新型三相容错逆变器研究

2015-09-19贺虎成张玉峰王永宾周奇勋

电力自动化设备 2015年5期

贺虎成，张玉峰，王永宾，周奇勋

（西安科技大学电气与控制工程学院，陕西西安 710054）

0 引言

电机驱动系统是航空航天器、武器系统和潜器舰船等的执行部件或动力装置，其可靠性直接关系到整个系统的安全运行和执行任务是否能够完成［1-2］。为了保证这些系统的可靠性，一般采用余度设计技术，特别是高可靠、高效率、长寿命的稀土永磁无刷直流电机（BLDCM）的余度设计技术显得十分重要，近年来已成为研究的热点［3-6］。但是在电机驱动系统中，功率变换器中的电力电子器件及其驱动电路是最易发生故障的薄弱环节，其可靠性问题并没有得到有效的解决［7］。

为改变这种状况，国内外研究人员提出了逆变器容错技术，使系统能自动补偿故障的影响以维护系统的稳定性和尽可能恢复系统故障前的性能，从而保证系统的运行稳定可靠［8］。文献［9-10］提出的冗余逆变器，当某一桥臂发生故障时，重构后的拓扑与正常逆变器相同，但该拓扑用到了电流驱动型半控器件双向晶闸管。文献［11-14］用串联的两电容作为辅助桥臂，构成了容错拓扑，当某一桥臂出现故障后，与该桥臂相连的双向晶闸管被触发导通，电机由传统六开关逆变器驱动转变为四开关逆变器驱动，可实现系统在逆变器故障下的不间断容错运行，但容错重构后系统的性能有所降低。文献［15-16］提出的容错拓扑，三相绕组中性点通过一个双向晶闸管与第四桥臂相连接，当某一桥臂出现故障并被隔离后，两相绕组和中性点由3个桥臂供电，运行在两相三桥臂模式，容错重构后系统的性能同样有所影响。

本文提出了一种新型容错逆变器，弥补了上述提及的不足。其通过在传统逆变器每个桥臂串联快速熔断器，实现短路故障转换为开路故障，同时实现所在支路的故障隔离。通过在传统逆变器的直流环节添加辅助单元，实现逆变器发生单上开关管开路故障、单下开关管开路故障和一个桥臂上下两开关管同时开路故障时的容错运行。通过容错逆变器驱动星形三相六状态工作的无刷直流电机负载，使逆变器容错运行时带载能力不降低，保障了系统的可靠运行。

1 工作原理分析

1.1 故障隔离

故障隔离是将诊断出的故障部分与其他正常部分进行分离的技术。逆变器的故障被成功诊断后，必须采取措施进行隔离，否则会影响其他正常部分的工作，造成二次故障。系统主电路结构如图1所示，对于图中所示的容错逆变器，如果为单管或单桥臂开路故障，禁止给故障单管或单桥臂输出驱动信号，单管或桥臂开路故障便不会对重构逆变器产生影响；如果为开关管短路故障，将会烧毁开关管所在支路的快速熔断器，使得该支路最终转化为开路故障状态，实现故障的隔离，避免或减小故障对整个系统的影响。

1.2 上管开路故障容错运行

由于短路故障最终转化为开路状态，所以在此讨论开关管开路故障时的容错方案。无刷直流电机的6个状态完全独立可控［17-18］，为简化分析过程，以ac相通电的状态（假设电流从a相流入电机，c相流出电机）来分析方案。

a.上管调制，下管恒通（HPWM_LON）。

HPWM_LON调制方式时无刷直流电机工作在VT1脉冲宽度调制（PWM）、VT2恒通的状态时段。当无故障存在时，在VT1PWM导通时段，加在无刷直流电机ac两端的电压等于电源电压E；在VT1PWM关断时段，VT1截止，则加在无刷直流电机ac两端的电压等于零。

图1 新型容错逆变器Fig.1 Proposed fault-tolerant inverter

当VT1支路发生开路故障时，禁止给故障支路VT1输出驱动信号，让S1开关在VT1和VT2工作的60°区间一直导通，VT7按照VT1的控制逻辑进行控制。当 VT7调制导通时，电源 E 的正极经过 VT7、Z1、S1加到电机的a端，电源E的负极经过F2、VT2加到电机的c端，和VT1无故障时一样，无刷直流电机ac两端的电压等于电源电压E。当VT7调制关断时，负载电流通过VD4形成续流回路，和VT1无故障时一样，无刷直流电机ac两端的电压等于零。因此，当VT1所在支路发生开路故障时，由于逆变器的容错运行，无刷直流电机的输出性能并没有受到影响。

b.上管恒通，下管调制（HON_LPWM）。

HON_LPWM调制方式时无刷直流电机工作在VT2PWM、VT1恒通的状态时段。当无故障存在时，在VT2PWM导通时段，加在无刷直流电机ac两端的电压等于电源电压E；在VT2PWM关断时段，VT2截止，加在无刷直流电机ac两端的电压等于零。

当VT1所在支路发生开路故障时，禁止给故障支路VT1输出驱动信号，让VT7和S1开关在VT1和VT2工作的60°区间一直导通，VT2按照原来的控制逻辑进行控制。当VT2调制导通时，电源E的正极经过VT7、Z1、S1加到电机的 a 端，电源 E 的负极经过 F2、VT2加到电机的c端，和VT1无故障时一样，无刷直流电机ac两端的电压等于电源电压E。当VT2调制关断时，负载电流通过VD5形成续流回路，和VT1无故障时一样，无刷直流电机ac两端的电压等于零。因此，当VT1所在支路发生开路故障时，由于逆变器的容错运行，无刷直流电机的输出性能同样没有受到影响。

