李小川，王 明，李艷玲

(1.西安長(zhǎng)慶科技工程有限責(zé)任公司，陜西西安710018;2.長(zhǎng)慶油田公司第七采油廠，甘肅環(huán)縣745700)

0 引 言

隨著永磁同步電動(dòng)機(jī)(PMSM)廣泛應(yīng)用于風(fēng)機(jī)、水泵、數(shù)控機(jī)床、船舶推進(jìn)、工業(yè)機(jī)器人以及航空航天等交流調(diào)速應(yīng)用領(lǐng)域，人們?cè)谔岣呦到y(tǒng)控制性能的同時(shí)也進(jìn)一步提出了系統(tǒng)具有故障時(shí)的可持續(xù)運(yùn)行能力。目前，對(duì)于交流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)故障檢測(cè)、診斷及容錯(cuò)運(yùn)行的研究已受到人們的廣泛關(guān)注。研究人員不僅對(duì)電機(jī)、逆變器及傳感器的故障診斷進(jìn)行了深入研究，同時(shí)也對(duì)調(diào)速系統(tǒng)的容錯(cuò)控制策略進(jìn)行了大量的研究。Jason D.Ede［1］研究了一種容錯(cuò)永磁同步電動(dòng)機(jī)并針對(duì)其單相繞組故障提出了最優(yōu)轉(zhuǎn)矩控制策略，Silverio Bolognani［2－3］針對(duì)永磁同步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制中逆變器功率器件發(fā)生故障時(shí)的一種四橋臂容錯(cuò)逆變器控制策略，可以保證在不同橋臂故障時(shí)電機(jī)產(chǎn)生平穩(wěn)轉(zhuǎn)矩輸出。R.L.A.Ribeiro等人［4－5］研究了交流電機(jī)控制系統(tǒng)逆變器故障后，通過雙向晶閘管使逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換為四開關(guān)逆變器，簡(jiǎn)化后的四開關(guān)逆變器不增加系統(tǒng)硬件成本，而且可以保障容錯(cuò)后的系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。ZHANG Lanhong［6］研究直接轉(zhuǎn)矩控制下的交流電機(jī)控制系統(tǒng)容錯(cuò)策略，并且分別對(duì)常規(guī)的直接轉(zhuǎn)矩和使用空間矢量調(diào)制的直接轉(zhuǎn)矩進(jìn)行了容錯(cuò)策略分析，提出的容錯(cuò)策略均能有效控制電機(jī)系統(tǒng)在故障下的持續(xù)運(yùn)行并能保持直接轉(zhuǎn)矩控制優(yōu)良的動(dòng)態(tài)特性。

本文由分析永磁同步電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型和一種容錯(cuò)逆變器入手，并根據(jù)常規(guī)六開關(guān)三相永磁同步電動(dòng)機(jī)電流特性，提出一種永磁同步電動(dòng)機(jī)矢量控制逆變器容錯(cuò)運(yùn)行策略，該策略可以在逆變器發(fā)生故障時(shí)有效控制電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行，并可以保持原系統(tǒng)的運(yùn)行特性。最后通過MATLAB仿真軟件對(duì)本文方法進(jìn)行驗(yàn)證。

1 容錯(cuò)逆變器結(jié)構(gòu)及其工作原理［5］

1.1 逆變器結(jié)構(gòu)

圖1(a)為本文研究的容錯(cuò)逆變器本體結(jié)構(gòu)，由六個(gè)功率開關(guān)管(S1、S2、S3、S4、S5、S6)、4 個(gè)雙向晶閘管(TRa、TRb、TRc、TRn)、3 個(gè)快速熔斷絲(Fa、Fb、Fc)、兩個(gè)“劈相”電容(C1、C2)組成。其中S1 和S2構(gòu)成A相橋臂，S3和S4構(gòu)成B相橋臂，S5和S6構(gòu)成C相橋臂。

圖1 容錯(cuò)逆變器容錯(cuò)前和容錯(cuò)后的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

容錯(cuò)逆變器如圖1(a)所示，在正常工作期間，六個(gè)功率開關(guān)正常工作，與電機(jī)繞組相連接的四個(gè)雙向晶閘管處于關(guān)斷狀態(tài)。在電機(jī)正常運(yùn)行狀態(tài)中，其定子電壓矢量可以表示:

