落入权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种带有源双向开关的三相并联拓扑开关器件故障容错方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：在三相并联拓扑中配置三组有源双向开关；步骤二：采用退饱和检测方法，以便在开关器件故障工况后实现快速有效的电气隔离和拓扑重构。2.根据权利要求1所述的一种带有源双向开关的三相并联拓扑开关器件故障容错方法，其特征在于，还包括三相电机，三相电机包括多个相位绕组，每个相位绕组都连接到两个并联的桥臂。3.根据权利要求2所述的一种带有源双向开关的三相并联拓扑开关器件故障容错方法，其特征在于，所述桥臂的输出中点串入六个故障隔离单元。4.根据权利要求3所述的一种带有源双向开关的三相并联拓扑开关器件故障容错方法，其特征在于，所述故障隔离单元由全控器件反串制成的双向开关。5.根据权利要求3所述的一种带有源双向开关的三相并联拓扑开关器件故障容错方法，其特征在于，所述故障隔离单元具备主动控制能力的继电器、接触器。6.根据权利要求3所述的一种带有源双向开关的三相并联拓扑开关器件故障容错方法，其特征在于，所述隔离单元分为两套，两套隔离单元间连入一组切换单元。7.根据权利要求1-6任一项所述的一种带有源双向开关的三相并联拓扑开关器件故障容错方法，其特征在于，电机系统在正常工作时，各故障隔离单元保持常通，切换单元保持断开；当检测到故障时，可以通过切换有源双向开关，实现对故障部分的电气隔离和系统拓扑的重构。8.根据权利要求1所述的一种带有源双向开关的三相并联拓扑开关器件故障容错方法，其特征在于，所述故障工况包括单相断路、单相短路、相间短路，所述相间短路包括同相相间短路、不同相相间短路。9.根据权利要求8所述的一种带有源双向开关的三相并联拓扑开关器件故障容错方法，其特征在于，不同故障工况的具体隔离方法为：当发生单相断路故障时，通过断开故障桥臂中点串联的故障隔离单元实现断路桥臂的电气隔离；当发生单相短路故障时，根据故障信息封锁故障器件所在桥臂的互补对管避免直通，并通过断开故障桥臂中点串联的故障隔离单元实现断路桥臂的电气隔离；当发生不同相相间短路故障时，可视为第二类故障的叠加，根据故障信息封锁故障器件所在桥臂的互补对管避免直通，并通过断开故障桥臂中点串联的故障隔离单元实现断路桥臂的电气隔离；当发生同相相间短路故障时，根据故障信息封锁故障器件所在桥臂的互补对管避免直通，并通过断开故障桥臂中点串联的故障隔离单元实现断路桥臂的电气隔离。10.根据权利要求9所述的一种带有源双向开关的三相并联拓扑开关器件故障容错方法，其特征在于，所述同相相间短路故障时，还需断开一个健康相的故障隔离单元，并闭合一个切换单元，使健康相桥臂重构至故障相中供电。

技术总结
本发明涉及三相电机驱动控制技术领域，具体涉及一种带有源双向开关的三相并联拓扑开关器件故障容错方法，包括以下步骤：在三相并联拓扑中配置三组有源双向开关；采用退饱和检测方法，以便在开关器件故障工况后实现快速有效的电气隔离和拓扑重构，还包括三相电机，三相电机包括多个相位绕组，每个相位绕组都连接到两个并联的桥臂，所述桥臂的输出中点串入六个故障隔离单元。本发明，具备开关器件意外故障下保证电机系统继续容错运行的能力，可以快速有效地处理开关器件的短路或断路故障，提高三相电机系统的故障容错能力，进一步提高电机系统的可靠性。系统的可靠性。系统的可靠性。


技术研发人员：孙翔文 刘自程 何杰伟 蒋栋 刘泓阳 杨光
受保护的技术使用者：中国航空工业集团公司西安飞行自动控制研究所
技术研发日：2023.06.19
技术公布日：2023/9/22