1.3 下管开路故障容错运行

为简化分析过程，仍然以ac相通电的状态（电流从a相流入电机，c相流出电机）来分析。

a.上管调制，下管恒通（HPWM_LON）。

当VT2所在支路发生开路故障时，禁止给故障支路VT2输出驱动信号，让VT8和S3开关在VT1和VT2工作的60°区间一直导通，VT1的控制逻辑不变。当VT1调制导通时，电源E的正极经过F1、VT1加到电机的a端，电源E的负极经过VT8、Z3、S3加到电机的c端，和VT2无故障时一样，无刷直流电机ac两端的电压都等于电源电压E。当VT1调制关断时，负载电流通过VD4形成续流回路，和VT2无故障时一样，无刷直流电机ac两端的电压等于零。因此，当VT2所在支路发生开路故障时，由于逆变器的容错运行，无刷直流电机的输出性能并没有受到影响。

b.上管恒通，下管调制（HON_LPWM）。

HON_LPWM调制方式时无刷直流电机工作在VT2PWM、VT1恒通的状态时段。当VT2所在支路发生开路故障时，禁止给故障支路VT2输出驱动信号，让开关S3在VT1和VT2工作的60°区间一直导通，VT8按照VT2原来的控制逻辑进行控制。当VT8调制导通时，电源E的正极经过F1、VT1加到电机的a端，电源E的负极经过VT8、Z3、S3加到电机的c端，和VT2无故障时一样，无刷直流电机ac两端的电压等于电源电压E。当VT8调制关断时，负载电流通过VD5形成续流回路，和VT2无故障时一样，无刷直流电机ac两端的电压等于零。因此，当VT2所在支路发生开路故障时，由于逆变器的容错运行，无刷直流电机的输出性能同样没有受到影响。

2 仿真和实验分析

图2 上管开路故障仿真波形Fig.2 Simulation waveforms when upper switch open-circuit fault happens

为了验证拓扑的可行性和理论分析的结果，对提出的容错逆变器驱动无刷直流电机负载进行了仿真和实验。仿真时无刷直流电机的额定电压300 V，逆变器直流供电电压300 V；实验时无刷直流电机的额定电压24 V，逆变器直流供电电压24 V。图2和图3为仿真波形，图4为实验波形，其中ia、ib、ic为电机三相电流，iTx的正向电流表示流过开关管VTx的电流，负向电流表示流过与开关管VTx反并联二极管VDx的电流。

图3 下管开路故障仿真波形Fig.3 Simulation waveforms when lower switch open-circuit fault happens

图4 实验波形Fig.4 Experimental waveforms

图2为VT1支路发生开路故障时的仿真波形。图 2（a）为HPWM_LON调制方式，此时 VT1在工作的120°区间处于PWM状态。由图可见，当在30 ms发生VT1支路开路故障时，容错逆变器容错运行，在VT6或VT2导通时段，用VT1控制信号控制VT7，PWM导通时段，电流流过VT7；PWM关断时段，电流流过二极管VD4。图2（b）为HON_LPWM调制方式，此时VT1在工作的120°区间保持恒通。由图2可见，当在30 ms发生VT1支路开路故障时，容错逆变器容错运行，在VT6或VT2PWM导通时段，电流被容错到VT7；在VT4PWM关断时段，电流流过与VT7反并联的二极管VD7。仿真结果与1.2节分析的一致，同时，由图可见，电机三相输出电流 ia、ib、ic在 VT1支路出现开路故障后没有变化，因此，电机的输出性能没有受到影响。

图3为VT2支路发生开路故障时的仿真波形。图3（a）为HPWM_LON调制方式，此时VT2在工作的120°区间保持恒通。由图可见，当在20 ms发生VT2支路开路故障时，容错逆变器容错运行，在VT1和VT3PWM导通时段，电流流过VT8；在VT5PWM关断时段，电流流过与VT8反并联的二极管VD8。图3（b）为HON_LPWM调制方式，此时VT2在工作的120°区间处于PWM状态。由图可见，当在20 ms发生VT2支路开路故障时，容错逆变器容错运行，停发VT2控制信号，在VT1或VT3保持导通时段，用VT2控制信号控制 VT8，PWM导通时段，电流流过VT8，PWM关断时，电流流过二极管VD5。仿真结果与1.3节分析的一致，证明了理论分析的正确性。同样，由图可见，电机三相输出电流ia、ib、ic在VT2支路出现开路故障后没有变化，因此，电机的输出性能没有受到影响。

图4 （a）和（b）为 VT1支路发生开路故障时的实验波形，其中，图 4（a）为 HPWM_LON 调制方式，图 4（b）为HON_LPWM调制方式。由图可见，在VT1支路发生开路故障时，逆变器容错运行，无论HPWM_LON调制还是HON_LPWM调制，VT1支路电流都被容错到 VT7支路。图 4（c）和（d）为 VT2支路发生开路故障时的实验波形，其中，图4（c）为HPWM_LON调制方式，图4（d）为HON_LPWM调制方式。由图可见，在VT2支路发生开路故障时，逆变器容错运行，无论HPWM_LON调制还是HON_LPWM调制，VT2支路电流都被容错到VT8支路。实验结果与理论分析及仿真结果可以相互支持，证明了理论分析的正确性。