TWI689159B

TWI689159B - 三階中性點箝位型變頻器之容錯控制系統及其容錯控制方法

Info

Publication number: TWI689159B
Application number: TW107125550A
Authority: TW
Inventors: 趙貴祥; 柯宸厚
Original assignee: 國立勤益科技大學
Priority date: 2018-07-24
Filing date: 2018-07-24
Publication date: 2020-03-21
Also published as: TW202008698A

Abstract

本發明提供一種三階中性點箝位型變頻器之容錯控制方法，透過修正非故障相之正弦波參考電壓，或操控二第一容錯功率開關、二第二容錯功率開關、二第三容錯功率開關，可以在二第一外部功率開關、二第一內部功率開關、二第二外部功率開關、二第二內部功率開關、二第三外部功率開關及二第三內部功率開關中任一者故障時進行容錯控制，使三階中性點箝位型變頻器仍可作維持三相平衡的輸出，避免危險發生。

Description

三階中性點箝位型變頻器之容錯控制系統及其容錯控制方法

本發明是有關於一種變頻器的容錯控制系統及容錯控制方法，且尤其是有關一種三階中性點箝位型變頻器的容錯控制系統及容錯控制方法。

多階變頻器一般可分為二極體箝位型(Diode-clamp)、T型(T-type)、串聯半橋型(Cascaded H-bridge，CHB)與飛跨電容型(Flying capacitor)等四種，其中三階二極體箝位變頻器電路架構簡單且易於控制，最被廣泛應用，也被稱為中性點箝位變頻器(Neutral point clamped，NPC)，其不需外加箝位電容器和隔離變壓器，因此可以簡化電路。由於這些優點，被廣泛應用於高功率系統中。

可靠性也是目前電力電子系統主要探討的問題之一，中性點箝位變頻器也不例外。一般變頻器常見的故障發生因素有三種，包括短路故障、開路故障及功率晶體開關之觸發信號故障等，其可能導致切換開關損毀，以致於無法正常動作，甚至造成危險發生。

有鑑於此，如何使多階變頻器在故障時亦能正常運作，遂成相關業/學者努力的目標。

本發明提供一種三階中性點箝位型變頻器之容錯控制系統及其容錯控制方法，其透過相位調變及/或控制各相容錯功率開關的啟閉，可使三階中性點箝位型變頻器具備容錯(Fault-tolerant)控制功能，而在元件發生故障時能繼續維持運轉。

依據本發明之一態樣之一實施方式提供一種三階中性點箝位型變頻器之容錯控制方法，用以控制一三階中性點箝位型變頻器，三階中性點箝位型變頻器包含一直流電壓、二電容、一第一相電路、一第二相電路及一第三相電路，二電容串接於直流電壓的一正端點及一負端點之間，第一相電路連接於正端點及負端點之間且包含二第一外部功率開關、二第一內部功率開關及二第一容錯功率開關，二第一外部功率開關分別連接正端點及負端點，二第一內部功率開關串接於二第一外部功率開關之間，二第一容錯功率開關分別與二第一內部功率開關並聯；第二相電路連接於正端點及負端點之間且包含二第二外部功率開關、二第二內部功率開關及二第二容錯功率開關，二第二外部功率開關分別連接正端點及負端點，二第二內部功率開關串接於二第二外部功率開關之間，二第二容錯功率開關分別與二第二內部功率開關並聯；第三相電路連接於正端點及負端點之間且包含二第三外部功率開關、二第三內部功率開關及二第三容錯功率開關，二第三外部功率開關分別連接正端點及負端點，二第三內部功率開關串接於二第三外部功率開關之間，二第三容錯功率開關分別與二第三內部功率開關並聯。三階中性點箝位型變頻器之容錯控制方法包含一訊號調整步驟，訊號調整步驟改變二第一外部功率開關、二第一內部功率開關、二第一容錯功率開關、二第二外部功率開關、二第二內部功率開關、二第二容錯功率開關、二第三外部功率開關、二第三內部功率開關及二第三容錯功率開關中至少一者的開關狀態。其中，當任一第一外部功率開關故障時，截止二第一外部功率開關，操作二第一內部功率開關，修正第二相電路之一第二正弦波參考電壓的相角及第三相電路之一第三正弦波參考電壓的相角；當任一第二外部功率開關故障時，截止二第二外部功率開關，操作二第二內部功率開關，修正第一相電路之一第一正弦波參考電壓的相角及第三正弦波參考電壓的相角；當任一第三外部功率開關故障時，截止二第三外部功率開關，操作二第三內部功率開關，修正第一正弦波參考電壓的相角及第二正弦波參考電壓的相角；當任一第一內部功率開關故障時，截止二第一內部功率開關，操作二第一容錯功率開關；當任一第二內部功率開關故障時，截止二第二內部功率開關，操作二第二容錯功率開關；及當任一第三內部功率開關故障時，截止二第三內部功率開關，操作二第三容錯功率開關。

藉此，透過修正非故障相之正弦波參考電壓，或操控二第一容錯功率開關、二第二容錯功率開關、二第三容錯功率開關，可以在二第一外部功率開關、二第一內部功率開關、二第二外部功率開關、二第二內部功率開關、二第三外部功率開關及二第三內部功率開關中任一者故障時進行容錯控制，使三階中性點箝位型變頻器仍可作維持三相平衡的輸出，避免危險發生。

依據前述之三階中性點箝位型變頻器之容錯控制方法之複數實施例，更可包含一診斷步驟，自二第一外部功率開關、二第一內部功率開關、二第二外部功率開關、二第二內部功率開關、二第三外部功率開關及二第三內部功率開關中判斷一故障者。其中於診斷步驟中，將第一相電路的一第一相輸出線電流、第二相電路的一第二相輸出線電流及第三相電路的一第三相輸出線電流經由快速傅立葉轉換後，擷取(m _f-5)、(m _f+1)及(m _f+5)處之特徵頻譜進行可拓理論故障分析，其中m _f是頻率調變指數(Frequency modulation index)。

