九開關(guān)變換器單管短路時驅(qū)動六相PMSM容錯控制?

劉陵順 胡 光 李永恒

（海軍航空大學(xué)航空基礎(chǔ)學(xué)院 煙臺 264001）

1 引言

背靠背變換器由十二個開關(guān)管構(gòu)成，生產(chǎn)成本高，體積龐大。為了減小體積、降低生產(chǎn)成本，提出了九開關(guān)變換器［1］。雙Y移30°永磁同步電機具有低壓大功率輸出、可靠性強、轉(zhuǎn)矩脈動小等優(yōu)點，在全電艦船［2］等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

近年來，很多學(xué)者對變換器的故障診斷和容錯控制展開了深入研究。王真對三電平逆變器的容錯控制進行了研究［3］；黃凱研究了三相四電平逆變器的故障診斷和容錯控制［4］；高宏偉對五相變換器發(fā)生故障后的控制進行了研究［5］。以上均是以傳統(tǒng)變換器為研究對象，對于九開關(guān)變換器短路故障的研究還不夠深入。

本文針對九開關(guān)變換器單管短路的情況，研究了適用于六相永磁同步電機的空間矢量脈寬調(diào)制（SVPWM）算法，對變換器進行容錯控制。

2 九開關(guān)變換器

根據(jù)圖2中九開關(guān)變換器的拓撲結(jié)構(gòu)，正常情況下每條支路開關(guān)管的通斷必須符合相應(yīng)的約束。約束條件有兩個：一是同一時刻同一支路只有兩個開關(guān)管開通，中間開關(guān)管的通斷由上、下兩個開關(guān)管經(jīng)“異或”運算控制；二是任意時刻的支路電壓VAN和VDN必須滿足條件，VAN≥VDN。這是九開關(guān)變換器正常工作的基本原則［6］。

圖1 基于九開關(guān)變換器的雙Y移30°永磁同步電機驅(qū)動系統(tǒng)

圖2 九開關(guān)變換器拓撲結(jié)構(gòu)

表1中是九開關(guān)變換器某一支路上三個開關(guān)管的開關(guān)狀態(tài)及支路電壓。其中，Vdc表示直流側(cè)的電壓大小，VAN、VDN分別表示A點、D點相對于直流側(cè)負極的電壓大小，可得，VAN≥VDN。

表1 九開關(guān)變換器開關(guān)狀態(tài)

結(jié)合背靠背變換器以及九開關(guān)變換器的工作原理，得出九開關(guān)變換器正常工作時開關(guān)序列，如圖3所示。

圖3中黑色圓代表1，即開關(guān)管導(dǎo)通；白色圓代表0，即開關(guān)管關(guān)斷。

結(jié)合表1和圖3，可以繪制出九開關(guān)變換器在α-β平面的電壓空間矢量圖，如圖4所示。

當(dāng)九開關(guān)變換的某一支路上一個開關(guān)管發(fā)生短路故障時，包括三種情況，即上中下三個開關(guān)管分別短路，如圖5所示。選取第二種情況即中間開關(guān)管短路時展開研究。

圖3 九開關(guān)變換器開關(guān)序列

圖4 九開關(guān)變換器電壓空間矢量圖

圖5 九開關(guān)變換器單管短路圖

當(dāng)某一支路的中間開關(guān)管短路時，根據(jù)九開關(guān)變換器工作的基本原則，同時為了保護電路，剩余兩個開關(guān)管不能同時導(dǎo)通［7］，所以此時支路的開關(guān)模式有兩種，如表2所示。

表2 單管短路后開關(guān)模式

其他兩支路正常工作，開關(guān)方式?jīng)]有改變，按照正常工作時的基本原則。因此依照表1、表2和圖3，可以得出九開關(guān)變換器在第三支路的中間開關(guān)管短路后α-β子平面的電壓空間矢量圖，如圖6所示。

圖6 單管短路后電壓空間矢量圖

3 SVPWM算法

空間矢量脈寬調(diào)制（SVPWM）算法模塊主要分為四個部分，即扇區(qū)判斷、基礎(chǔ)作用時間的計算、不對稱六相時間的計算以及波形調(diào)制［7］，如圖7所示。