在逆變器發(fā)生故障時(shí)，容錯(cuò)控制策略由實(shí)時(shí)故障檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行故障診斷，然后根據(jù)故障診斷結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)的故障容錯(cuò)處理。逆變器側(cè)故障主要包括逆變器開關(guān)器件短路和開路故障。例如當(dāng)逆變器C相橋臂短路或開路時(shí)，容錯(cuò)控制策略由檢測(cè)和診斷結(jié)果迅速隔離逆變器故障相(C相)橋臂，逆變器以四開關(guān)狀態(tài)運(yùn)行，故障相定子繞組切換到電容中點(diǎn)。此時(shí)，過大的電流將熔斷絲Fc燒斷，容錯(cuò)控制發(fā)出指令，停止故障相兩個(gè)開關(guān)的觸發(fā)信號(hào)同時(shí)發(fā)出導(dǎo)通晶閘管TRc的觸發(fā)信號(hào)。逆變器A相和B相橋臂故障處理與以上分析相似。由此，在逆變器某個(gè)開關(guān)故障下，系統(tǒng)具有正常工作的能力。其中，雙向晶閘管TRn主要用于電機(jī)側(cè)繞組故障處理，考慮在實(shí)際應(yīng)用中逆變器側(cè)故障較為頻繁，本文對(duì)電機(jī)側(cè)故障不作討論。

1.2 容錯(cuò)后的四開關(guān)三相逆變器

容錯(cuò)逆變器不同相橋臂分別發(fā)生故障后，經(jīng)容錯(cuò)策略驅(qū)動(dòng)，逆變器轉(zhuǎn)換為容錯(cuò)后的四開關(guān)三相逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。圖1(b)為C相橋臂故障后的新逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。A相、B相和C相橋臂容錯(cuò)后的逆變器電壓矢量方程分別:

逆變器A相、B相和C相橋臂分別故障后，容錯(cuò)后的逆變器電壓矢量如表2所示。

表2 逆變器在三種容錯(cuò)方式下的電壓矢量

正常逆變器和三種容錯(cuò)方式下的逆變器的電壓矢量在定子靜止坐標(biāo)系αβ下的空間分布如圖2所示。

圖2 正常逆變器和三種容錯(cuò)方式下的逆變器的四個(gè)電壓矢量空間分布

由圖2可以知道，在逆變器正常工作狀態(tài)下，逆變器發(fā)出八個(gè)常規(guī)電壓矢量，其中包含兩個(gè)零矢量，其它六個(gè)矢量在空間平面上呈60°對(duì)稱分布。當(dāng)逆變器故障后，不同相的故障后發(fā)出的電壓矢量分布是不同的，四個(gè)不同幅值的電壓矢量在空間平面呈90°對(duì)稱分布。四開關(guān)逆變器調(diào)制出的最大電壓幅值為正常逆變器的一半。

2 容錯(cuò)控制方案

由以上分析知道，當(dāng)容錯(cuò)逆變器發(fā)生故障時(shí)，逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由六開關(guān)三相結(jié)構(gòu)切換到四開關(guān)三相結(jié)構(gòu)，電機(jī)仍然具有持續(xù)工作的能力。當(dāng)逆變器C相開關(guān)故障前和故障后，電機(jī)三相定子繞組的C相電流可以表示:

由式(5)可以知道，只要同時(shí)控制住A相和B相定子電流，C相定子電流就可以得到有效控制。這樣，當(dāng)容錯(cuò)逆變器C相橋臂故障時(shí)就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)三相定子電流的有效控制。對(duì)于容錯(cuò)逆變器A相和B相容錯(cuò)的分析與以上分析相同。綜上所述，對(duì)于容錯(cuò)逆變器下的永磁電機(jī)矢量控制，當(dāng)任意一相逆變器開關(guān)故障時(shí)，控制其它兩相電流并切換逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)仍然可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的三相繞組持續(xù)工作能力。

