一种SRM容错型的功率变换器的制作方法

一种srm容错型的功率变换器
技术领域
1.本发明涉及功率变换器技术领域，特别涉及一种srm容错型的功率变换器。


背景技术：

2.开关磁阻电机 (switched reluctance motor，srm) 因其成本低、容错性强、调速范围宽、能够在恶劣环境下运行等优点，在电机传动、航空航天、风能发电等领域得到广泛应用。其中容错能力是srm能被广泛应用的一个重要特征，然而由于功率变换器长期在高频开关和大电压电流条件下运行，损耗和发热现象严重，使得功率变换装置在srd中最容易出现故障。若功率变换装置长时间处于故障状态，会对整个电机系统造成严重损坏。因此，对于srm容错功率变换装置的研究具有重要意义。功率变换器在开关磁阻电机驱动系统中具有重要的作用，其性能的好坏一定程度上决定了驱动系统性能的优劣。目前针对功率变换器容错能力，主要有两种研究方向：其一是构造具有容错能力的功率变换器拓扑结构，其二是通过优化控制策略。


技术实现要素：

3.有鉴于此，本发明的主要目的是构造具有容错能力的功率变换器。
4.本发明提供一种srm容错型的功率变换器，所述功率变换器包括：至少一路主桥臂，所述至少一路主桥臂由功率开关管和常闭触点继电器连接组成，所述至少一路主桥臂的中点定义为中心节点，每个所述中心节点连接绕组的一端和二极管的阴极，二极管的阳极连接到绕组的另一端，且所述至少一路主桥臂的上桥臂和下桥臂关于所述中心节点对称；以及辅助桥臂，所述辅助桥臂则由两个功率开关管和多个常开触点继电器连接组成，且每两个串联的常开触点继电器的中点处与中心节点相连;其中，当功率开关管出现故障时，与故障桥臂对应的常闭触点继电器会断开，与所述故障桥臂对应的常开触点继电器吸合，故障桥臂为某一路主桥臂的上桥臂或下桥臂。
5.在本发明的一些实施方式中，至少一路主桥臂具体为三路主桥臂，每路所述主桥臂由两个功率开关管和两个常闭触点继电器连接组成；且三路所述主桥臂的中心节点分别为a中心节点、b中心节点以及c中心节点。
6.在本发明的一些实施方式中，所述辅助桥臂则由两个功率开关管和六个常开触点继电器连接组成，每两个串联的常开触点继电器的中点处分别与a中心节点、b中心节点以及c中心节点相连。
7.在本发明的一些实施方式中，所述功率开关管的驱动信号采用单极性调制方式，其中，单极性调制方式为在在功率开关管所对应的相电感上升区域范围内，所述至少一路主桥臂或所述辅助桥臂中上桥臂的功率开关管以pwm驱动信号不断导通与关断；其中，将保持常通的功率开关管定义为位置管，以pwm驱动信号驱动的功率开关管定义为斩波管。
8.本发明提供的一种srm容错型的功率变换器，在开关管出现故障时，容错拓扑重构
的srm容错型的功率变换器不需要判断出开关管的故障类型，只需要检测处故障管所处桥臂，就可以最大程度上减小故障对电机运行状态的影响，而且srm容错型的功率变换器不需要单独设计容错控制程序，只需将原本给故障管的驱动信号给辅助开关管即可，控制方法简单且高效。
附图说明
9.图1为本发明一实施方式的一种srm容错型的功率变换器的主电路拓扑图；图2为本发明一实施方式的a区域内励磁模式ⅰ下的电流路径示意图；图3为本发明一实施方式的a区域内续流模式ⅰ下的电流路径示意图；图4为本发明一实施方式的a区域内励磁模式ⅱ下的电流路径示意图；图5为本发明一实施方式的a区域内续流模式ⅱ下的电流路径示意图；图6为本发明一实施方式的a区域内励磁模式ⅲ下的电流路径示意图；图7为本发明一实施方式的a区域内续流模式ⅲ下的电流路径示意图；图8为本发明一实施方式的ab区域内励磁模式ⅳ下的电流路径示意图；图9为本发明一实施方式的ab区域内续流模式ⅳ下的电流路径示意图；图10为本发明一实施方式的ab区域内励磁模式
