专利名称：：一种开关磁阻起动/发电机功率变换器的制作方法
技术领域：
：发明涉及一种开关磁阻起动/发电机功率变换器，属于开关磁阻发电机的容错控制以及功率变换器设计的
技术领域：
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背景技术：
：开关磁阻电机(简称SR电机)是由电力电子技术、控制技术及计算机技术与传统磁阻式电才;i4目结合发^^来的新型调速电机,它以结构简单、坚固、成本低、工作可靠、控制灵活、运行效率高、容错能力强等优越特性,在牵引运输、通用工业、航空工业、家用电器等各个领域都获得了应用。只要根据转子位置来控制主开关通断角度来改变相电流的大小和生成位置,就可以产生不同大小和方向的电磁转矩。通过对电流的单极性控制实现电能的双向流动，很方便地实现起动和发电双功能运行。由双凸核J兹阻电机和这种特殊的开关电路组成的开关^兹阻电机系统允许能量的双向传输，使得该系统无需附加任何附件就能实现起动发电双功能,即可形成优良特性的开关磁阻起动/发电机系统(SRstarter/generator)。开关磁阻电积/f乍为发电才几工作时,具有较好的调节性能,可在转速大范围变化中调节输出适应负载要求;由于电机结构简单,可以做成高转速的发电装置,因此可达很高功率密度。由以上开关磁阻电机电动运行和发电运行的一些特性,可以看出,开关磁阻起动/发电机系统具有结构简单、高容错性、高功率密度和高速运行能力等特点，很适合应用于航空高压直流起动/发电系统，也可以用于其它的场合,如汽车、舰艇等起动/发电机系统。在一些具有特殊要求的场合,如航空起动/发电系统，就要求开关磁阻发电机系统具有较强的容错运行功能,并具有冗余功能，从而使得系统能在故障发生时能继续运行,可以为故障诊断和故障恢复留出足够的时间。故障诊断后系统能够恢复正常或接近正常运行，从而大大增强发电系统的可靠性。开关磁阻起动/发电机系统主要故障类型可以分为电机内部故障、功率变换器故障、负载突变故障以及位置传感器失效引起的位置故障。其中功率板的电气故障发生概率较大，因此对功率变换器功率板进行容错控制和余度恢复具有重要意义。为了满足特定场合的要求,需要使电机从故障状态恢复到正常工作状态,保证发电质量，有必要对功率变换器进行冗余设计。通常采用功率变换器桥臂冗余的方法,即一相绕组接两个桥臂,正常工作时启用一个桥臂,当检测到功率管故障后,断开故障桥臂同时启用备用桥臂。这种变换器结构和控制策略相对简单，但是这种故障后弃用故障桥臂的方式的代价是功率管利用率太低,故障桥臂中能正常工作的管子不能利用上。
发明内容本发明要解决的问题是实现开关磁阻起动/发电机系统的自励式不对称半桥功率变换器的功率开关管故障模式下的容错运行。即通过采用一种新型的功率变换器功率管冗余的方法,使得系统在功率变换器发生故障时仍然能够容错运行。本发明为实现上述目的，采用如下技术方案本发明为一种开关磁阻起动/发电机功率变换器，其特征在于包含电源、电解电容、六个功率开关管即第一功率开关管至第六功率开关管、六个续流二极管即第一续流二极管至第六续流二极管、负载开关管、六个辅助开关管即第一辅助开关管至第六辅助开关管、第一功率二才及管、第二功率二^l管和负载。