CN112311266A - 双三电平逆变器拓扑的开绕组电机桥臂故障的容错方法 - Google Patents

双三电平逆变器拓扑的开绕组电机桥臂故障的容错方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种双三电平逆变器拓扑的开绕组电机桥臂故障的容错方法，适用于逆变器故障容错技术领域使用。逆变器1和逆变器2的三桥臂之间分别设有六个双向晶闸管，其中双向晶闸管TR1分别与A1桥臂和B2桥臂连接；双向晶闸管TR2分别与B1桥臂和C2桥臂连接；双向晶闸管TR3分别与C1桥臂绕和A2桥臂连接；双向晶闸管TR4分别与A1桥臂和C2桥臂连接；双向晶闸管TR5分别与B1桥臂绕和A2桥臂连接；双向晶闸管TR6分别与C1桥臂和B2桥臂连接；当逆变器1和逆变器2无故障发生时所有双向晶闸管均处于断开状态，当逆变器1和逆变器2出现故障时通过开启对应的双向晶闸管实现容错工作。其结构简单，使用方便，具有广泛的实用性。

Description

双三电平逆变器拓扑的开绕组电机桥臂故障的容错方法
技术领域
本发明涉及一种开绕组电机桥臂故障的容错方法，尤其适用于逆变器故障容错技术领域使用的双三电 平逆变器拓扑的开绕组电机桥臂故障的容错方法
背景技术
开绕组电机是将电机定子中性点打开，两端各使用一套三电平逆变器馈电。与普通的单三电平逆变 器电机相比，双三电平逆变器开绕组电机的输出电压更加接近于正弦波、输出电流谐波含量小，开关损耗 小，开关应力小，广泛应用于交流电机变频调速和光伏并网发电等领域。而且，由于开关器件众多，双三 电平逆变器拓扑更加适用于容错控制。
双三电平逆变器拓扑的直流侧供电可分为共母线供电和独立母线供电。相较于后者，共母线供电拓 扑可节省一套直流母线，在体积和成本上都优于后者。
容错控制在可靠性要求较高的场合非常重要。但是现有文献对于双三电平逆变器拓扑的容错控制技术 的研究还不是很多。特别是针对逆变器桥臂故障的容错控制技术。有文献提出了一种针对单三电平逆变器 拓扑的三相八开关的容错控制策略，使故障相桥臂直接与直流侧母线重点连接，能够在降低一半功率的前 提下，实现容错控制。有的文献通过增加一条冗余桥臂，系统正常的时候冗余桥臂不用。当系统中有一条 桥臂故障时，切除故障桥臂，并快速把冗余桥臂接入系统，实现系统在不降低功率的前提下的容错控制。 但此方法的成本太高，系统体积相对于原系统增加，不利于工业应用。另一文献针对双三电平逆变器拓扑 提出，在单桥臂故障时，通过双向晶闸管切除故障桥臂所在的逆变器实现容错控制。但是该方法对于双三 电平逆变器的利用率太低，在故障后的带载能力降低。
发明内容
技术问题：本发明的目的是针对现有技术的不足之处，提供一种结构简单，使用效果好的双三电 平逆变器拓扑的开绕组电机桥臂故障的容错方法，实现故障前后不降低功率运行。
技术方案：为实现上述技术目的，本发明的双三电平逆变器拓扑的开绕组电机桥臂故障的容错方法， 其逆变器1中包括A1桥臂、B1桥臂、C1桥臂，逆变器2中包括A2桥臂、B2桥臂、C2桥臂；其特征在 于：在逆变器1的A1桥臂、B1桥臂、C1桥臂与逆变器2中包括A2桥臂、B2桥臂、C2桥臂之间分别设 有双向晶闸管TR1、双向晶闸管TR2、双向晶闸管TR3、双向晶闸管TR4、双向晶闸管TR5和双向晶闸管 TR6，其中双向晶闸管TR1的主电级1与A1桥臂绕组侧连接、主电极2与B2桥臂绕组侧连接；双向晶闸 管TR2的主电极1与B1桥臂绕组侧连接、主电极2与C2桥臂绕组侧连接；双向晶闸管TR3的主电极1 与C1桥臂绕组侧连接、主电极2与A2桥臂绕组侧连接；双向晶闸管TR4的主电极1与A1桥臂绕组侧连 接、主电极2与C2桥臂绕组侧连接；双向晶闸管TR5的主电极1与B1桥臂绕组侧连接、主电极2与A2 桥臂绕组侧连接；双向晶闸管TR6的主电极1与C1桥臂绕组侧连接、主电极2与B2桥臂绕组侧连接； 当逆变器1和逆变器2无故障发生时所有双向晶闸管均处于断开状态，当逆变器1和逆变器2出现故障时 通过开启对应的双向晶闸管实现容错工作。
针对单桥臂故障、两桥臂故障分别有不同的容错步骤，其中单桥臂故障一共有6种情况，分别是：A1 桥臂故障，B1桥臂故障，C1桥臂故障，A2桥臂故障，B2桥臂故障，C2桥臂故障。两桥臂故障一共有15 种情况，分别是：A1桥臂和B1桥臂故障，A1桥臂和C1桥臂故障，A1桥臂和A2桥臂故障，A1桥臂和 B2桥臂故障，A1和桥臂C2桥臂故障，B1桥臂和C1桥臂故障，B1桥臂和A2桥臂故障，B1桥臂和B2桥 臂故障，B1桥臂和C2桥臂故障，C1桥臂和A2桥臂故障，C1桥臂和B2桥臂故障，C1桥臂和C2桥臂故 障，A2桥臂和B2桥臂故障，A2桥臂和C2桥臂故障，B2桥臂和C2桥臂故障。
