开关磁阻电机系统容错控制研究

发布时间：2020-11-19 04:17

　　 开关磁阻电机(Switched Reluctance Motor,简称SRM)凭借结构简单、可调节参数多、转子无绕组、容错能力强等优点,在工业应用领域具有一定的竞争力。但是由于过压、过流、过热等因素,开关磁阻电机系统会发生故障,主要表现为电机故障、电流传感器故障、功率变换器故障和位置传感器故障等。若系统发生故障后未能及时检测及实施容错控制策略,将会引起系统的不稳定运行。因此本文针对开关磁阻电机驱动系统的主要电气故障开展诊断和容错控制研究。开关磁阻电机定子侧绕组绝缘老化会引发相间短路故障。首先,分析了绕组不同连接方式下的相间短路故障模式及不同故障模式下的故障表现特征。在此基础上,建立了开关磁阻电机相间短路故障下的绕组等效电路。通过优化传统的相电流检测方法获得开关磁阻电机各相绕组进线电流值和出线电流值,利用绕组进线电流和出线电流之差实时检测相间短路故障。为了减小开关磁阻电机相间短路故障后对电机运行性能的影响,通过改变功率三极管的开关状态,提出了一种基于转速、绕组电流和短路线电流的三闭环容错控制策略。仿真和实验结果表明,所提出的方法能够有效地检测出故障并限制短路电流。开关磁阻电机的控制与保护离不开准确的电流信息,灵活、经济、方便的相电流检测方式十分必要。通过优化电流传感器的放置位置,提出了一种基于两个电流传感器的相电流重构策略。根据开关磁阻电机的工作原理,将每个转子周期分为三个子区域,通过求解每个子区域的线性方程组获得各相电流值。通过实时检测各个开通区间上升沿处的电流值确定偏置电流传感器,并利用偏置电流直接补偿和比例积分补偿两种方式消除偏置电流。通过实时检测功率三极管驱动信号与相电流变化率的同步关系诊断斩波管短路故障,通过实时检测相邻两相绕组电流续流时长诊断位置导通管短路故障,利用虚拟电流传感器进行短路故障情况下的相电流容错重构。该方法不受功率三极管开路故障的影响。仿真和实验结果表明,所提相电流重构算法灵活经济、重构电流精度高、可扩展。为进一步提高开关磁阻电机驱动系统的容错能力,在传统功率变换器拓扑的基础上,提出了一种基于双向功率单元的容错型功率变换器拓扑,适用于绕组、功率三极管等复合故障容错运行。正常情况下,双向功率单元处于空闲状态。功率三极管开路故障发生后,通过重构功率变换器拓扑实现容错运行。功率三极管短路故障发生后,通过设计的关断角优化控制器保持输出转矩脉动最小化,改善开关磁阻电机的运行性能。绕组故障发生后,通过补偿损失的输出转矩进行容错运行。仿真和实验结果表明,所提出的拓扑结构能进一步提高开关磁阻电机驱动系统的带故障运行能力。准确的位置信息对控制开关磁阻电机是十分必要的。在低成本应用场合,光电式传感器备受青睐。对于三相开关磁阻电机,三个光电式传感器按120°相位差固定安装,但由于机械加工等因素会导致光电式传感器安装不准确,发生不对齐故障。分析了不对齐故障对开关磁阻电机运行性能的影响,在此基础上提出了两种方法避免不对齐情况的出现:一种方法基于动态时间规整算法实现,另外一种方法通过优化传统的开槽圆盘结构并采用单只光电式传感器实现。提出的方法容易在线实现并集成到控制策略之中。实验结果表明,所提出的两种方法均能有效地避免不对齐故障的发生。该论文有图145幅,表27个,参考文献181篇。
【学位单位】：中国矿业大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TM352
【部分图文】：

下的补偿策略，文献[71]对可存活的逆变器，提电流重构方法，考虑了故障情况对相电流重构策可以减少电流传感器的使用数量，是一种提高系换器容错换器的容错能力主要通过采用容错拓扑并结合器常见的容错拓扑主要为：双绕组冗余拓扑、开相四桥臂拓扑等。绕组冗余的容错拓扑结构。文献[72][73]采用两套接，构成双通道结构，如图 1-1 所示。两套逆变故障时构成单通道控制系统，实现电机的容错运平逆变器的拓扑结构实现容错运行，这种拓扑适]针对双三相异步电机，提出了一种容错控制策略力。双绕组冗余拓扑结构实现简单，但由于需要组系统，增加了系统的体积和成本。

c) 基于桥臂冗余的容错拓扑结构。文献[84]-[87]研究了基于桥臂冗余的结构，如图 1-2(b)所示。当某相桥臂故障后，通过故障隔离技术，如快断路器，将故障相桥臂与电机绕组分离，控制对应双向晶闸管的导通，故障桥臂切换至冗余桥臂。通过冗余桥臂进行容错拓扑重构后，控制策时相同，无需改变。文献[88]提出了一种基于桥臂冗余的无刷直流电机功率变换器。(a)开关冗余容错拓扑 (b)桥臂冗余容错拓扑

断速度传感器故障，用观测器的输出替代故障信号进行容自适应磁链观测器获得交直轴磁链估计值，然后通过转速计实现位置传感器容错控制。文献[63]采用 q 轴电压偏差并利用转速补偿器实现容错控制，该方法独立于电机模型直流电机、感应电机和永磁电机，开关磁阻电机具有独特性严重非线性，开关磁阻电机的磁链特性如图 1-3 所示。，传统的故障诊断方法和容错控制方法难以直接利用，需阻电机系统的故障诊断和容错控制方法[93]。然而开关磁阻究是一项具有挑战性的课题，其原因在于：1) 开关磁阻显，缺少具体的数学解析表达式，难以从电压方程出发建解各电气量，同时也无法利用观测算法计算变量估计值绕组相互独立，具有良好的电隔离能力，但是相间彼此联容错带来难度；3) 开关磁阻电机功率变换器结构简单，某相桥臂发生故障后，无法利用其他相桥臂进行替代或重障状态下可控量较少，容错策略难以实施。
【参考文献】

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本文编号：2889687