CN103051237B - 具有高容错能力的六相八桥臂逆变器 - Google Patents

Abstract

具有高容错能力的六相八桥臂逆变器，属于电机控制领域，本发明为解决采用现有六相七桥臂的逆变器拓扑结控制六相永磁同步电机存在很大风险，可能因为一个开关器件的短路而导致电机无法运行的问题。本发明所述具有高容错能力的六相八桥臂逆变器包括六相半桥拓扑结构，将六相电机中互差120度机械角度的三相作为一组，每三相绕组增加一个桥臂，增加的两个桥臂分别控制一个三相绕组的电流零序分量；增加的两个桥臂共同控制相绕组的电流零序分量，A、B、C、D、E、F相支路和所增加的两个桥臂所在的支路须串联双向导通二极管，发生开关器件短路故障时，关断相关的双向导通二极管，实现故障隔离。

Description

具有高容错能力的六相八桥臂逆变器

技术领域

本发明涉及具有高容错能力的六相八桥臂逆变器，属于电机控制领域。

背景技术

六相永磁同步电机由于相数冗余，具有容错运行能力，适用于多电飞机、纯电动车、电力推进舰船等对驱动电机可靠性要求较高的应用场合。采用六相半桥(如附图1所示)驱动的六相永磁同步电机，当发生绕组开路或开关器件开路故障时，剩余绕组电流和仍需保持为零，即电流零序分量不可控，不能发挥电机的最大输出能力，容错控制上存在瓶颈。而采用级联/全桥逆变器结构时(如附图2所示)，开关器件的数量、成本加倍，不易为实际应用所接受。

为解决上述问题，可采用了六相七桥臂逆变器拓扑结构(如附图3所示)，增加一个桥臂后，理论上各相绕组电流互不约束，电机的零序分量变为可控，有利于灵活地实施容错控制。该结构对于绕组开路、开关器件开路故障具有较好的容错控制效果。但是，在开关器件短路故障下，电机的容错能力受到有很大限制。即，所增加的桥臂中任何一个开关器件发生短路故障时，无论采用何种PWM控制方式，所有绕组电流都将变成直流，电机无法运行。简而言之，六相七桥臂的逆变器拓扑结构存在很大风险，可能因为一个开关器件的短路而导致电机无法运行。另外，当采用六相七桥臂结构时，为了适应对不同故障下电流零序分量的控制，所增加的桥臂的功率器件的电流等级变化范围较大。

发明内容

本发明目的是为了解决采用现有六相七桥臂的逆变器拓扑结控制六相永磁同步电机存在很大风险，可能因为一个开关器件的短路而导致电机无法运行的问题，提供了一种具有高容错能力的六相八桥臂逆变器。

本发明所述具有高容错能力的六相八桥臂逆变器，它包括六相半桥拓扑结构，所述六相半桥拓扑结构由12个功率开关管和直流电源U_dc1构成，所述六相半桥拓扑结构的每个桥臂输出端连接六相永磁同步电机的一相绕组的一端，六相永磁同步电机的A相绕组L_a、B相绕组L_b、C相绕组L_c、D相绕组L_d、E相绕组L_e和F相绕组L_f沿圆周依次排列，A相绕组L_a和B相绕组L_b机械角度相差30°，B相绕组L_b和C相绕组L_c机械角度相差90°，C相绕组L_c和D相绕组L_d机械角度相差30°，D相绕组L_d和E相绕组L_e机械角度相差90°，E相绕组L_e和F相绕组L_f机械角度相差30°，F相绕组L_f和A相绕组L_a机械角度相差90°；

具有高容错能力的六相八桥臂逆变器还包括由直流电源U_dc2和4个功率开关管构成的两相半桥拓扑结构；A相双向导通二极管D_a、B相双向导通二极管D_b、C相双向导通二极管D_c、D相双向导通二极管D_d、E相双向导通二极管D_e、F相双向导通二极管D_f、第一故障隔离双向导通二极管D₁和第二故障隔离双向导通二极管D₂，