针对上述的6种单桥臂故障，通过调制策略选取A1桥臂和B2桥臂开关状态相同，B1桥臂和C2桥 臂开关状态相同，C1桥臂和A2桥臂开关状态相同的特殊电压矢量，此时A1桥臂和B2桥臂互为冗余桥臂， B1桥臂和C2桥臂互为冗余桥臂，C1桥臂和A2桥臂互为冗余桥臂；当A1桥臂故障时，封锁A1桥臂开关 管的脉冲，同时打开双向晶闸管TR1，由于A1桥臂和B2桥臂互为冗余桥臂，所以利用B2桥臂代替A1 桥臂工作，其它故障以此类推；
针对以上15种两桥臂故障，共分为两种情况：
两桥臂故障第一种情况是：当A1桥臂和B1桥臂故障，A1桥臂和C1桥臂故障，A1桥臂和A2桥臂 故障，A1桥臂和C2桥臂故障，B1桥臂和C1桥臂故障，B1桥臂和A2桥臂故障，B1桥臂和B2桥臂故障， C1桥臂和B2桥臂故障，C1桥臂和C2桥臂故障，A2桥臂和B2桥臂故障，A2桥臂和C2桥臂故障，B2桥 臂和C2桥臂故障时，共12种两桥臂故障，利用正三角形接法实现两桥臂故障容错，从而等效为两个单桥 臂故障：当A1桥臂和B1桥臂故障时，封锁A1桥臂和B1桥臂开关管的脉冲，同时打开双向晶闸管TR1 和TR2；其它故障以此类推，从而实现两桥臂故障容错控制。
两桥臂故障第二种情况是：当A1桥臂和B2桥臂故障、或B1桥臂和C2桥臂故障、或C1桥臂和A2 桥臂故障时，共3种两桥臂故障，具体为：调制算法选取A1桥臂和C2桥臂开关状态相同，B1桥臂和A2 桥臂开关状态相同，C1桥臂和B2桥臂开关状态相同的特殊电压矢量；在特殊电压矢量状态下，A1桥臂 和C2桥臂互为冗余桥臂，B1桥臂和A2桥臂互为冗余桥臂，C1桥臂和B2桥臂互为冗余桥臂；当A1桥臂 和B2桥臂故障时，封锁A1桥臂和B2桥臂开关管的脉冲，同时打开双向晶闸管TR4和TR6；其它故障以 此类推，实现两桥臂故障容错控制。
单桥臂故障时，以A2桥臂故障为例，其它情况以此类推：通过双向晶闸管TR3将A2桥臂侧切换到 C1桥臂侧,由于A2桥臂和C1桥臂互为冗余桥臂，所以开关状态相同，在切换到C1桥臂后，电机正常运 行，故障前后功率保持一致。A1桥臂或B2桥臂故障时，通过双向晶闸管TR1实现容错控制，B1桥臂或C2桥臂故障时，通过双向晶闸管TR2实现容错控制，C1桥臂或A2桥臂故障时，通过双向晶闸管TR3实现 容错控制。
两桥臂故障时，第一种情况是当A1桥臂和B1桥臂故障，A1桥臂和C1桥臂故障，A1桥臂和A2桥臂 故障，A1桥臂和C2桥臂故障，B1桥臂和C1桥臂故障，B1桥臂和A2桥臂故障，B1桥臂和B2桥臂故障， C1桥臂和B2桥臂故障，C1桥臂和C2桥臂故障，A2桥臂和B2桥臂故障，A2桥臂和C2桥臂故障，B2桥 臂和C2桥臂故障时，A1桥臂和B2桥臂互为冗余桥臂，B1桥臂和C2桥臂互为冗余桥臂，C1桥臂和A2 桥臂互为冗余桥臂；以A1桥臂和C2桥臂故障为例说明，其它情况以此类推：使用两个双向晶闸管TR1 和双向晶闸管TR2分别将A1桥臂和C2桥臂桥臂分别连接至其冗余桥臂B2桥臂和B1桥臂，从而实现容 错控制，此时，电流不流经故障桥臂A1桥臂和C2桥臂桥臂，会通过双向晶闸管TR1和TR2流过B2桥臂 和B1桥臂。
两桥臂故障时，第二种情况是当A1桥臂和B2桥臂同时故障、或B1桥臂和C2桥臂同时故障、或C1 桥臂和A2桥臂同时故障时，A1桥臂和C2桥臂互为冗余桥臂，B1桥臂和A2桥臂互为冗余桥臂，C1桥臂 和B2桥臂互为冗余桥臂。以A1桥臂和B2桥臂故障为例，，其它情况以此类推：可以用双向晶闸管TR1 和TR2将A1桥臂和B2桥臂分别连接至其冗余桥臂C2桥臂和C1桥臂，此时电流不流过A1桥臂和B2桥 臂，会通过双向晶闸管TR1和TR2流经C2桥臂和C1桥臂。
为实现桥臂故障容错使用的调制算法为：
把参考矢量Uref分解为两个互差60°的分矢量，然后在逆变器1和逆变器2中分别控制，参考矢量 分解一共有两种方法，将Uref1分解到逆变器1，Uref2分解到逆变器2；
第1种分解方法：把Uref分解为两个互差60°的分矢量Uref1和Uref2，其中Uref1超前Uref260°；
第2种分解方法，把Uref分解为两个互差60°的分矢量Uref1和Uref2，其中Uref2超前Uref160°；