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下的电流路径示意图；图11为本发明一实施方式的ab区域内续流模式
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下的电流路径示意图；图12为本发明一实施方式的q1故障下的容错操作示意图；图13为本发明一实施方式的q2故障下的容错操作示意图。
具体实施方式
10.下面结合附图和实施例对本技术作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与有关发明相关的部分。需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本 申请。
11.请参阅图1，其示出了本技术一种srm容错型的功率变换器的主电路拓扑图。其中，、、均为绕组， 、、均为二极管。
12.所述功率变换器包括：至少一路主桥臂，所述至少一路主桥臂由功率开关管和常闭触点继电器连接组成，所述至少一路主桥臂的中点定义为中心节点，每个所述中心节点连接绕组的一端和二极管的阴极，二极管的阳极连接到绕组的另一端，且所述至少一路主桥臂的上桥臂和下桥臂关于所述中心节点对称；以及辅助桥臂，所述辅助桥臂则由两个功率开关管和多个常开触点继电器连接组成，且每两个串联的常开触点继电器的中点处与中心节点相连;其中，当功率开关管出现故障时，与故障桥臂对应的常闭触点继电器会断开，与所述故障桥臂对应的常开触点继电器吸合，故障桥臂为某一路主桥臂的上桥臂或下桥臂。
13.应用本实施例的技术方案，每路主桥臂都是由两个功率开关管和两个常闭触点继电器组成，其桥臂的中点分别定义成a、b、c节点，且上下桥臂关于节点中心对称。每个节点连接绕组的一端和二极管的阴极，二极管的阳极连接到绕组的另一端，其二极管的作用避
免桥臂对处于电感下降区域的绕组进行励磁。辅助桥臂则由两个功率开关管和多个常开触点继电器连接，每两个串联的常开触点继电器的中点处与主桥臂节点a、b、c相连。其中与（k=1~6）为一组互锁继电器，为常闭触点继电器，为常开触点继电器。当开关管出现故障时，对应的常闭触点继电器会断开，相应的常开触点继电器吸合，从而辅助开关管替代故障开关管工作。而在正常状况下继电器网络和辅助开关管不会动作，处于空闲状态。
14.容错拓扑结构在三相全桥结构的基础上增加了一路辅助桥臂，此外也增加了继电器网络，在正常工作情况下，与传统的驱动电路控制方法相同，不需要额外的设计控制算法，而当开关管出现故障时，通过继电器网络选择辅助桥臂替代故障桥臂，从而实现功率变换器的故障容错控制功能。
15.具体地，至少一路主桥臂具体为三路主桥臂，每路所述主桥臂由两个功率开关管和两个常闭触点继电器连接组成；且三路所述主桥臂的中心节点分别为a中心节点、b中心节点以及c中心节点。
16.所述辅助桥臂则由两个功率开关管和六个常开触点继电器连接组成，每两个串联的常开触点继电器的中点处分别与a中心节点、b中心节点以及c中心节点相连。
17.进一步地，所述功率开关管的驱动信号采用单极性调制方式，其中，单极性调制方式为在功率开关管所对应的相电感上升区域范围内，所述至少一路主桥臂或所述辅助桥臂上开关管以pwm驱动信号不断导通与关断；其中，将保持常通的功率开关管定义为位置管，以pwm驱动信号驱动的功率开关管定义为斩波管。
