九开关变换器单管短路时驱动六相PMSM容错控制∗

刘陵顺 胡 光 李永恒

（海军航空大学航空基础学院 烟台 264001）

1 引言

背靠背变换器由十二个开关管构成，生产成本高，体积庞大。为了减小体积、降低生产成本，提出了九开关变换器［1］。双Y移30°永磁同步电机具有低压大功率输出、可靠性强、转矩脉动小等优点，在全电舰船［2］等领域得到了广泛应用。

近年来，很多学者对变换器的故障诊断和容错控制展开了深入研究。王真对三电平逆变器的容错控制进行了研究［3］；黄凯研究了三相四电平逆变器的故障诊断和容错控制［4］；高宏伟对五相变换器发生故障后的控制进行了研究［5］。以上均是以传统变换器为研究对象，对于九开关变换器短路故障的研究还不够深入。

本文针对九开关变换器单管短路的情况，研究了适用于六相永磁同步电机的空间矢量脉宽调制（SVPWM）算法，对变换器进行容错控制。

2 九开关变换器

根据图2中九开关变换器的拓扑结构，正常情况下每条支路开关管的通断必须符合相应的约束。约束条件有两个：一是同一时刻同一支路只有两个开关管开通，中间开关管的通断由上、下两个开关管经“异或”运算控制；二是任意时刻的支路电压VAN和VDN必须满足条件，VAN≥VDN。这是九开关变换器正常工作的基本原则［6］。

图1 基于九开关变换器的双Y移30°永磁同步电机驱动系统

图2 九开关变换器拓扑结构

表1中是九开关变换器某一支路上三个开关管的开关状态及支路电压。其中，Vdc表示直流侧的电压大小，VAN、VDN分别表示A点、D点相对于直流侧负极的电压大小，可得，VAN≥VDN。

表1 九开关变换器开关状态

结合背靠背变换器以及九开关变换器的工作原理，得出九开关变换器正常工作时开关序列，如图3所示。

图3中黑色圆代表1，即开关管导通；白色圆代表0，即开关管关断。

结合表1和图3，可以绘制出九开关变换器在α-β平面的电压空间矢量图，如图4所示。

当九开关变换的某一支路上一个开关管发生短路故障时，包括三种情况，即上中下三个开关管分别短路，如图5所示。选取第二种情况即中间开关管短路时展开研究。

图3 九开关变换器开关序列

图4 九开关变换器电压空间矢量图

图5 九开关变换器单管短路图

当某一支路的中间开关管短路时，根据九开关变换器工作的基本原则，同时为了保护电路，剩余两个开关管不能同时导通［7］，所以此时支路的开关模式有两种，如表2所示。

表2 单管短路后开关模式

其他两支路正常工作，开关方式没有改变，按照正常工作时的基本原则。因此依照表1、表2和图3，可以得出九开关变换器在第三支路的中间开关管短路后α-β子平面的电压空间矢量图，如图6所示。

图6 单管短路后电压空间矢量图

3 SVPWM算法

空间矢量脉宽调制（SVPWM）算法模块主要分为四个部分，即扇区判断、基础作用时间的计算、不对称六相时间的计算以及波形调制［7］，如图7所示。

图7 PWM模块流程图

3.1 电压矢量的选择

九开关变换器正常工作时有27种开关状态，应用矢量空间解耦方法，将27种开关状态矢量投影到三个相互正交的子平面：α-β子平面、z1-z2子平面、o1-o2子平面，机电能量转换发生在α-β子平面。当变换器发生单管短路后，重新选择基础空间电压矢量［9］，如图8所示。

3.2 扇区判断

将α-β子平面划分为十二个扇区，在三相电机扇区判断的方法上，应用到六相电机中，经过简单的运算就可以得到Uref所在的扇区，减少了计算过程，提高了系统的响应速度。

图8 基础空间电压矢量图

因为只考虑α-β子平面，在这里选取的是最大电压矢量和次大电压矢量，可以最小程度减小z1-z2子平面的谐波电流［10］。

因此，要引入A—F，令

式中，sign(x)是符号函数，如果 x＞0，则sign(x)=1；如果 x＜0，则sign(x)=0。则 A—F以及扇区值与N值关系如表4所示。

表3 扇区值与N值对应关系

3.3 基本电压矢量作用时间

将同一扇区内两个基础电压的作用时间分别定义为t1和t2，根据伏秒平衡原则得出相应的作用时间［11］。例如某扇区内基础电压为U9和U26，根据上述原则求得基础作用时间为

图9 矢量正交分解图

3.4 不对称六相时间Ta—Tf

得到基础空间电压矢量的作用时间t1和t2后，可以由六相时间比较模块得到不对称六相时间Ta—Tf。最后与三角载波进行比较，可以得到相应的PWM波形。

4 仿真分析

在Matlab/Simulink系统中进行仿真实验［12］，九开关变换器发生单个开关管短路故障时，应用文中提到的空间矢量脉宽调制算法对电机进行控制，验证算法的可行性。

九开关变换器的开关频率为10kHz，直流母线电压Udc设定为300V，双Y移30°永磁同步电机的参 数 为 R=0.291Ω ，Ld=Lq=4.586mH ，ψf=0.0496Wb，np=2，J=0.052kg·m2，电机初始负载转矩为1N·m，1s后上升为5N·m。

仿真结果见图10。图10（a）～（d）分别给出了电机的磁链图、电机定子侧的六相电流图、转子转速图以及电磁转矩图。

图10 仿真结果

图10 （a）显示了电机磁链图，依然是一个接近圆形的轨迹，表明谐波分量较小，有效地减少了转矩脉动；图10（b）显示了电机定子侧六相电流，电流波形为正弦波，谐波含量较小；图10（c）显示了电机转子以给定的转速保持平稳运转；图10（d）显示了电机的电磁转矩随负载转矩变化，保持电机的平稳可靠运行。图10中的波形结果证明了所提算法的可行性。

5 结语

本文对九开关变换器单个开关管的短路故障状态展开分析，应用相应的SVPWM算法，对双Y移30°永磁同步电机进行控制。根据仿真实验得到的波形图，当电机负载转矩发生变化时，电机依然按照指定转速运转，满足其平稳运行的要求，增强了系统的可靠性。