通过提高母线电压保证容错发电功率的电励磁双凸极电机
阅读说明：本技术 通过提高母线电压保证容错发电功率的电励磁双凸极电机 (Electro-magnetic doubly salient motor capable of ensuring fault-tolerant power generation power by improving bus voltage ) 是由 史宏俊 周波 熊磊 蒋思远 王开淼 于 2021-09-28 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种通过提高母线电压保证容错发电功率的电励磁双凸极电机,涉及电励磁双凸极电机领域,该电励磁双凸极电机在励磁故障发生前,以传统不控整流发电方式进行发电,在励磁故障发生后,切换至故障发电模式,通过提高母线电压的方式使得电枢电流快速达到失磁故障容错发电运行所需电流参考值,使得在绕组励磁时可以具有较高的母线电压,从而实现快速励磁,大大的提高输出功率,提升了电机在失磁故障运行时的容错发电功率,提高了电励磁双凸极电机在各种环境下运行的可靠性,适合应用于航空航天、汽车等行业。(The invention discloses an electro-magnetic doubly salient motor capable of ensuring fault-tolerant power generation power by improving bus voltage, and relates to the field of electro-magnetic doubly salient motors.)
技术领域
本发明涉及电励磁双凸极电机领域，尤其是一种通过提高母线电压保证容错发电功率的电励磁双凸极电机。
背景技术
电励磁双凸极电机是在开关磁阻电机基础上发展出来的一种新型无刷直流电机，其定子绕有电枢绕组和励磁绕组，转子上无绕组，结构简单可靠、控制灵活。其与开关磁阻电机主要区别在于定子上嵌有励磁绕组，由于励磁磁场的存在，作发电运行时，电励磁双凸极电机仅需外接不控整流桥进行发电，因而具有容错性能好、适用于恶劣工况的优点，同时当负载或转速变化时，通过调节励磁电流大小可维持输出电压恒定，控制十分灵活，在航空、风力发电等领域具有广阔的应用前景。
励磁绕组的存在一方面增强了系统控制的灵活性，但另一方面也带来了安全可靠性问题。励磁绕组的老化、受潮、受热、受侵蚀等均可能对系统安全运行造成影响。此外，控制励磁所用的励磁功率电路也可能因为过流、反向电压冲击等原因造成故障，严重时将会导致整个系统失去励磁。如果电励磁双凸极发电机在运行过程中发生失磁故障，将会导致整个系统停止运行。
目前，有关电励磁双凸极电机失磁故障的容错控制策略研究较少。现有技术包括：史立伟等公开的“电励磁双凸极电机励磁故障容错发电系统及其控制方法”(中国，授权日：2017年5月17日，授权号：CN104579067B)在三相全桥基础上添加冗余桥臂构成三相四桥臂变换器，通过给三相四桥臂变换器给每相交替通以正向和负向的励磁电流，实现电机励磁故障的容错发电功能。周兴伟等公开的“一种四相电励磁双凸极电机失磁故障容错发电方法”(中国，公开日：2017年5月22日，公开号：CN107147339A)通过添加一个冗余桥臂结合四相电机自感时刻随转子位置变换的特点提出一种新的控制方法，实现失磁故障容错发电。同时，温腾翔等公开的“电励磁双凸极电机励磁故障容错发电系统及其控制方法”(中国，公开日：2018年6月5日，公开号：CN108123646A)也提出了直接使用三相全桥变换器，通过控制功率变换器的开关管为每相提供正负交替的电流以实现失磁故障发电的功能，该方法无需增加新的桥臂，主功率电路结构简单，成本较低，发电角度较小，发电效率低。赵峰等公开的“电励磁双凸极电机失磁故障容错发电系统及其控制方法”(中国，公开日：2019年917日，公开号：CN110247597A)采用半桥进行控制，发电效率低。此外，王开淼等公开的“电励磁双凸极电机失磁故障容错发电系统及其控制方法”(中国，公开日：2019年3月8日，公开号：CN109450340A)提出了使用H桥变换器，该方法通过12个开关管将三相绕组独立开来，每相单独进行励磁和发电，效率相对较高。
上述提到的各种失磁容错发电控制拓扑虽然可以实现失磁故障的容错控制，但是在容错后都存在发电功率无法达到容错前的发电功率的问题。
发明内容
本发明人针对上述问题及技术需求，提出了一种通过提高母线电压保证容错发电功率的电励磁双凸极电机，进一步提高容错后都存在发电功率。本发明的技术方案如下：