依據本發明之另一態樣之一實施方式提供一種三階中性點箝位型變頻器之容錯控制系統，應用如前述之三階中性點箝位型變頻器之容錯控制方法，三階中性點箝位型變頻器之容錯控制系統包含三階中性點箝位型變頻器及一處理單元，處理單元電性連接三階中性點箝位型變頻器且包含一容錯控制器，容錯控制器選擇性啟閉二第一外部功率開關、二第一內部功率開關、二第一容錯功率開關、二第二外部功率開關、二第二內部功率開關、二第二容錯功率開關、二第三外部功率開關、二第三內部功率開關及二第三容錯功率開關。

100‧‧‧三階中性點箝位型變頻器之容錯控制系統

200‧‧‧三階中性點箝位型變頻器

300‧‧‧處理單元

320‧‧‧容錯控制器

330‧‧‧故障診斷器

340‧‧‧快速傅立葉轉換器

400‧‧‧三階中性點箝位型變頻器之容錯控制方法

410‧‧‧診斷步驟

420‧‧‧訊號調整步驟

a‧‧‧第一相輸出點

b‧‧‧第二相輸出點

c‧‧‧第三相輸出點

C₁、C₂‧‧‧電容

D₁₁、D₁₂‧‧‧第一被動式開關

D₂₁、D₂₂‧‧‧第二被動式開關

D₃₁、D₃₂‧‧‧第三被動式開關

i _a‧‧‧第一相輸出線電流

i _b‧‧‧第二相輸出線電流

i _c‧‧‧第三相輸出線電流

N‧‧‧負端點

o‧‧‧中性點

P‧‧‧正端點

P1‧‧‧第一接點

P2‧‧‧第二接點

P3‧‧‧第三接點

P4‧‧‧第四接點

P5‧‧‧第五接點

P6‧‧‧第六接點

P7‧‧‧第七接點

P8‧‧‧第八接點

P9‧‧‧第九接點

P10‧‧‧第十接點

P11‧‧‧第十一接點

P12‧‧‧第十二接點

Sa⁺、Sa^-‧‧‧第一容錯功率開關

Sa1⁺、Sa2^-‧‧‧第一外部功率開關

Sa2⁺、Sa1^-‧‧‧第一內部功率開關

Sb⁺、Sb^-‧‧‧第二容錯功率開關

Sb1⁺、Sb2^-‧‧‧第二外部功率開關

Sb2⁺、Sb1^-‧‧‧第二內部功率開關

Sc⁺、Sc^-‧‧‧第三容錯功率開關

Sc1⁺、Sc2^-‧‧‧第三外部功率開關

Sc2⁺、Sc1^-‧‧‧第三內部功率開關

v _ao、v _bo、v _co‧‧‧相電壓

v _ao1、v _bo1、v _co1‧‧‧異常相電壓

v _ao2、v _bo2、v _co2‧‧‧新相電壓

v _ab、v _bc、v _ca‧‧‧線電壓

v _ab1、v _bc1、v _ca1‧‧‧異常線電壓

v _ab2、v _bc2、v _ca2‧‧‧新線電壓

v _sin,_a‧‧‧第一正弦波參考電壓

+v _sin,_a、-v _sin,_a‧‧‧第一容錯正弦波參考電壓

v _sin,_b‧‧‧第二正弦波參考電壓

+v _sin,_b、-v _sin,_b‧‧‧第二容錯正弦波參考電壓

v _sin,_c‧‧‧第三正弦波參考電壓

+v _sin,_c、-v _sin,_c‧‧‧第三容錯正弦波參考電壓

v _tri,_U、v _tri,_L‧‧‧三角載波信號

v _tri‧‧‧容錯三角載波信號

V _dc‧‧‧直流電壓

第1圖繪示依照本發明一實施例之一種三階中性點箝位型變頻器之容錯控制系統的架構示意圖；第2圖繪示第1圖之三階中性點箝位型變頻器的電路示意圖；第3圖繪示依照本發明另一實施例之一種三階中性點箝位型變頻器之容錯控制方法的步驟流程圖；第4A圖繪示第2圖之三階中性點箝位型變頻器的一電路故障示意圖；第4B圖繪示第2圖之三階中性點箝位型變頻器的另一電路故障示意圖；第5圖繪示第2圖之三階中性點箝位型變頻器發生一第一外部功率開關故障的電路示意圖；第6A圖繪示第5圖之三階中性點箝位型變頻器發生第一外部功率開關故障的一電壓向量圖；第6B圖繪示第5圖之三階中性點箝位型變頻器經容錯控制後的一電壓向量圖；第7圖繪示第5圖之正弦波參考電壓與三角載波信號圖；第8圖繪示第5圖之三階中性點箝位型變頻器的線電流圖；第9圖繪示第5圖之三階中性點箝位型變頻器的線電壓圖；第10圖繪示第2圖之三階中性點箝位型變頻器發生一第二外部功率開關故障的電路示意圖；第11A圖繪示第10圖之三階中性點箝位型變頻器發生第二外部功率開關故障的一電壓向量圖；第11B圖繪示第10圖之三階中性點箝位型變頻器經容錯控制後的一電壓向量圖；第12圖繪示第10圖之正弦波參考電壓與三角載波信號圖；第13圖繪示第2圖之三階中性點箝位型變頻器發生一第三外部功率開關故障的電路示意圖；第14A圖繪示第13圖之三階中性點箝位型變頻器發生第三外部功率開關故障的一電壓向量圖；第14B圖繪示第13圖之三階中性點箝位型變頻器經容錯控制後的一電壓向量圖；第15圖繪示第13圖之正弦波參考電壓與三角載波信號圖；第16圖繪示第2圖之三階中性點箝位型變頻器發生一第一內部功率開關故障的電路示意圖；第17圖繪示第16圖之正弦波參考電壓與三角載波信號圖；第18圖繪示第16圖之三階中性點箝位型變頻器的線電流圖；第19圖繪示第16圖之三階中性點箝位型變頻器的線電壓圖；第20圖繪示第2圖之三階中性點箝位型變頻器發生一第二內部功率開關故障的電路示意圖；第21圖繪示第20圖之正弦波參考電壓與三角載波信號圖；第22圖繪示第2圖之三階中性點箝位型變頻器發生一第三內部功率開關故障的電路示意圖；以及第23圖繪示第22圖之正弦波參考電壓與三角載波信號圖。

