專利名稱：永磁同步電機的控制系統(tǒng)和短路切換方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及永磁同步電機領(lǐng)域，特別涉及一種永磁同步電機的控制系統(tǒng)和短路切 換方法。
背景技術(shù)：
近年來，隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)、新型電機控制理論和稀土永磁材料的快 速發(fā)展，永磁同步電機得以迅速的推廣應(yīng)用。永磁同步電機具有體積小，損耗低，效率高等 優(yōu)點，在節(jié)約能源和環(huán)境保護日益受到重視的今天，對其研究就顯得非常必要。在工作中，永磁同步電機都連接有逆變器和控制系統(tǒng)，在逆變器、控制系統(tǒng)以及電 機發(fā)生故障時，可能發(fā)生永磁同步電機單相或兩相不對稱短路，導致永磁同步電機的電流 不對稱，瞬態(tài)值和穩(wěn)態(tài)值偏大，對逆變器和永磁同步電機造成損傷。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種永磁同步電機的控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)可在永磁同步電 機安全制動時，通過外接電阻調(diào)節(jié)制動電流，提高永磁同步電機安全性。本發(fā)明的另一目的是提供一種永磁同步電機的短路切換方法，在永磁同步電機發(fā) 生單相或兩相不對稱短路時，降低系統(tǒng)電流強度，保護電機安全運行。本發(fā)明一種永磁同步電機的控制系統(tǒng)，包括永磁同步電機和逆變器，其中，逆變器 包括并聯(lián)的三個支路，每個支路串聯(lián)兩個開關(guān)，一電源與上述三個支路并聯(lián)連接，永磁同步 電機的三相連接線分別連接在上述三個支路中兩個串聯(lián)開關(guān)的公共端，所述永磁同步電機 的三相連接線分別連接第一電阻、第二電阻和第三電阻的一端，第一電阻、第二電阻和第三 電阻的另一端連通。本發(fā)明一種永磁同步電機的短路切換方法，該方法包括判斷永磁同步電機是否 單相或兩相不對稱短路，如是，將永磁同步電機切換到三相對稱短路。


圖1為永磁同步電機在三相靜止坐標系與兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標系的模型；圖2為永磁同步電機直軸等效電路圖；圖3為永磁同步電機交軸等效電路圖；圖4為具有逆變器的永磁同步電機控制圖；圖5a為永磁同步電機三相對稱短路一示意圖；圖5b為永磁同步電機三相對稱短路另一示意圖；圖6為永磁同步電機對稱短路電流示意圖；圖7為弱磁控制時電壓電流極限示意圖；圖8為具有外接空竹的控制系統(tǒng)示意圖；圖9為外接電阻制動時示意圖IOa為永磁同步電機三相對稱短路時電流極限圓與電壓極限圓一對應(yīng)關(guān)系圖；圖IOb為永磁同步電機三相對稱短路時電流極限圓與電壓極限圓另一對應(yīng)關(guān)系 圖；圖IOc為永磁同步電機三相對稱短路時電流極限圓與電壓極限圓再一對應(yīng)關(guān)系 圖。
具體實施例方式為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點能夠更加明顯易懂，下面結(jié)合附圖和具體實 施方式對本發(fā)明作進一步詳細的說明。參見圖1，示出永磁同步電機在三相靜止坐標系與兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標系的數(shù)學模 型，永磁同步電機定義dq兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標系的d軸與轉(zhuǎn)子磁極軸線重合，q軸逆時針超 前d軸90°電角度，d軸與電機A相定子繞組的軸線夾角為θ e，且在空間隨轉(zhuǎn)子以電角速 度ωε旋轉(zhuǎn)。