其中电源的正极串接第一功率二极管后分别接第二功率二极管的阴极、第一功率开关管的漏极、第三功率开关管的漏极和第五功率开关管的漏极;电源的负极分别接第一续流二极管的阳极、第二功率开关管的源极、第三续流二极管的阳极、第四功率开关管的源极、第五续流二极管的阳极、第六功率开关管的源极、电解电容的输出端、负载的负输入端和第六辅助开关管的源极;第六辅助开关管的漏极分别接第四辅助开关管的源极、第六功率开关管的漏;〖及和第六续流二^L管的阳^L;第四辅助开关管的漏才及分别4妻第二辅助开关管的源极、第四功率开关管的漏极和第四续流二极管的阳极;第二辅助开关管的漏极分别接第二功率开关管的漏极和第二续流二极管的阳极;第二续流二极管的阴极分别接第二功率二极管的阳极、第四续流二极管的阴极、第六续流二极管的阴极、电解电容的输入端和负载开关管的漏极;负载开关管的源极分别接负载的正输入端和第五辅助开关管的漏极;第五辅助开关管的源极分别接第三辅助开关管的漏极、第五功率开关管的源极和第五续流二极管的阴极;第三辅助开关管的源极分别接第一辅助开关管的漏极、第三功率开关管的源极和第三续流二极管的阴极;第一辅助开关管的源极分别接第一功率开关管的源极和第一续流二极管的阴极;第一功率开关管的源极与第二功率开关管的漏极间串接所述开关磁阻起动/发电机的A相绕组;第三功率开关管的源极与第四功率开关管的漏极间串接所述开关磁阻起动/发电机的B相绕组;第五功率开关管的源极与第六功率开关管的漏极间串接所述开关磁阻起动/发电机的C相绕组。本发明在传统的开关磁阻发电机自励型不对称半桥功率变换器拓朴的基础上，外加了6个辅助开关管Sl-S6，从而将该功率变换器的各桥臂开关管以及负载开关管有效的衔接起来，可以实现各桥臂任意开关管故障时的冗余。针对不同的故障模式，可以应用多种不同控制策略，实现容错运行。本发明采用的这种具有容错功能的开关磁阻起动/发电机功率变换器拓朴结构。能够使电机在发生故障时进入缺相发电运行状态，为故障诊断留出足够的时间，并通过利用辅助开关管衔接起各桥臂的上、下开关管以及负载开关管，实现当一相或多相发生故障后，仍能工作在容错运行模式下，发电性能较缺相运行大为改善。采用该功率变换器拓朴，能有效提高开关磁阻起动/发电机的容错能力，具有重要的意义。图1开关磁阻起动/发电机自励磁模式不对称半桥功率变换器拓朴图。图1中符号名称:Us是电源电压,Cl、C2是电容,Q1Q6是功率开关管,Q7为负载开关管，D1、D2是功率二极管,A、B、C分别是三相绕组。图2为A相正常初始励磁模式。图3为A相正常发电励^兹模式。图4为A相正常续流发电模式。图5为传统的桥臂冗余功率变换器电路拓朴。图5中符号名称:Us是电源电压,Cl、C2是电容,Q1Q6是功率开关管,Q7为负载开关管,S1S6是冗余桥臂开关管,D1、D2是功率二极管，A、B、C分别是三相绕组。图6为本发明自励不对称半桥容错功率变换器电路拓朴。图6中符号名称:Us是电源电压,C1、C2是电容,Q1Q6是功率开关管，Q7为负载开关管，S1S6为辅助开关管。Dl、D2是功率二极管，A、B、C分别是三相绕组。图7为A相上管故障时初始励》兹才莫式。图8为A相上管故障时发电励f兹才莫式1。图9为A相上管故障时发电励》兹才莫式2。图10为A相上管故障时发电励磁模式3。图11为A相下管故障时初始励^兹才莫式。图12为A相下管故障时发电励i兹才莫式1。图13为A相下管故障时发电励磁模式2。图14为A相下管故障时发电励》兹模式3。图15为续流发电模式。图16为A相正常运行工作时控制框图。图17为A相发电励^兹阶段开关管发生故障时控制框图。具体实施例方式功率变换器故障主要有(l)功率开关管开路故障；(2)功率开关管击穿短路故障两种。由于过压、过流和工作温度过高时导致功率开关管和功率二极管的损坏,5造成开路或功率器件击穿短路。此时励磁电源电压将持续给该相绕组供电，电流大小主要取决于励磁电源电压的大小。通过控制器判断该故障并切断驱动信号，电机将运行在缺相发电模式下，因此这两种故障都可转化为缺相故障。利用MATLAB仿真其结果与绕组开路故障相类似。