无刷双馈电机控制器冗余备份系统论文和设计

全文摘要

本实用新型公开的无刷双馈电机控制器冗余备份系统，与无刷双馈电机连接，包括，均流电抗器、无刷双馈电机控制器、输出合成电抗器；均流电抗器的输入端连接低压交流电源，输出端连接无刷双馈电机控制器；无刷双馈电机控制器包括N个完全相同的功率单元，N个功率单元相互并联，具有一个并联输入端和一个并联输出端，并联输入端连接均流电抗器和主控制单元，并联输出端连接输出合成电抗器；输出合成电抗器连接无刷双馈电机的控制绕组。本实用新型在保证大输出功率输出的同时，很大程度上提高系统可靠性，减少系统故障后的停机时间，在工业、发电等方面具有重要应用前景。

主设计要求

1.一种无刷双馈电机控制器冗余备份系统，与无刷双馈电机连接，其特征在于：包括，均流电抗器、无刷双馈电机控制器、输出合成电抗器；所述均流电抗器的输入端连接低压交流电源，输出端连接所述无刷双馈电机控制器；所述无刷双馈电机控制器包括N个完全相同的功率单元，N个所述功率单元相互并联，具有一个并联输入端和一个并联输出端，并联输入端连接所述均流电抗器和主控制单元，并联输出端连接所述输出合成电抗器；所述输出合成电抗器连接所述无刷双馈电机的控制绕组。

设计方案

1.一种无刷双馈电机控制器冗余备份系统，与无刷双馈电机连接，其特征在于：包括，均流电抗器、无刷双馈电机控制器、输出合成电抗器；

所述均流电抗器的输入端连接低压交流电源，输出端连接所述无刷双馈电机控制器；

所述无刷双馈电机控制器包括N个完全相同的功率单元，N个所述功率单元相互并联，具有一个并联输入端和一个并联输出端，并联输入端连接所述均流电抗器和主控制单元，并联输出端连接所述输出合成电抗器；

所述输出合成电抗器连接所述无刷双馈电机的控制绕组。

2.根据权利要求1所述的无刷双馈电机控制器冗余备份系统，其特征在于，所述主控制单元与N个所述功率单元之间通过光纤通讯连接。

3.根据权利要求1所述的无刷双馈电机控制器冗余备份系统，其特征在于，还包括机架，N个所述功率单元可拆卸的安装在所述机架上。

4.根据权利要求1所述的无刷双馈电机控制器冗余备份系统，其特征在于，N个所述功率单元与所述均流电抗器之间均连接有投切开关QF2，所述投切开关的数量为N个。

5.根据权利要求1所述的无刷双馈电机控制器冗余备份系统，其特征在于，所述低压交流电源与所述均流电抗器之间连接有主控开关QF1。

6.根据权利要求1所述的无刷双馈电机控制器冗余备份系统，其特征在于，所述主控制单元设置有监控电路和主控系统，通过光纤实时监控各个功率单元和均流电抗器均流参数的状态，并将状态反馈至主控系统。

7.根据权利要求6所述的无刷双馈电机控制器冗余备份系统，其特征在于，所述主控系统控制所述功率单元的投切。

设计说明书

技术领域

本实用新型涉及无刷双馈电机技术领域，特别涉及一种无刷双馈电机控制器冗余备份系统。

背景技术

近年来，无刷双馈电机受到了电机行业的普遍关注，出于这种电机在定子上实现了双馈。不仅具有简单的转子结构，而且具有绕线式转子异步电机和同步电机的优良特性，既可作为交流调速电动机，又可作为变速恒频发电，特别适合用于风力发电，变落差水力发电，潮汐发电等可再生能源的开发利用，因此无刷双馈电机作为一种新型电机的研究亟待发展。

但是，现代复杂条件下的无刷双馈电机控制系统中，提高系统的可靠性，即保证系统在故障情况下仍然可以同步切换、维持工作以减少系统停止的工作时间是一个很重要的问题。控制系统的冗余设计是解决该问题的一个行之有效的方法。目前国内对无刷双馈电机冗余控制系统的研究甚少，若采用功率器件直接并联的方法对于增加输出量并无作用，这是由于功率器件直接并联的输出功率与功率器件输出功率之和相比并不相等，即功率器件并联时必须降额使用，并联数目越多，降额越大，当并联数量达到一定数值之后，增加并联功率器件数量，对增加输出功率作用甚小，即是说，功率器件直接并联，其最大输出功率数值是有限制的，并且结构复杂，维护不便。

因此，如何提供一种无输出限制、可靠性高、且有效减少故障停机时间的无刷双馈电机控制器冗余备份系统是本领域技术人员亟待解决的技术问题。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型的目的在于构建一种无刷双馈电机控制器冗余备份系统，使用冗余并联控制技术，具有功率单元可在线热插拔、高可靠性、易于维护的特点，是一种全新概念的高可靠性无刷双馈电机控制器，能够有效减少故障停机时间。为实现上述目的其具体方案如下：

本实用新型公开了无刷双馈电机控制器冗余备份系统，与无刷双馈电机连接，包括，均流电抗器、无刷双馈电机控制器、输出合成电抗器；

所述均流电抗器的输入端连接低压交流电源，输出端连接所述无刷双馈电机控制器；

所述输出合成电抗器连接所述无刷双馈电机的控制绕组。

优选的，所述主控制单元与N个所述功率单元之间通过光纤通讯连接。

优选的，功率单元的冗余并联控制架构使用环形拓扑控制器局域网通讯。

其中，N个所述功率单元通过发送接收控制器接入网络，每个发送接收控制器仅与两个相邻的发送接收控制器有直接的物理线路。环形网的数据传输具有单向性，一个发送接收控制器发出的数据只能被另一个发送接收控制器接收并转发。所有的发送接收控制器及其物理线路构成了一个环状的网络系统。