一种通过提高母线电压保证容错发电功率的电励磁双凸极电机，该电励磁双凸极电机包括控制器、凸极定转子结构、励磁电路、主功率电源、三组H桥变换器、负载R、负载储能电容C1、功率主开关S13以及升压电容C2；
励磁电路连接凸极定转子结构中的励磁绕组，每组H桥变换器的两个桥臂的中间点分别连接凸极定转子结构中的一相电枢绕组的两端；
主功率电源的正极通过二极管D13连接三组H桥变换器中各个桥臂的上开关管的集电极，主功率电源的负极连接三组H桥变换器中各个桥臂的下开关管的发射极；
负载与负载储能电容并联并连接功率主开关S13的第一端，功率主开关S13的第二端通过二极管D14连接各个桥臂的上开关管的集电极，三组H桥变换器中各个桥臂的上开关管的发射极分别通过一个二极管连接到功率主开关S13的第二端，各个桥臂的下开关管分别反向并联一个二极管；
升压电容并联在三组H桥变换器中各个桥臂的上开关管的集电极与各个桥臂的下开关管的发射极两端；
控制器连接并控制励磁电路、三组H桥变换器以及功率主开关的通断：当电励磁双凸极电机正常工作时，控制功率主开关S13导通，三相电枢绕组通过三组H桥变换器中的二极管构成不控整流桥进行发电；当检测到电励磁双凸极电机出现励磁故障时，断开励磁电路，采用滞环控制来控制功率主开关S13的通断，使得升压电容的电压大于负载的负载电压以提升母线电压进行绕组励磁。
本发明的有益技术效果是：
本申请公开了一种通过提高母线电压保证容错发电功率的电励磁双凸极电机，该电励磁双凸极电机在励磁故障发生前，以传统不控整流发电方式进行发电，在励磁故障发生后，切换至故障发电模式，通过提高母线电压的方式使得电枢电流快速达到失磁故障容错发电运行所需电流参考值，使得在绕组励磁时可以具有较高的母线电压，从而实现快速励磁，大大的提高输出功率，提升了电机在失磁故障运行时的容错发电功率，提高了电励磁双凸极电机在各种环境下运行的可靠性，适合应用于航空航天、汽车等行业。
另外该电励磁双凸极电机采用三组H桥变换器有助于将各相绕组独立，不存在中点电位变化可能引起的电流缺口的问题，并且控制策略更为灵活。电机发电过程无需再与耗电相保持串联，减少了损耗，可以提高发电的效率，且除失磁故障容错功能外，还存在电枢绕组出现故障时，保持容错运行的可能性。
附图说明
图1是本申请的电励磁双凸极电机的控制结构图。
图2是本申请的电励磁双凸极电机的控制逻辑示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。
本申请公开了一种通过提高母线电压保证容错发电功率的电励磁双凸极电机，请参考图1，电励磁双凸极电机包括控制器、凸极定转子结构、励磁电路、主功率电源E、三组H桥变换器、负载R、负载储能电容C1、功率主开关S13以及升压电容C2。本申请中的功率主开关S13由一个开关管实现。
凸极定转子结构包括定子和转子，定子上安装有三相电枢绕组和励磁绕组Lf。励磁电路连接凸极定转子结构中的励磁绕组Lf，具体的，励磁电路包括励磁电源Uf以及H桥励磁变换器，励磁侧电源Uf连接H桥励磁变换器的直流侧，H桥励磁变换器的两个桥臂的中间点连接励磁绕组Lf的出线端。
每组H桥变换器的两个桥臂的中间点分别连接凸极定转子结构中的一相电枢绕组的两端，具体的，三相电枢绕组包括A相绕组La、B相绕组Lb和C相绕组Lc，第一H桥变换器连接A相绕组La，第二H桥变换器连接B相绕组Lb，第三H桥变换器连接C相绕组Lc。
主功率电源E的正极通过二极管D13连接三组H桥变换器中各个桥臂的上开关管的集电极，主功率电源E的负极连接三组H桥变换器中各个桥臂的下开关管的发射极。
负载R与负载储能电容C1并联并连接功率主开关S13的第一端，功率主开关S13的第二端通过二极管D14连接各个桥臂的上开关管的集电极。三组H桥变换器中各个桥臂的上开关管的发射极分别通过一个二极管连接到功率主开关S13的第二端，各个桥臂的下开关管分别反向并联一个二极管。
升压电容C2并联在三组H桥变换器中各个桥臂的上开关管的集电极与各个桥臂的下开关管的发射极两端。