由于此时电才几工作在缺相发电模式下，这时候的输出电压开始下降，但通过调节其它两相的输出功率后，系统的发电电压开始上升，并在一定的时间后重新达到平衡，维持在270V。由于系统处于缺相运行状态，造成了母线电流波动，从而使得输出电压的紋波明显增大。由于电机在缺相模式下仍能继续工作，因此可以为故障检测和诊断提供必要的时间。下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明如图l所示，正常工作时，发电初始瞬间，由外部的电源Us通过功率二极管Dl提供初始励f兹(如图2所示);当输出电压大于电源电压Us时,由于功率二极管Dl的截止作用,夕卜部电源不再提供励磁电压，此时的励磁电压由电容Cl和C2上的电压通过功率二极管D2提供(如图3所示)。励石兹结束后关闭该相开关管，即可通过续流二极管向负载端输出电能(如图4所示)。对于开关^兹阻起动/发电系统，主要考虑发生在发电运行过程中的故障,本发明的容错功率变换器拓朴结构主要针对发电运行的故障容错。正常工作时,负载开关管始终开通，在发电励^兹阶段,C1、D2、Ql、Q2和A相绕组构成发电励磁回路,发电运行时,关断Ql、Q2,使A相绕组,A相两个续流二极管D3和D4,负载R和电容C1构成发电回路。图5为传统的桥臂冗余功率变换器电路拓朴。图6为本发明自励不对称半桥容错功率变换器电路拓朴。包含电源、电解电容C1、六个功率开关管即第一功率开关管Ql至第六功率开关管Q6、六个续流二^l管即第一续流二^f及管D3至第六续流二^L管D8、负载开关管Q7、六个辅助开关管即第一辅助开关管S1至第六辅助开关管S6、第一功率二极管D1、第二功率二极管D2和负栽R,其中电源的正极串接第一功率二极管(D1)后分别接第二功率二极管D2的阴极、第一功率开关管Ql的漏极、第三功率开关管Q3的漏极和第五功率开关管Q5的漏极;电源的负极分别接第一续流二极管D3的阳极、第二功率开关管Q2的源极、第三续流二极管D5的阳极、第四功率开关管Q4的源极、第五续流二极管D7的阳极、第六功率开关管Q6的源极、电解电容C1的输出端、负载R的负输入端和第六辅助开关管S6的源极;第六辅助开关管S6的漏极分别接第四辅助开关管S4的源极、第六功率开关管Q6的漏极和第六续流二才及管D8的阳极;第四辅助开关管S4的漏极分别接第二辅助开关管S2的源极、第四功率开关管Q4的漏极和第四续流二才及管D6的阳才及;第二辅助开关管S2的漏极分别接第二功率开关管Q2的漏极和第二续流二极管D4的阳极;第二续流二极管D4的阴极分别接笫二功率二极管D2的阳极、第四续流二极管D6的阴极、第六续流二极管D8的阴极、电解电容C1的输入端和负载开关管Q7的漏极;负载开关管Q7的源极分别接负载R的正输入端和第五辅助开关管S5的漏极;第五辅助开关管S5的源极分别接第三辅助开关管S3的漏极、第五功率开关管Q5的源极和第五续流二极管D7的阴极;第三辅助开关管S3的源极分别接第一辅助开关管Sl的漏极、第三功率开关管Q3的源极和第三续流二极管D5的阴极;第一辅助开关管Sl的源极分别接第一功率开关管Ql的源极和第一续流二极管D3的阴才及;第一功率开关管Ql的源极与第二功率开关管Q2的漏极间串接所述开关磁阻起动/发电机的A相绕组;第三功率开关管Q3的源第五功率开关管Q5的源极与第六功率开关管Q6的漏极间串接所述开关磁阻起动/发电机的C相绕组。发电励磁阶段,若Ql发生故障,将Ql管切除，则A相不能正常励i兹。此时可以开通Q3和S1，使C1、D2、Q3、Sl、A相绕组和Q2构成励磁回路，从而使得A相实现正常励石兹(如图7、图8所示);关闭Q3、Sl、Q2,此时A相绕组，A相两个续流二极管和电容C1构成续流回路,可以实现正常的续流。