采用第1种分解方法，将参考电压矢量分解成Uref1和Uref2到逆变器1和逆变器2中；Uref1经过分解 得到基矢量U1和两电平矢量U＇ref1；Uref2经过分解得到基矢量U2和两电平矢量U＇ref2；
因此可知在第1种分解方法中，Uref1经过分解得到基矢量U1和两电平矢量U＇ref1，其中U＇ref1对应的 abc相分量为u＇refa1、u＇refb1、u＇refc1；Uref2经过分解得到基矢量U2和两电平矢量U＇ref2，其中U＇ref2对应的abc 相分量u＇refa2、u＇refb2、u＇refc2，Uref1与Uref2相位相差60°，图出U1与U2相位相差60°，得到
Figure BDA0002741791220000031
利用式(2)和(3)所示的统一电压调制算法对U＇ref1和U＇ref2各自的abc相分量计算，得到的各桥臂假想开 通时间Tas1、Tbs1、Tcs1与Tas2、Tbs2、Tcs2如(4)所示
Figure BDA0002741791220000041
Figure BDA0002741791220000042
Figure BDA0002741791220000043
定义Tmax1、Tmin1、Tmax2、Tmin2为
Figure BDA0002741791220000044
联立式(4)和式(5)可得
Figure BDA0002741791220000045
所以
Figure BDA0002741791220000046
最后，联立式(4)--式(7)可知逆变器1和逆变器2中abc相作用时间为
Figure BDA0002741791220000047
同理
Figure BDA0002741791220000051
由上可知，逆变器1中的A相作用时间和逆变器2中的B相作用时间相同，逆变器1中的B相作用 时间和逆变器2中的C相作用时间相同，逆变器1中的C相作用时间和逆变器2中的A相作用时间相同。 从开关状态的角度来看，A1桥臂的开关状态和B2桥臂的开关状态相同，B1桥臂的开关状态和C2桥臂的 开关状态相同，C1桥臂的开关状态和A2桥臂的开关状态相同；
第2种分解方法的分析和第1种分解方法类似。得到的结论是：逆变器1中的A相作用时间和逆变 器2中的C相作用时间相同，逆变器1中的B相作用时间和逆变器2中的A相作用时间相同，逆变器1中 的C相作用时间和逆变器2中的B相作用时间相同。从开关状态的角度来看，A1桥臂的开关状态和C2桥 臂的开关状态相同，B1桥臂的开关状态和A2桥臂的开关状态相同，C1桥臂的开关状态和B2桥臂的开关 状态相同。
有益效果：由于采用了上述技术方案，具有如下优点：
1、双三电平逆变器拓扑的开绕组电机容错效果好；
2、通过调制算法选取特殊电压矢量，利用特殊电压矢量来构造冗余桥臂，算法简便；
3、本发明是通过调制策略选取特殊电压矢量，从而构造冗余桥臂，利用双向晶闸管把两个互为冗余 桥臂的桥臂侧绕组连接起来。当逆变器系统正常工作时，双向晶闸管断开，对逆变器系统没有影响；当出 现逆变器单桥臂故障或者两桥臂故障时，打开对应的双向晶闸管，并同时封锁故障桥臂开关管脉冲，用冗 余桥臂替代故障桥臂工作。由于两个互为冗余的桥臂的开关状态相同，所以故障前后系统状态不改变。相 比于已经有的容错方案，本发明能够实现故障后不用降低功率运行，即故障前后功率相同。
附图说明
图1为双三电平逆变器拓扑的开绕组电机系统容错拓扑；
图2是采用第1种参考电压矢量分解方法，即Uref1超前Uref2的参考电压矢量分解图；
图3是采用第2种参考电压矢量分解方法，即Uref2超前Uref1的参考电压矢量分解图；
图4是采用第1种参考电压矢量分解方法，参考电压矢量分解成Uref1和Uref2到逆变器1和逆变器2中；
图5为本发明采用第1种参考电压矢量分解方法得到的特殊电压矢量图；
图6为本发明采用第2种参考电压矢量分解方法得到的特殊电压矢量图；
图7为本发明一个实施例A2桥臂故障时的容错拓扑图和故障后的电流路径图；
图8为本发明一个实施例A1桥臂和C2桥臂故障时的容错拓扑和故障后电流路径图；
图9为本发明一个实施例A1桥臂和B2桥臂故障时的容错拓扑和故障后电流路径图；
图10为采用本发明A2桥臂单桥臂故障时的仿真波形图；
图11为采用本发明A1桥臂和C2桥臂两桥臂故障时的仿真波形图；
图12为采用本发明A1桥臂和B2桥臂两桥臂故障时的仿真波形图。
具体实施方式：