其在dq兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標系中的電壓方程可以表示為 Ud = Rs · id+Ld · pid-coe -Lq-Iq(1)Uq = Rs · iq+Lq · piq+ωe · Ld · id+ e · Vf(2)從式⑴和式⑵可得到永磁同步電動機在dq軸的等效電路，見圖2和圖3所示。參見圖4，示出具有逆變器的永磁同步電機控制圖，任意時刻永磁同步電機三相定 子電壓由逆變器三個橋臂上的六個開關(guān)管的狀態(tài)來決定，用Sa，Sb，Sc分別表示每個橋臂 上開關(guān)管的開關(guān)狀態(tài)，1表示上橋臂的開關(guān)管導通，0表示下橋臂的開關(guān)管導通，則三組開 關(guān)共有8中可能的組合，如表1所示。表1逆變器的8種開關(guān)狀態(tài)
狀態(tài) I 0 ~~ Γ~2~3 4~~5~~Γ~6~~7~
Sa 0 0 0 0 ~ ~~Sb 0 0 0 0~
~~s^ ο ο ο ο i i i i~當逆變器的上管Sa、Sb、Sc全部閉合、下管Sa’、Sb’、Sc’全部斷開，或者上管Sa、 Sb、Sc全部斷開、下管Sa’、Sb’、Sc’全部閉合，即表1中的狀態(tài)0和狀態(tài)7，這兩種狀態(tài)稱 之為永磁同步電機的對稱短路，分別如圖5a、圖5b所示。系統(tǒng)進行對稱短路時的永磁同步電機三相電流變化情況如圖6所示，在0. 05s對 系統(tǒng)進行對稱短路，當整個系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)時對應(yīng)的永磁同步電機電流稱之為永磁同步電機 三相對稱短路穩(wěn)態(tài)電流，即圖6中0. 2s后對應(yīng)的電流。永磁同步電機穩(wěn)態(tài)運行時，端電壓Us和定子電流is都要受到限制，不能超出極限 值Usmax和Ismax,即需要滿足以下約束條件is ( Ismax(3)
Us ≤Usmax(4)當電機穩(wěn)態(tài)運行時，電壓方程中的微分項等于零，即Ld · pid = 0、Lq · piq = 0 ；又 由于弱磁運行時電機轉(zhuǎn)速相對較高，電阻值遠小于電抗值，電阻上的電壓降常忽略不計，即 Rs· id = 0*Rs·、= 0。綜合式(1)、式⑵和式(4)得到了以定子電流分量id和為 坐標軸的電壓極限方程
(5)由式(5)可知，永磁同步電機的電壓極限方程是以點(-f，G)為中心，隨轉(zhuǎn)速升高
長短徑成比例縮小的橢圓族。永磁同步電機的電流極限方程為C+^2S7Lx，電流極限方程 是以點(0，0)為圓心、且最大半徑為Ismax的圓，如圖7所示。永磁同步電機勵磁是不可關(guān)斷的，這種固有的可靠的勵磁，可作為系統(tǒng)優(yōu)點加以 利用，用于系統(tǒng)的安全備用電制動。永磁同步電機制動特性的合理利用，如圖8所示。當需 要制動時，其等效圖如圖9所示。圖8示出本發(fā)明永磁同步電機制動系統(tǒng)，包括永磁同步電機11、逆變器12及外接 電阻13。逆變器包括并聯(lián)的三個支路，每個支路串聯(lián)兩個開關(guān)，一電源與上述三個支路并聯(lián) 連接。第一支路包括開關(guān)為Sa和Sa’ ；第二支路包括開關(guān)為Sb和Sb’ ；第三支路包括開關(guān) 為Sc和Sc，。外接電阻13包括第一電阻R1、第二電阻R2和第三電阻R3。永磁同步電機11的三相連接線分別連接在三個支路中兩個串聯(lián)開關(guān)的公共端， 且三相連接線分別連接第一電阻R1、第二電阻R2和第三電阻R3的一端，第一電阻R1、第二 電阻R2和第三電阻R3的另一端連接在一起。在永磁同步電機安全制動時，通過外接電阻 調(diào)節(jié)制動電流，提高永磁同步電機安全性。當永磁同步電機發(fā)生三相對稱短路時，電機端電壓等于零，即公式(2)、等于零， 當忽略定子電阻影響時，可以獲得永磁同步電機三相對稱短路電流穩(wěn)態(tài)值ι = I Vf/Ld|，即 為電壓極限橢圓的圓心橫坐標絕對值，其與電流極限圓及電壓極限橢圓的關(guān)系如圖10所