亦可通过开通Q5，S3,Sl，此时C1、D2、Q5、Sl、S3、A相绕组和Q2构成励磁回路,可以实现正常的初始励磁(如图9所示);关闭Q5、S3、Sl、Q2可以实现正常续流发电。还可以通过开通S5、S3、Sl,此时Cl、D2、S5、Sl、S3、A相绕组和Q2构成励磁回路,可以实现正常的初始励磁(如图10所示);关闭S5、Sl、S3、Q2可以实现正常续流发电。同理,B相上管故障可以通过利用C相上管,或负载开关管Q7来实现冗余。C相上管故障可以通过利用负载开关管Q7来实现冗余。因此该功率变换器拓朴可以实现发电运行时各桥臂上管故障的容错控制。发电励磁阶段,下管发生故障。以A相为例，若Q2发生故障,将Q2管切除，则A相不能正常厉力/磁。此时可以开通S2、Q4/f吏Cl、D2、Ql、A相绕组、S2、Q4构成励磁回路，从而使得A相实现正常励磁(如图11、图12所示);关闭Q4、S2、Q1，此时A相绕组、A相两个续流二才及管和电容C1构成续流回路,可以实现正常的续流。亦可通过开通S2、S4、Q6,可以使A相实现正常励石兹(如图13所示);关断S2、S4、Q6、Ql，可以实现正常的续流。也可以通过开通S2、S4、S6,可以使A相实现正常励》兹(如图14所示);关断S2、S4、S6、Ql,可以实现正常的续流(如图15所示)。同理,B相下管故障可以通过利用C相下管。C相下管故障可以通过利用开关管S6来实现冗余。因此该功率变换器拓朴也可以实现发电运行时各桥臂下管故障的容4普控制。由此可知该功率变换器拓朴结构可以充分利用负载开关管对各桥臂的冗余功能。通过外加辅助开关管，可以实现各桥臂任意开关管故障时的冗余。针对不同的故障模式，可以得到多种不同控制策略,控制非常灵活。其中，A相Ql管故障时可以通过辅助开关管Sl、S3、S5的衔接作用，从而利用B相上管Q3、C相的上管Q5或者负载开关管Q7来实现冗余,都可以实现正常励》兹;B相上管Q3故障,可以利用C相上管Q5或负载开关管Q7，实现正常厨W兹;C相理方式同上管。因此，对于A相上管Ql故障的处理方式有三种;B相上管Q3故障处理方式有两种;C相上管Q5故障处理方式有一种。同理，对于A相下管Q2的故障处理方式有三种;B相下管Q4故障处理方式有两种;C相下管Q6故障处理方式有一种。若A相上下管都发生故障，处理方式有9种;B相上下管都发生故障，处理方式有4种;C相上下管都发生故障，处理方式有1种。具体实施方式如表1所示表1故障相故障开关管处理方法种类AQll.开通Q3和S13种2.开通Q5、S3、Sl3.开通S5、S3、SlQ21.开通S2、Q43种2.开通S2、S4、Q63.开通S2、S4、S6Ql和Q21.开通Q3、Sl、S2、Q49种2.开通Q3、Sl、S2、S4、Q63.开通Q3、Sl、S2、S4、S64.开通Q5、S3、Sl、S2、Q45.开通Q5、S3、Sl、S2、S4、Q66.开通Q5、S3、S2、S4、S67.开通S5、S3、Sl、S2、Q48.开通S5、S3、Sl、S2、S4、Q69.开通S5、S3、Sl、S2、S4、S6BQ31.开通Q5、S32种2.开通S5、S3Q41.开通S4、Q62种2.开通S4、S6Q3和Q41.开通Q5、S3、S4、Q64种2.开通Q5、S3、S4、S63.开通S5、S3、S4、Q64.开通S5、S3、S4、S6CQ5l.开通S5l种Q62.开通S6l种8<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>为了更清晰地说明实施步骤,附图16和图17以A相为例给出了控制框图。