以下將參照圖式說明本發明之實施例。為明確說明起見，許多實務上的細節將在以下敘述中一併說明。然而，閱讀者應瞭解到，這些實務上的細節不應用以限制本發明。也就是說，在本發明部分實施例中，這些實務上的細節是非必要的。此外，為簡化圖式起見，一些習知慣用的結構與元件在圖式中將以簡單示意的方式繪示；並且重複之元件將可能使用相同的編號表示。

請參閱第1圖及第2圖，其中第1圖繪示依照本發明一實施例之一種三階中性點箝位型變頻器之容錯控制系統100的架構示意圖，第2圖繪示第1圖之三階中性點箝位型變頻器200的電路示意圖。三階中性點箝位型變頻器之容錯控制系統100包含一三階中性點箝位型變頻器200及一處理單元300。

三階中性點箝位型變頻器200包含一直流電壓V _dc、二電容C₁、C₂、一第一相電路(未標示)、一第二相電路(未標示)及一第三相電路(未標示)，二電容C₁、C₂串接於直流電壓的一正端點P及一負端點N之間。

第一相電路連接於正端點P及負端點N之間且包含二第一外部功率開關Sa1⁺、Sa2^-、二第一內部功率開關Sa2⁺、Sa1^-及二第一容錯功率開關Sa⁺、Sa^-，二第一外部功率開關Sa1⁺、Sa2^-分別連接正端點P及負端點N，二第一內部功率開關Sa2⁺、Sa1^-串接於二第一外部功率開關Sa1⁺、Sa2^-之間，二第一容錯功率開關Sa⁺、Sa^-分別與二第一內部功率開關Sa2⁺、Sa1^-並聯；第二相電路連接於正端點P及負端點N之間且包含二第二外部功率開關Sb1⁺、Sb2^-、二第二內部功率開關Sb2⁺、Sb1^-及二第二容錯功率開關Sb⁺、Sb^-，二第二外部功率開關Sb1⁺、Sb2^-分別連接正端點P及負端點N，二第二內部功率開關Sb2⁺、Sb1^-串接於二第二外部功率開關Sb1⁺、Sb2^-之間，二第二容錯功率開關Sb⁺、Sb^-分別與二第二內部功率開關Sb2⁺、Sb1^-並聯；第三相電路連接於正端點P及負端點N之間且包含二第三外部功率開關Sc1⁺、Sc2^-、二第三內部功率開關Sc2⁺、Sc1^-及二第三容錯功率開關Sc⁺、Sc^-，二第三外部功率開關Sc1⁺、Sc2^-分別連接正端點P及負端點N，二第三內部功率開關Sc2⁺、Sc1^-串接於二第三外部功率開關Sc1⁺、Sc2^-之間，二第三容錯功率開關Sc⁺、Sc^-分別與二第三內部功率開關Sc2⁺、Sc1^-並聯。

更詳細的說，電容C₁的一上端與正端點P電性連接，電容C₁的一下端以一中性點o與另一電容C₂的一上端電性連接，電容C₂的一下端與負端點N電性連接。

第一外部功率開關Sa1⁺的一上端與正端點P電性連接，第一外部功率開關Sa2^-的一下端與負端點N電性連接；第一內部功率開關Sa2⁺的一上端與第一外部功率開關Sa1⁺的一下端以一第一接點P1電性連接，第一內部功率開關Sa2⁺的一下端與第一內部功率開關Sa1^-的一上端以一第二接點P2電性連接，第一內部功率開關Sa1^-的一下端與第一外部功率開關Sa2^-的一上端以一第三接點P3電性連接；第一容錯功率開關Sa⁺的一上端與第一接點P1電性連接，第一容錯功率開關Sa⁺的一下端與第一容錯功率開關Sa^-的一上端及第二接點P2電性連接，第一容錯功率開關Sa^-的一下端與第三接點P3電性連接。

第二外部功率開關Sb1⁺的一上端與正端點P電性連接，第二外部功率開關Sb2^-的一下端與負端點N電性連接；第二內部功率開關Sb2⁺的一上端與第二外部功率開關Sb1⁺的一下端以一第四接點P4電性連接，第二內部功率開關Sb2⁺的一下端與第二內部功率開關Sb1^-的一上端以一第五接點P5電性連接，第二內部功率開關Sb1^-的一下端與第二外部功率開關Sb2^-的一上端以一第六接點P6電性連接；第二容錯功率開關Sb⁺的一上端與第四接點P4電性連接，第二容錯功率開關Sb⁺的一下端與第二容錯功率開關Sb^-的一上端及第五接點P5電性連接，第二容錯功率開關Sb^-的一下端與第六接點P6電性連接。

第三外部功率開關Sc1⁺的一上端與正端點P電性連接，第三外部功率開關Sc2^-的一下端與負端點N電性連接；第三內部功率開關Sc2⁺的一上端與第三外部功率開關Sc1⁺的一下端以一第七接點P7電性連接，第三內部功率開關Sc2⁺的一下端與第三內部功率開關Sc1^-的一上端以一第八接點P8電性連接，第三內部功率開關Sc1^-的一下端與第三外部功率開關Sc2^-的一上端以一第九接點P9電性連接；第三容錯功率開關Sc⁺的一上端與第七接點P7電性連接，第三容錯功率開關Sc⁺的一下端與第三容錯功率開關Sc^-的一上端及第八接點P8電性連接，第三容錯功率開關Sc^-的一下端與第九接點P9電性連接。

