新型三相容錯(cuò)逆變器研究

賀虎成，張玉峰，王永賓，周奇勛

（西安科技大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)院，陜西 西安 710054）

0 引言

電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是航空航天器、武器系統(tǒng)和潛器艦船等的執(zhí)行部件或動(dòng)力裝置，其可靠性直接關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的安全運(yùn)行和執(zhí)行任務(wù)是否能夠完成［1-2］。為了保證這些系統(tǒng)的可靠性，一般采用余度設(shè)計(jì)技術(shù)，特別是高可靠、高效率、長(zhǎng)壽命的稀土永磁無(wú)刷直流電機(jī)（BLDCM）的余度設(shè)計(jì)技術(shù)顯得十分重要，近年來(lái)已成為研究的熱點(diǎn)［3-6］。但是在電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，功率變換器中的電力電子器件及其驅(qū)動(dòng)電路是最易發(fā)生故障的薄弱環(huán)節(jié)，其可靠性問(wèn)題并沒(méi)有得到有效的解決［7］。

為改變這種狀況，國(guó)內(nèi)外研究人員提出了逆變器容錯(cuò)技術(shù)，使系統(tǒng)能自動(dòng)補(bǔ)償故障的影響以維護(hù)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和盡可能恢復(fù)系統(tǒng)故障前的性能，從而保證系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定可靠［8］。文獻(xiàn)［9-10］提出的冗余逆變器，當(dāng)某一橋臂發(fā)生故障時(shí)，重構(gòu)后的拓?fù)渑c正常逆變器相同，但該拓?fù)溆玫搅穗娏黩?qū)動(dòng)型半控器件雙向晶閘管。文獻(xiàn)［11-14］用串聯(lián)的兩電容作為輔助橋臂，構(gòu)成了容錯(cuò)拓?fù)?，?dāng)某一橋臂出現(xiàn)故障后，與該橋臂相連的雙向晶閘管被觸發(fā)導(dǎo)通，電機(jī)由傳統(tǒng)六開(kāi)關(guān)逆變器驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)樗拈_(kāi)關(guān)逆變器驅(qū)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)在逆變器故障下的不間斷容錯(cuò)運(yùn)行，但容錯(cuò)重構(gòu)后系統(tǒng)的性能有所降低。文獻(xiàn)［15-16］提出的容錯(cuò)拓?fù)?，三相繞組中性點(diǎn)通過(guò)一個(gè)雙向晶閘管與第四橋臂相連接，當(dāng)某一橋臂出現(xiàn)故障并被隔離后，兩相繞組和中性點(diǎn)由3個(gè)橋臂供電，運(yùn)行在兩相三橋臂模式，容錯(cuò)重構(gòu)后系統(tǒng)的性能同樣有所影響。

本文提出了一種新型容錯(cuò)逆變器，彌補(bǔ)了上述提及的不足。其通過(guò)在傳統(tǒng)逆變器每個(gè)橋臂串聯(lián)快速熔斷器，實(shí)現(xiàn)短路故障轉(zhuǎn)換為開(kāi)路故障，同時(shí)實(shí)現(xiàn)所在支路的故障隔離。通過(guò)在傳統(tǒng)逆變器的直流環(huán)節(jié)添加輔助單元，實(shí)現(xiàn)逆變器發(fā)生單上開(kāi)關(guān)管開(kāi)路故障、單下開(kāi)關(guān)管開(kāi)路故障和一個(gè)橋臂上下兩開(kāi)關(guān)管同時(shí)開(kāi)路故障時(shí)的容錯(cuò)運(yùn)行。通過(guò)容錯(cuò)逆變器驅(qū)動(dòng)星形三相六狀態(tài)工作的無(wú)刷直流電機(jī)負(fù)載，使逆變器容錯(cuò)運(yùn)行時(shí)帶載能力不降低，保障了系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。

1 工作原理分析

1.1 故障隔離

故障隔離是將診斷出的故障部分與其他正常部分進(jìn)行分離的技術(shù)。逆變器的故障被成功診斷后，必須采取措施進(jìn)行隔離，否則會(huì)影響其他正常部分的工作，造成二次故障。系統(tǒng)主電路結(jié)構(gòu)如圖1所示，對(duì)于圖中所示的容錯(cuò)逆變器，如果為單管或單橋臂開(kāi)路故障，禁止給故障單管或單橋臂輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)，單管或橋臂開(kāi)路故障便不會(huì)對(duì)重構(gòu)逆變器產(chǎn)生影響；如果為開(kāi)關(guān)管短路故障，將會(huì)燒毀開(kāi)關(guān)管所在支路的快速熔斷器，使得該支路最終轉(zhuǎn)化為開(kāi)路故障狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)故障的隔離，避免或減小故障對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的影響。