下面结合附图对本申请的实施例做进一步说明：
图1为本发明的双三电平逆变器拓扑的开绕组电机桥臂故障的容错方法的双三电平逆变器拓扑的开 绕组电机结构，其逆变器1中包括A1桥臂、B1桥臂、C1桥臂，逆变器2中包括A2桥臂、B2桥臂、C2 桥臂；在逆变器1的A1桥臂、B1桥臂、C1桥臂与逆变器2中包括A2桥臂、B2桥臂、C2桥臂之间分别 设有双向晶闸管TR1、双向晶闸管TR2、双向晶闸管TR3、双向晶闸管TR4、双向晶闸管TR5和双向晶闸 管TR6，其中双向晶闸管TR1的主电级1与A1桥臂绕组侧连接、主电极2与B2桥臂绕组侧连接；双向晶 闸管TR2的主电极1与B1桥臂绕组侧连接、主电极2与C2桥臂绕组侧连接；双向晶闸管TR3的主电极1 与C1桥臂绕组侧连接、主电极2与A2桥臂绕组侧连接；双向晶闸管TR4的主电极1与A1桥臂绕组侧连 接、主电极2与C2桥臂绕组侧连接；双向晶闸管TR5的主电极1与B1桥臂绕组侧连接、主电极2与A2 桥臂绕组侧连接；双向晶闸管TR6的主电极1与C1桥臂绕组侧连接、主电极2与B2桥臂绕组侧连接； 当逆变器1和逆变器2无故障发生时所有双向晶闸管均处于断开状态，当逆变器1和逆变器2出现故障时 通过开启对应的双向晶闸管实现容错工作。
为实现桥臂故障容错，所使用的调制算法为：
把参考矢量Uref分解为两个互差60°的分矢量，然后在两端的逆变器中分别控制。参考矢量分解一 共有两种方法，具体如图2和图3所示，其中Uref1分解到逆变器1，Uref2分解到逆变器2。图2是参考电 压矢量采用第1种分解方法，把Uref分解为两个互差60°的分矢量Uref1和Uref2，其中Uref1超前Uref260°。 图3是参考矢量采用第2种分解方法，把Uref分解为两个互差60°的分矢量Uref1和Uref2，其中Uref2超前 Uref160°。
图4是采用第1种分解方法，参考矢量分解成Uref1和Uref2分别到逆变器1和逆变器2中。Uref1经过 分解得到基矢量U1和两电平矢量U＇ref1；Uref2经过分解得到基矢量U2和两电平矢量U＇ref2。
由图2和图4得：在第1种分解方法中，Uref1经过分解得到基矢量U1和两电平矢量U＇ref1，其中U＇ref1对应的abc相分量为u＇refa1、u＇refb1、u＇refc1；Uref2经过分解得到基矢量U2和两电平矢量U＇ref2，其中U＇ref2对应 的abc相分量u＇refa2、u＇refb2、u＇refc2，具体如图4所示。图2中看出Uref1与Uref2相位相差60°，图4中可以 看出U1与U2相位相差60°，得到
Figure BDA0002741791220000061
利用式(2)和(3)所示的统一电压调制算法对U＇ref1和U＇ref2各自的abc相分量计算，得到的各桥臂假想开 通时间Tas1、Tbs1、Tcs1与Tas2、Tbs2、Tcs2如(4)所示
Figure BDA0002741791220000071
Figure BDA0002741791220000072
Figure BDA0002741791220000073
定义Tmax1、Tmin1、Tmax2、Tmin2为
Figure BDA0002741791220000074
联立式(4)和式(5)可得
Figure BDA0002741791220000075
所以
Figure BDA0002741791220000076
最后，联立式(4)--式(7)可知逆变器1和逆变器2中abc相作用时间为
Figure BDA0002741791220000077
同理
Figure BDA0002741791220000081
也就是说，逆变器1中的A相作用时间和逆变器2中的B相作用时间相同，逆变器1中的B相作用 时间和逆变器2中的C相作用时间相同，逆变器1中的C相作用时间和逆变器2中的A相作用时间相同。 从开关状态的角度来看，A1桥臂的开关状态和B2桥臂的开关状态相同，B1桥臂的开关状态和C2桥臂的 开关状态相同，C1桥臂的开关状态和A2桥臂的开关状态相同。通过上述分析得到如图5所示的参考电压 矢量按照第1中分解方法的特殊电压矢量图。通过选取这些特殊电压矢量，构造冗余桥臂。即A1桥臂和 B2桥臂互为冗余桥臂，B1桥臂和C2桥臂互为冗余桥臂，C1桥臂和A2桥臂互为冗余桥臂。电压矢量图如 图5所示，具体见表1，此类矢量称为特殊电压矢量。
表1第1种矢量分解方法形成的特殊电压矢量