處理單元300電性連接三階中性點箝位型變頻器200且包含一容錯控制器320，容錯控制器320選擇性啟閉二第一外部功率開關Sa1⁺、Sa2^-、二第一內部功率開關Sa2⁺、Sa1^-、二第一容錯功率開關Sa⁺、Sa^-、二第二外部功率開關Sb1⁺、Sb2^-、二第二內部功率開關Sb2⁺、Sb1^-、二第二容錯功率開關Sb⁺、Sb^-、二第三外部功率開關Sc1⁺、Sc2^-、二第三內部功率開關Sc2⁺、Sc1^-及二第三容錯功率開關Sc⁺、Sc^-。

上述的第一相即a相，第二相即b相，第三相即c相，第一相電路可更包含二第一被動式開關D₁₁、D₁₂，第一被動式開關D₁₁的一上端電性連接第一接點P1，第一被動式開關D₁₁的一下端以一第十接點P10電性連接第一被動式開關D₁₂的一上端，第一被動式開關D₁₂的一下端電性連接第三接點P3。第二相電路可更包含二第二被動式開關D₂₁、D₂₂，第二被動式開關D₂₁的一上端電性連接第四接點P4，第二被動式開關D₂₁的一下端以一第十一接點P11電性連接第二被動式開關D₂₂的一上端，第二被動式開關D₂₂的一下端電性連接第六接點P6。第三相電路可更包含二第三被動式開關D₃₁、D₃₂，第三被動式開關D₃₁的一上端電性連接第七接點P7，第三被動式開關D₃₁的一下端以一第十二接點P12電性連接第三被動式開關D₃₂的一上端，第三被動式開關D₃₂的一下端電性連接第九接點P9。中性點o電性連接第十接點P10、第十一接點P11及第十二接點P12，也就是說，中性點o、第十接點P10、第十一接點P11及第十二接點P12在電性上是屬於同一電位點。而第一被動式開關D₁₁、D₁₂、第二被動式開關D₂₁、D₂₂、第三被動式開關D₃₁、D₃₂皆為二極體。

另外，二第一外部功率開關Sa1⁺、Sa2^-、二第一內部功率開關Sa2⁺、Sa1^-、二第一容錯功率開關Sa⁺、Sa^-、二第二外部功率開關Sb1⁺、Sb2^-、二第二內部功率開關Sb2⁺、Sb1^-、二第二容錯功率開關Sb⁺、Sb^-、二第三外部功率開關Sc1⁺、Sc2^-、二第三內部功率開關Sc2⁺、Sc1^-及二第三容錯功率開關Sc⁺、Sc^-皆有一背接二極體跨接於上端及下端之間。

三階中性點箝位型變頻器200之作動原理是將直流電壓V _dc利用電容C₁、C₂均分成三個電壓等級，其中正端點P的電壓是+1/2 V _dc、中性點o的電壓是0，負端點N的電壓是-1/2 V _dc，而使輸出電壓具有三種變化。故使用二極體與二第一外部功率開關Sa1⁺、Sa2^-、二第一內部功率開關Sa2⁺、Sa1^-、二第二外部功率開關Sb1⁺、Sb2^-、二第二內部功率開關Sb2⁺、Sb1^-、二第三外部功率開關Sc1⁺、Sc2^-及二第三內部功率開關Sc2⁺、Sc1^-將輸出電壓箝位於中性點o的電壓，而隨著二極體與二第一外部功率開關Sa1⁺、Sa2^-、二第一內部功率開關Sa2⁺、Sa1^-、二第二外部功率開關Sb1⁺、Sb2^-、二第二內部功率開關Sb2⁺、Sb1^-、二第三外部功率開關Sc1⁺、Sc2^-及二第三內部功率開關Sc2⁺、Sc1^-的開關狀態的切換，將產生不同的輸出結果。

在控制上，容錯控制器320提供調變信號以控制二第一外部功率開關Sa1⁺、Sa2^-、二第一內部功率開關Sa2⁺、Sa1^-、二第一容錯功率開關Sa⁺、Sa^-、二第二外部功率開關Sb1⁺、Sb2^-、二第二內部功率開關Sb2⁺、Sb1^-、二第二容錯功率開關Sb⁺、Sb^-、二第三外部功率開關Sc1⁺、Sc2^-、二第三內部功率開關Sc2⁺、Sc1^-及二第三容錯功率開關Sc⁺、Sc^-啟閉，第2圖之實施例中使用正弦脈波寬度調變(Sinusoidal pulse width modulation，SPWM)策略，其是利用正弦波參考電壓與三角載波信號相互比較後，產生調變信號。三角載波信號分為v _tri,_U與v _tri,_L；正弦波參考電壓則分為用於第一相電路的第一正弦波參考電壓v _sin,_a，用於第二相電路的第二正弦波參考電壓v _sin,_b及用於第三相電路的第三正弦波參考電壓v _sin,_c，而v _sin,_a=m_asin(θ)，v _sin,_b=m_asin(θ-120°)及v _sin,_c=m_asin(θ-240°)，其中θ代表相角，其介於0至360°之間，m_a為調變指標(Modulation index)，且m_a=V_sin/V_tri，V_tri表示三角載波振幅，V_sin則為正弦波參考電壓之振幅。