1.2 上管開(kāi)路故障容錯(cuò)運(yùn)行

由于短路故障最終轉(zhuǎn)化為開(kāi)路狀態(tài)，所以在此討論開(kāi)關(guān)管開(kāi)路故障時(shí)的容錯(cuò)方案。無(wú)刷直流電機(jī)的6個(gè)狀態(tài)完全獨(dú)立可控［17-18］，為簡(jiǎn)化分析過(guò)程，以ac相通電的狀態(tài)（假設(shè)電流從a相流入電機(jī)，c相流出電機(jī)）來(lái)分析方案。

a.上管調(diào)制，下管恒通（HPWM_LON）。

HPWM_LON調(diào)制方式時(shí)無(wú)刷直流電機(jī)工作在VT1脈沖寬度調(diào)制（PWM）、VT2恒通的狀態(tài)時(shí)段。當(dāng)無(wú)故障存在時(shí)，在VT1PWM導(dǎo)通時(shí)段，加在無(wú)刷直流電機(jī)ac兩端的電壓等于電源電壓E；在VT1PWM關(guān)斷時(shí)段，VT1截止，則加在無(wú)刷直流電機(jī)ac兩端的電壓等于零。

圖1 新型容錯(cuò)逆變器Fig.1 Proposed fault-tolerant inverter

當(dāng)VT1支路發(fā)生開(kāi)路故障時(shí)，禁止給故障支路VT1輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)，讓S1開(kāi)關(guān)在VT1和VT2工作的60°區(qū)間一直導(dǎo)通，VT7按照VT1的控制邏輯進(jìn)行控制。當(dāng) VT7調(diào)制導(dǎo)通時(shí)，電源 E 的正極經(jīng)過(guò) VT7、Z1、S1加到電機(jī)的a端，電源E的負(fù)極經(jīng)過(guò)F2、VT2加到電機(jī)的c端，和VT1無(wú)故障時(shí)一樣，無(wú)刷直流電機(jī)ac兩端的電壓等于電源電壓E。當(dāng)VT7調(diào)制關(guān)斷時(shí)，負(fù)載電流通過(guò)VD4形成續(xù)流回路，和VT1無(wú)故障時(shí)一樣，無(wú)刷直流電機(jī)ac兩端的電壓等于零。因此，當(dāng)VT1所在支路發(fā)生開(kāi)路故障時(shí)，由于逆變器的容錯(cuò)運(yùn)行，無(wú)刷直流電機(jī)的輸出性能并沒(méi)有受到影響。

b.上管恒通，下管調(diào)制（HON_LPWM）。

HON_LPWM調(diào)制方式時(shí)無(wú)刷直流電機(jī)工作在VT2PWM、VT1恒通的狀態(tài)時(shí)段。當(dāng)無(wú)故障存在時(shí)，在VT2PWM導(dǎo)通時(shí)段，加在無(wú)刷直流電機(jī)ac兩端的電壓等于電源電壓E；在VT2PWM關(guān)斷時(shí)段，VT2截止，加在無(wú)刷直流電機(jī)ac兩端的電壓等于零。

當(dāng)VT1所在支路發(fā)生開(kāi)路故障時(shí)，禁止給故障支路VT1輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)，讓VT7和S1開(kāi)關(guān)在VT1和VT2工作的60°區(qū)間一直導(dǎo)通，VT2按照原來(lái)的控制邏輯進(jìn)行控制。當(dāng)VT2調(diào)制導(dǎo)通時(shí)，電源E的正極經(jīng)過(guò)VT7、Z1、S1加到電機(jī)的 a 端，電源 E 的負(fù)極經(jīng)過(guò) F2、VT2加到電機(jī)的c端，和VT1無(wú)故障時(shí)一樣，無(wú)刷直流電機(jī)ac兩端的電壓等于電源電壓E。當(dāng)VT2調(diào)制關(guān)斷時(shí)，負(fù)載電流通過(guò)VD5形成續(xù)流回路，和VT1無(wú)故障時(shí)一樣，無(wú)刷直流電機(jī)ac兩端的電壓等于零。因此，當(dāng)VT1所在支路發(fā)生開(kāi)路故障時(shí)，由于逆變器的容錯(cuò)運(yùn)行，無(wú)刷直流電機(jī)的輸出性能同樣沒(méi)有受到影響。

