陸 茵

（湖北省建筑設(shè)計院，湖北 武漢 430212）

西方國家在PWM功率變換器的容錯控制方面的研究起步較早，且主要針對逆變側(cè)，采用將故障相的端點接至母線中點的方法。國內(nèi)針對電力電子故障容錯的研究多與國外類似，而對整流側(cè)功率管故障的容錯策略以及整流逆變同時故障時的一體化容錯策略少有研究。文章對一體化容錯后重構(gòu)的三相雙PWM系統(tǒng)特點及其性能進行了比較分析，并針對不同功率變換器故障情況下采用的容錯策略進行了總結(jié)。

1 容錯拓撲結(jié)構(gòu)簡介

功率管的開路故障可以分為以下幾種情況：

（1）整流側(cè)一個橋臂出現(xiàn)故障時，其可能的容錯拓撲結(jié)構(gòu)有3種：①采用單相整流容錯；②接至母線電容中點容錯；③接至逆變側(cè)橋臂容錯。

（2）逆變側(cè)一個橋臂出現(xiàn)故障時，其可能的容錯拓撲結(jié)構(gòu)有3種：①電機單相運行容錯；②接至母線電容中點容錯；③接至整流側(cè)橋臂容錯。

（3）整流側(cè)兩個橋臂出現(xiàn)故障時，其可能的容錯拓撲結(jié)構(gòu)有2種：①分別接至母線電容中點和逆變側(cè)橋臂容錯；②單相整流容錯運行。

（4）逆變側(cè)兩個橋臂出現(xiàn)故障時，其可能的容錯拓撲結(jié)構(gòu)有3種：①單相整流-接電容中性點逆變?nèi)蒎e；②單相整流-電機單向運行容錯；③連接至整流橋和電容中性點容錯。

（5）整流側(cè)和逆變側(cè)分別有一個橋臂發(fā)生故障時，其可能的容錯拓撲結(jié)構(gòu)有3種：①單相整流-接電容中性點逆變?nèi)蒎e；②單相整流-電機單向運行容錯；③整流側(cè)與逆變側(cè)均接至電容中性點。

2 容錯控制策略的比較分析

2.1 電機單相容錯運行

逆變側(cè)單橋臂故障時，采用電機單相運行的容錯方式時Q1Q4和Q2Q3兩組功率器件同時通斷，且同一橋臂兩個開關(guān)管件交替通斷，控制信號的產(chǎn)生和驅(qū)動電路相對簡單。但是仍然存在以下問題：由于電機的主繞組和副繞組電流在相位仍不可避免的存在差值，因此會有電流流向中性點N，其大小為主繞組和副繞組電流之和。中性點的電流使逆變器輸出電壓波動加大，同時可以看到d、q軸上的實際電流分量存在兩倍電磁頻率的波動，從而導致轉(zhuǎn)矩也存在兩倍電磁頻率的波動，如公式（1）（2）所示。

2.2 整流側(cè)接至母線電容中點容錯運行

整流側(cè)單橋臂故障時采用將故障相連接至電容中性點的容錯方式。由于電源的一相直接與兩電容相接，電源相電流就會流經(jīng)電容使其電壓產(chǎn)生波動，要使系統(tǒng)正常工作必須采取相應(yīng)補償措施來平衡兩分裂電容電壓。

電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子電流的關(guān)系為：

電磁轉(zhuǎn)矩公式：

對于接入電容中性點的容錯方法，電機的相端點接入母線電容中點導致的母線電壓存在波動：

式中：UC2為兩個分裂母線電容的下半個，C2為其電容值。

在規(guī)則采樣SPWM中，相電壓的諧波解析表達式為：

式中：Vdc為母線電壓值。母線電壓的波動會導致相電壓的波動從而造成轉(zhuǎn)矩波動，A相電壓值為：

將式（8）代入式（5），若不采取補償措施，則轉(zhuǎn)矩電壓的波動情況為：

為了補償電容電壓不平衡造成影響，可在輸出的給定線電壓值中加入電容偏差電壓：

2.3 逆變側(cè)接至整流側(cè)橋臂容錯運行

逆變側(cè)單橋臂故障時，將逆變側(cè)的故障端接至整流側(cè)橋臂，使得整流側(cè)和逆變側(cè)共用一個橋臂。電動機電流模型滿足關(guān)系式：

離散化處理：

式中：θ為轉(zhuǎn)子磁鏈的位置；Lr為轉(zhuǎn)子電感；Rr為轉(zhuǎn)子電阻；Fs為轉(zhuǎn)子磁鏈角頻率與額定角頻率之比；ωn為額定電角頻率；n為轉(zhuǎn)子實際轉(zhuǎn)速與額定轉(zhuǎn)速之比。整流側(cè)電壓矢量頻率與逆變側(cè)頻率不同時，V*g10、V*g20、V*g30、V*l10、V*l20含有兩種不同的頻率，導致整流側(cè)的網(wǎng)側(cè)電流失控。

2.4 整流側(cè)單相整流容錯運行

針對整流部分一個橋臂出現(xiàn)故障時，采用單相整流容錯運行。此時母線電壓的魯棒性較正常運行情況下差，并且會存在一定的兩倍網(wǎng)頻的波動。

在給定轉(zhuǎn)速發(fā)生改變時，母線電容波動會比正常運行時增大將近一倍。同時控制器對于輸入為正弦信號相應(yīng)會較慢，且需要在網(wǎng)側(cè)使用鎖相環(huán)定向電壓相位。采用三相四開關(guān)整流時電壓輸出量最小值為1080V，采用單相整流時電壓輸出量最小值為310V。

3 結(jié)束語

整流側(cè)一個橋臂出現(xiàn)故障時，將故障橋臂輸入端接至母線電容中點，否則采用整流側(cè)單相整流運行的策略；整流側(cè)兩個橋臂出現(xiàn)故障時，將故障輸入端的一個端點接至母線電容中點，整流側(cè)按單相半橋運行。逆變側(cè)一個橋臂出現(xiàn)故障時，故障相端點改接至母線電容中點；逆變側(cè)兩個橋臂出現(xiàn)故障時，可以將故障一相端點接至電容母線中點，另一端接至整流側(cè)的一個橋臂。整流側(cè)和逆變側(cè)分別有一個橋臂發(fā)生故障時，整流側(cè)和逆變側(cè)故障端均接至電容中性點，否則采用整流側(cè)單相整流運行、逆變側(cè)接至電容中性點。