因此，當第一正弦波參考電壓v _sin,_a大於三角載波信號v _tri,_U(v _sin,_a>v _tri,_U)時，第一外部功率開關Sa1⁺及第一內部功率開關Sa2⁺導通，第一相輸出點a的相電壓v _ao=+1/2 V _dc；若第一正弦波參考電壓v _sin,_a介於三角載波信號v _tri,_U及v _tri,_L之間(v _tri,_U>v _sin,_a>v _tri,_L)，二第一內部功率開關Sa2⁺、Sa1^-導通，第一相輸出點a的電壓v _ao為0；若第一正弦波參考電壓v _sin,_a小於三角載波信號v _tri,_L(v _sin,_a<v _tri,_L)，第一內部功率開關Sa1^-及第一外部功率開關Sa2^-導通，則第一相輸出點a的相電壓v _ao=-1/2 V _dc。第二相輸出點b的相電壓v _bo及第三相輸出點c的相電壓v _co的原理與第一相輸出點a的相電壓v _ao類似，不再贅述。此外，第一相輸出點a與第二相輸出點b之間具有線電壓v _ab，第二相輸出點b與第三相輸出點c之間具有線電壓v _bc，第一相輸出點a與第三相輸出點c之間具有線電壓v _ca。

請參閱第3圖，其中第3圖繪示依照本發明另一實施例之一種三階中性點箝位型變頻器之容錯控制方法400的步驟流程圖。三階中性點箝位型變頻器之容錯控制方法400包含診斷步驟410及訊號調整步驟420。

於診斷步驟410中，自二第一外部功率開關Sa1⁺、Sa2^-、二第一內部功率開關Sa2⁺、Sa1^-、二第二外部功率開關Sb1⁺、Sb2^-、二第二內部功率開關Sb2⁺、Sb1^-、二第三外部功率開關Sc1⁺、Sc2^-及二第三內部功率開關Sc2⁺、Sc1^-中判斷一故障者。

於訊號調整步驟420中，改變二第一外部功率開關Sa1⁺、Sa2^-、二第一內部功率開關Sa2⁺、Sa1^-、二第二外部功率開關Sb1⁺、Sb2^-、二第二內部功率開關Sb2⁺、Sb1^-、二第三外部功率開關Sc1⁺、Sc2^-及二第三內部功率開關Sc2⁺、Sc1^-中至少一者的開關狀態。其中，當任一第一外部功率開關Sa1⁺、Sa2^-故障時，截止二第一外部功率開關Sa1⁺、Sa2^-，操作二第一內部功率開關Sa2⁺、Sa1^-，修正第二正弦波參考電壓v _sin,_b的相角及第三正弦波參考電壓v _sin,_c的相角；當任一第二外部功率開關Sb1⁺、Sb2^-故障時，截止二第二外部功率開關Sb1⁺、Sb2^-，操作二第二內部功率開關Sb2⁺、Sb1^-，修正第一正弦波參考電壓v _sin,_a的相角及第三正弦波參考電壓v _sin,_c的相角；當任一第三外部功率開關Sc1⁺、Sc2^-故障時，截止二第三外部功率開關Sc1⁺、Sc2^-，操作二第三內部功率開關Sc2⁺、Sc1^-，修正第一正弦波參考電壓v _sin,_a的相角及第二正弦波參考電壓v _sin,_b的相角；當任一第一內部功率開關Sa2⁺、Sa1^-故障時，截止二第一內部功率開關Sa2⁺、Sa1^-，操作二第一容錯功率開關Sa⁺、Sa^-；當任一第二內部功率開關Sb2⁺、Sb1^-故障時，截止二第二內部功率開關Sb2⁺、Sb1^-，操作二第二容錯功率開關Sb⁺、Sb^-；及當任一第三內部功率開關Sc2⁺、Sc1^-故障時，截止二第三內部功率開關Sc2⁺、Sc1^-，操作二第三容錯功率開關Sc⁺、Sc^-。

請參閱第4A圖及第4B圖，第4A圖繪示第2圖之三階中性點箝位型變頻器200的一電路故障示意圖，第4B圖繪示第2圖之三階中性點箝位型變頻器200的另一電路故障示意圖。為了避免危險發生，三階中性點箝位型變頻器之容錯控制方法400可以在二第一外部功率開關Sa1⁺、Sa2^-、二第一內部功率開關Sa2⁺、Sa1^-、二第二外部功率開關Sb1⁺、Sb2^-、二第二內部功率開關Sb2⁺、Sb1^-、二第三外部功率開關Sc1⁺、Sc2^-及二第三內部功率開關Sc2⁺、Sc1^-中任一者故障時進行容錯控制。

如第4A圖所示，當二第一外部功率開關Sa1⁺、Sa2^-、二第二外部功率開關Sb1⁺、Sb2^-及二第三外部功率開關Sc1⁺、Sc2^-中任一者故障時，稱為外部開關故障，毋需使用到二第一容錯功率開關Sa⁺、Sa^-、二第二容錯功率開關Sb⁺、Sb^-、二第三容錯功率開關Sc⁺、Sc^-即可進行容錯控制；反之，如第4B圖所示，當二第一內部功率開關Sa2⁺、Sa1^-、二第二內部功率開關Sb2⁺、Sb1^-及二第三內部功率開關Sc2⁺、Sc1^-中任一者故障時，稱為內部開關故障，需使用到二第一容錯功率開關Sa⁺、Sa^-、二第二容錯功率開關Sb⁺、Sb^-、二第三容錯功率開關Sc⁺、Sc^-來進行容錯控制。

請參閱第5圖、第6A圖、第6B圖、第7圖、第8圖及第9圖，其中第5圖繪示第2圖之三階中性點箝位型變頻器200發生一第一外部功率開關Sa1⁺故障的電路示意圖，第6A圖繪示第5圖之三階中性點箝位型變頻器200發生第一外部功率開關Sa1⁺故障的一電壓向量圖，第6B圖繪示第5圖之三階中性點箝位型變頻器200經容錯控制後的一電壓向量圖，第7圖繪示第5圖之正弦波參考電壓與三角載波信號v _tri,U與v _tri,L圖，第8圖繪示第5圖之三階中性點箝位型變頻器200的線電流圖，第9圖繪示第5圖之三階中性點箝位型變頻器200的線電壓圖。