其中图16为正常运行时的控制框图,图17为发电励i兹阶段开关管发生故障的控制框图,其他相与此类似。本发明的功率变换器拓朴结构，可以利用上面灵活的控制策略可以实现发电运行时各相任意开关管故障后的冗余,并实现容错运行。开关管利用率高，可靠性强,非常适合开关磁阻起动/发电机的容错控制。权利要求1.一种开关磁阻起动/发电机功率变换器，其特征在于包含电源、电解电容(C1)、六个功率开关管即第一功率开关管(Q1)至第六功率开关管(Q6)、六个续流二极管即第一续流二极管(D3)至第六续流二极管(D8)、负载开关管(Q7)、六个辅助开关管即第一辅助开关管(S1)至第六辅助开关管(S6)、第一功率二极管(D1)、第二功率二极管(D2)和负载(R)，其中电源的正极串接第一功率二极管(D1)后分别接第二功率二极管(D2)的阴极、第一功率开关管(Q1)的漏极、第三功率开关管(Q3)的漏极和第五功率开关管(Q5)的漏极；电源的负极分别接第一续流二极管(D3)的阳极、第二功率开关管(Q2)的源极、第三续流二极管(D5)的阳极、第四功率开关管(Q4)的源极、第五续流二极管(D7)的阳极、第六功率开关管(Q6)的源极、电解电容(C1)的输出端、负载(R)的负输入端和第六辅助开关管(S6)的源极；第六辅助开关管(S6)的漏极分别接第四辅助开关管(S4)的源极、第六功率开关管(Q6)的漏极和第六续流二极管(D8)的阳极；第四辅助开关管(S4)的漏极分别接第二辅助开关管(S2)的源极、第四功率开关管(Q4)的漏极和第四续流二极管(D6)的阳极；第二辅助开关管(S2)的漏极分别接第二功率开关管(Q2)的漏极和第二续流二极管(D4)的阳极；第二续流二极管(D4)的阴极分别接第二功率二极管(D2)的阳极、第四续流二极管(D6)的阴极、第六续流二极管(D8)的阴极、电解电容(C1)的输入端和负载开关管(Q7)的漏极；负载开关管(Q7)的源极分别接负载(R)的正输入端和第五辅助开关管(S5)的漏极；第五辅助开关管(S5)的源极分别接第三辅助开关管(S3)的漏极、第五功率开关管(Q5)的源极和第五续流二极管(D7)的阴极；第三辅助开关管(S3)的源极分别接第一辅助开关管(S1)的漏极、第三功率开关管(Q3)的源极和第三续流二极管(D5)的阴极；第一辅助开关管(S1)的源极分别接第一功率开关管(Q1)的源极和第一续流二极管(D3)的阴极；第一功率开关管(Q1)的源极与第二功率开关管(Q2)的漏极间串接所述开关磁阻起动/发电机的A相绕组；第三功率开关管(Q3)的源极与第四功率开关管(Q4)的漏极间串接所述开关磁阻起动/发电机的B相绕组；第五功率开关管(Q5)的源极与第六功率开关管(Q6)的漏极间串接所述开关磁阻起动/发电机的C相绕组。全文摘要本发明公布了一种开关磁阻起/动发电机功率变换器，属开关磁阻发电机的容错控制以及功率变换器设计的
技术领域：
。本发明采用的一种功率变换器拓扑，通过在传统的自励模式不对称半桥功率变换器拓扑中外加六个辅助开关管S1-S6，而有效衔接了各桥臂的开关管以及负载开关管，从而可以实现各桥臂任意开关管发生故障时的冗余，开关管利用率高，可靠性强。针对不同的故障模式，可以应用多种不同控制策略，实现容错运行，使得发电系统发电性能和可靠性大大提高，非常适合开关磁阻起动/发电机的容错控制。文档编号H02P9/00GK101582671SQ20091003355公开日2009年11月18日申请日期2009年6月23日优先权日2009年6月23日发明者刘泽远,瑱姚,毛宇阳,骏蔡,邓智泉申请人:南京航空航天大学