CN104377978A - 三电平单相桥臂故障时转入两相桥臂运行的逆变器 - Google Patents

Abstract

一种三电平单相桥臂故障时转入两相桥臂运行的逆变器，属于三电平故障两相运行的逆变器。该逆变器的直流侧连接两个容值相等的电容；两相正常桥臂并联，每个桥臂有四个开关器件和二个开关串联连接，在每一个桥臂的开关器件上均反向并联一个二极管。负载侧接三相交流电机，一相桥臂发生故障后，将这一相桥臂切除，三相交流电机分别接入两个正常桥臂中点以及直流侧电容中点；通过对空间矢量调制算法(SVPWM)的相应调整，使其适应两桥臂拓扑，逆变器仍能在低压状态下运转。本发明可以实现在三电平逆变器单相桥臂出现故障时，仍能保证电机运转，与其他现有技术相比，实现方法简单。

Description

三电平单相桥臂故障时转入两相桥臂运行的逆变器

技术领域

本发明涉及三电平故障两相运行的逆变器，具体是一种三电平单相桥臂故障时转入两相桥臂运行的逆变器。

背景技术

在交流电机控制系统中，逆变器在整个系统中起到了重要的作用，维持了电机的运转。但是在实际运行中，逆变器的故障会导致输出波形畸变，使得电机无法正常运转。在依赖电机的行业，例如矿井提升机，逆变器的故障引起的停机检修会导致经济的严重受损，更可能危及生命安全。因此，需要采取有效措施使逆变器故障时依然能够维持逆变器输出波形正确，从而保证电机的运行。

从20世纪80年代开始，随着大容量高压逆变器的研制，多电平变频器的优势逐渐显示出来，成为电机传动领域的热点。人们常用的多电平逆变器的基本电路拓扑有一下三种：飞跨电容箝位式多电平逆变器、级联型多电平逆变器、二极管箝位型多电平逆变器。

PWM(Pulse Width Modulation)控制就是对脉冲宽度进行调制的技术，用来等效地获得所需要的波形。空间矢量PWM(SVPWM)控制策略是根据变频器空间电压(电流)矢量切换来控制变频器。电压空间矢量PWM控制策略是日本学者在20世纪80年代针对交流电机变频调速提出的，采用逆变器空间电压矢量的切换来获得准圆形旋转磁场。SVPWM可以提高电压型逆变器的电压利用率和电机的动态响应性能，同时还能减小电机的转矩脉动。根据要跟踪的磁链空间矢量的运动轨迹，选择逆变器的开关形式，使逆变器输出适当波形的电压，这就是SVPWM的基本原理。

发明内容

本发明的目的是提供一种结构简单、成本低、可靠性高的三电平单相桥臂故障时转入两相桥臂运行的逆变器。

本发明的目的是这样实现的：所采用的技术方案为：该逆变器的三相桥臂共有12个开关器件，每个桥臂上有4个开关器件和两个开关串联连接；在每个开关器件上反向并联一个二极管，两个开关均从相线连接到开关器件；主拓扑采用二极管钳位，电源侧为两个容值相等的电容；每个桥臂的4个开关器件分为2组二个相邻开关器件，每一组内二个相邻开关器件的连接点分别通过箝位二极管连接到直流侧电容中点；在每个桥臂的2组开关器件的连接点通过开关连接到直流侧中点；当检测到三电平逆变器A、B、C相桥臂中某一相桥臂发生故障后，将这一相桥臂切除，将其输出端直接接入逆变器的中点处，采用非故障的两相桥臂代替三相桥臂继续运行；通过六个箝位二极管钳位，调整三电平空间矢量调制算法(SVPWM)，可以有效地增加电平数，减少电压谐波，使输出电压电流更加接近正弦的三相输出，仍能在低压状态下运转。

在两桥臂结构下，负载侧接三相交流电机，三相交流电机分别接入两个正常桥臂中点以及直流侧电容中点；采用空间矢量调制算法(SVPWM)，对其进行调整，使其适应两桥臂拓扑，当三电平逆变器在单相桥臂出现故障时，仍能保证电机运转；具体步骤如下：

(1)分析没有故障的三电平逆变器输出的基本矢量图，根据故障相桥臂对基本矢量进行筛选，得到故障后新的基本矢量图；

(2)判断参考矢量在故障后基本矢量图中的位置，根据伏秒平衡原理对基本矢量作用时间进行调整；

(3)确定基本矢量的作用顺序，结合矢量作用时间对开关器件进行控制。

有益效果：由于采用了上述方案，在直流侧连接两个容值相等的电容，A、B两相正常桥臂上分别有四个开关器件反并联二极管组成，每相桥臂上的1、2开关器件中间以及3、4开关器件中间通过箝位二极管连接到直流侧的中点，C相桥臂故障切除后直接连接直流侧中点；负载侧接三相交流电机，三相交流电机分别接入两个正常桥臂中点以及直流侧电容中点。