直流电源U_dc1和直流电源U_dc2并联，所述两相半桥拓扑结构具有两相桥臂，分别为第一桥臂和第二桥臂，

六相永磁同步电机的A相绕组L_a的另一端与A相双向导通二极管D_a的一端相连，

六相永磁同步电机的C相绕组L_c的另一端与C相双向导通二极管D₄的一端相连，

六相永磁同步电机的E相绕组L_e的另一端与E相双向导通二极管D_e的一端相连，

A相双向导通二极管D_a的另一端、C相双向导通二极管D_c的另一端和E相双向导通二极管D_e的另一端都与第一故障隔离双向导通二极管D₁的一端相连，

第一故障隔离双向导通二极管D₁的另一端与第一桥臂的输出端相连；

六相永磁同步电机的B相绕组L_b的另一端与B相双向导通二极管D_b的一端相连，

六相永磁同步电机的D相绕组L_d的另一端与D相双向导通二极管D_d的一端相连，

六相永磁同步电机的F相绕组L_f的另一端与F相双向导通二极管D_f的一端相连，

B相双向导通二极管D_b的另一端、D相双向导通二极管D_d和F相双向导通二极管D_f的另一端都与第二故障隔离双向导通二极管D₂的一端相连，第二故障隔离双向导通二极管D₂的另一端与第二桥臂的输出端相连。

本发明的优点：本发明公开一种具有高容错能力的六相八桥臂逆变器，并在各桥臂支路上串联了双向导通二极管，起到隔离故障的作用。该逆变器结构可以控制电流零序分量、提升开关器件短路故障下电机的容错运行能力，能减小所增加功率器件的电流等级、成本适中。六相八桥臂逆变器是一种可靠、实用的六相容错永磁同步电机逆变器拓扑结构。

附图说明

图1是六相半桥逆变器拓扑示意图；

图2是六相全桥逆变器拓扑示意图；

图3是六相七桥臂逆变器拓扑示意图；

图4是本发明所述具有高容错能力的六相八桥臂逆变器的拓扑示意图；

图5是不对称六相永磁同步电机本体示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图4和图5说明本实施方式，本实施方式所述具有高容错能力的六相八桥臂逆变器，它包括六相半桥拓扑结构，所述六相半桥拓扑结构由12个功率开关管和直流电源U_dc1构成，所述六相半桥拓扑结构的每个桥臂输出端连接六相永磁同步电机的一相绕组的一端，六相永磁同步电机的A相绕组L_a、B相绕组L_b、C相绕组L_c、D相绕组L_d、E相绕组L_e和F相绕组L_f沿圆周依次排列，A相绕组L_a和B相绕组L_b机械角度相差30°，B相绕组L_b和C相绕组L_c机械角度相差90°，C相绕组l_c和D相绕组L_d机械角度相差30°，D相绕组L_d和E相绕组L_e机械角度相差90°，E相绕组L_e和F相绕组L_f机械角度相差30°，F相绕组L_f和A相绕组L_a机械角度相差90°；

具有高容错能力的六相八桥臂逆变器还包括由直流电源U_dc2和4个功率开关管构成的两相半桥拓扑结构；A相双向导通二极管D_a、B相双向导通二极管D_b、C相双向导通二极管D_c、D相双向导通二极管D_d、E相双向导通二极管D_e、F相双向导通二极管D_f、第一故障隔离双向导通二极管D₁和第二故障隔离双向导通二极管D₂，