1.3 下管開(kāi)路故障容錯(cuò)運(yùn)行

為簡(jiǎn)化分析過(guò)程，仍然以ac相通電的狀態(tài)（電流從a相流入電機(jī)，c相流出電機(jī)）來(lái)分析。

a.上管調(diào)制，下管恒通（HPWM_LON）。

當(dāng)VT2所在支路發(fā)生開(kāi)路故障時(shí)，禁止給故障支路VT2輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)，讓VT8和S3開(kāi)關(guān)在VT1和VT2工作的60°區(qū)間一直導(dǎo)通，VT1的控制邏輯不變。當(dāng)VT1調(diào)制導(dǎo)通時(shí)，電源E的正極經(jīng)過(guò)F1、VT1加到電機(jī)的a端，電源E的負(fù)極經(jīng)過(guò)VT8、Z3、S3加到電機(jī)的c端，和VT2無(wú)故障時(shí)一樣，無(wú)刷直流電機(jī)ac兩端的電壓都等于電源電壓E。當(dāng)VT1調(diào)制關(guān)斷時(shí)，負(fù)載電流通過(guò)VD4形成續(xù)流回路，和VT2無(wú)故障時(shí)一樣，無(wú)刷直流電機(jī)ac兩端的電壓等于零。因此，當(dāng)VT2所在支路發(fā)生開(kāi)路故障時(shí)，由于逆變器的容錯(cuò)運(yùn)行，無(wú)刷直流電機(jī)的輸出性能并沒(méi)有受到影響。

b.上管恒通，下管調(diào)制（HON_LPWM）。

HON_LPWM調(diào)制方式時(shí)無(wú)刷直流電機(jī)工作在VT2PWM、VT1恒通的狀態(tài)時(shí)段。當(dāng)VT2所在支路發(fā)生開(kāi)路故障時(shí)，禁止給故障支路VT2輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)，讓開(kāi)關(guān)S3在VT1和VT2工作的60°區(qū)間一直導(dǎo)通，VT8按照VT2原來(lái)的控制邏輯進(jìn)行控制。當(dāng)VT8調(diào)制導(dǎo)通時(shí)，電源E的正極經(jīng)過(guò)F1、VT1加到電機(jī)的a端，電源E的負(fù)極經(jīng)過(guò)VT8、Z3、S3加到電機(jī)的c端，和VT2無(wú)故障時(shí)一樣，無(wú)刷直流電機(jī)ac兩端的電壓等于電源電壓E。當(dāng)VT8調(diào)制關(guān)斷時(shí)，負(fù)載電流通過(guò)VD5形成續(xù)流回路，和VT2無(wú)故障時(shí)一樣，無(wú)刷直流電機(jī)ac兩端的電壓等于零。因此，當(dāng)VT2所在支路發(fā)生開(kāi)路故障時(shí)，由于逆變器的容錯(cuò)運(yùn)行，無(wú)刷直流電機(jī)的輸出性能同樣沒(méi)有受到影響。

2 仿真和實(shí)驗(yàn)分析

圖2 上管開(kāi)路故障仿真波形Fig.2 Simulation waveforms when upper switch open-circuit fault happens

為了驗(yàn)證拓?fù)涞目尚行院屠碚摲治龅慕Y(jié)果，對(duì)提出的容錯(cuò)逆變器驅(qū)動(dòng)無(wú)刷直流電機(jī)負(fù)載進(jìn)行了仿真和實(shí)驗(yàn)。仿真時(shí)無(wú)刷直流電機(jī)的額定電壓300 V，逆變器直流供電電壓300 V；實(shí)驗(yàn)時(shí)無(wú)刷直流電機(jī)的額定電壓24 V，逆變器直流供電電壓24 V。圖2和圖3為仿真波形，圖4為實(shí)驗(yàn)波形，其中ia、ib、ic為電機(jī)三相電流，iTx的正向電流表示流過(guò)開(kāi)關(guān)管VTx的電流，負(fù)向電流表示流過(guò)與開(kāi)關(guān)管VTx反并聯(lián)二極管VDx的電流。

圖3 下管開(kāi)路故障仿真波形Fig.3 Simulation waveforms when lower switch open-circuit fault happens