18.为了降低功率开关管的开关损耗，功率开关管的驱动信号采用单极性调制方式，即在该位置区域范围内，桥臂上功率开关管以pwm驱动信号不断导通与关断，如功率开关管q1、功率开关管q3和功率开关管q5；桥臂下功率开关管则保持常通状态，如功率开关管q2、功率开关管q4和功率开关管q6。下面将保持常通的开关管定义为位置管，以pwm驱动信号驱动的开关管定义为斩波管。
19.需要说明的是，由于所提出的容错拓扑中只有一路辅助桥臂，每次辅助桥臂只能替代一个故障管工作。因此，容错控制是单管单种故障类型下的容错控制，即每次只有一组继电器触点动作，不会有两个或以上的相绕组同时通过辅助桥臂进行励磁或续流。
20.故障诊断方法是根据功率开关管故障发生前后以及不同故障类型，其流过功率开关管的电流不同这一特征，诊断出功率开关管的故障类型和故障管。
21.在一个具体实施例中，在正常状态下，参照转子所处的位置区域，对转子位置在区域a和ab处的拓扑存在的所有可能运行模式进行讨论分析。其他转子位置区域的运行模式分析与位置区域a和ab的分析相同，具体分析如下。
22.a区域：当转子在a位置区域，q1为斩波管，q4为位置管，a相绕组处于励磁或者续流状态，此时srm系统的工作模式会出现以下六种情况：时的励磁和续流模式；时的励磁和续流模式；时的励磁和续流模式，为c相绕组两端的电流，为a相绕组两端的电流。
23.励磁模式ⅰ：图2为前一相绕组电流为0，开关管q1和q4都导通的情况，此时a相绕组
励磁，其母线电压为，相关电压方程如下：，（1）式中，为母线电压，为a相绕组两端的电压，为二极管的管压降，为开关管的导通压降。
24.续流模式ⅰ：图3与图2的情况相同，只是q1处于关断状态，此时a相绕组为续流模式，其电压方程如下：，（2）式中，为开关管的反并二极管的管压降。
25.励磁模式ⅱ：图4所示为前一相绕组电流不为0，且大于当前绕组电流的情况。即c相绕组电流大于a相绕组电流，此时c相绕组一部分电流流过a相绕组，剩余电流经过q1流入电源，对应电压方程如下：，（3）式中，为c相绕组两端的电压；续流模式ⅱ：图5与图2不同的是q1处于关断状态，此时c相一部分电流通过q1的反并二极管流入电源，a相绕组为续流模式，对应电压方程如下：，（4）励磁模式ⅲ：与励磁模式ⅱ情况不同，图6所示的励磁模式ⅲ为前一相绕组电流不为0，但小于当前绕组电流。此时除了电源为a相绕组提供能量外，c相绕组电流也会流入a相绕组，相应电压方程如下：，（5）续流模式ⅲ：图7所示的情况和图6相同，但q1为关断状态，此时a相绕组为续流模式，其电压方程如下： ，（6）ab区域：当转子在ab位置区域，开关管q1为斩波管，q6为位置管，a、b相绕组将同时处于励磁或者续流状态。此时的srm系统的工作模式会出现以下四种情况：分别是时的励磁和续流模式；时的励磁和续流模式，为b相绕组两端的电流。
26.励磁模式ⅳ：图8所示的为处于电感上升区间的两相绕组电流相等的情况，此时开关管q1和q6都导通，a、b相绕组同时励磁，相关电压方程如下：，（7）
式中，为b相绕组两端的电压；续流模式ⅳ：图9所示的为两相绕组电流相等，但q1处于关断状态的情况，a、b相绕组为续流模式，此时电压方程为：，（8）励磁模式
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：与励磁模式ⅳ不同的是，图10所示的为处于电感上升区间的两相绕组电流不相等，且q1和q6处于导通状态的情况。此时a相电流大于b相电流，由于电感电流不能突变，a相一部分电流经过q3的反并二极管流入电源，另外一部分则经过b相绕组，相应电压方程如下：，（9）续流模式