直流电源U_dc1和直流电源U_dc2并联，所述两相半桥拓扑结构具有两相桥臂，分别为第一桥臂和第二桥臂，

六相永磁同步电机的A相绕组L_a的另一端与A相双向导通二极管D_a的一端相连，

六相永磁同步电机的C相绕组L_c的另一端与C相双向导通二极管D_c的一端相连，

六相永磁同步电机的E相绕组L_e的另一端与E相双向导通二极管D_e的一端相连，

A相双向导通二极管D_a的另一端、C相双向导通二极管D_c的另一端和E相双向导通二极管D_e的另一端都与第一故障隔离双向导通二极管D₁的一端相连，

第一故障隔离双向导通二极管D₁的另一端与第一桥臂的输出端相连；

六相永磁同步电机的B相绕组L_b的另一端与B相双向导通二极管D_b的一端相连，

六相永磁同步电的D相绕组L_d的另一端与D相双向导通二极管D_d的一端相连，

六相永磁同步电的F相绕组L_f的另一端与F相双向导通二极管D_f的一端相连，

B相双向导通二极管D_b的另一端、D相双向导通二极管D_d和F相双向导通二极管D_f的另一端都与第二故障隔离双向导通二极管D₂的一端相连，第二故障隔离双向导通二极管D₂的另一端与第二桥臂的输出端相连。

所述功率开关管采用自带体二极管的IGBT来实现。

图4中六相半桥拓扑结构中有12个功率开关管，分别为S_a1p、S_a1n、S_b1p、S_b1n、S_c1p、S_c1n、S_d1p、S_d1n、S_e1p、S_e1n、S_f1p和S_f1n。为电压源型逆变器，图4中两相半桥拓扑结构中有4个功率开关管，分别为S_1p、S_1n、S_2p和S_2n。

本实施方式所控制的一种典型的不对称六相电机的结构为：采用隔齿绕制的分数槽集中绕组结构，槽数等于24k(k＝1，2，3…)，定子绕组按照30°相带角排列，极槽数满足2p＝Q±2(p为转子极对数，Q为槽数)。图5给出了一个具体实施例，定子槽数为24，转子极对数为11。

本实施方式将六相电机中互差120度机械角度的三相作为一组，每三相绕组增加一个桥臂，增加的两个桥臂分别控制一个三相绕组的电流零序分量；增加的两个桥臂共同控制相绕组的电流零序分量：i_a+i_b+i_c+i_d+i_e+i_f＝i₀₁+i₀₂；每个电流支路(A、B、C、D、E、F相支路和所增加的两个桥臂所在的支路)须串联双向导通二极管，发生开关器件短路故障时，关断相关的双向导通二极管，实现故障隔离。

本实施方式的不对称六相永磁同步电机在发生绕组开路或短路故障的情况下，采用的控制策略为：

不增加各相绕组的电流激励幅值(即电流激励幅值与正常运行时相同)，仅改变各相激励的相位，重新构建圆形旋转磁场，实现故障下的平稳、可靠运行。

电机正常工作时，双向导通二极管D₁、D₂截止，六相绕组通入对称六相电流；电机发生任意绕组发生开路故障时，双向导通二极管D₁、D₂开通，调节剩余相绕组电流相位，重新构建圆形旋转磁场，维持电机的持续运行；逆变器任意开关器件开路或短路时，与其互补的开关器件立即截止，其所在支路的双向导通二极管也关断；故障下的容错控制策略为不增加每相电流激励的幅值，仅调节其相位关系，重构圆形旋转磁场。其体控制分析如下：

1.六相电机正常工作时控制策略：

六相电机正常工作时，各绕组中通入对称六相电流，零序电流为零，无需独立控制零序电流。此时，控制双向导通二极管D₁、D₂处于截止状态、D_a～D_f处于开通状态，仅利用上方六个桥臂的十二个功率开关管S_a1p、S_a1n、S_b1p、S_b1n、S_c1p、S_c1n、S_d1p、S_d1n、S_e1p、S_e1n、S_f1p、S_f1n来控制电机，开关器件的损耗较小。各相电流激励表达式为：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_a=I_m\cos \left(\mathrm{\ωt}\right)\\ i_b=I_m\cos (\mathrm{\ωt}-\mathrm{\π}/6)\\ i_c=I_m\cos (\mathrm{\ωt}-2\mathrm{\π}/3)\\ i_d=I_m\cos (\mathrm{\ωt}-5\mathrm{\π}/6)\\ i_e=I_m\cos (\mathrm{\ωt}-4\mathrm{\π}/3)\\ I_f=I_m\cos (\mathrm{\ωt}-3\mathrm{\π}/2)\end{array}\right.$