如第5圖所示，當第一外部功率開關Sa1⁺發生開路故障時，將第一外部功率開關Sa1⁺、Sa2^-截止，且令二第一內部功率開關Sa2⁺、Sa1^-導通，此時第一相輸出點a連接至中性點o，而第二相電路及第三相電路仍做正常開關之切換。因此，如第6A圖所示，相電壓v _bo及相電壓v _co正常，相電壓v _ao變為異常相電壓v _ao1(位於中心)且為零，線電壓v _ca變為異常線電壓v _ca1(與相電壓v _co重疊)，線電壓v _ab變為異常線電壓v _ab1，線電壓v _bc正常；再如第6B圖及第7圖所示，容錯控制器320必須同時分別修正第二正弦波參考電壓v _sin,_b的相角及第三正弦波參考電壓v _sin,_c的相角使其分別為-150°及+150°(假設第一正弦波參考電壓v _sin,_a的相角為0°)，而使異常線電壓v _ca1變為新線電壓v _ca2，異常線電壓v _ab1變為新線電壓v _ab2，線電壓v _bc變為新線電壓v _bc2(與線電壓v _bc相角相同而向量長度不同)，相電壓v _co變為新相電壓v _co2(與新線電壓v _ca2重疊)，相電壓v _bo變為新相電壓v _bo2，異常相電壓v _ao1變為新相電壓v _ao2(仍為零)，進而使向量圖能維持三相平衡。經容錯控制器320調整過的第一正弦波參考電壓v _sin,_a、第二正弦波參考電壓v _sin,_b、第三正弦波參考電壓v _sin,_c及三角載波信號v _tri,U與v _tri,L如第7圖所示，再依此發出調變信號啟閉二第一內部功率開關Sa2⁺、Sa1^-、二第二外部功率開關Sb1⁺、Sb2^-、二第二內部功率開關Sb2⁺、Sb1^-、二第三外部功率開關Sc1⁺、Sc2^-及二第三內部功率開關Sc2⁺、Sc1^-。

如第8圖所示，當三階中性點箝位型變頻器200正常時，第一相輸出線電流i _a、第二相輸出線電流i _b及第三相輸出線電流i _c正常輸出，而當第一外部功率開關Sa1⁺發生開路故障時出現異常，在進行容錯控制後可以回復三相平衡的狀態。

如第9圖所示，當三階中性點箝位型變頻器200正常時，線電壓v _ab、v _bc、v _ca正常輸出，而當第一外部功率開關Sa1⁺發生開路故障時出現異常，在進行容錯控制後可以回復三相平衡的狀態。

請參閱第10圖、第11A圖、第11B圖及第12圖，其中第10圖繪示第2圖之三階中性點箝位型變頻器200發生一第二外部功率開關Sb2^-故障的電路示意圖，第11A圖繪示第10圖之三階中性點箝位型變頻器200發生第二外部功率開關Sb2^-故障的一電壓向量圖，第11B圖繪示第10圖之三階中性點箝位型變頻器200經容錯控制後的一電壓向量圖，第12圖繪示第10圖之正弦波參考電壓與三角載波信號v _tri,U與v _tri,L圖。

如第10圖所示，當第二外部功率開關Sb2^-發生開路故障時，將第二外部功率開關Sb1⁺、Sb2^-截止，且令二第二內部功率開關Sb2⁺、Sb1^-導通，此時第二相輸出點b連接至中性點o，而第一相電路及第三相電路仍做正常開關之切換。因此，如第11A圖所示，相電壓v_ao及相電壓v_co正常，相電壓v _bo變為異常相電壓v _bo1(位於中心)且為零，線電壓v _bc變為異常線電壓v _bc1，線電壓v _ab變為異常線電壓v _ab1(與相電壓v _ao重疊)，線電壓v _ca正常，再如第11B圖及第12圖所示，必須同時分別修正第一正弦波參考電壓v _sin,_a的相角及第三正弦波參考電壓v _sin,_c的相角使其分別為+30°及+90°(假設第一正弦波參考電壓v _sin,_a的相角為0°)，而使異常線電壓v _ab1變為新線電壓v _ab2，異常線電壓v _bc1變為新線電壓v _bc2，線電壓v _ca變為新線電壓v _ca2(與線電壓v _ca相角相同而向量長度不同)，相電壓v _ao變為新相電壓v _ao2(與新線電壓v _ab2重疊)，相電壓v _co變為新相電壓v _co2，異常相電壓v _bo1變為新相電壓v _bo2(仍為零)，進而使向量圖能維持三相平衡。調整過的第一正弦波參考電壓v _sin,_a、第二正弦波參考電壓v _sin,_b、第三正弦波參考電壓v _sin,_c及三角載波信號v _tri,U與v _tri,L如第12圖所示。

請參閱第13圖、第14A圖、第14B圖及第15圖，其中第13圖繪示第2圖之三階中性點箝位型變頻器200發生一第三外部功率開關Sc1⁺故障的電路示意圖，第14A圖繪示第13圖之三階中性點箝位型變頻器200發生第三外部功率開關Sc1⁺故障的一電壓向量圖，第14B圖繪示第13圖之三階中性點箝位型變頻器200經容錯控制後的一電壓向量圖，第15圖繪示第13圖之正弦波參考電壓與三角載波信號v _tri,U與v _tri,L圖。

