一种具有容错功能的电机驱动系统技术方案

一种具有容错功能的电机驱动系统，包括一个逆变器和一个电机，电机可以是异步电机，永磁电机或者磁阻电机，电机定子具有多套绕组，引出４个端子Ｕ，Ｖ，Ｗ，Ｏ，其中任意三个端子所连接的绕组通以电流便可在电机气隙形成旋转磁场。逆变器为三相全桥逆变器，同时引出直流中性点Ｎ，逆变器的三个桥臂的引出端Ａ，Ｂ，Ｃ及直流中性点Ｎ，与电机的４个引出端子Ｕ，Ｖ，Ｗ，Ｏ相连。当本发明专利技术的电机驱动系统中任何一相出现问题，通过简单的控制算法改变即可实现容错控制，无需硬件开关参与，无需停机即可迅速进入容错运行状态。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种具有高可靠性的电机驱动系统。技术背景电机绕组和电力电子变换器是驱动系统中易发生故障的薄弱环节。 一旦其中之一发生故障， 整个系统将丧失正常工作的能力，这在一般民用场合会带来经济损失，而在航空、军事等重要 场合，将造成灾难性事故，因此进行发电系统容错研究意义重大。常见的措施是提供冗余的电 机绕组或者控制器，这样的系统成本和体积都会很大，在对体积要求较高的场合不适用。针对 功率开关的开路或短路等常见故障，文章《容错型四开关三相变换器异步发电系统的直接转矩 控制研究》中(《中国电机工程学报》，2005年18期，张兰红胡育文)，提出了一种容错方法 断开故障开关所在桥臂，将六开关三相变换器重构为四开关三相变换器，再通过对控制策略的 调整，使系统继续运行。这种方案的缺点是只能为电力电子变换器提供冗余，电机绕组损坏， 系统同样无法工作；其次这种方案需要判断哪一相出故障，从而通过开关来实现故障系统的容 错控制，控制复杂，同时增加系统成本和体积；由于需要通过开关来实现容错控制，实时性较 差，故障恢复时间长，很难满足一些需要实时性高的场合的需求。如何在不增加系统体积和成 本的基础上提高系统的容错能力和可靠性一直是一个难题。
技术实现思路
本专利技术的目的是解决现有电机系统容错能力低，容错方案复杂的问题。提出了一种新型的 电机驱动系统，这种驱动系统采用三相逆变器构成，具有较好的容错能力，可靠性高，而且系 统成本低，结构简单，体积小。本专利技术驱动系统包括一个逆变器和一个电机。其中本专利技术的电机可以是永磁电机，或异步电机，或磁阻电机。与传统三相电机不同，本 专利技术电机定子具有多套绕组，但是仅出4个引出端子。且满足其中任意三个端子所连接的绕组 通以适当电流便可以在气隙中形成旋转磁场。其中逆变器采用传统三相全桥逆变器，同时引出直流中性点，这样逆变器即可引出4个端 子，与上述电机相连。如此，本系统构成一个电机驱动系统，当其中任何一相出现问题，通过 简单的控制算法改变即可实现容错控制，无需硬件开关参与，无需停机即可迅速进入容错运行状态。本专利技术的有益效果是这种高可靠性的驱动系统，采用简单的三相桥逆变器的硬件，在不 显著增加系统体积、重量和控制难度的前提下，利用简单的控制算法变化，有效的提高驱动系 统的可靠性与安全性。本专利技术可以为电机的任何一相提供冗余，同时故障恢复时间很短。 附图说明图1是传统三相电机驱动系统示意图； 图2是本专利技术具体实施方式之一示意图； 图3是本专利技术具体实施方式之二示意图。具体实施方式以下结合附图和具体实施方式进一步说明本专利技术。图1所示为传统的三相电机驱动系统。逆变器的三个桥臂分别引出三个端子A,B,C，与三相 电机的三个引出端子U，V,W相连接，三相绕组通以电流形成旋转磁场，驱动电机工作。当其中 的任何一个电机绕组或者逆变器的任何一个桥臂故障，系统立即停止工作。图2所示是本专利技术具体实施方案之一。在这个系统中，直接引出直流电源的中性点N，与 三个桥臂的引出端A,B,C —起为电机供电。而本例中的电机定子采用四相绕组星接的方法构成 一个四相电机，四相电机与逆变器的三个桥臂的引出端A,B,C及中性点N相连。根据基尔霍夫 定理可知，任意时刻四相绕组中的电流和为零。正常工作时，通过控制OU,OV，OW相绕组内的 电流，达到控制OX相绕组电流的目的，使电机气隙内形成旋转磁场，驱动电机工作。假定OU 相电机绕组故障，通过控制OV，OW绕组内的电流，达到控制OX绕组电流的目的，使电机气隙 内形成旋转磁场，驱动电机正常工作。同样假定逆变器A相故障，通过控制OV，OW绕组内的 电流，达到控制OX绕组电流的目的，使电机气隙内形成旋转磁场，驱动电机正常工作。