洪雪梅，金福江，李揚(yáng)森，李平（華僑大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，福建廈門(mén)361021）

三相正弦波逆變器容錯(cuò)控制

洪雪梅，金福江，李揚(yáng)森，李平
（華僑大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，福建廈門(mén)361021）

針對(duì)變頻器逆變模塊故障率高的問(wèn)題，建立三相正弦波脈寬調(diào)制（SPWM）逆變模塊中的絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）發(fā)生短路故障后逆變模塊的數(shù)學(xué)模型.根據(jù)這個(gè)故障模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)故障的有效診斷，同時(shí)結(jié)合硬件冗余的容錯(cuò)控制策略對(duì)電路拓?fù)溥M(jìn)行重構(gòu)，使得三相逆變器在短路故障情況下仍能正常工作，從而提高系統(tǒng)硬件層的容錯(cuò)能力和可靠性.在MATLAB／Simulink環(huán)境下實(shí)施系統(tǒng)仿真，驗(yàn)證了三相正弦波逆變器容錯(cuò)控制的有效性和可行性.

三相正弦波逆變器；絕緣柵雙極型晶體管；短路故障；容錯(cuò)控制；硬件冗余

隨著工業(yè)化程度的不斷提高和節(jié)能環(huán)保的推廣，作為工業(yè)控制系統(tǒng)執(zhí)行器的變頻器在各行各業(yè)中有著廣泛應(yīng)用，但一旦發(fā)生故障將會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行，甚至造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失.架構(gòu)變頻器逆變模塊的基礎(chǔ)元件絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）非常脆弱，故障率高，發(fā)生過(guò)壓或者過(guò)流是導(dǎo)致逆變模塊故障的主要原因.三相逆變器作為大功率的逆變電源，其應(yīng)用更為廣泛，如何降低逆變器故障對(duì)生產(chǎn)設(shè)備的影響已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)問(wèn)題［1－3］.單純基于硬件冗余的容錯(cuò)控制方法需要在原來(lái)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上安裝很多控制開(kāi)關(guān)，無(wú)形中了增加設(shè)備的運(yùn)行成本，并且控制開(kāi)關(guān)的硬件性能好壞直接影響到容錯(cuò)控制的效果.本文探討了一種基于三相逆變器短路故障數(shù)學(xué)模型的硬件冗余系統(tǒng)容錯(cuò)控制方法，并通過(guò)MATLAB／Simulink仿真驗(yàn)證了其容錯(cuò)控制效果.

1 三相逆變器模型分析

三相正弦波脈寬調(diào)制（SPWM）逆變器是將直流電轉(zhuǎn)換為三相交流電的一種裝置，其基本工作原理是把直流電通過(guò)SPWM脈寬調(diào)制技術(shù)轉(zhuǎn)換成三相正弦交流電，如圖1（a）所示.在無(wú)故障狀態(tài)下，帶輸出濾波的三相逆變電路輸出線電壓的穩(wěn)定波形為正弦波，如圖1（b）所示.

圖1 三相SPWM逆變電路及其輸出波形Fig.1 Three－phase SPWM inverter and output waveform

對(duì)于輸出帶LC濾波的三相SPWM逆變電路，負(fù)載為純電阻負(fù)載，阻值為R，直流側(cè)電壓大小為Ud.調(diào)制波頻率為wc，調(diào)制波相角φc，調(diào)制比為M.利用狀態(tài)空間取平均，可得三相逆變橋及SPWM過(guò)程的等效狀態(tài)空間平均模型［4］為

設(shè)逆變輸出電壓與負(fù)載電壓之間的傳遞函數(shù)用Gf（s）表示，輸入輸出關(guān)系可表示為

進(jìn)而可以推導(dǎo)出三相負(fù)載相電壓數(shù)學(xué)表達(dá)式［5］，即

線電壓與相電壓的關(guān)系為

進(jìn)而推導(dǎo)出三相SPWM逆變輸出線電壓數(shù)學(xué)模型，即

2 三相逆變器故障建模

當(dāng)IGBT發(fā)生故障后，將會(huì)嚴(yán)重影響逆變器的輸出.通過(guò)MATLAB／Simulink的仿真分析，在各個(gè)IGBT發(fā)生短路情況下，V1，V3，V5發(fā)生短輸出線電壓波形，如圖2所示.