如第13圖所示，當第三外部功率開關Sc2^-發生開路故障時，將第三外部功率開關Sc1⁺、Sc2^-截止，且令二第三內部功率開關Sc2⁺、Sc1^-導通，此時第三相輸出點c連接至中性點o，而第一相電路及第二相電路仍做正常開關之切換。因此，如第14A圖所示，相電壓v _ao及相電壓v _bo正常，相電壓v _co變為異常相電壓v _co1(位於中心)且為零，線電壓v _bc變為異常線電壓v _bc1(與相電壓v _bo重疊)，線電壓v _ca變為異常線電壓v _ca1，線電壓v _ab正常，再如第14B圖及第15圖所示，必須同時分別修正第一正弦波參考電壓v _sin,_a的相角及第二正弦波參考電壓v _sin,_b的相角使其分別為-30°及-90°(假設第一正弦波參考電壓v _sin,a的相角為0°)，而使線電壓v _ab變為新線電壓v _ab2(與線電壓v _ab相角相同而向量長度不同)，異常線電壓v _bc1變為新線電壓v _bc2，異常線電壓v _ca1變為新線電壓v _ca2，相電壓v _ao變為新相電壓v _ao2，相電壓v _bo變為新相電壓v _bo2(與新線電壓v _bc2重疊)，異常相電壓v _co1變為新相電壓v _co2(仍為零)，進而使向量圖能維持三相平衡。調整過的第一正弦波參考電壓v _sin,_a、第二正弦波參考電壓v _sin,_b、第三正弦波參考電壓v _sin,_c及三角載波信號v _tri,U與v _tri,L如第15圖所示。

請參閱第16圖、第17圖、第18圖及第19圖，其中第16圖繪示第2圖之三階中性點箝位型變頻器200發生一第一內部功率開關Sa2⁺故障的電路示意圖，第17圖繪示第 16圖之正弦波參考電壓與三角載波信號圖，第18圖繪示第16圖之三階中性點箝位型變頻器200的線電流圖，第19圖繪示第16圖之三階中性點箝位型變頻器200的線電壓圖。

如第16圖所示，當第一內部功率開關Sa2⁺發生開路故障情況，此時第一相輸出點a無法正常連接至中性點o，故相電壓v _ao出現異常並造成電流失真，此時必須啟動容錯控制，將第一內部功率開關Sa2⁺、Sa1^-截止，觸發二第一容錯功率開關Sa⁺、Sa^-，允許第一外部功率開關Sa1⁺、Sa2^-做二階電壓切換，即將三階輸出電壓改為二階輸出，但仍維持三相平衡輸出。而可如第17圖所示，使用二第一容錯正弦波參考電壓+v _sin,_a、-v _sin,_a與容錯三角載波信號v _tri比較後，產生正弦脈波寬度調變訊號來觸發二第一容錯功率開關Sa⁺、Sa^-啟閉，其中二第一容錯正弦波參考電壓+v _sin,_a、-v _sin,_a為反相關係。

如第18圖所示，當三階中性點箝位型變頻器200正常時，第一相輸出線電流i _a、第二相輸出線電流i _b及第三相輸出線電流i _c是正常輸出，而當第一內部功率開關Sa2⁺發生開路故障時則出現異常，但在進行容錯控制後可以回復三相平衡的狀態。

如第19圖所示，當三階中性點箝位型變頻器200正常時，線電壓v _ab、v _bc、v _ca正常輸出，而當第一內部功率開關Sa2⁺發生開路故障時則出現異常，但在進行容錯控制後可以回復三相平衡的狀態。

請參閱第20圖及第21圖，其中第20圖繪示第2圖之三階中性點箝位型變頻器200發生一第二內部功率開關Sb1^-故障的電路示意圖，第21圖繪示第20圖之正弦波參考電壓與三角載波信號圖。

如第20圖所示，當第二內部功率開關Sb1^-發生開路故障情況，此時第二相輸出點b無法正常連接至中性點o，故相電壓v _bo出現異常並造成電流失真，此時必須啟動容錯控制，將第二內部功率開關Sb2⁺、Sb1^-截止，觸發二第二容錯功率開關Sb⁺、Sb^-，允許第二外部功率開關Sb1⁺、Sb2^-做二階電壓切換，即將三階輸出電壓改為二階輸出，但仍維持三相平衡輸出。而可第21圖所示，使用二第二容錯正弦波參考電壓+v _sin,_b、-v _sin,_b與容錯三角載波信號v _tri比較後，產生正弦脈波寬度調變訊號來觸發二第二容錯功率開關Sb⁺、Sb^-啟閉，其中二第二容錯正弦波參考電壓+v _sin,_b、-v _sin,_b為反相關係。

請參閱第22圖及第23圖，其中第22圖繪示第2圖之三階中性點箝位型變頻器200發生一第三內部功率開關Sc2⁺故障的電路示意圖，第23圖繪示第22圖之正弦波參考電壓與三角載波信號圖。

如第22圖所示，當第三內部功率開關Sc2⁺發生開路故障情況，此時第三相輸出點c無法正常連接至中性點o，故相電壓v _co出現異常並造成電流失真，此時必須啟動容錯控制，將第三內部功率開關Sc2⁺、Sc1^-截止，觸發二第三容錯功率開關Sc⁺、Sc^-，允許第三外部功率開關Sc1⁺、 Sc2^-做二階電壓切換，即將三階輸出電壓改為二階輸出，但仍維持三相平衡輸出。而可第21圖所示，使用二第三容錯正弦波參考電壓+v _sin,_c、-v _sin,_c與容錯三角載波信號v _tri比較後，產生正弦脈波寬度調變訊號來觸發二第二容錯功率開關Sb⁺、Sb^-啟閉二第三容錯功率開關Sc⁺、Sc^-啟閉，其中二第三容錯正弦波參考電壓+v _sin,_c、-v _sin,_c為反相關係。

請復參閱第1圖，在本實施例中，處理單元300可更包含一快速傅立葉轉換器340及一故障診斷器330，快速傅立葉轉換器340將第一相輸出線電流i _a、第二相輸出線電流i _b及第三相輸出線電流i _c進行分析，故障診斷器330訊號連接快速傅立葉轉換器340，故可以透過快速傅立葉轉換器340的分析資料找出三階中性點箝位型變頻器200的故障位置。

而在診斷步驟410中，是將第一相電路的第一相輸出線電流i _a、第二相電路的第二相輸出線電流i _b及第三相電路的第三相輸出線電流i _c經由快速傅立葉轉換後，擷取(m _f-5)、(m _f+1)及(m _f+5)處之特徵頻譜進行可拓理論故障分析，其中m _f是頻率調變指數(Frequency modulation index)，如式(1)所示：