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：图11所示的情况于图10相同，只是q1为关断状态，相应电压方程如下：，（10）图12所示的为斩波管q1发生开路或者短路时所采取的容错操作，由q7和常开触点继电器组成的容错桥臂与健康部件形成新的拓扑结构。当故障诊断策略检测到q1故障后，此时常闭触点继电器 断开，故障管q1与主电路中的电气联系被切断；而对应的常开触点继电器 吸合，辅助开关管q7代替q1参与电机的驱动控制，从而保证电机恢复原来运行状态。
27.图13为位置管q2发生故障时所采取的容错操作，由q8和常开触点继电器组成的容错桥臂与健康部件形成新的拓扑结构。当q2故障后，常闭触点继电器 断开，故障管q2与主电路中的电气联系被切断；而对应的常开触点继电器 吸合，辅助开关管q8代替q2参与电机的驱动控制，从而保证电机恢复原来运行状态。
28.以上所述的仅是本发明的一些实施方式。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种srm容错型的功率变换器，其特征在于，所述功率变换器包括：至少一路主桥臂，所述至少一路主桥臂由功率开关管和常闭触点继电器连接组成，所述至少一路主桥臂的中点定义为中心节点，每个所述中心节点连接绕组的一端和二极管的阴极，二极管的阳极连接到绕组的另一端，且所述至少一路主桥臂的上桥臂和下桥臂关于所述中心节点对称；以及辅助桥臂，所述辅助桥臂则由两个功率开关管和多个常开触点继电器连接组成，且每两个串联的常开触点继电器的中点处与中心节点相连;其中，当功率开关管出现故障时，与故障桥臂对应的常闭触点继电器会断开，与所述故障桥臂对应的常开触点继电器吸合，故障桥臂为某一路主桥臂的上桥臂或下桥臂。2.根据权利要求1所述的一种srm容错型的功率变换器，其特征在于，至少一路主桥臂具体为三路主桥臂，每路所述主桥臂由两个功率开关管和两个常闭触点继电器连接组成；且三路所述主桥臂的中心节点分别为a中心节点、b中心节点以及c中心节点。3.根据权利要求2所述的一种srm容错型的功率变换器，其特征在于，所述辅助桥臂则由两个功率开关管和六个常开触点继电器连接组成，每两个串联的常开触点继电器的中点处分别与a中心节点、b中心节点以及c中心节点相连。4.根据权利要求1所述的一种srm容错型的功率变换器，其特征在于，所述功率开关管的驱动信号采用单极性调制方式，其中，单极性调制方式为在功率开关管所对应的相电感上升区域范围内，所述至少一路主桥臂或所述辅助桥臂中上桥臂的功率开关管以pwm驱动信号不断导通与关断。

技术总结
本申请提供了一种SRM容错型的功率变换器，功率变换器包括：至少一路主桥臂，至少一路主桥臂由功率开关管和常闭触点继电器连接组成，至少一路主桥臂的中点定义为中心节点，每个中心节点连接绕组的一端和二极管的阴极，二极管的阳极连接到绕组的另一端，且至少一路主桥臂的上桥臂和下桥臂关于中心节点对称；以及辅助桥臂，辅助桥臂则由两个功率开关管和多个常开触点继电器连接组成，且每两个串联的常开触点继电器的中点处与中心节点相连。在开关管出现故障时，容错拓扑重构的SRM容错型的功率变换器不需要判断出开关管的故障类型，只需要检测处故障管所处桥臂，就可以最大程度上减小故障对电机运行状态的影响。故障对电机运行状态的影响。故障对电机运行状态的影响。


技术研发人员：蔡木良 张锋 范瑞祥 何芳 陈克绪 刘蓓 占志旺 李嬴正 平梦玲 刘斌 夏鹏
受保护的技术使用者：国网江西省电力有限公司电力科学研究院
技术研发日：2023.07.10
技术公布日：2023/8/9