Figure BDA0002741791220000082
Figure BDA0002741791220000091
图6是参考电压矢量按照第2种分解方法的分析和第1种分解方法类似。得到的结论是：逆变器1 中的A相作用时间和逆变器2中的C相作用时间相同，逆变器1中的B相作用时间和逆变器2中的A相作 用时间相同，逆变器1中的C相作用时间和逆变器2中的B相作用时间相同。从开关状态的角度来看，A1 桥臂的开关状态和C2桥臂的开关状态相同，B1桥臂的开关状态和A2桥臂的开关状态相同，C1桥臂的开 关状态和B2桥臂的开关状态相同，电压矢量图如图6所示，具体见表2。
表2第2种矢量分解方法形成的特殊电压矢量
Figure BDA0002741791220000092
Figure BDA0002741791220000101
双三电平逆变器拓扑的开绕组电机单桥臂故障一共有6种情况，分别是：A1桥臂故障，B1桥臂故障， C1桥臂故障，A2桥臂故障，B2桥臂故障，C2桥臂故障。两桥臂故障一共有15种情况，分别是：A1桥臂 和B1桥臂故障，A1桥臂和C1桥臂故障，A1桥臂和A2桥臂故障，A1桥臂和B2桥臂故障，A1和桥臂C2 桥臂故障，B1桥臂和C1桥臂故障，B1桥臂和A2桥臂故障，B1桥臂和B2桥臂故障，B1桥臂和C2桥臂故 障，C1桥臂和A2桥臂故障，C1桥臂和B2桥臂故障，C1桥臂和C2桥臂故障，A2桥臂和B2桥臂故障，A2 桥臂和C2桥臂故障，B2桥臂和C2桥臂故障。
对于单桥臂故障。结合调制策略，参考矢量分解选取第1种分解方法，即通过第一种参考矢量分解 方法，选取A1桥臂和B2桥臂开关状态相同、B1桥臂和C2桥臂开关状态相同、C1桥臂和A2桥臂开关状 态相同的特殊电压矢量。通过选取这些开关状态相同的桥臂，构造冗余桥臂，即A1桥臂和B2桥臂互为冗 余桥臂，B1桥臂和C2桥臂互为冗余桥臂，C1桥臂和A2桥臂互为冗余桥臂。由于互为冗余桥臂的两桥臂 的开关状态相同，所以在一桥臂故障后，可以通过冗余桥臂替换故障桥臂。以A2桥臂故障为例，图7为 双三电平逆变器拓扑的开绕组电机系统中A2桥臂故障时的容错拓扑图和故障后的电流路径图。当A2桥臂 故障时，封锁A2桥臂开关管的脉冲，同时打开双向晶闸管TR3，由于A2桥臂和C1桥臂互为冗余桥臂， 所以可以利用C1桥臂代替A2桥臂工作；此时，电流不流经A2桥臂，会通过双向晶闸管TR3流过C1桥臂。 通过此种方法，实现两桥臂故障容错控制，此方法称之为正三角形接法。
针对以上15种两桥臂故障，共分为两种情况：
两桥臂故障第一种情况是：当A1桥臂和B1桥臂故障，A1桥臂和C1桥臂故障，A1桥臂和A2桥臂 故障，A1桥臂和C2桥臂故障，B1桥臂和C1桥臂故障，B1桥臂和A2桥臂故障，B1桥臂和B2桥臂故障， C1桥臂和B2桥臂故障，C1桥臂和C2桥臂故障，A2桥臂和B2桥臂故障，A2桥臂和C2桥臂故障，B2桥 臂和C2桥臂故障时，共12种两桥臂故障，利用正三角形接法实现两桥臂故障容错，从而等效为两个单桥 臂故障：
当A1桥臂和B1桥臂故障时，封锁A1桥臂和B1桥臂开关管的脉冲，同时打开双向晶闸管TR1和TR2； 当A1桥臂和C1桥臂故障时，封锁A1桥臂和C1桥臂开关管的脉冲，同时打开双向晶闸管TR1和TR3；当 A1桥臂和A2桥臂故障时，封锁A1桥臂和A2桥臂开关管的脉冲，同时打开双向晶闸管TR1和TR3；当 A1桥臂和C2桥臂故障时，封锁A1桥臂和C2桥臂开关管的脉冲，同时打开双向晶闸管TR1和TR2；当B1 桥臂和C1桥臂故障时，封锁B1桥臂和C1桥臂开关管的脉冲，同时打开双向晶闸管TR2和TR3；当B1桥 臂和A2桥臂故障时，封锁B1桥臂和A2桥臂开关管的脉冲，同时打开双向晶闸管TR2和TR3；当B1桥臂 和B2桥臂故障时，封锁B1桥臂和B2桥臂开关管的脉冲，同时打开双向晶闸管TR2和TR1；当C1桥臂和 B2桥臂故障时，封锁C1桥臂和B2桥臂开关管的脉冲，同时打开双向晶闸管TR3和TR1；当C1桥臂和C2 桥臂故障时，封锁C1桥臂和C2桥臂开关管的脉冲，同时打开双向晶闸管TR3和TR2；当A2桥臂和B2 桥臂故障时，封锁A2桥臂和B2桥臂开关管的脉冲，同时打开双向晶闸管TR3和TR1；当A2桥臂和C2 桥臂故障时，封锁A2桥臂和C2桥臂开关管的脉冲，同时打开双向晶闸管TR3和TR2；当B2桥臂和C2 桥臂故障时，封锁B2桥臂和C2桥臂开关管的脉冲，同时打开双向晶闸管TR1和TR2；通过此种方法，实 现两桥臂故障容错控制。
