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具容錯功能的交流/直流轉換器永磁同步電動機驅動系統

摘要"

本文探討具容錯功能的永磁同步電動機驅動系統,包括二極體故障及直流鏈電容故障。文中探討當單相及三相全波整流器中的一個二極體故障,以及直流鏈電容故障時的容錯。研究內容包括:故障偵測、故障診斷、故障隔離及故障控制,以提升永磁同步電動機驅動系統的可靠度,使得交流/直流側元件在故障時,驅動系統仍能持續的運轉,並改善驅動系統的電流諧波量。文中使用德州儀器公司所生產的數位信號處理器TMS320F2808作為控制核心,以達成容錯功能。實驗結果與理論相當吻合,說明本文所提方法的正確性及可行性。

關鍵詞:永磁同步電動機、容錯控制、整流器、直流鏈電容

前言

隨著環保意識的高漲,電動機驅動朝向低污染、省能源的方向發展,在目前的工業應用中,電動機的驅動已成為主流。而電動機驅動系統係將電能轉為機械能。直流電動機的優點是容易調速且為線性控制,但缺點是須使用碳刷和換向片,碳刷與換向片接觸時會產生火花,並造成磨損,故須定期維護。另一方面,交流電動機具有結構堅固、效率高及價格低廉等特性,缺點則是控制較為複雜,但隨著功率元件、數位信號處理器和交流電動機的控制技術日漸成熟,使得交流電動機已成為主要的動力來源。
交流電動機主要可分為感應電動機及永磁同步電動機兩大類。感應電動機有結構簡單維護方便等優點,但是感應電動機的轉子轉速和其旋轉磁場轉速有轉差,控制十分困難。而且轉子及定子都是由線圈組成,因此會有較大的銅損,效率較低。永磁同步電動機是將永久磁鐵安裝在轉子上,可依照其轉子磁性材料安裝的位置,分為內藏型、嵌入型及表面黏貼型,不需要額外的激磁電流,具有效率高、功率因數高、體積小及噪音小等優點。
另一方面,電動機驅動系統的可靠度也日益重要,如:電梯、電動車等應用,均不允許在運轉中發生故障,故如何研製具容錯功能的驅動系統已是目前重要的議題。隨著電動機的長期使用,相關驅動系統的元件,如整流器的二極體和直流鏈電容等因長期的使用而損壞。當驅動系統在部份元件損壞的情況下,如何利用數位信號處理器(digital signal processor, DSP)即時的進行偵測、診斷、隔離及控制,使其能正常持續的運轉,已是現今研究的主要議題。
近年來,有關永磁同步機容錯驅動系統的研究,已有許多文獻加以探討,如:Jlassi等提出一個強健容錯控制應用在霍爾電流偵測元件故障及IGBT故障[1]。Eickhoff等探討當一個功率元件開路後,電動機驅動系統變頻器的切換方法,以降低轉矩漣波[2]。An等使用殘留的電流向量(current residual vector)作為變頻器功率元件開路的診斷,並進行容錯控制,使其驅動器持續正常運轉[3]。Zeng等人提出三臂四開關的變頻器架構,以驅動三相永磁同步電動機,降低驅動系統的成本,但缺點是電動機運轉時會產生較大的轉矩漣波[4]。Li等研製高速下變頻器功率元件故障的容錯控制,並實際應用在航空系統中[5]。Hadef等人針對永磁同步機裡定子繞組的短路故障,推導出數學模型,並在故障情況下進行容錯的控制,當定子繞組短路小於40%內,驅動器還是能持續運轉[6]。Mehta等探討當霍爾電流偵測元件發生故障,仍能產生換向信號的方法,並在故障發生後維持永磁同步電動機的正常運行,且在正常運轉下發生故障時可以平順的切換至容錯控制,沒有任何額外的噪音和震動[7]。
然而上述論文[1-7]均未針對交流/直流轉換器容錯加以研究,本文是針對整流器的二極體和直流鏈電容故障的偵測及診斷加以探討。當二極體故障時,使用單刀雙投的繼電器切換至備用整流器,以達成容錯控制,維持電動機在原來的轉速持續運轉,提升系統的可靠度。當直流鏈電容故障時,透過估測電容值與正常電容值比較,判斷是否發生故障,確定故障後,將備用電容並聯,使其恢復為正常電容值,以降低電流諧波量。
永磁同步電動機數學模型