圖2 V1，V3，V5發(fā)生短路故障時(shí)的線電壓波形Fig.2 Line voltage waveforms of V1，V3，V5with short circuit fault

目前，提出的多種故障診斷方法，如專(zhuān)家系統(tǒng)、基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的算法、基于小波變換或者因子分析的算法，雖然診斷效果基本能達(dá)到要求，但是實(shí)施都較為繁瑣，且發(fā)生誤診斷的概率相對(duì)較高.通過(guò)分析三相逆變橋路以及發(fā)生短路故障后的輸出波形，可以推導(dǎo)出當(dāng)V1，V3，V5發(fā)生短路故障后，UA，N′恒等于Ud／2.同理，當(dāng)V2，V4，V6發(fā)生短路故障后，UA，N′恒等于－Ud／2.進(jìn)而可以推導(dǎo)出三相SPWM逆變器的任意一個(gè)IGBT發(fā)生短路故障后的數(shù)學(xué)模型.V1，V3，V5故障數(shù)學(xué)模型輸出，如圖3所示.

V1短路表達(dá)式為

V3短路表達(dá)式為

V5短路表達(dá)式為

對(duì)比圖2，3可以驗(yàn)證：建立的故障模型是正確的.同理，可推導(dǎo)出V2，V4，V6發(fā)生短路故障后逆變系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型.

圖3 V1，V3，V5故障數(shù)學(xué)模型輸出Fig.3 Fault mathematic output models of V1，V3，V5

3 容錯(cuò)控制策略

容錯(cuò)控制系統(tǒng)［6－10］是具有冗余能力的控制系統(tǒng)，即在某些部位發(fā)生故障的情況下，經(jīng)過(guò)容錯(cuò)控制，系統(tǒng)的原定目標(biāo)性能能夠保持在可接受范圍內(nèi).目前容錯(cuò)控制方法主要分為兩大類(lèi)［11］：基于硬件冗余的方法和基于功能冗余的方法.功能冗余指系統(tǒng)中諸部件間在功能上有重疊，其中一個(gè)部件的部分或全部功能可由其他部件的功能來(lái)代替.基于硬件冗余的容錯(cuò)控制方法，就是通過(guò)設(shè)置備份元件或組件，在元器件發(fā)生故障后，利用備份元件或組件替換故障的元器件.

三相橋式逆變電路［12］有3個(gè)橋臂，由6個(gè)帶續(xù)流二極管的IGBT組成，編號(hào)為Vj（j＝1，2，3，4，5，6）.目前，人們提出了一種基于硬件冗余的容錯(cuò)控制方法［13］，即多加了一個(gè)橋臂，由V7，V8構(gòu)成.無(wú)故障情況下，開(kāi)關(guān)FWi（i＝1，2，3）組處于打開(kāi)狀態(tài)，開(kāi)關(guān)NFWk（k＝1，2，3）處于閉合狀態(tài).當(dāng)Vj中的某個(gè)開(kāi)關(guān)發(fā)生故障后，協(xié)調(diào)控制FWi和NFWk兩組開(kāi)關(guān)的關(guān)斷，用冗余橋臂代替故障橋臂，從而保證三相電壓正常輸出.

在逆變系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程當(dāng)中，實(shí)時(shí)比較三相逆變輸出值與故障模型輸出值的大小關(guān)系，當(dāng)實(shí)際輸出大小等于某一個(gè)IGBT短路的故障模型，或者兩者的誤差在可接受范圍時(shí)（仿真時(shí)，設(shè)定誤差可接受范圍在2×Ud／100內(nèi)），就可以判斷哪個(gè)IGBT發(fā)生了短路故障從而實(shí)施相應(yīng)的控制策略，使得逆變輸出迅速恢復(fù)正常［14］.例如，當(dāng)?shù)谝粯虮壑械哪硞€(gè)管子發(fā)生故障后，如果線電壓輸出大小等于故障模型式5的輸出，或者兩者輸出的差在可接受范圍內(nèi)，就可以判斷V1發(fā)生了短路故障，則打開(kāi)NFW1開(kāi)關(guān)，閉合FW1開(kāi)關(guān)，同時(shí)將V1，V2的門(mén)控信號(hào)切換至V7，V8，從而實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的正常性能輸出，提高了系統(tǒng)的可靠性.具有硬件冗余結(jié)構(gòu)的三相橋式逆變電路以及第一、三橋臂發(fā)生短路故障后進(jìn)行電路重構(gòu)的等效電路，如圖4所示，第二橋臂短路故障重構(gòu)電路圖與此類(lèi)似.