两桥臂故障第二种情况是：当A1桥臂和B2桥臂故障、或B1桥臂和C2桥臂故障、或C1桥臂和A2 桥臂故障时，共3种两桥臂故障，通过利用负三角形接法实现两桥臂故障容错，具体为：
调制算法选取A1桥臂和C2桥臂开关状态相同，B1桥臂和A2桥臂开关状态相同，C1桥臂和B2桥臂 开关状态相同的特殊电压矢量；在此特殊电压矢量状态下，A1桥臂和C2桥臂互为冗余桥臂，B1桥臂和 A2桥臂互为冗余桥臂，C1桥臂和B2桥臂互为冗余桥臂。当A1桥臂和B2桥臂故障时，封锁A1桥臂和 B2桥臂开关管的脉冲，同时打开双向晶闸管TR4和TR6；当B1桥臂和C2桥臂故障时，封锁B1桥臂和C2 桥臂开关管的脉冲，同时打开双向晶闸管TR5和TR4；当C1桥臂和A2桥臂故障时，封锁C1桥臂和A2 桥臂开关管的脉冲，同时打开双向晶闸管TR6和TR5。通过此种方法，实现两桥臂故障容错控制，此方法 称之为负三角形接法。
单桥臂故障时，以A2桥臂故障为例，其它情况以此类推：通过双向晶闸管TR3将A2桥臂侧切换到C1桥臂侧,由于A2桥臂和C1桥臂互为冗余桥臂，所以开关状态相同，在切换到C1桥臂后，电机正常运 行，故障前后功率保持一致。A1桥臂或B2桥臂故障时，通过双向晶闸管TR1实现容错控制，B1桥臂或 C2桥臂故障时，通过双向晶闸管TR2实现容错控制，C1桥臂或A2桥臂故障时，通过双向晶闸管TR3实现 容错控制。
两桥臂故障时，第一种情况是当A1桥臂和B1桥臂故障，A1桥臂和C1桥臂故障，A1桥臂和A2桥臂 故障，A1桥臂和C2桥臂故障，B1桥臂和C1桥臂故障，B1桥臂和A2桥臂故障，B1桥臂和B2桥臂故障， C1桥臂和B2桥臂故障，C1桥臂和C2桥臂故障，A2桥臂和B2桥臂故障，A2桥臂和C2桥臂故障，B2桥 臂和C2桥臂故障时，A1桥臂和B2桥臂互为冗余桥臂，B1桥臂和C2桥臂互为冗余桥臂，C1桥臂和A2 桥臂互为冗余桥臂；以A1桥臂和C2桥臂故障为例说明，其它情况以此类推：使用两个双向晶闸管TR1 和双向晶闸管TR2分别将A1桥臂和C2桥臂桥臂分别连接至其冗余桥臂B2桥臂和B1桥臂，从而实现容 错控制，此时，电流不流经故障桥臂A1桥臂和C2桥臂桥臂，会通过双向晶闸管TR1和TR2流过B2桥臂 和B1桥臂。
两桥臂故障的第二种情况是：当A1桥臂和B2桥臂故障，或B1桥臂和C2桥臂故障，或C1桥臂和A2 桥臂故障时，此时的处理方法是结合调制策略，参考矢量选取第2种分解方法。即通过第二种参考矢量分 解方法，选取A1桥臂和C2桥臂的开关状态相同，B1桥臂和A2桥臂的开关状态相同，C1桥臂和B2桥臂 的开关状态相同的特殊电压矢量，来构造冗余桥臂。此时，A1桥臂和C2桥臂互为冗余桥臂，B1桥臂和 A2桥臂互为冗余桥臂，C1桥臂和B2桥臂互为冗余桥臂。由于互为冗余桥臂的两桥臂的开关状态相同， 所以在一桥臂故障后，可以通过冗余桥臂替换故障桥臂。以A1桥臂和B2桥臂故障为例，图9是双三电 平逆变器拓扑的开绕组电机系统中，当A1和B2桥臂故障时的容错拓扑图和故障后的电流路径图。故障 发生后，封锁A1桥臂和B2桥臂开关管的脉冲，同时打开双向晶闸管TR4和TR6。由于A1桥臂和C2桥臂互为冗余桥臂，B2桥臂和C1桥臂互为冗余桥臂，所以可以利用C2桥臂和C1分别代替A1桥臂和B2桥臂 工作；此时，电流不流经故障桥臂A1桥臂和C2桥臂，会通过双向晶闸管TR4和TR6流过C2桥臂和C1 桥臂。
图10-图12是采用本发明的电流仿真波形图，其中Vdc/2＝400V，仿真时间为0.3s，均在t＝0.15s时发 生桥臂故障，电机空载运行。
图10是采用本发明A2桥臂单桥臂故障时的电流仿真波形图，此类故障容错采用正三角形接法。故 障发生前后电流波形一致，这直接证明了本发明对于单桥臂故障具有容错能力，且故障前后功率一致。
图11是采用本发明A1桥臂和C2桥臂两桥臂故障时的电流仿真波形图，此类故障容错采用正三角形 接法。故障发生前后电流波形一致，本发明对于此类故障具有容错能力。
图12是采用本发明A1桥臂和B2桥臂两桥臂故障时的仿真波形图。此类故障采用负三角形接法。故 障发生前后电流波形一致，本发明对于此类故障具有容错能力。

Claims (6)