当检测到三电平逆变器A、B、C相桥臂中某一相桥臂发生故障后，将这一相桥臂切除，将其输出端直接接入逆变器的中点处。原本的三电平逆变器每个桥臂的输出端都可以输出三种电平，分别为P、O、N，故障相输出端接入中点后，输出端只能输出O电平。传统算法基本矢量共有27种，故障后，由于故障相只能输出O电平，因此基本矢量减少到7种，区域划分图如5。利用这7个基本矢量，通过对SVPWM调制算法的调整，可以保证在降压条件下维持输出波形正弦。

当C相桥臂故障时，将C相输出端接入三电平逆变器中点，A相与B相的输出可以为P、O、N，C相的输出为O；该逆变器的故障处理方法，结构更为简单，实现方法简单。

附图说明

图1为可切除故障桥臂的三电平逆变器拓扑图。

图2为C相故障后本发明采用的拓扑图。

图3为A、B桥臂输出相电压状态原理图。

图4为没有故障时的基本矢量图。

图5a为C相故障后的基本矢量图。

图5b为C相故障后的扇区划分图。

图6为第3扇区参考矢量的分解图。

具体实施方式

下面结构附图对本发明的实施例作进一步的说明：

本发明逆变器的三相桥臂共有12个开关器件，每个桥臂上有4个开关器件和两个开关串联连接；在每个开关器件上反向并联一个二极管，两个开关均从相线连接到开关器件；主拓扑采用二极管钳位，电源侧为两个容值相等的电容；每个桥臂的4个开关器件分为2组二个相邻开关器件，每一组内二个相邻开关器件的连接点分别通过箝位二极管连接到直流侧电容中点；在每个桥臂的2组开关器件的连接点通过开关连接到直流侧中点；当检测到三电平逆变器A、B、C相桥臂中某一相桥臂发生故障后，将这一相桥臂切除，将其输出端直接接入逆变器的中点处，采用非故障的两相桥臂代替三相桥臂继续运行；通过六个箝位二极管钳位，调整三电平空间矢量调制算法(SVPWM)，可以有效地增加电平数，减少电压谐波，使输出电压电流更加接近正弦的三相输出，仍能在低压状态下运转。

在两桥臂结构下，负载侧接三相交流电机，三相交流电机分别接入两个正常桥臂中点以及直流侧电容中点；采用空间矢量调制算法(SVPWM)，对其进行调整，使其适应两桥臂拓扑，当三电平逆变器在单相桥臂出现故障时，仍能保证电机运转；具体步骤如下：

(1)分析没有故障的三电平逆变器输出的基本矢量图，根据故障相桥臂对基本矢量进行筛选，得到故障后新的基本矢量图；

(2)判断参考矢量在故障后基本矢量图中的位置，根据伏秒平衡原理对基本矢量作用时间进行调整；

(3)确定基本矢量的作用顺序，结合矢量作用时间对开关器件进行控制。

实施例1：如图1所示，为可切除故障桥臂的二极管中点箝位(NPC)型三电平逆变器的主拓扑。逆变器的三相桥臂共有12个开关器件，每个桥臂上有4个开关器件。每个开关器件反向并联一个二极管。主拓扑采用二极管钳位，电源侧为两个容值相等的电容，每个桥臂1、2开关器件中间和3、4开关器件中间分别通过二极管连接到直流侧电容中点。通过六个二极管钳位，可以有效地增加电平数，减少电压谐波，使输出电压电流更加接近正弦。图1中，三电平逆变器正常运行时，开关S₁₁、S₁₂、S₂₁、S₂₂、S₃₁和S₃₂处于闭合状态，开关S₁₃、S₂₃、S₃₃处于断开状态。

当三电平逆变器的C相桥臂出现故障，将S₃₁和S₃₂开关断开以切除C相桥臂，并将S₃₃开关闭合使C相输出端接入直流侧中点。这样，可以把拓扑图转化为如图2所示的结构图，图2即为本发明一相桥臂出现故障时的构建结构图。

下面将对这种结构进行详细的分析。

在如图2所示的三电平逆变器拓扑中，A相与B相是正常工作的两相桥臂，以A相为例解释正常桥臂工作原理。

VT₁₁、VT₁₂、VT₁₃和VT₁₄是A相中的4个IGBT器件，按照下表的开关组合方式，可以得到三种相电压状态，分别为U_d/2、0和-U_d/2，三种状态可以用P、O和N来表示。