圖4 實(shí)驗(yàn)波形Fig.4 Experimental waveforms

圖2為VT1支路發(fā)生開(kāi)路故障時(shí)的仿真波形。圖 2（a）為HPWM_LON調(diào)制方式，此時(shí) VT1在工作的120°區(qū)間處于PWM狀態(tài)。由圖可見(jiàn)，當(dāng)在30 ms發(fā)生VT1支路開(kāi)路故障時(shí)，容錯(cuò)逆變器容錯(cuò)運(yùn)行，在VT6或VT2導(dǎo)通時(shí)段，用VT1控制信號(hào)控制VT7，PWM導(dǎo)通時(shí)段，電流流過(guò)VT7；PWM關(guān)斷時(shí)段，電流流過(guò)二極管VD4。圖2（b）為HON_LPWM調(diào)制方式，此時(shí)VT1在工作的120°區(qū)間保持恒通。由圖2可見(jiàn)，當(dāng)在30 ms發(fā)生VT1支路開(kāi)路故障時(shí)，容錯(cuò)逆變器容錯(cuò)運(yùn)行，在VT6或VT2PWM導(dǎo)通時(shí)段，電流被容錯(cuò)到VT7；在VT4PWM關(guān)斷時(shí)段，電流流過(guò)與VT7反并聯(lián)的二極管VD7。仿真結(jié)果與1.2節(jié)分析的一致，同時(shí)，由圖可見(jiàn)，電機(jī)三相輸出電流 ia、ib、ic在 VT1支路出現(xiàn)開(kāi)路故障后沒(méi)有變化，因此，電機(jī)的輸出性能沒(méi)有受到影響。

圖3為VT2支路發(fā)生開(kāi)路故障時(shí)的仿真波形。圖3（a）為HPWM_LON調(diào)制方式，此時(shí)VT2在工作的120°區(qū)間保持恒通。由圖可見(jiàn)，當(dāng)在20 ms發(fā)生VT2支路開(kāi)路故障時(shí)，容錯(cuò)逆變器容錯(cuò)運(yùn)行，在VT1和VT3PWM導(dǎo)通時(shí)段，電流流過(guò)VT8；在VT5PWM關(guān)斷時(shí)段，電流流過(guò)與VT8反并聯(lián)的二極管VD8。圖3（b）為HON_LPWM調(diào)制方式，此時(shí)VT2在工作的120°區(qū)間處于PWM狀態(tài)。由圖可見(jiàn)，當(dāng)在20 ms發(fā)生VT2支路開(kāi)路故障時(shí)，容錯(cuò)逆變器容錯(cuò)運(yùn)行，停發(fā)VT2控制信號(hào)，在VT1或VT3保持導(dǎo)通時(shí)段，用VT2控制信號(hào)控制 VT8，PWM導(dǎo)通時(shí)段，電流流過(guò)VT8，PWM關(guān)斷時(shí)，電流流過(guò)二極管VD5。仿真結(jié)果與1.3節(jié)分析的一致，證明了理論分析的正確性。同樣，由圖可見(jiàn)，電機(jī)三相輸出電流ia、ib、ic在VT2支路出現(xiàn)開(kāi)路故障后沒(méi)有變化，因此，電機(jī)的輸出性能沒(méi)有受到影響。

圖4 （a）和（b）為 VT1支路發(fā)生開(kāi)路故障時(shí)的實(shí)驗(yàn)波形，其中，圖 4（a）為 HPWM_LON 調(diào)制方式，圖 4（b）為HON_LPWM調(diào)制方式。由圖可見(jiàn)，在VT1支路發(fā)生開(kāi)路故障時(shí)，逆變器容錯(cuò)運(yùn)行，無(wú)論HPWM_LON調(diào)制還是HON_LPWM調(diào)制，VT1支路電流都被容錯(cuò)到 VT7支路。圖 4（c）和（d）為 VT2支路發(fā)生開(kāi)路故障時(shí)的實(shí)驗(yàn)波形，其中，圖4（c）為HPWM_LON調(diào)制方式，圖4（d）為HON_LPWM調(diào)制方式。由圖可見(jiàn)，在VT2支路發(fā)生開(kāi)路故障時(shí)，逆變器容錯(cuò)運(yùn)行，無(wú)論HPWM_LON調(diào)制還是HON_LPWM調(diào)制，VT2支路電流都被容錯(cuò)到VT8支路。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析及仿真結(jié)果可以相互支持，證明了理論分析的正確性。

3 結(jié)論

本文提出了一種容錯(cuò)運(yùn)行逆變電路，并對(duì)電路的容錯(cuò)過(guò)程進(jìn)行了詳細(xì)的理論分析。最后對(duì)新型容錯(cuò)逆變器進(jìn)行了仿真和實(shí)驗(yàn)，結(jié)果與理論分析有較好的一致性。該新型容錯(cuò)逆變電路具有以下優(yōu)點(diǎn)：

a.可容錯(cuò)單上開(kāi)關(guān)管開(kāi)路故障、單下開(kāi)關(guān)管開(kāi)路故障和一個(gè)橋臂上下兩開(kāi)關(guān)管同時(shí)開(kāi)路故障；

b.容錯(cuò)運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)的輸出性能不降低；

c.附加電路簡(jiǎn)單，容錯(cuò)控制算法簡(jiǎn)單；

d.提高了系統(tǒng)可靠性。