CN106571750A - 一种容错型三桥臂两相正交逆变器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种容错型三桥臂两相正交逆变器，将直流电逆变为两相正交交流电，经过两个输出电感与两个单相负载连接。输出侧的输出电感能抑制高次谐波及扼制短路故障时电流过大。当系统正常工作时，装置为三桥臂两相逆变电路，当三桥臂两相正交逆变电路中的功率器件发生故障时，通过重构其拓扑结构，即某一相桥臂的功率开关发生短路或开路故障时，断开故障桥臂，并接通相应的三端双向可控硅开关，构成两相半桥逆变电路，以保持系统持续正常运行。系统采用直流侧电压均压控制外环、电流跟踪控制内环的双环控制方法，提供相应的功率开关器件通断信号，使系统由正常状态切换到故障状态运行时不需要转换控制算法，大大提高系统的稳定性，并且系统成本低。

Description

一种容错型三桥臂两相正交逆变器

技术领域

本发明属于电力电子技术领域，具体是一种容错型三桥臂两相正交逆变器及其控制方法。

背景技术

逆变电路有多种构成形式，主要有全桥式和半桥式。构成逆变器桥臂开关的器件主要是GTR、IGBT、MOSFET等开关元件，当控制开关元件轮流导通和关断时，则获得频率可调的方波电压；当控制逆变器以PWM(或SPWM，SVPWM)方式工作时，则获得接近正弦形的交流电压。

在一些特殊的工业场合，存在两相负载。例如，在冶金连铸行业，冶金连铸电磁搅拌器需要两相低频正交电源供给励磁；单相异步电动机有两个正交的定子绕组，也需要两相电源励磁。两相电源所作用的两相电机在应用转子磁场定向控制时，由于其定子两相绕组自然正交，所以与三相电机应用矢量控制相比，它减少了一个从三相坐标系到两相坐标系的变换，减少了计算量，从理论上说，还可以提高控制的精度。因此，两相逆变电源在工业应用中的需求使其受到重视和研究，并得到应用。

逆变装置的重要组成部分是逆变器。逆变器中最容易产生事故的地方就是功率组件及其控制线路，目前还没能够有效地处理好它的可靠性问题。当逆变器产生事故时会导致整个系统不能正常工作，严重时将导致不可想象的后果。因此要求逆变器在产生事故时能实现容错运行。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种容错型三桥臂两相正交逆变器及其控制方法。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种容错型三桥臂两相正交逆变器，包括直流电源、两个串联直流侧电容、一个容错型三桥臂两相正交逆变电路和三个输出电感；所述两个串联直流侧电容所在支路与所述容错型三桥臂两相正交逆变电路并联；所述容错型三桥臂两相正交逆变电路的三相各与一个输出电感连接；所述两个串联直流侧电容、容错型三桥臂两相正交逆变电路均与所述直流电源连接。

所述容错型三桥臂两相正交逆变电路包括三个并联的桥臂，每个桥臂包括两个串联的功率开关器件；两个串联直流侧电容的公共连接点为容错型三桥臂两相正交逆变电路的输出地线，容错型三桥臂两相正交逆变电路的另外两个输出端各通过一个输出电感与单相负载连接。

本发明还提供了一种容错型三桥臂两相正交逆变器的控制方法，包括以下步骤：

1)容错型三桥臂两相正交逆变电路的输出电流参考指令表示为：

其中，I^*为容错型三桥臂两相正交逆变电路的输出电流期望幅值，ω^*为容错型三桥臂两相正交逆变电路的输出电流期望参考指令角频率；

2)将两个直流侧电容电压之差经PI控制器后输出为Δi；

3)检测容错型三桥臂两相正交逆变电路的三相输出电流i_α、i_β、i_w，将Δi叠加到容错型三桥臂两相正交逆变电路输出电流控制内环中，得到PR控制器的输入信号：

4)将PR控制器的输入信号经PR控制器后作为PWM的输入信号，调制出容错型三桥臂两相正交逆变电路中各个功率开关器件的通断信号S_v1～S_v6。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明容错两相正交逆变提高了电源的可靠性，在故障状态时对逆变器拓扑电路进行重新配置，即在切除故障功率开关器件后，将其余的功率开关器件与直流侧的电容重新构成两相半桥逆变电路，不需转换控制算法，能保持系统持续运行，系统成本低。

附图说明

图1是容错型三桥臂两相正交逆变器的等效电路图；

图2是容错型三桥臂两相正交逆变器正常运行时的电路结构图；

图3(a)V2或V5或两者同时发生故障，图3(b)V1或V5或两者同时发生故障，图3(c)V4或V2或两者同时发生故障，图3(d)V3或V5或两者同时发生故障，图3(e)V6或V2或两者同时发生故障；

图4是容错型三桥臂两相正交逆变器控制框图。

具体实施方式

图1是容错型三桥臂两相正交逆变器的拓扑结构，主电路由三部分构成，第一部分为直流电源，第二部分为容错三桥臂两相正交逆变电路，第三部分是单相负载。直流电源为容错三桥臂两相正交逆变电路供电，两相正交逆变电路将直流电逆变为交流电，输出期望的两相正交电流驱动单相负载。桥臂α和桥臂β中点的对地电压即为两相正交逆变电路的输出电压。电源输出侧采用一组输出滤波器，以抑制高次谐波及扼制短路故障时电流过大。图1中C₁、C₂是直流侧电容，V₁～V₆是功率器件IGBT，T₁₂、T₂₃、T₄₅、T₅₆和T_W是三端双向可控硅开关，F₁～F₆是熔断器，C₁、C₂、T₁₂、T₂₃、T₄₅、T₅₆和T_W、F₁～F₆、V₁～V₆构成容错型三桥臂两相正交逆变电路。