圖4 電路拓?fù)浼爸貥?gòu)的等效電路圖Fig.4 Circuit topology and the restructured equivalent circuit diagram

4 仿真研究

Simulink容錯(cuò)控制仿真模塊主界面，如圖5所示.其中，逆變模塊采用開(kāi)環(huán)控制策略.三相逆變橋路中6個(gè)IGBT／Diode分別并聯(lián)一個(gè)理想開(kāi)關(guān)Si，k（k＝1，2，3，4，5，6），用于模擬逆變系統(tǒng)發(fā)生短路故障.例如，當(dāng)Si，1開(kāi)關(guān)閉合時(shí)，即表示V1發(fā)生了短路故障.逆變系統(tǒng)正常工作時(shí)，Si，k處于打開(kāi)狀態(tài).子系統(tǒng)FaultDiagnosis用于診斷系統(tǒng)故障，當(dāng)故障發(fā)生后，輸出故障信號(hào)；SFV信號(hào)用于控制故障信號(hào)的發(fā)生時(shí)間；Fault＿g1和Fault＿g2是根據(jù)診斷出的故障發(fā)生位置，選擇出備份橋路的門(mén)控信號(hào).

圖5 Simulink仿真程序Fig.5 Simulink simulation procedures

設(shè)負(fù)載為純電阻負(fù)載，阻值大小為50Ω；載波頻率為12kHz；調(diào)制波為50 Hz正弦波；直流側(cè)輸入電壓Ud＝400V；逆變輸出采用LC濾波.根據(jù)三相SPWM逆變器的最低次諧波特性，結(jié)合電路的其他參數(shù)設(shè)計(jì)巴特沃斯低通濾波器器，計(jì)算得L＝9.4mH，C＝3.8μF.

利用Matlab圖形用戶(hù)界面設(shè)計(jì)（GUI）功能，可以很方便地設(shè)計(jì)仿真控制界面［15］.仿真界面輸出波形模式有3種，分別為容錯(cuò)控制模式（FTC）、無(wú)容錯(cuò)控制模式（NFTC）、無(wú)故障理想輸出模式（Ideal）.為了方便的分析容錯(cuò)控制的效果，現(xiàn)假設(shè)V1出現(xiàn)了短路故障，故障發(fā)生時(shí)刻設(shè)定在0.01s，仿真顯示3種輸出模式下的三相逆變電路線電壓輸出波形，如圖6所示.

圖6 仿真界面輸出波形對(duì)比Fig.6 Comparison of simulation output waveforms

由圖6（b）可知：由于采取了基于數(shù)學(xué)模型的故障診斷方法，三相輸出電壓大約經(jīng)過(guò)0.012s便恢復(fù)了正常，恢復(fù)正常后的波形與圖6（d）理想輸出波形基本一致，達(dá)到了較為理想的控制效果.圖6（c）為V1故障發(fā)生后，不采取容錯(cuò)控制策略的線電壓輸出波形，可以看出：其中兩個(gè)線電壓的相位和幅值都發(fā)生了變化，如果不采取容錯(cuò)控制策略，將會(huì)對(duì)負(fù)載產(chǎn)生嚴(yán)重的影響.

5 結(jié)束語(yǔ)

建立三相SPWM逆變模塊IGBT發(fā)生短路故障后逆變模塊的數(shù)學(xué)模型，根據(jù)這個(gè)故障模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)故障的有效診斷，同時(shí)結(jié)合基于硬件冗余的容錯(cuò)控制方法，實(shí)現(xiàn)三相逆變系統(tǒng)短路故障的容錯(cuò)控制.在MATLAB／Simulink環(huán)境下，系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)一定程度上驗(yàn)證了該容錯(cuò)控制方法的有效性與可行性.這種基于功能冗余的容錯(cuò)控制方法在很大程度上克服了單純采用硬件冗余方法所帶來(lái)的缺陷，對(duì)于提高系統(tǒng)的可靠性能、安全性能和經(jīng)濟(jì)性能具有十分重要的意義.