1.一种双三电平逆变器拓扑的开绕组电机的桥臂故障容错方法，包括逆变器1和逆变器2，逆变器1中包括A1桥臂、B1桥臂、C1桥臂，逆变器2中包括A2桥臂、B2桥臂、C2桥臂；其特征在于：在逆变器1的A1桥臂、B1桥臂、C1桥臂与逆变器2中包括A2桥臂、B2桥臂、C2桥臂之间分别设有双向晶闸管TR1、双向晶闸管TR2、双向晶闸管TR3、双向晶闸管TR4、双向晶闸管TR5和双向晶闸管TR6，其中双向晶闸管TR1的主电级1与A1桥臂绕组侧连接、主电极2与B2桥臂绕组侧连接；双向晶闸管TR2的主电极1与B1桥臂绕组侧连接、主电极2与C2桥臂绕组侧连接；双向晶闸管TR3的主电极1与C1桥臂绕组侧连接、主电极2与A2桥臂绕组侧连接；双向晶闸管TR4的主电极1与A1桥臂绕组侧连接、主电极2与C2桥臂绕组侧连接；双向晶闸管TR5的主电极1与B1桥臂绕组侧连接、主电极2与A2桥臂绕组侧连接；双向晶闸管TR6的主电极1与C1桥臂绕组侧连接、主电极2与B2桥臂绕组侧连接；当逆变器1和逆变器2无故障发生时所有双向晶闸管均处于断开状态，当逆变器1和逆变器2出现故障时通过开启对应的双向晶闸管实现容错工作。
2.根据权利要求1所述双三电平逆变器拓扑的开绕组电机的桥臂故障容错方法，其特征在于：针对单桥臂故障、两桥臂故障分别有不同的容错步骤，其中单桥臂故障一共有6种情况，分别是：A1桥臂故障，B1桥臂故障，C1桥臂故障，A2桥臂故障，B2桥臂故障，C2桥臂故障。两桥臂故障一共有15种情况，分别是：A1桥臂和B1桥臂故障，A1桥臂和C1桥臂故障，A1桥臂和A2桥臂故障，A1桥臂和B2桥臂故障，A1和桥臂C2桥臂故障，B1桥臂和C1桥臂故障，B1桥臂和A2桥臂故障，B1桥臂和B2桥臂故障，B1桥臂和C2桥臂故障，C1桥臂和A2桥臂故障，C1桥臂和B2桥臂故障，C1桥臂和C2桥臂故障，A2桥臂和B2桥臂故障，A2桥臂和C2桥臂故障，B2桥臂和C2桥臂故障。
针对上述的6种单桥臂故障，通过调制策略选取A1桥臂和B2桥臂开关状态相同，B1桥臂和C2桥臂开关状态相同，C1桥臂和A2桥臂开关状态相同的特殊电压矢量，此时A1桥臂和B2桥臂互为冗余桥臂，B1桥臂和C2桥臂互为冗余桥臂，C1桥臂和A2桥臂互为冗余桥臂；当A1桥臂故障时，封锁A1桥臂开关管的脉冲，同时打开双向晶闸管TR1，由于A1桥臂和B2桥臂互为冗余桥臂，所以利用B2桥臂代替A1桥臂工作，其它故障以此类推。
针对以上15种两桥臂故障，共分为两种情况：
两桥臂故障第一种情况是：当A1桥臂和B1桥臂故障，A1桥臂和C1桥臂故障，A1桥臂和A2桥臂故障，A1桥臂和C2桥臂故障，B1桥臂和C1桥臂故障，B1桥臂和A2桥臂故障，B1桥臂和B2桥臂故障，C1桥臂和B2桥臂故障，C1桥臂和C2桥臂故障，A2桥臂和B2桥臂故障，A2桥臂和C2桥臂故障，B2桥臂和C2桥臂故障时，共12种两桥臂故障，利用正三角形接法实现两桥臂故障容错，从而等效为两个单桥臂故障；当A1桥臂和B1桥臂故障时，封锁A1桥臂和B1桥臂开关管的脉冲，同时打开双向晶闸管TR1和TR2；其它故障以此类推，从而实现两桥臂故障容错控制。
两桥臂故障第二种情况是：当A1桥臂和B2桥臂故障、或B1桥臂和C2桥臂故障、或C1桥臂和A2桥臂故障时，共3种两桥臂故障，具体为：通过调制算法选取A1桥臂和C2桥臂开关状态相同，B1桥臂和A2桥臂开关状态相同，C1桥臂和B2桥臂开关状态相同的特殊电压矢量；在特殊电压矢量状态下，A1桥臂和C2桥臂互为冗余桥臂，B1桥臂和A2桥臂互为冗余桥臂，C1桥臂和B2桥臂互为冗余桥臂；当A1桥臂和B2桥臂故障时，封锁A1桥臂和B2桥臂开关管的脉冲，同时打开双向晶闸管TR4和TR6；其它故障以此类推，实现两桥臂故障容错控制。
3.根据权利要求2所述的双三电平逆变器拓扑的开绕组电机桥臂故障的容错方法，其特征在于：单桥臂故障时，以A2桥臂故障为例：通过双向晶闸管TR3将A2桥臂侧切换到C1桥臂侧,由于A2桥臂和C1桥臂互为冗余桥臂，所以开关状态相同，在切换到C1桥臂后，电机正常运行，故障前后功率保持一致。A1桥臂或B2桥臂故障时，通过双向晶闸管TR1实现容错控制，B1桥臂或C2桥臂故障时，通过双向晶闸管TR2实现容错控制，C1桥臂或A2桥臂故障时，通过双向晶闸管TR3实现容错控制，其它情况以此类推。