同样 的，其他任何一相故障，系统都可以正常工作，可靠性相比传统三相系统有了大幅度的提高， 而系统所需改动很小。图3所示是本专利技术另一具体实施方式。在这个系统中，逆变器的直流母线支撑电容采用两 个相同的电容C1 ,C2串联，将两个电容C1 ,C2串联处引出中性点N，与三个桥臂的引出端A,B,C 一起为电机供电。而本实施例中的电机定子采用六套绕组相连，形成四面体的六条棱，四个定 点作为引出端子U,V,W,O，构成一个多相电机，分别与逆变器三个桥臂的引出端A，B,C及中性 点N相连。根据基尔霍夫定理可知，任意时刻六套绕组中的电流和为零。正常工作时，通过控 制OU,OV,OW相绕组内的电流，达到控制UV,VW,WU相绕组电流的目的，使电机气隙内形成 旋转磁场，驱动电机工作。假定OU相电机绕组故障，电机变为UV,VW,WU相角接绕组和ov，vw，wo相角接绕组构成的电机，通过控制uv,vw，wu相角接绕组和ov,vw，wo相角接绕组内的电流，使电机气隙内形成旋转磁场，驱动电机正常工作。同样假定逆变器A相故障，绕 组UW,UV,UO相无法供电，通过控制OV,VW,WO相角接绕组内的电流，使电机气隙内形成旋 转磁场，驱动电机正常工作。同样的，其他任何一相故障，系统都可以正常工作，可靠性相比 传统三相系统有了大幅度的提高，而系统所需改动很小。本专利技术仅对系统硬件做简单的改变，体积不变，同时成本较低，而可靠性得到很大的提高， 具有重要的实用价值。权利要求1、一种具有容错功能的电机驱动系统，其特征在于包括一个逆变器和一个电机，电机为异步电机、永磁电机或者磁阻电机，其定子具有多套绕组，引出4个端子U，V，W，O，其中任意三个端子所连接的绕组通以电流便可在电机气隙中形成旋转磁场；逆变器为三相全桥逆变器，同时引出直流中性点N，逆变器的三个桥臂的引出端A，B，C及直流中性点N，与电机的4个引出端子U，V，W，O相连。2、 根据权利要求l所述的具有容错功能的电机驱动系统，其特征在于采用四相绕组星接的 方法构成一个四相电机，四相电机的4个引出端子U,V，W,O与逆变器的三个桥臂的引出端A,B,C 及直流中性点N相连。3、 根据权利要求l所述的具有容错功能的电机驱动系统，其特征在于电机采用六套绕组相 连，形成四面体的六条棱，四个定点作为引出端子U，V，W,O，构成一个多相电机；逆变器的直 流母线支撑电容采用两个相同的电容C1，C2串联，将两个电容C1,C2串联处引出中性点N;电 机的引出端子U,V,W，O分别与逆变器三个桥臂的引出端A，B,C及中性点N相连。全文摘要一种具有容错功能的电机驱动系统，包括一个逆变器和一个电机，电机可以是异步电机，永磁电机或者磁阻电机，电机定子具有多套绕组，引出4个端子U，V，W，O，其中任意三个端子所连接的绕组通以电流便可在电机气隙形成旋转磁场。逆变器为三相全桥逆变器，同时引出直流中性点N，逆变器的三个桥臂的引出端A，B，C及直流中性点N，与电机的4个引出端子U，V，W，O相连。当本专利技术的电机驱动系统中任何一相出现问题，通过简单的控制算法改变即可实现容错控制，无需硬件开关参与，无需停机即可迅速进入容错运行状态。文档编号H02P27/00GK101272125SQ200810104288公开日2008年9月24日 申请日期2008年4月17日 优先权日2008年4月17日专利技术者宋雪雷, 温旭辉, 涛 范, 峰 赵, 郭希铮, 郭新华 申请人:中国科学院电工研究所 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有容错功能的电机驱动系统，其特征在于包括一个逆变器和一个电机，电机为异步电机、永磁电机或者磁阻电机，其定子具有多套绕组，引出４个端子Ｕ，Ｖ，Ｗ，Ｏ，其中任意三个端子所连接的绕组通以电流便可在电机气隙中形成旋转磁场；逆变器为三相全桥逆变器，同时引出直流中性点Ｎ，逆变器的三个桥臂的引出端Ａ，Ｂ，Ｃ及直流中性点Ｎ，与电机的４个引出端子Ｕ，Ｖ，Ｗ，Ｏ相连。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：赵峰，温旭辉，郭希铮，郭新华，范涛，宋雪雷，
申请(专利权)人：中国科学院电工研究所，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]