［1］ 曲景陽(yáng)，方質(zhì)彬.變頻器IGBT開(kāi)路故障診斷及容錯(cuò)控制［J］.變頻器世界，2013，12（11）：61－64.

［2］ 王功勝.變頻器逆變模塊損壞原因分析［J］.自動(dòng)化應(yīng)用，2010，12（2）：36－38.

［3］ 王瑞.三相電壓源型逆變器故障容錯(cuò)綜述［J］.變頻器世界，2013，12（12）：35－40.

［4］ 孔雪娟.數(shù)字控制PWM逆變電源關(guān)鍵技術(shù)研究［D］.武漢：華中科技大學(xué)，2005：20－55.

［5］ 吳麒.自動(dòng)控制原理（上）［M］.2版.北京：清華大學(xué)出版社，2006：78－79.

［6］ 周東華.容錯(cuò)控制理論及其應(yīng)用［J］.自動(dòng)化學(xué)報(bào)，2000，26（6）：789－792.

［7］ 周玉國(guó).線性系統(tǒng)的容錯(cuò)控制［J］.信息與控制，2001，30（7）：626－627.

［8］ 苗啟.容錯(cuò)控制理論的新進(jìn)展［J］.電氣自動(dòng)化，2007，29（6）：3－4.

［9］ 張華強(qiáng)，王新生，李鑫.基于小波變換的TWERD變頻器故障診斷研究［J］.微電機(jī)，2011，44（3）：53－62.

［10］ 李平，金福江.未知仿射非線性系統(tǒng)的執(zhí)行器容錯(cuò)控制設(shè)計(jì)［J］.控制工程，2014，6（1）：107－110.

［11］ 陳躍鵬.廣義系統(tǒng)的魯棒控制與容錯(cuò)控制［M］.北京：科學(xué)出版社，2010：9－11.

［12］ 王兆安.電力電子技術(shù)［M］.5版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011：163－167.

［13］ 杜維南.逆變器故障診斷與容錯(cuò)控制的研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2011：43－53.

［14］ 陳永真.IGBT短路保護(hù)的控制策略分析［J］.電氣傳動(dòng)，2010，40（8）：38－41.

［15］ 鄭阿奇，曹戈.MATLAB實(shí)用教程［M］.2版.北京：電子工業(yè)出版社，2011：115－165.

（責(zé)任編輯：陳志賢 英文審校：吳逢鐵）

Fault Tolerant Control of Three－Phase Sine Wave Inverter

HONG Xuemei，JIN Fujiang，LI Yangsen，LI Ping
（College of Information Science and Engineering，Huaqiao University，Xiamen 361021，China）

Regard to the high failure rate of inverter module for the inverter，the mathematical model of the inverter module has been established after the short－circuit fault of the IGBT was occurred in the three－phase SPWM inverter module.Based on the fault model，the effective diagnosis of system failure was achieved，simultaneously the circuit topology was restructured by hardware redundancy in the proposed fault－tolerant control strategy，so that the three－phase inverter still worked well when short－circuit was occurred and the fault tolerance and reliability of the system hardware layer was improved.Based on the MATLAB／Simulink circumstance，the result of system simulation demonstrated the effectiveness and feasibility of fault－tolerant control for the three－phase sine－wave inverter.

three－phase sine－wave inverter；insulated gate bipolar transistor；shorted fault；fault－tolerant control；hardware redundancy

TM 273

A

1000－5013（2016）04－0497－06

10.11830／ISSN.1000－5013.201604021

2014－10－23

洪雪梅（1974－），女，實(shí)驗(yàn)師，主要從事智能控制技術(shù)和電力電子技術(shù)的研究.E－mail：hxmei＠hqu.edu.cn.

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（61273069）；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)資助項(xiàng)目（JB－ZR1204）