其中i_a、i_b、i_c、i_d、i_e、i_f分别为A、B、C、D、E、F相的电流，I_m为各相电流峰值。

2.绕组开路故障时的控制策略：

(1)一相开路故障时的控制策略：

A、B、C、D、E和F相开路故障的控制策略相同，下面以F相绕组开路为例进行说明：

当F相绕组开路，则D₁，并保持B、D、F相激励不变，令其输出一半的转矩。并改变C、E相的激励相位，不增加电流幅值，形成圆形旋转磁场。各相激励如下：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_a=I_m\cos \left(\mathrm{\ωt}\right)\\ i_b=I_m\cos (\mathrm{\ωt}-\mathrm{\π}/3)\\ i_c=I_m\cos (\mathrm{\ωt}-2\mathrm{\π}/3)\\ i_d={-I}_m\cos (\mathrm{\ωt}+\mathrm{\π}/3)\\ i_e=I_m\cos (\mathrm{\ωt}-4\mathrm{\π}/3)\end{array}\right.$

此时，零序电流为：

$i_{01}=\sqrt{3}{I}_m\cos (\mathrm{\ωt}-\mathrm{\π}/2)$

该电流流过D₁所在的回路，可由所增加的桥臂控制，容错控制策略不受各相电流和为零的约束，容错能力大为改观。

(2)两相开路故障时的控制策略：

绕组两相开路故障共有4类不同的情况，每类情况以典型例子做说明。容错控制下的各相电流激励、零序电流、双向导通二极管的开关情况如下：

第一类情况，互差30°的相邻两相绕组开路的故障控制策略，此种情况包括：A、B两相开路；C、D两相开路；E、F两相开路；下面以E、F两相开路为例进行说明：

各相电流激励为：

$\left(\begin{array}{c}{i}_a=I_m\cos (\mathrm{\ωt}-\mathrm{\π}/6)\\ i_b=I_m\cos (\mathrm{\ωt}-\mathrm{\π}/3)\\ i_c=I_m\sin \left(\mathrm{\ωt}\right)\\ i_d=I_m\cos (\mathrm{\ωt}-2\mathrm{\ω}/3)\end{array}\right.$

零序电流为：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_{01}=\sqrt{3}{I}_m\cos (\mathrm{\ωt}-\mathrm{\π}/3)\\ i_{02}=\sqrt{3}{I}_m\cos (\mathrm{\ωt}-\mathrm{}\mathrm{\π}/2)\end{array}\right.$

第二类情况，互差90°的相邻两相绕组开路的故障控制策略，此种情况包括：A、F两相开路；B、C两相开路；D、E两相开路，下面以A、F相开路为例进行说明：

各相电流激励为：

$\left(\begin{array}{c}{i}_b=I_m\cos (\mathrm{\ωt}-\mathrm{\π}/6)\\ i_c=I_m\cos (\mathrm{\ωt}-2\mathrm{\π}/3)\\ i_d=I_m\cos (\mathrm{\ωt}-5\mathrm{\π}/6)\\ i_e=I_m\cos (\mathrm{\ωt}-4\mathrm{\ω}/3)\end{array}\right.$

零序电流为：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_{01}=I_m\cos (\mathrm{\ωt}-\mathrm{\π})\\ i_{02}=I_m\cos (\mathrm{\ωt}-\mathrm{\π}/2)\end{array}\right.$

第三类情况，互差120°的不相邻两相绕组开路的故障控制策略，此种情况包括：A、C两相开路；A、E两相开路；B、D两相开路；B、F两相开路；C、E两相开路；D、F两相开路，下面以D、F相开路为例进行说明：

各相电流激励为：

$\left(\begin{array}{c}{i}_a=I_m\cos (\mathrm{\ωt}+\mathrm{\π}/6)\\ i_b=I_m\cos (\mathrm{\ωt}-\mathrm{\π}/6)\\ i_c={-I}_m\cos (\mathrm{\ωt}+\mathrm{\π}/3)\\ i_e={-I}_m\sin \left(\mathrm{\ωt}\right)\end{array}\right.$