圖7 PWM模塊流程圖

3.1 電壓矢量的選擇

九開關(guān)變換器正常工作時有27種開關(guān)狀態(tài)，應(yīng)用矢量空間解耦方法，將27種開關(guān)狀態(tài)矢量投影到三個相互正交的子平面：α-β子平面、z1-z2子平面、o1-o2子平面，機電能量轉(zhuǎn)換發(fā)生在α-β子平面。當(dāng)變換器發(fā)生單管短路后，重新選擇基礎(chǔ)空間電壓矢量［9］，如圖8所示。

3.2 扇區(qū)判斷

將α-β子平面劃分為十二個扇區(qū)，在三相電機扇區(qū)判斷的方法上，應(yīng)用到六相電機中，經(jīng)過簡單的運算就可以得到Uref所在的扇區(qū)，減少了計算過程，提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度。

圖8 基礎(chǔ)空間電壓矢量圖

因為只考慮α-β子平面，在這里選取的是最大電壓矢量和次大電壓矢量，可以最小程度減小z1-z2子平面的諧波電流［10］。

因此，要引入A—F，令

式中，sign(x)是符號函數(shù)，如果 x＞0，則sign(x)=1；如果 x＜0，則sign(x)=0。則 A—F以及扇區(qū)值與N值關(guān)系如表4所示。

表3 扇區(qū)值與N值對應(yīng)關(guān)系

3.3 基本電壓矢量作用時間

將同一扇區(qū)內(nèi)兩個基礎(chǔ)電壓的作用時間分別定義為t1和t2，根據(jù)伏秒平衡原則得出相應(yīng)的作用時間［11］。例如某扇區(qū)內(nèi)基礎(chǔ)電壓為U9和U26，根據(jù)上述原則求得基礎(chǔ)作用時間為

圖9 矢量正交分解圖

3.4 不對稱六相時間Ta—Tf

得到基礎(chǔ)空間電壓矢量的作用時間t1和t2后，可以由六相時間比較模塊得到不對稱六相時間Ta—Tf。最后與三角載波進行比較，可以得到相應(yīng)的PWM波形。

4 仿真分析

在Matlab/Simulink系統(tǒng)中進行仿真實驗［12］，九開關(guān)變換器發(fā)生單個開關(guān)管短路故障時，應(yīng)用文中提到的空間矢量脈寬調(diào)制算法對電機進行控制，驗證算法的可行性。

九開關(guān)變換器的開關(guān)頻率為10kHz，直流母線電壓Udc設(shè)定為300V，雙Y移30°永磁同步電機的參 數(shù) 為 R=0.291Ω ，Ld=Lq=4.586mH ，ψf=0.0496Wb，np=2，J=0.052kg·m2，電機初始負載轉(zhuǎn)矩為1N·m，1s后上升為5N·m。

仿真結(jié)果見圖10。圖10（a）～（d）分別給出了電機的磁鏈圖、電機定子側(cè)的六相電流圖、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速圖以及電磁轉(zhuǎn)矩圖。

圖10 仿真結(jié)果

圖10 （a）顯示了電機磁鏈圖，依然是一個接近圓形的軌跡，表明諧波分量較小，有效地減少了轉(zhuǎn)矩脈動；圖10（b）顯示了電機定子側(cè)六相電流，電流波形為正弦波，諧波含量較小；圖10（c）顯示了電機轉(zhuǎn)子以給定的轉(zhuǎn)速保持平穩(wěn)運轉(zhuǎn)；圖10（d）顯示了電機的電磁轉(zhuǎn)矩隨負載轉(zhuǎn)矩變化，保持電機的平穩(wěn)可靠運行。圖10中的波形結(jié)果證明了所提算法的可行性。

5 結(jié)語

本文對九開關(guān)變換器單個開關(guān)管的短路故障狀態(tài)展開分析，應(yīng)用相應(yīng)的SVPWM算法，對雙Y移30°永磁同步電機進行控制。根據(jù)仿真實驗得到的波形圖，當(dāng)電機負載轉(zhuǎn)矩發(fā)生變化時，電機依然按照指定轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)，滿足其平穩(wěn)運行的要求，增強了系統(tǒng)的可靠性。