图2是容错型三桥臂两相正交逆变器正常运行时的电路结构图。V2、V5构成中间桥臂，为公共桥臂，该公共桥臂分别与由V1和V4、V3和V6构成的另两个桥臂结合，即构成两相正交逆变电路。电源输出侧采用一组输出滤波器L₀，r₀为其内阻以抑制高次谐波及扼制短路故障时电流过大。

图3是容错型三桥臂两相正交逆变器故障运行时的电路结构图。图3(a)是V2或V5或两者同时发生故障时的两相半桥逆变电路结构图。直流侧容值相同的电容C₁和C₂组成公共桥臂，V1和V4、V3和V6构成另两个桥臂重构成两相半桥逆变电路。图3(b)V1或V5或两者同时发生故障时的两相半桥逆变电路结构图。直流侧容值相同的电容C₁和C₂组成公共桥臂，V2和V4、V3和V6构成另两个桥臂重构成两相半桥逆变电路。图3(c)V4或V2或两者同时发生故障时的两相半桥逆变电路结构图。直流侧容值相同的电容C₁和C₂组成公共桥臂，V1和V5、V3和V6构成另两个桥臂重构成两相半桥逆变电路。图3(d)V3或V5或两者同时发生故障时的两相半桥逆变电路结构图。直流侧容值相同的电容C₁和C₂组成公共桥臂，V1和V4、V2和V6构成另两个桥臂重构成两相半桥逆变电路。图3(e)V6或V2或两者同时发生故障时的两相半桥逆变电路结构图。直流侧容值相同的电容C₁和C₂组成公共桥臂，V1和V4、V3和V5构成另两个桥臂重构成两相半桥逆变电路。两相半桥逆变电路结构简单，稳定性高，所需的功率开关器件最少，降低了系统成本。

图4是容错型三桥臂两相正交逆变器控制框图。控制步骤如下：

1)由于负载是两个单相负载，流经α相和β相的负载电流为幅值和频率相等、相位相差90°的正弦电流，则两相正交逆变器的输出电流参考指令可以表示为：

式中，I^*为两相正交逆变器输出电流期望幅值，ω^*为逆变器输出电流期望参考指令角频率。

2)为实现直流侧电容均压，检测直流侧的两个电容电压，这两个电容电压之差经一个PI控制器后输出为Δi；

3)检测两相正交逆变器三相输出电流i_α、i_β、i_w。将Δi叠加到两相逆变器输出电流控制内环中，得到PR控制器的输入信号：

4)将式(2)的输入信号经PR控制器后的信号作为PWM的输入信号，调制出两相正交逆变器中各个功率开关器件的通断信号S_v1-S_v6；

5)T_v12、T_v23、T_v45、T_v56的通断与图4中各个功率器件通断的关系如表2所示。

因此当系统运行在故障状态时，控制算法不需改变。

Claims (3)

1.一种容错型三桥臂两相正交逆变器，其特征在于，包括直流电源、两个串联直流侧电容、一个容错型三桥臂两相正交逆变电路和三个输出电感；所述两个串联直流侧电容所在支路与所述容错型三桥臂两相正交逆变电路并联；所述容错型三桥臂两相正交逆变电路的三相各与一个输出电感连接；所述两个串联直流侧电容、容错型三桥臂两相正交逆变电路均与所述直流电源连接。

2.根据权利要求1所述的容错型三桥臂两相正交逆变器，其特征在于，所述容错型三桥臂两相正交逆变电路包括三个并联的桥臂，每个桥臂包括两个串联的功率开关器件；两个串联直流侧电容的公共连接点为容错型三桥臂两相正交逆变电路的输出地线，容错型三桥臂两相正交逆变电路的另外两个输出端各通过一个输出电感与单相负载连接。

3.一种权利要求2所述的容错型三桥臂两相正交逆变器的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)容错型三桥臂两相正交逆变电路的输出电流参考指令表示为：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_{ref\mathrm{\α}}=I^{*}sin\left({\mathrm{\ω}}^{*}t\right)\\ i_{ref\mathrm{\β}}=I^{*}\cos \left({\mathrm{\ω}}^{*}t\right)\\ i_{refw}=-(i_{\mathrm{\α}}^{*}+i_{\mathrm{\β}}^{*})\end{array}\right.$

其中，I^*为容错型三桥臂两相正交逆变电路的输出电流期望幅值，ω^*为容错型三桥臂两相正交逆变电路的输出电流期望参考指令角频率；

2)将两个直流侧电容电压之差经PI控制器后输出为Δi；

3)检测容错型三桥臂两相正交逆变电路的三相输出电流i_α、i_β、i_w，将Δi叠加到容错型三桥臂两相正交逆变电路输出电流控制内环中，得到PR控制器的输入信号：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_{pr\mathrm{\α}}=i_{ref\mathrm{\α}}+\mathrm{\Δ}i-i_{\mathrm{\α}}\\ i_{pr\mathrm{\β}}=i_{ref\mathrm{\β}}+\mathrm{\Δ}i-i_{\mathrm{\β}}\\ i_{prw}=-(i_{ref\mathrm{\α}}+i_{ref\mathrm{\β}}+\mathrm{\Δ}i*2)-i_w\end{array}\right.;$

4)将PR控制器的输入信号经PR控制器后作为PWM的输入信号，调制出容错型三桥臂两相正交逆变电路中各个功率开关器件的通断信号S_v1～S_v6。