7J\ ο圖10給出了三種情況，即短路電流大于最大工作電流、短路電流等于最大工作電 流和短路電流小于最大工作電流。圖10(a)短路電流大于最大工作電流，當轉(zhuǎn)速升高到ω3 時，電壓極限橢圓和電流極限圓沒有交點，系統(tǒng)無法繼續(xù)工作。圖10(b)和圖10(c)的情況， 理論上轉(zhuǎn)速可以升高到無限大，但轉(zhuǎn)速高于一定值后，電壓極限橢圓在q軸方向越來越接 近坐標軸q，即q軸電流越來越接近零，系統(tǒng)已無法出力。對于圖10(a)短路電流遠大于系 統(tǒng)最大工作電流，為避免由于電機短路造成永磁體退磁，所以在進行永磁體退磁校核時，必 須以遠大于系統(tǒng)最大工作電流的短路電流為依據(jù)，從而增加永磁體設(shè)計時的抗退磁余量。對于圖10(b)和(C)的情況，不需考慮短路電流增加永磁體抗退磁余量。但對圖 10(c)，如果短路電流遠小于系統(tǒng)最大工作電流，表明電機的自身阻抗太大，消耗在電機內(nèi) 部的功率太大，從而降低電機的過載倍數(shù)，影響系統(tǒng)的出力能力。因為永磁同步電機的上述特點，在永磁同步電機發(fā)生單相或兩相不對稱短路時， 可能引起系統(tǒng)故障。為避免引起不必要的故障，本發(fā)明在永磁同步電機發(fā)生單項或兩相不 對稱短路時，切換到三相對稱短路，從而降低系統(tǒng)電流，保護永磁同步電機正常工作。
以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，并不構(gòu)成對本發(fā)明保護范圍的限定。任何 在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明 的權(quán) 利要求保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
一種永磁同步電機的控制系統(tǒng)，包括永磁同步電機和逆變器，其中，逆變器包括并聯(lián)的三個支路，每個支路串聯(lián)兩個開關(guān)，一電源與上述三個支路并聯(lián)連接，永磁同步電機的三相連接線分別連接在上述三個支路中兩個串聯(lián)開關(guān)的公共端，其特征在于所述永磁同步電機的三相連接線分別連接第一電阻、第二電阻和第三電阻的一端，第一電阻、第二電阻和第三電阻的另一端連通。
2.一種永磁同步電機的短路切換方法，其特征在于，該方法包括判斷永磁同步電機是否單相或兩相不對稱短路，如是，將永磁同步電機切換到三相對 稱短路。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種永磁同步電機的控制系統(tǒng)，其中，逆變器包括并聯(lián)的三個支路，每個支路串聯(lián)兩個開關(guān)，一電源與三個支路并聯(lián)連接，永磁同步電機的三相連接線分別連接在三個支路中兩個串聯(lián)開關(guān)的公共端，永磁同步電機的三相連接線分別連接第一電阻、第二電阻和第三電阻的一端，第一電阻、第二電阻和第三電阻的另一端連通。在永磁同步電機安全制動時，通過外接電阻調(diào)節(jié)制動電流，提高永磁同步電機安全性。本發(fā)明還涉及一種永磁同步電機的短路切換方法，包括判斷永磁同步電機是否單相或兩相不對稱短路，如是，將永磁同步電機切換到三相對稱短路。在永磁同步電機發(fā)生單相或兩相不對稱短路時，降低系統(tǒng)電流，保護電機安全運行。
文檔編號H02P6/00GK101860293SQ20101019407
公開日2010年10月13日 申請日期2010年5月28日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月28日
發(fā)明者丁榮軍, 馮江華, 劉可安, 張朝陽, 許峻峰, 黃濟榮 申請人:株洲南車時代電氣股份有限公司