CN104617759A - 一种相冗余型三相逆变器容错电路及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种相冗余型三相逆变器容错电路及其控制方法，包括第一相桥臂、第二相桥臂、第三相桥臂、第四相桥臂和三个双向晶闸管；前三相桥臂的中点分别接电机三相绕组出线端；各桥臂中的功率管的栅极均与电机控制器相连；三个双向晶闸管分别接在前三相桥臂中点与第四相桥臂中点之间，与第四相桥臂一起构成前三相桥臂的冗余；三个双向晶闸管的控制极均与电机控制器相连。在相冗余型三相逆变器容错电路正常运行时，仅前三相桥臂给电机三相绕组供电；当前三相桥臂中的某一相桥臂出现故障时，该故障相桥臂的冗余电路投入运行，实现容错控制。本发明设计合理、功率器件数量和成本增加有限、性价比高，容错控制方法简便易行，且安全可靠。

Description

一种相冗余型三相逆变器容错电路及其控制方法
技术领域
本发明涉及一种相冗余型三相逆变器容错电路及其控制方法，适用于高可靠性要求的三相逆变器驱动电机场合，属于电机控制技术领域。
背景技术
随着各种先进控制策略的出现，由三相逆变器控制的各种交流电机驱动系统，运行性能优良，在国民经济的各行各业获得广泛应用，但由于电力电子器件的脆弱性，其中的逆变器是系统中较易发生故障的薄弱环节。一旦逆变器发生故障，整个系统便丧失正常工作的能力，这在一般场合会影响生产的正常进行，带来经济损失，而在航空、军事等重要场合，将造成灾难性事故。因此研究三相逆变器的容错技术，避免因故障造成的电机驱动系统停机，具有重要的现实意义。
逆变器最常见的故障是功率管开路与短路故障，针对这两种故障，中国发明专利申请201110443907.1，公开了一种电动车辆用三相逆变器容错电路，它是将直流母线电容分为C1与C2两部分，在C1与C2的连接点处与电机三相绕组的出线端接了三个双向晶闸管，电机绕组的三相出线端与三相逆变桥臂的中点处各连接了一个熔断器，容错后系统重构为四开关三相运行方式。但是容错后的四开关三相逆变器，对电机三相绕组的控制不再对称，因此容错后输出功率只能降为正常运行系统的1/2，增加的直流母线电容设计容量要大大高于正常运行时的容量，而且由于容错后拓扑结构发生了改变，非零开关矢量不再是对称的六个矢量，而是长度不等的四个矢量，控制自由度降低，控制难度加大。
中国发明专利申请201310025041.1，公开了一种具有高容错能力的四相六桥臂逆变器，该逆变器采用四相半桥拓扑结构，每个桥臂输出端连接一相绕组，互差90°机械角度的两相绕组作为一组，每组再增加一个桥臂。中国发明专利申请201410063547.6，公开了一种四相无刷直流电机容错功率变换器，它包括五个逆变桥臂、六个双向晶闸管和十个熔断器，用于对四相永磁无刷直流电机和双凸极电机进行容错。但上述两个专利申请中电机及变换器均是多相的，而不是常规的三相，电路结构复杂，功率器件多，出现故障的机会也多，实现容错所需增加的功率器件多，控制较为复杂。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种设计合理、功率器件数量和成本增加有限、性价比高、可靠性强的三相逆变器容错电路及其控制方法，实现对常见开路与短路故障的容错，且容错后保持原来性能不变，持续不间断运行。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种相冗余型三相逆变器容错电路，包括第一相桥臂、第二相桥臂、第三相桥臂，第四相桥臂和三个双向晶闸管；
所述第一相桥臂由第一熔断器、第一功率管、第二功率管和第二熔断器依次串联组成；第二相桥臂由第三熔断器、第三功率管、第四功率管和第四熔断器依次串联组成；第三相桥臂由第五熔断器、第五功率管、第六功率管和第六熔断器依次串联组成；第四相桥臂由第七功率管和第八功率管串联组成；所述四个桥臂的正极连接在一起，接直流电源正极，负极连接在一起，接直流电源负极；
前三相桥臂的中点分别接电机三相绕组出线端；第一～第八功率管的栅极均与电机控制器相连；
三个双向晶闸管分别接在前三相桥臂中点与第四相桥臂中点之间，与第四相桥臂一起构成前三相桥臂的冗余；三个双向晶闸管的控制极均与电机控制器相连。
一种相冗余型三相逆变器容错电路的控制方法，在相冗余型三相逆变器容错电路正常运行时，仅前三相桥臂给电机三相绕组供电，第四相桥臂和三个双向晶闸管不工作；当前三相桥臂中的某一相桥臂出现开路故障时，该故障相桥臂中的两个功率管停止运行，而与该故障相桥臂中点相连的双向晶闸管及第四相桥臂构成该相桥臂的冗余电路投入运行，实现容错控制；当前三相桥臂中的某一相桥臂出现短路故障时，该故障相桥臂中的熔断器因过流而熔断，短路故障转化为开路故障，通过上述的开路故障容错方法进行容错控制。
本发明的有益效果在于：其设计合理、功率器件数量和成本增加有限、性价比高，容错控制方法简便易行，且安全可靠。在相冗余型三相逆变器容错电路正常运行时，仅前三相桥臂运行，电机通过前三相桥臂共六个开关供电，为三相对称运行；当故障发生时，故障相被隔离，与该相桥臂中点相连实际也就是与相应相电机绕组相连的双向晶闸管及第四相桥臂投入运行，电机仍然为三相六开关供电的对称运行方式，各项性能指标和故障发生前一样，对电机绕组的接法没有限制，只要控制器把本来应发到故障相的开关驱动信号转发到第四相桥臂而已，控制简单，且安全可靠。
附图说明
图1为本发明的一种相冗余型三相逆变器容错电路；
图2为正常工作状态电路图；
图3为第一相桥臂发生故障后的容错电路图。
图中：1为第一相桥臂，2为第二相桥臂，3为第三相桥臂，4为第四相桥臂。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详述。
本发明所述的一种相冗余型三相逆变器容错电路，是在现有的三相六开关逆变器电路的基础上增加了第四相桥臂，第四相桥臂的中点分别通过三个双向晶闸管与前三相桥臂中点相连，构成前三相桥臂的冗余电路。而前三相桥臂相比于现有的三相逆变器的桥臂，每个功率管又多串联了一个熔断器，用于在功率管发生短路故障时，快速将相应的桥臂从电路中断开，保护电路其他元件不被损坏，并实现容错控制。
具体地讲，如图1所示，本发明的一种相冗余型三相逆变器容错电路包括四相桥臂1、2、3、4和三个双向晶闸管TR1、TR2、TR3；
第一相桥臂1由第一熔断器F1、第一功率管T1、第二功率管T2和第二熔断器F2依次串联组成；第二相桥臂2由第三熔断器F3、第三功率管T3、第四功率管T4和第四熔断器F4依次串联组成；第三相桥臂3由第五熔断器F5、第五功率管T5、第六功率管T6和第六熔断器F6依次串联组成；第四相桥臂4由第七功率管T7和第八功率管T8串联组成；所述四相桥臂1、2、3、4的正极连接在一起，接直流电源正极，负极连接在一起，接直流电源负极；第一～第八功率管T1～T8均为并联有体二极管的IGBT功率管，第一～第六熔断器F1～F6均为快速熔断器；
前三相桥臂，即第一相桥臂1、第二相桥臂2、第三相桥臂3的中点分别接电机三相绕组a、b、c的出线端；第一～第八功率管T1～T8的栅极均与电机控制器相连，由电机控制器输入或断开驱动信号；
三个双向晶闸管TR1、TR2、TR3分别接在前三相桥臂1、2、3的中点与第四相桥臂4的中点之间，与第四相桥臂4一起构成前三相桥臂的冗余；双向晶闸管TR1、TR2、TR3的控制极均与电机控制器相连，由电机控制器输入或断开触发信号。
本发明所述的一种相冗余型三相逆变器容错电路的控制方法，在无故障正常运行时，如图2所示，仅前三相桥臂1、2、3给电机三相绕组a、b、c供电，第四相桥臂4和三个双向晶闸管TR1、TR2、TR3不工作，此时电机由对称的三相六开关逆变器供电。
当前三相桥臂中的某一相桥臂出现开路故障时，电机控制器断开该故障相桥臂两个功率开关的驱动信号，触发与该相桥臂中点相连的双向晶闸管导通，同时将故障桥臂的驱动信号用于控制第四相桥臂的两个功率管，由被触发的双向晶闸管与第四相桥臂构成的冗余电路投入运行，代替被断开的故障相桥臂。以第一相桥臂1的第一功率管T1或第二功率管T2出现开路故障为例，如图3所示，电机控制器断开第一功率管T1与第二功率管T2的驱动信号，控制双向晶闸管TR1导通，将本来用于第一功率管T1与第二功率管T2的驱动信号分别用于控制第七功率管T7和第八功率管T8，使双向晶闸管TR1及第四相桥臂4构成该相桥臂的冗余电路投入运行，实现容错控制；电机仍然为三相六开关供电的对称运行方式，各项性能指标和故障发生前一样。
当前三相桥臂中的某一相桥臂的其中一个功率管出现短路故障时，同一相桥臂上的互补功率管、该桥臂上的两个熔断器与直流电源形成回路，两个熔断器因为过流被熔断，该桥臂从电路中断开，短路故障自动转化为开路故障，再利用上述功率管开路故障容错方法进行容错控制。