其中f _tri為三角載波信號之頻率；而f _sin為正弦波參考電壓之頻率，即三階中性點箝位型變頻器200之工作頻率。

快速傅立葉轉換器340已內建快速傅立葉轉換方法，在故障診斷時，先以三階中性點箝位型變頻器200之十二種故障類別與其相對應之故障特徵值建立物元模型，再將第一相輸出線電流i _a、第二相輸出線電流i _b及第三相輸出線電流i _c經由快速傅立葉轉換器340後所得之頻譜，取其故障特徵值送至以可拓理論建立之故障診斷器330內判斷出故障之類別，即可得知故障位置。其中可拓理論之變頻器故障診斷方法及辨識程序為；(1)建立十二種開關故障類別之物元模型；(2)從故障類別之特徵頻譜，訂出各故障類別之節域上限及下限；(3)再由故障類別之特徵頻譜，設定各故障類別經典域之範圍；(4)完成節域及經典域之設定後，即可進行故障類別判斷；以及(5)輸出故障類別之結果。其中十二種開關故障類別分別對應二第一外部功率開關Sa1⁺、Sa2^-、二第一內部功率開關Sa2⁺、Sa1^-、二第二外部功率開關Sb1⁺、Sb2^-、二第二內部功率開關Sb2⁺、Sb1^-、二第三外部功率開關Sc1⁺、Sc2^-以及二第三內部功率開關Sc2⁺、Sc1^-。

透過上述的快速傅立葉轉換及可拓理論故障分析可準確找出三階中性點箝位型變頻器200的故障位置，但故障診斷的方法亦可以是其他診斷方式，不以上述揭露為限。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

400‧‧‧三階中性點箝位型變頻器之容錯控制方法

410‧‧‧診斷步驟

420‧‧‧訊號調整步驟

Claims

一種三階中性點箝位型變頻器之容錯控制方法，用以控制一三階中性點箝位型變頻器，該三階中性點箝位型變頻器包含一直流電壓、二電容、一第一相電路、一第二相電路及一第三相電路，二該電容串接於該直流電壓的一正端點及一負端點之間，該第一相電路連接於該正端點及該負端點之間且包含二第一外部功率開關、二第一內部功率開關及二第一容錯功率開關，二該第一外部功率開關分別連接該正端點及該負端點，二該第一內部功率開關串接於二該第一外部功率開關之間，二該第一容錯功率開關分別與二該第一內部功率開關並聯；該第二相電路連接於該正端點及該負端點之間且包含二第二外部功率開關、二第二內部功率開關及二第二容錯功率開關，二該第二外部功率開關分別連接該正端點及該負端點，二該第二內部功率開關串接於二該第二外部功率開關之間，二該第二容錯功率開關分別與二該第二內部功率開關並聯；該第三相電路連接於該正端點及該負端點之間且包含二第三外部功率開關、二第三內部功率開關及二第三容錯功率開關，二該第三外部功率開關分別連接該正端點及該負端點，二該第三內部功率開關串接於二該第三外部功率開關之間，二該第三容錯功率開關分別與二該第三內部功率開關並聯；該三階中性點箝位型變頻器之容錯控制方法包含：一訊號調整步驟，改變二該第一外部功率開關、二該第一內部功率開關、二該第一容錯功率開關、二該第二外部功率開關、二該第二內部功率開關、二該第二容錯功率開關、二該第三外部功率開關、二該第三內部功率開關及二該第三容錯功率開關中至少一者的開關狀態，其中，當任一該第一外部功率開關故障時，截止二該第一外部功率開關，操作二該第一內部功率開關，修正該第二相電路之一第二正弦波參考電壓的相角及該第三相電路之一第三正弦波參考電壓的相角；當任一該第二外部功率開關故障時，截止二該第二外部功率開關，操作二該第二內部功率開關，修正該第一相電路之一第一正弦波參考電壓的相角及該第三正弦波參考電壓的相角；當任一該第三外部功率開關故障時，截止二該第三外部功率開關，操作二該第三內部功率開關，修正該第一正弦波參考電壓的相角及該第二正弦波參考電壓的相角；當任一該第一內部功率開關故障時，截止二該第一內部功率開關，操作二該第一容錯功率開關；當任一該第二內部功率開關故障時，截止二該第二內部功率開關，操作二該第二容錯功率開關；及當任一該第三內部功率開關故障時，截止二該第三內部功率開關，操作二該第三容錯功率開關。
如申請專利範圍第1項所述之三階中性點箝位型變頻器之容錯控制方法，更包含一診斷步驟，自二該第一外部功率開關、二該第一內部功率開關、二該第二外部功率開關、二該第二內部功率開關、二該第三外部功率開關及二該第三內部功率開關中判斷一故障者。
如申請專利範圍第2項所述之三階中性點箝位型變頻器之容錯控制方法，其中於該診斷步驟中，將該第一相電路的一第一相輸出線電流、該第二相電路的一第二相輸出線電流及該第三相電路的一第三相輸出線電流經由快速傅立葉轉換後，擷取(m _f-5)、(m _f+1)及(m _f+5)處之特徵頻譜進行可拓理論故障分析，其中m _f是頻率調變指數。
一種三階中性點箝位型變頻器之容錯控制系統，應用如申請專利範圍第1項所述之三階中性點箝位型變頻器之容錯控制方法，該三階中性點箝位型變頻器之容錯控制系統包含：該三階中性點箝位型變頻器；一處理單元，電性連接該三階中性點箝位型變頻器，該處理單元包含：一容錯控制器，選擇性啟閉二該第一外部功率開關、二該第一內部功率開關、二該第一容錯功率開關、二該第二外部功率開關、二該第二內部功率開關、二該第二容錯功率開關、二該第三外部功率開關、二該第三內部功率開關及二該第三容錯功率開關。