零序电流为：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_{01}={0.732I}_m\cos (\mathrm{\ωt}-\mathrm{\π}/3)\\ i_{02}=I_m\cos (\mathrm{\ωt}-\mathrm{\π}/6)\end{array}\right.$

第四类情况，互差150°的不相邻两相绕组开路的故障控制策略，此种情况包括：A、D两相开路；B、E两相开路；C、F两相开路，下面以C、F相开路为例进行说明：

各相电流激励为：

$\left(\begin{array}{c}{i}_a=I_m\cos (\mathrm{\ωt}+\mathrm{\π}/6)\\ i_b=I_m\cos (\mathrm{\ωt}-\mathrm{\π}/3)\\ i_d=I_m\cos (\mathrm{\ωt}-2\mathrm{\π}/3)\\ i_e={-I}_m\sin \left(\mathrm{\ωt}\right)\end{array}\right.$

零序电流为：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_{01}=\sqrt{3}{I}_m\cos (\mathrm{\ωt}+\mathrm{\π}/3)\\ i_{02}=\sqrt{3}{I}_m\cos (\mathrm{\ωt}-\mathrm{}\mathrm{\π}/2)\end{array}\right.$

考虑一、两相绕组开路故障，当使用六相七桥臂逆变器拓扑结构时，所增加桥臂的功率器件最大需承受3.346倍额定电流；而采用六相八桥臂逆变器拓扑结构时，所增加桥臂的功率器件(S_1p和S_1n、S_2p和S_2n)最大只需承受1.732倍额定电流，功率器件成本将降低。

2.开关器件开路或短路故障

(1)开关器件开路时的故障控制策略：

以下列举了几种典型的开关器件开路故障下的容错控制方法。

(a)S_f1p(或S_f1n)开路时的故障控制策略：

关断与故障器件互补导通的器件，开通与其相连的双向导通二极管，调节其余相激励，与一相开路时的控制方法相同。各相激励如下：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_a=I_m\cos \left(\mathrm{\ωt}\right)\\ i_b=I_m\cos (\mathrm{\ωt}-\mathrm{\π}/3)\\ i_c=I_m\cos (\mathrm{\ωt}-2\mathrm{\π}/3)\\ i_d={-I}_m\cos (\mathrm{\ωt}+\mathrm{\π}/3)\\ i_e=I_m\cos (\mathrm{\ωt}-4\mathrm{\π}/3)\end{array}\right.$

此时，零序电流为：

$i_{01}=\sqrt{3}{I}_m\cos (\mathrm{\ωt}-\mathrm{\π}/2)$

(b)S_a1p(或S_a1n)S_1p(或S_1n)开路

关断与故障器件互补导通的器件，关闭双向导通二极管D₂，使用剩余的B、D、F三相继续运行，无需调整激励。

(c)S_e1p(或S_e1n)与S_f1p(或S_f1n)开路

关断与故障器件互补导通的器件，开通二极管D₁、D₂，调节其余相激励，与两相开路情况(a)相同。

(d)S_a1p(或S_a1n)与S_f1p(或S_f1n)开路

关断与故障器件互补导通的器件，开通二极管D₁、D₂，调节其余相激励，与两相开路情况(b)相同。

(e)S_d1p(或S_d1n)与S_f1p(或S_f1n)开路

关断与故障器件互补导通的器件，开通二极管D₁、D₂，调节其余相激励，与两相开路情况(c)相同。

(f)S_c1p(或S_c1n)与S_f1p(或S_f1n)开路

关断与故障器件互补导通的器件，开通二极管D₁、D₂，调节其余相激励，与两相开路情况(d)相同。

(g)S_x1p(或S_x1n)、S_y1p(或S_y1n)、S_1p(或S_1n)、S_2p(或S_2n)(其中，x，y＝a，b，c，d，e，f)开路

关闭所有开关器件，电机安全终止运行。

(2)开关器件短路时故障控制策略：

发生开关器件短路故障时，及时进行故障检测，关闭与短路器件互补导通的开关器件，并控制所在支路的双向导通二极管截止，便可以有效地隔离故障。剩余相的控制与开关器件开路时相同。