优选的，还包括机架，N个所述功率单元可拆卸的安装在所述机架上。

优选的，N个所述功率单元与所述均流电抗器之间均连接有投切开关QF2，所述投切开关的数量为N个。

优选的，所述低压交流电源与所述均流电抗器之间连接有主控开关QF1。

优选的，所述主控制单元设置有监控电路和主控系统，通过光纤实时监控各个功率单元和均流电抗器均流参数的状态，并将状态反馈至主控系统。

优选的，所述主控系统控制所述功率单元的投切。

本实用新型相较现有技术具有以下有益效果：

本实用新型结构简单，具有功率单元可在线热插拔、高可靠性、易于维护的特点，是一种全新概念的高可靠性无刷双馈电机控制器冗余备份系统。每一个功率单元都是可独立运行的无刷双馈电机控制器并且具备并机控制接口，实现了模块整流器和逆变器的统一控制以及无刷双馈电机控制器整机的

冗余并联控制。多功率单元冗余并联无刷双馈电机控制器采用有连线冗余并联控制架构，结合主机竞争、均流控制等核心算法实现了多功率单元冗余并联运行，并且实现各功率单元负载均分，保证某一单元出现问题后主控制单元将其切除后仍能正常运行。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本实用新型无刷双馈电机控制器冗余备份系统的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

参见说明书附图1，本实用新型提供的无刷双馈电机控制器冗余备份系统是在无刷双馈电机的绕组基础上提出的。无刷双馈电机定子上安装有两套定子绕组，其中一套为功率绕组极对数为P_{P<\/sub>，直接接高压电网，加工频电源激励，故功率绕组中电压电流的频率为电网频率f_{p<\/sub>＝50Hz；另一套绕组称为控制绕组，其极对数为p_{c<\/sub>，也由低压电网供电，加变频电源激励，控制绕组频率为电机控制器的输出频率f_{c<\/sub>。本实用新型的无刷双馈电机控制器由N个完全相同的功率单元组成，N个单元并联输出，根据不同功率型号控制器选型设计不同数量不同功率的功率单元进行冗余备份，保证某一单元出现问题后控制器将其切除后仍能正常运行，系统具体结构如下：}}}}

一种无刷双馈电机控制器冗余备份系统，与无刷双馈电机连接，包括，均流电抗器、无刷双馈电机控制器、输出合成电抗器；均流电抗器的输入端连接低压交流电源，输出端连接无刷双馈电机控制器；无刷双馈电机控制器包括N个完全相同的功率单元，N个功率单元相互并联，具有一个并联输入端和一个并联输出端，并联输入端连接均流电抗器和主控制单元，其中，主控单元与N个功率单元之间通过光纤通讯连接，并联输出端连接输出合成电抗器；输出合成电抗器连接无刷双馈电机的控制绕组。

冗余并联无刷双馈电机控制器使用环形拓扑控制器局域网通讯。

主控制单元设置有监控电路和主控系统，监控电路通过光纤实时监控各个功率单元和均流电抗器均流参数的状态，并将状态反馈至主控系统。在某一个功率单元出现重故障时，主控系统将该功率单元进行切除通知人员更换，整个控制器重新自动计算匹配参数可以继续工作

为了进一步优化技术方案，N个功率单元与均流电抗器之间均连接有投切开关QF2，投切开关的数量为N个。

为了进一步优化技术方案，低压交流电源与均流电抗器之间连接有主控开关QF1。

功率单元采用模块化的设计理念，每一个功率单元都是可独立运行的无刷双馈电机控制器并且具备并机控制接口，采用32位微控制器作为控制核心，功率单元包含整流模块、逆变模块、控制通信模块三个器件，可独立运行也可并联组合运行。

每一个功率单元可以从机架上非常方便的抽出，移动和更换，所有功率单元是完全一致的，如果某一单元由于故障而不能正常工作，可以在允许设备退出的时间用备用单元将其替换，更换一个单元的时间只需10分钟，无须专用工具。

系统由于均流电抗器的作用，强制N个功率单元的电流相等。这种方法与功率单元中各个器件直接并联得到的功率输出相比，有如下优点：

a.功率器件直接并联运行，要求并联的器件参数一致性好，同时对于装配工艺要求相当高，而采用单元并联，由均流电抗完成均流作用，可以不要求器件选配，同时对装配工艺的要求简单的多。只要均流电抗选择合适，可以很容易将均流误差限制在5％之内，这是器件直接并联难以达到的结果。

b.功率器件直接并联时必须降额使用，并联数目越多，降额越大，当并联数量达到一定数值之后，增加并联器件数量，对增加输出功率作用甚小，即是说，功率器件直接并联，其最大输出功率数值是有限制的。然而，功率单元并联，无最大输出功率数值限制。无刷双馈电机控制器采用N个功率单元并联输出，各功率单元电流的差值在5％以下，均流系数为0.96。由此，采用同样的功率器件，用功率单元并联的方法可以得到比功率器件直接并联更大的输出。

本实用新型将无刷双馈电机与冗余控制系统结合，研制的多模块冗余并联无刷双馈电机控制器运行可靠，各项技术指标满足设计要求，可以在保证大输出功率的同时，很大程度上提高系统可靠性，减少系统故障后的停机时间，在工业、发电等方面具有重要应用前景。

以上对本实用新型所提供的无刷双馈电机控制器冗余备份系统进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。

在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

设计图

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