表1三电平桥臂开关状态组合表

相电压输出的P、O和N三种状态的开关状态如图3所示：

(1)P状态时，VT₁₁和VT₁₂导通，VT₁₃和VT₁₄关断。这种情况下，A相输出端就是直接连接到直流母线的正端。定义O点为参考地电位，则A相输出电压为U_d/2，是正电压。

(2)O状态时，VT₁₂和VT₁₃导通，VT₁₁和VT₁₄关断。这种情况下，A相输出端就是直接连接到直流母线的中点，与两个电容的中点相连。电流通过二极管VD₁₅和VD₁₂流出，则A相输出电压为0，是零电压。

(3)N状态时，VT₁₃和VT₁₄导通，VT₁₁和VT₁₂关断。这种情况下，A相输出端就是直接连接到直流母线的负端，则A相输出电压为-U_d/2，是负电压。

同理，B相也是一样的分析方法。根据图2，可以看出C相直接接入中点，因此C相输出的状态只有O状态。

先分析三电平逆变器没有出现故障时的基本矢量。

由于没有故障，A相、B相和C相都可以产生三种不同的电平，用三相的电平进行组合，可以得到19个基本的电压矢量。

三电平的三相合成电压空间矢量可以用下式表示：

u_s＝u_a+ρu_b+ρ²u_c        (1)

其中，为相量算子；u_s是定子空间电压矢量；u_a、u_b和u_c分别是三相电压。

若直流端电压为U_d，经过电容后，每个桥臂的输出电压有三种可能：U_d/2、0和-U_d/2。各个基本矢量的幅值可以通过计算得到，计算方法可以参照下面的公式进行：

定义开关变量S_a、S_b和S_c，分别代表A相桥臂、B相桥臂和C相桥臂的输出状态，

那么，每一相的电压可以表示为：

$u_a=\frac{1}{2}{U}_d{S}_a,u_b=\frac{1}{2}{U}_d{S}_b,u_c=\frac{1}{2}{U}_d{S}_c---\left(2\right)$

其中，第x相输出正电平时，S_x＝1；第x相输出零电平时，S_x＝0；第x相输出负电平时，S_x＝-1。(x为a、b或c)。

采用幅值不变，取系数为2/3，可以得出空间电压矢量为：

$u_K=\frac{2}{3}\×\frac{1}{2}{U}_d(S_a+{\mathrm{\ρS}}_b+{\mathrm{\ρ}}^2{S}_c)=\frac{1}{6}{U}_d[({2S}_a-S_b-S_c)+j\sqrt{3}(S_b-S_c)]---\left(3\right)$

其中，K是基本矢量号。

根据这个公式就可以得到19个基本电压矢量的幅值，可以得到矢量图，如图4所示。

根据矢量幅值的不同，可以将这19种基本电压矢量归类为：长矢量、中矢量、小矢量和零矢量。三电平电压矢量的分类汇总表格如下。以上为没有故障情况下的三电平逆变器分析。

表2三电平电压矢量分类汇总表

当C相发生故障时，改变拓扑后，由于C相的输出只能为O，可以使用的矢量只有9种，如下表。如图5a所示，是这9个基本矢量的矢量图。去除两个中矢量NPO和PNO，可以得到正六边形的矢量图5b。可以看出，新的六边形的区域变小。为了得到正弦波形，输出的电压也要随之变小。

表3故障后电压矢量汇总表

C相故障后，空间矢量u_S采用幅值不变，取系数为2/3，则逆变器输出电压空间矢量可表示为：

$u_S=\frac{2}{3}(u_a+{\mathrm{\ρu}}_b+{\mathrm{\ρ}}^2{u}_c)---\left(4\right)$

从下表可看出共有六个非零电压矢量，由于|u_a|＝U_d/2、|u_b|＝U_d/2、|u_c|＝0，则其模为|u_s|＝U_d/3(U_d为逆变器直流侧电压)；一个零电压矢量，为u₀(000)。新的矢量图如图5b所示。参考矢量U_ref可以用相邻的基本矢量进行合成，假设参考矢量u在III区，则根据矢量图可知该矢量是由u₀、u₄、u₆合成。

表4逆变器的七种开关状态

有了矢量图的分析结果，需要相应的对SVPWM调制算法进行改进。

首先需要判断参考矢量的区域，将参考矢量U_ref分解到αβ坐标系上，这样就可以得到U_α和U_β。设三个变量A、B和C。设区域判断变量为BS，按照BS＝A+2B+4C，可以计算出区域的位置。区域的对应关系如图5b所示。