Claims (2)

1.一种相冗余型三相逆变器容错电路，其特征在于：包括第一相桥臂、第二相桥臂、第三相桥臂、第四相桥臂和三个双向晶闸管；
所述第一相桥臂由第一熔断器、第一功率管、第二功率管和第二熔断器依次串联组成；第二相桥臂由第三熔断器、第三功率管、第四功率管和第四熔断器依次串联组成；第三相桥臂由第五熔断器、第五功率管、第六功率管和第六熔断器依次串联组成；第四相桥臂由第七功率管和第八功率管串联组成；所述四个桥臂的距极连接在一起，接直流电源正极，负极连接在一起，接直流电源负极；
前三相桥臂的中点分别接电机三相绕组出线端；第一～第八功率管的栅极均与电机控制器相连；
三个双向晶闸管分别接在前三相桥臂中点与第四相桥臂中点之间，与第四相桥臂一起构成前三相桥臂的冗余；三个双向晶闸管的控制极均与电机控制器相连。
2.根据权利要求1所述的一种相冗余型三相逆变器容错电路的控制方法，其特征在于：在相冗余型三相逆变器容错电路正常运行时，仅前三相桥臂给电机三相绕组供电，第四相桥臂和三个双向晶闸管不工作；当前三相桥臂中的某一相桥臂出现开路故障时，该故障相桥臂中的两个功率管停止运行，而与该故障相桥臂中点相连的双向晶闸管及第四相桥臂构成该相桥臂的冗余电路投入运行，实现容错控制；当前三相桥臂中的某一相桥臂出现短路故障时，该故障相桥臂中的熔断器因过流而熔断，短路故障转化为开路故障，通过上述的开路故障容错方法进行容错控制。
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