圖3為提出的容錯(cuò)逆變器下的永磁同步電動(dòng)機(jī)矢量控制方案結(jié)構(gòu)框圖。控制方案采用參考直軸電流=0的速度和電流雙閉環(huán)控制方式。系統(tǒng)基本控制結(jié)構(gòu)和常規(guī)的永磁同步電動(dòng)機(jī)矢量控制相同，不同之處在于系統(tǒng)采用了容錯(cuò)逆變器和相應(yīng)的容錯(cuò)策略。系統(tǒng)主要有PI轉(zhuǎn)速控制器、dq/abc坐標(biāo)變換、滯環(huán)電流控制器等，參考交軸電流()可以通過轉(zhuǎn)速PI控制器得到。

圖3 控制方案結(jié)構(gòu)框圖

3 仿真結(jié)果

為了驗(yàn)證所提出的控制策略，本文在MATLAB中進(jìn)行了仿真研究。仿真中使用的電機(jī)參數(shù)如表3所示。圖4(a)為逆變器在正常運(yùn)行狀態(tài)和三種故障狀態(tài)下的電壓矢量軌跡。在正常工作狀態(tài)下，系統(tǒng)工作于六開關(guān)逆變器模式，在故障狀態(tài)下，系統(tǒng)工作于四開關(guān)運(yùn)行模式，輸出的電壓矢量幅值減小。而且，不同故障下的逆變器輸出電壓空間矢量軌跡是不同的，它們的軌跡空間分布和前文中的理論分析一致。圖4(b)為逆變器C相橋臂在0.2 s時(shí)發(fā)生故障時(shí)的系統(tǒng)瞬態(tài)響應(yīng)。在0～0.2 s，系統(tǒng)工作在常規(guī)的六開關(guān)逆變器供電模式，在0.2 s以后，逆變器C相橋臂開關(guān)管發(fā)生故障，整個(gè)C相橋臂退出運(yùn)行。此時(shí)，C相繞組連接至劈相電容中點(diǎn)，A和B相橋臂開關(guān)聯(lián)合兩個(gè)劈相電容進(jìn)入四開關(guān)容錯(cuò)工作模式。逆變器輸出電壓幅值下降，但電機(jī)轉(zhuǎn)速保持不變。系統(tǒng)仍然保持正常運(yùn)行。圖4(c)、圖4(d)為逆變器分別為A相和B相橋臂在0.2 s時(shí)發(fā)生故障時(shí)的系統(tǒng)電流瞬態(tài)響應(yīng)。

表3 永磁同步電動(dòng)機(jī)參數(shù)表

由圖4可以知道，所提出的容錯(cuò)逆變器驅(qū)動(dòng)的PMSM電機(jī)策略，可以有效實(shí)現(xiàn)PMSM電流控制策略中逆變器開關(guān)故障狀態(tài)下的可持續(xù)運(yùn)行。仿真結(jié)果符合理論分析。當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入容錯(cuò)模式下運(yùn)行后，系統(tǒng)僅由控制非故障相的兩相電流來實(shí)現(xiàn)持續(xù)控制，由于逆變器發(fā)出的電壓控制矢量峰值降為原來的一半，逆變器的輸出功率和電機(jī)所能實(shí)現(xiàn)的最高轉(zhuǎn)速都會(huì)將降低。雖然系統(tǒng)的性能指標(biāo)降低，但是保證了系統(tǒng)的可持續(xù)運(yùn)行能力，這對(duì)系統(tǒng)性能要求不高的電機(jī)控制應(yīng)用領(lǐng)域，逆變器容錯(cuò)控制策略仍然具有較大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和應(yīng)用前景。

圖4 所提出控制方案仿真結(jié)果

4 結(jié) 語

本文研究了一種容錯(cuò)型逆變器并將該逆變器應(yīng)用于永磁同步電動(dòng)機(jī)矢量控制中。該策略的提出可以有效解決實(shí)際應(yīng)用中需要保證電機(jī)控制系統(tǒng)在逆變器發(fā)生故障時(shí)的持續(xù)性運(yùn)行的問題。其中，分析了容錯(cuò)逆變器不同容錯(cuò)方式下的三相四開關(guān)逆變器電壓矢量特性，并根據(jù)永磁同步電動(dòng)機(jī)三相電流的控制特性提出了容錯(cuò)逆變器下的永磁同步電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)方案。通過對(duì)所提出種策略進(jìn)行的仿真研究，確認(rèn)了該方案具有優(yōu)良的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性，是一種具有實(shí)用前景的電機(jī)控制系統(tǒng)容錯(cuò)策略。

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