扇区确定后，参考矢量可利用扇区边界上的两个基本矢量合成。将参考矢量分解后，采用伏秒平衡原则可以计算出相应矢量的作用时间，以图6所示的第III扇区为例，将两个基本矢量向αβ轴投影，应有：

α轴： $u_{\mathrm{\α}}T=\left|u_4\right|T_4+\frac{1}{2}\left|u_6\right|T_6---\left(6\right)$

β轴： $u_{\mathrm{\β}}T=\frac{\sqrt{3}}{2}{u}_6{T}_6---\left(7\right)$

式中，T_i为对应矢量u_i作用时间(i＝0～7)；T为采样周期，由分析已知基本矢量的模为|u_s|＝U_d/3，因此式中|u₄|＝|u₆|＝U_d/3，带入上式可解出相应时间。其他区间的矢量作用时间的求解方法亦是如此，总结得到下面三个基本的时间变量。X、Y、Z与每个扇区矢量作用时间T₁、T₂的对应关系如下表所示。零矢量的作用时间可用公式T₃＝T-T₁-T₂来计算。

$\begin{array}{ccc}X=\frac{2\sqrt{3}{u}_{\mathrm{\β}}T}{u_d}& Y=\frac{(\sqrt{3}{u}_{\mathrm{\β}}+{3u}_{\mathrm{\α}})\×T}{u_d}& Z=\frac{(\sqrt{3}{u}_{\mathrm{\β}}-{3u}_{\mathrm{\α}})\×T}{u_d}\end{array}---\left(8\right)$

表5T₁、T₂与X、、Y的对应关系表

然后，需要确定每个区域的矢量作用次序。矢量变化次序遵守一个原则，就是每一次变化电压矢量时，三个桥臂中只能有一个桥臂变换状态。这样可以避免状态Z突变带来的问题。下表是根据上述原则建立起来的矢量状态次序表。其中，N、O、P分别对应桥臂输出为低电平、零电平和高电平。分析基本矢量，结合切换矢量顺序的原则，可以选用五段式的SVPWM。由于为了满足每次变化电压矢量时只有一个桥臂动作，部分区域没有用零矢量首发，但是在区域变换时，仍然能保证每次只有一个桥臂动作，满足设计原则。

表6矢量状态作用次序表

矢量状态作用次序结合计算得到的基本矢量作用时间T₁、T₂、T₃，可以对五段式中每一段的基本矢量作用时间进行分配。时间分配表如下：

表7基本矢量作用时间分配表

桥臂的电平状态可以对应到桥臂上开关器件的开关状态，因为只有A相桥臂和B相桥臂有开关器件，C相桥臂直接输出O状态，因此通过下表可以确定A相与B相桥臂的8个开关器件的开关状态。表中每个桥臂的电平状态用N、O、P来表示，分别对应负电平、零电平和正电平，用1和0来表示每个桥臂上开关器件G₁、G₂、G₃、G₄的开通和关断。将对应的开关器件的信号输入本发明的拓扑中，即可控制输出正弦波。

表8开关状态与电平状态对应表

以上为C相故障时的分析，同理，若故障相为A相，则将S₁₁、S₁₂开关断开以切除A相桥臂，将S₁₃闭合使A相接入直流侧中点；若故障相为B相，则将S₂₁、S₂₂开关断开以切除B相桥臂，并将S₂₃闭合使B相接入直流侧中点。这两种情况也需要对SVPWM算法进行相应的更改，更改的方法和C相故障的分析方法一致。

Claims (1)

1.一种三电平单相桥臂故障时转入两相桥臂运行的逆变器，其特征是：该逆变器的三相桥臂共有12个开关器件，每个桥臂上有4个开关器件和两个开关串联连接；在每个开关器件上反向并联一个二极管，两个开关均从相线连接到开关器件；主拓扑采用二极管钳位，电源侧为两个容值相等的电容；每个桥臂的4个开关器件分为2组二个相邻开关器件，每一组内二个相邻开关器件的连接点分别通过箝位二极管连接到直流侧电容中点；在每个桥臂的2组开关器件的连接点通过开关连接到直流侧中点；当检测到三电平逆变器A、B、C相桥臂中某一相桥臂发生故障后，将这一相桥臂切除，将其输出端直接接入逆变器的中点处，采用非故障的两相桥臂代替三相桥臂继续运行；通过非故障相得四个箝位二极管钳位，调整三电平空间矢量调制算法，可以有效地维持电平数，减少电压谐波，使输出电压电流接近正弦的三相输出，仍能在低压状态下运转。