三组H桥变换器的结构相同，每个H桥变换器包括分别由上开关管和下开关管反向串联构成的第一桥臂和第二桥臂，两个桥臂中的上开关管的集电极相连，第一桥臂中的上开关管的发射极通过一个二极管和一个电子开关连接功率主开关S13的第二端，第二桥臂中的上开关管的发射极通过一个二极管连接功率主开关S13的第二端；两个桥臂中的下开关管两端分别反向并联一个二极管。如图1所示，第一H桥变换器包括第一桥臂上的上开关管S1和下开关管S2以及第二桥臂上的上开关管S3和下开关管S4，第二H桥变换器包括第一桥臂上的上开关管S5和下开关管S6以及第二桥臂上的上开关管S7和下开关管S8，第三H桥变换器包括第一桥臂上的上开关管S9和下开关管S10以及第二桥臂上的上开关管S11和下开关管S12。二极管D2、D4、D6、D8、D10和D12依次分别并联在下开关管S2、S4、S6、S8、S10以及S12的两端，二极管的阳极连接对应的下开关管的发射极、阴极连接对应的下开关管的集电极。上开关管S1通过二极管D1和电子开关K1连接到S13，上开关管S5通过二极管D5和电子开关K2连接到S13，上开关管S9通过二极管D9和电子开关K3连接到S13。上开关管S3、S7和S11依次分别通过二极管D3、D7和D11连接到S13。
控制器连接并控制励磁电路中各个开关管、三组H桥变换器中各个开关管以及功率主开关S13的通断。除此之外，该电励磁双凸极电机中还设置有各种传感器连接到控制器以获取各种参数值，具体的：位置传感器设置在凸极定转子结构中用于采集转子位置信号θ，励磁绕组Lf处设置电流传感器以采集励磁绕组电流if，三相电枢绕组分别设置电流传感器以采用三相相绕组电流ia、ib、ic，负载R处设置有电压传感器以采集负载电压U0，升压电容C2的正极设置电压传感器以采集升压电容的电压Uc2。
结合图1所示的结构，对该电励磁双凸极电机的工作过程介绍如下：
电励磁双凸极电机正常工作时：当电流传感器未检测到励磁故障时，电励磁双凸极电机工作于发电机状态，控制器控制功率主开关S13导通，三相电枢绕组通过三组H桥变换器中的二极管构成不控整流桥进行发电。具体的，在图1中，控制器控制功率主开关S13持续导通，控制三组H桥变换器中所有上开关管和下开关管S1～S12均关断，控制三组H桥变换器中的三个电子开关K1、K2、K3均闭合，三相电枢绕组通过三组H桥变换器中的二极管D1～D12构成不控整流桥进行发电。
当电流传感器检测到励磁故障后，控制器控制断开励磁电路，切换到容错模式运行，采用滞环控制来控制功率主开关S13的通断，使得升压电容的电压Uc2大于负载的负载电压U0，可取Uc2>1.2U0,从而提升母线电压进行绕组励磁，使得绕组励磁可以具有较高的母线电压，从而实现快速励磁，增加输出功率。具体的在图1中，控制器控制三组H桥变换器中的三个电子开关K1、K2、K3均断开，采用滞环控制来控制功率主开关S13的通断，并采用相应的滞环环宽，本申请设定滞环环宽为0.5V。然后根据当前所处的电机电角度区间控制三组H桥变换器中相应的上开关管和/或下开关管的状态。具体控制策略如下，请参考图2所示的控制规律：
当电机电角度位于[0，θoff-120°)区间时，导通第三H桥变换器中第一桥臂的上开关管S9以及第二桥臂的下开关管S12，使得C相绕组处于励磁阶段；
当电机电角度位于[θoff-120°，θon)区间时，控制三个H桥变换器中所有开关管都处于断开状态，使得C相绕组开始发电；
当电机电角度位于[θon，θoff)区间时，导通第一H桥变换器中第一桥臂的上开关管S1以及第二桥臂的下开关管S4，使得A相绕组处于励磁阶段、C相绕组继续处于发电阶段；
当电机电角度位于[θoff，θon+120°)区间时，控制三个H桥变换器中所有开关管都处于断开状态，使得A相绕组开始发电；
当电机电角度位于[θon+120°，θoff+120°)区间时，导通第二H桥变换器中第一桥臂的上开关管S5以及第二桥臂的下开关管S8，使得B相绕组处于励磁阶段、A相绕组继续处于发电阶段；
当电机电角度位于[θoff+120°，θon+240°)区间时，控制三个H桥变换器中所有开关管都处于断开状态，使得B相绕组开始发电；
当电机电角度位于[θon+240°，360°)区间时，导通第三H桥变换器中第一桥臂的上开关管S9以及第二桥臂的下开关管S12，使得C相绕组处于励磁阶段、B相绕组继续处于发电阶段；
其中，θon表示电枢绕组励磁开通角，θoff表示电枢绕组励磁关断角，0°<θon<120°，120°<θoff<240°。
控制器在控制三组H桥变换器的开关管的状态的过程中，将输出电压与给定电压的误差进行PI调节得到给定电流，再将给定电流与当前被励磁绕组的电流进行PI调节得到相应占空比，若输出电压低于给定电压，则控制器根据得到的相应占空比对三组H桥变换器的开关管的占空比进行增大；若输出电压高于给定电压，则控制器根据得到的相应占空比对三组H桥变换器的开关管的占空比进行减小，以对三相电枢绕组的电流进行斩波控制而实现对输出电压的闭环控制。
以上所述的仅是本申请的优选实施方式，本发明不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本发明的保护范围之内。