4.根据权利要求2所述的双三电平逆变器拓扑的开绕组电机桥臂故障的容错方法，其特征在于：两桥臂故障时，第一种情况是当A1桥臂和B1桥臂故障，A1桥臂和C1桥臂故障，A1桥臂和A2桥臂故障，A1桥臂和C2桥臂故障，B1桥臂和C1桥臂故障，B1桥臂和A2桥臂故障，B1桥臂和B2桥臂故障，C1桥臂和B2桥臂故障，C1桥臂和C2桥臂故障，A2桥臂和B2桥臂故障，A2桥臂和C2桥臂故障，B2桥臂和C2桥臂故障时，A1桥臂和B2桥臂互为冗余桥臂，B1桥臂和C2桥臂互为冗余桥臂，C1桥臂和A2桥臂互为冗余桥臂；以A1桥臂和C2桥臂故障为例说明，使用两个双向晶闸管TR1和双向晶闸管TR2分别将A1桥臂和C2桥臂桥臂分别连接至其冗余桥臂B2桥臂和B1桥臂，从而实现容错控制，此时，电流不流经故障桥臂A1桥臂和C2桥臂桥臂，会通过双向晶闸管TR1和TR2流过B2桥臂和B1桥臂，其它情况以此类推。
5.根据权利要求2所述的双三电平逆变器拓扑的开绕组电机桥臂故障的容错方法，其特征在于：两桥臂故障时，第二种情况是当A1桥臂和B2桥臂同时故障、或B1桥臂和C2桥臂同时故障、或C1桥臂和A2桥臂同时故障时，A1桥臂和C2桥臂互为冗余桥臂，B1桥臂和A2桥臂互为冗余桥臂，C1桥臂和B2桥臂互为冗余桥臂。以A1桥臂和B2桥臂故障为例：可以用双向晶闸管TR1和TR2将A1桥臂和B2桥臂分别连接至其冗余桥臂C2桥臂和C1桥臂，此时电流不流过A1桥臂和B2桥臂，会通过双向晶闸管TR1和TR2流经C2桥臂和C1桥臂，其它情况以此类推。
6.根据权利要求2所述的双三电平逆变器拓扑的开绕组电机桥臂故障的容错方法，其特征在于：为实现桥臂故障容错使用的调制算法为：
把参考矢量Uref分解为两个互差60°的分矢量，然后在逆变器1和逆变器2中分别控制，参考矢量分解一共有两种方法，将Uref1分解到逆变器1，Uref2分解到逆变器2；
第1种分解方法：把Uref分解为两个互差60°的分矢量Uref1和Uref2，其中Uref1超前Uref260°；
第2种分解方法，把Uref分解为两个互差60°的分矢量Uref1和Uref2，其中Uref2超前Uref160°；
采用第1种分解方法，将参考矢量分解成Uref1和Uref2到逆变器1和逆变器2中；Uref1经过分解得到基矢量U1和两电平矢量U＇ref1；Uref2经过分解得到基矢量U2和两电平矢量U＇ref2；
因此可知在第1种分解方法中，Uref1经过分解得到基矢量U1和两电平矢量U＇ref1，其中U＇ref1对应的abc相分量为u＇refa1、u＇refb1、u＇refc1；Uref2经过分解得到基矢量U2和两电平矢量U＇ref2，其中U＇ref2对应的abc相分量u＇refa2、u＇refb2、u＇refc2，Uref1与Uref2相位相差60°，图出U1与U2相位相差60°，得到
Figure FDA0002741791210000031
利用式(2)和(3)所示的统一电压调制算法对U＇ref1和U＇ref2各自的abc相分量计算，得到的各桥臂假想开通时间Tas1、Tbs1、Tcs1与Tas2、Tbs2、Tcs2如(4)所示
Figure FDA0002741791210000032
Figure FDA0002741791210000033
Figure FDA0002741791210000034
定义Tmax1、Tmin1、Tmax2、Tmin2为
Figure FDA0002741791210000035
联立式(4)和式(5)可得
Figure FDA0002741791210000041
所以
Figure FDA0002741791210000042
最后，联立式(4)--式(7)可知逆变器1和逆变器2中abc相作用时间为
Figure FDA0002741791210000043
同理
Figure FDA0002741791210000044
由上可知，逆变器1中的A相作用时间和逆变器2中的B相作用时间相同，逆变器1中的B相作用时间和逆变器2中的C相作用时间相同，逆变器1中的C相作用时间和逆变器2中的A相作用时间相同。从开关状态的角度来看，A1桥臂的开关状态和B2桥臂的开关状态相同，B1桥臂的开关状态和C2桥臂的开关状态相同，C1桥臂的开关状态和A2桥臂的开关状态相同；
第2种分解方法的分析和第1种分解方法类似。得到的结论是：逆变器1中的A相作用时间和逆变器2中的C相作用时间相同，逆变器1中的B相作用时间和逆变器2中的A相作用时间相同，逆变器1中的C相作用时间和逆变器2中的B相作用时间相同。从开关状态的角度来看，A1桥臂的开关状态和C2桥臂的开关状态相同，B1桥臂的开关状态和A2桥臂的开关状态相同，C1桥臂的开关状态和B2桥臂的开关状态相同。
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