表面型永磁同步電動機的d-q軸電壓方程式表示為:

(1)
式中,vd、vq為電動機的d-q軸電壓,rs為定子電阻,Ls為定子電感,d/dt為微分運算子,id為d軸電流,iq為q軸電流,ωe為電機角速度,λm為轉子等效的磁通鏈。電動機的電磁轉矩可表示為:
(2)
式中,Te為電磁轉矩,P為轉子極數,KT為轉矩常數。電動機的運動方程式表示為:
(3)
式中ωm為機械角速度,Jm為電動機與負載的轉動慣量,TL為外加的負載轉矩,Bm為電動機與負載的摩擦係數。電機角速度與機械角速度的關係為:     
(4)

單相交流電源容錯系統
基本原理
本文所研製的永磁同步電動機容錯控制驅動系統的電路架構,如圖1所表示,其中整流器包含四個二極體D1、、D2、,由於二極體價格甚為便宜,所以不論整流器功率元件發生任何一相開路或短路故障時,均可直接切換至另一組整流器運作,故另外多加一組備用的功率元件D3、、D4、,此外,在兩組整流器連接直流鏈電容的路徑上,加上一個單刀雙投的繼電器S1。輸入交流電源側與整流器的兩相上臂功率開關之間串聯高速保險絲F1、F2,直流鏈電容旁並聯一組備用的電容,並在主要和備用的電容上串聯一開關S2、S3和一電阻R1、R2,其目的是防止在運轉時,突然並上電容所產生的突波電流,此外,為了避免消耗功率在此電阻上,故在電阻旁在並聯一開關S4、S5使其短路。圖1中R1及R2電阻選擇為50歐姆,故可以抑制在切瞬間最大電流約為7安培。
在正常運轉中,主要的直流鏈電容上開關S2、S4導通,S3、S5截止,當系統偵測到直流鏈電容的容值小於正常值的80%時[8] - [9],便判斷此電容發生故障,此時將開關S3導通,延遲一段時間後,開關S5再導通,使電阻R2短路達成容錯控制。當系統偵測到整流器的功率元件發生開路或短路故障時,單刀雙投的繼電器S1將會立即切換至另一組備用的整流器,以取代原來的整流器,達成容錯控制。
由圖1可知,在正常下
(5)
(6)
式中,iS為電源測輸入電流,iR為整流後電流,iC1為直流鏈電容C1的電流,iC2為直流鏈電容C2的電流,iq為永磁電動機在直流鏈的等效電流。
iq的大小可用ia、ib、ic配合變頻器的切換狀態求得,由於iq電流隨著電動機的負載變化,故量測iR會得到iq與iC1及iC2的合成電流故無法得知電容故障與否,故本文是藉由量測iC1和vC1去估測電容值,來去判斷故障與否,同時也能透過iC1去判斷整流器的二極體故障與否。

整流器故障偵錯與診斷

由於整流二極體通常在電流甚大的環境下工作,故容易發生故障。發生的故障分成兩種,分別是短路或者開路,當反向電壓過高時擊穿二極體會先造成短路,接著會因電流的瞬間增大而造成過熱的情況,此時不是燒斷保險絲就是直接燒毀二極體,並造成開路。本文使用的故障偵錯方法,是利用一個電流霍爾元件偵測直流鏈電容的充放電流,並透過數位信號處理器讀取並且分析數值判斷驅動系統是否發生故障。單相整流的電壓輸入端可表示為:
(7)
式中vs為單相電源電壓,Vm為峰值電壓,ω為電源頻率。
在正常情況下,電壓經過整流器為全波整流,頻率變成輸入的兩倍,故每周期的電流為8.33ms,平均的直流電壓為:
(8)
(9)
且因此時為半波整流,故輸出的脈動頻率變為原來全波整流的一半,及電流週期為16.66ms。

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