由(1)、(2)可看出，电机发生故障时，至少需要四个开关器件都发生开路或短路故障，整个逆变器及电机才会停止运行。而采用不添加双向导通二极管的六相七桥臂拓扑结构时，只要任何一个开关器件发生短路故障，整个逆变器将无法继续工作，瘫痪风险极高。故采用六相八桥臂逆变器拓扑、并增加具有隔离作用的双向导通二极管后，电机的可靠性大大增强。

从成本角度考虑，六相八桥臂逆变器拓扑仅增加一个桥臂，开关器件数量为16个，与用24个开关器件的全桥比，开关器件减少了三分之一，与用14个开关器件的六相七桥臂结构比，开关器件增加1.14倍，且所增加桥臂的电流等级小于六相七桥臂结构。六相八桥臂逆变器成本适中、可靠、实用。

Claims (2)

1.具有高容错能力的六相八桥臂逆变器，它包括六相半桥拓扑结构，所述六相半桥拓扑结构由12个功率开关管和直流电源U_dc1构成，所述六相半桥拓扑结构的六个桥臂输出端分别连接六相永磁同步电机的A相绕组L_a的一端、B相绕组L_b的一端、C相绕组L_c的一端、D相绕组L_d、E相绕组L_e和F相绕组L_f的一端，六相永磁同步电机的A相绕组L_a、B相绕组L_b、C相绕组L_c、D相绕组L_d、E相绕组L_e和F相绕组L_f沿圆周依次排列，A相绕组L_a和B相绕组L_b机械角度相差30°，B相绕组L_b和C相绕组L_c机械角度相差90°，C相绕组L_c和D相绕组L_d机械角度相差30°，D相绕组L_d和E相绕组L_e机械角度相差90°，E相绕组L_e和F相绕组L_f机械角度相差30°，F相绕组L_f和A相绕组L_a机械角度相差90°；

其特征在于，具有高容错能力的六相八桥臂逆变器还包括由直流电源U_dc2和4个功率开关管构成的两相半桥拓扑结构；A相双向导通二极管D_a、B相双向导通二极管D_b、C相双向导通二极管D_c、D相双向导通二极管D_d、E相双向导通二极管D_e、F相双向导通二极管D_f、第一故障隔离双向导通二极管D₁和第二故障隔离双向导通二极管D₂，

直流电源U_dc1和直流电源U_dc2并联，所述两相半桥拓扑结构具有两相桥臂，分别为第一桥臂和第二桥臂，

六相永磁同步电机的A相绕组L_a的另一端与A相双向导通二极管D_a的一端相连，

六相永磁同步电机的C相绕组L_c的另一端与C相双向导通二极管D_c的一端相连，

六相永磁同步电机的E相绕组L_e的另一端与E相双向导通二极管D_e的一端相连，

A相双向导通二极管D_a的另一端、C相双向导通二极管D_c的另一端和E相双向导通二极管D_e的另一端都与第一故障隔离双向导通二极管D₁的一端相连，

第一故障隔离双向导通二极管D₁的另一端与第一桥臂的输出端相连；

六相永磁同步电机的B相绕组L_b的另一端与B相双向导通二极管D_b的一端相连，

六相永磁同步电机的D相绕组L_d的另一端与D相双向导通二极管D_d的一端相连，

六相永磁同步电机的F相绕组L_f的另一端与F相双向导通二极管D_f的一端相连，

B相双向导通二极管D_b的另一端、D相双向导通二极管D_d的另一端和F相双向导通二极管D_f的另一端都与第二故障隔离双向导通二极管D₂的一端相连，第二故障隔离双向导通二极管D₂的另一端与第二桥臂的输出端相连。

2.根据权利要求1所述具有高容错能力的六相八桥臂逆变器，其特征在于，所述功率开关管采用自带体二极管的IGBT来实现。