一種相冗余型三相逆變器容錯電路及其控制方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種相冗余型三相逆變器容錯電路及其控制方法，適用于高可靠性要求的三相逆變器驅(qū)動電機場合，屬于電機控制技術領域。
【背景技術】
[0002]隨著各種先進控制策略的出現(xiàn)，由三相逆變器控制的各種交流電機驅(qū)動系統(tǒng)，運行性能優(yōu)良，在國民經(jīng)濟的各行各業(yè)獲得廣泛應用，但由于電力電子器件的脆弱性，其中的逆變器是系統(tǒng)中較易發(fā)生故障的薄弱環(huán)節(jié)。一旦逆變器發(fā)生故障，整個系統(tǒng)便喪失正常工作的能力，這在一般場合會影響生產(chǎn)的正常進行，帶來經(jīng)濟損失，而在航空、軍事等重要場合，將造成災難性事故。因此研宄三相逆變器的容錯技術，避免因故障造成的電機驅(qū)動系統(tǒng)停機，具有重要的現(xiàn)實意義。
[0003]逆變器最常見的故障是功率管開路與短路故障，針對這兩種故障，中國發(fā)明專利申請201110443907.1，公開了一種電動車輛用三相逆變器容錯電路，它是將直流母線電容分為Cl與C2兩部分，在Cl與C2的連接點處與電機三相繞組的出線端接了三個雙向晶閘管，電機繞組的三相出線端與三相逆變橋臂的中點處各連接了一個熔斷器，容錯后系統(tǒng)重構為四開關三相運行方式。但是容錯后的四開關三相逆變器，對電機三相繞組的控制不再對稱，因此容錯后輸出功率只能降為正常運行系統(tǒng)的1/2，增加的直流母線電容設計容量要大大高于正常運行時的容量，而且由于容錯后拓撲結構發(fā)生了改變，非零開關矢量不再是對稱的六個矢量，而是長度不等的四個矢量，控制自由度降低，控制難度加大。
[0004]中國發(fā)明專利申請201310025041.1，公開了一種具有高容錯能力的四相六橋臂逆變器，該逆變器采用四相半橋拓撲結構，每個橋臂輸出端連接一相繞組，互差90°機械角度的兩相繞組作為一組，每組再增加一個橋臂。中國發(fā)明專利申請201410063547.6，公開了一種四相無刷直流電機容錯功率變換器，它包括五個逆變橋臂、六個雙向晶閘管和十個熔斷器，用于對四相永磁無刷直流電機和雙凸極電機進行容錯。但上述兩個專利申請中電機及變換器均是多相的，而不是常規(guī)的三相，電路結構復雜，功率器件多，出現(xiàn)故障的機會也多，實現(xiàn)容錯所需增加的功率器件多，控制較為復雜。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于，提供一種設計合理、功率器件數(shù)量和成本增加有限、性價比高、可靠性強的三相逆變器容錯電路及其控制方法，實現(xiàn)對常見開路與短路故障的容錯，且容錯后保持原來性能不變，持續(xù)不間斷運行。
[0006]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術方案:
[0007]一種相冗余型三相逆變器容錯電路，包括第一相橋臂、第二相橋臂、第三相橋臂，第四相橋臂和三個雙向晶閘管；
[0008]所述第一相橋臂由第一熔斷器、第一功率管、第二功率管和第二熔斷器依次串聯(lián)組成；第二相橋臂由第三熔斷器、第三功率管、第四功率管和第四熔斷器依次串聯(lián)組成；第三相橋臂由第五熔斷器、第五功率管、第六功率管和第六熔斷器依次串聯(lián)組成；第四相橋臂由第七功率管和第八功率管串聯(lián)組成；所述四個橋臂的正極連接在一起，接直流電源正極，負極連接在一起，接直流電源負極；
[0009]前三相橋臂的中點分別接電機三相繞組出線端；第一?第八功率管的柵極均與電機控制器相連；
[0010]三個雙向晶閘管分別接在前三相橋臂中點與第四相橋臂中點之間，與第四相橋臂一起構成前三相橋臂的冗余；三個雙向晶閘管的控制極均與電機控制器相連。
[0011]—種相冗余型三相逆變器容錯電路的控制方法，在相冗余型三相逆變器容錯電路正常運行時，僅前三相橋臂給電機三相繞組供電，第四相橋臂和三個雙向晶閘管不工作；當前三相橋臂中的某一相橋臂出現(xiàn)開路故障時，該故障相橋臂中的兩個功率管停止運行，而與該故障相橋臂中點相連的雙向晶閘管及第四相橋臂構成該相橋臂的冗余電路投入運行，實現(xiàn)容錯控制；當前三相橋臂中的某一相橋臂出現(xiàn)短路故障時，該故障相橋臂中的熔斷器因過流而熔斷，短路故障轉(zhuǎn)化為開路故障，通過上述的開路故障容錯方法進行容錯控制。
[0012]本發(fā)明的有益效果在于:其設計合理、功率器件數(shù)量和成本增加有限、性價比高，容錯控制方法簡便易行，且安全可靠。在相冗余型三相逆變器容錯電路正常運行時，僅前三相橋臂運行，電機通過前三相橋臂共六個開關供電，為三相對稱運行；當故障發(fā)生時，故障相被隔離，與該相橋臂中點相連實際也就是與相應相電機繞組相連的雙向晶閘管及第四相橋臂投入運行，電機仍然為三相六開關供電的對稱運行方式，各項性能指標和故障發(fā)生前一樣，對電機繞組的接法沒有限制，只要控制器把本來應發(fā)到故障相的開關驅(qū)動信號轉(zhuǎn)發(fā)到第四相橋臂而已，控制簡單，且安全可靠。
【附圖說明】
[0013]圖1為本發(fā)明的一種相冗余型三相逆變器容錯電路；
[0014]圖2為正常工作狀態(tài)電路圖；
[0015]圖3為第一相橋臂發(fā)生故障后的容錯電路圖。
[0016]圖中:1為第一相橋臂，2為第二相橋臂，3為第三相橋臂，4為第四相橋臂。
【具體實施方式】
[0017]下面結合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步詳述。
[0018]本發(fā)明所述的一種相冗余型三相逆變器容錯電路，是在現(xiàn)有的三相六開關逆變器電路的基礎上增加了第四相橋臂，第四相橋臂的中點分別通過三個雙向晶閘管與前三相橋臂中點相連，構成前三相橋臂的冗余電路。而前三相橋臂相比于現(xiàn)有的三相逆變器的橋臂，每個功率管又多串聯(lián)了一個熔斷器，用于在功率管發(fā)生短路故障時，快速將相應的橋臂從電路中斷開，保護電路其他元件不被損壞，并實現(xiàn)容錯控制。
[0019]具體地講，如圖1所示，本發(fā)明的一種相冗余型三相逆變器容錯電路包括四相橋臂1、2、3、4和三個雙向晶閘管TR1、TR2、TR3 ；
[0020]第一相橋臂I由第一熔斷器F1、第一功率管Tl、第二功率管T2和第二熔斷器F2依次串聯(lián)組成；第二相橋臂2由第三熔斷器F3、第三功率管T3、第四功率管T4和第四熔斷器F4依次串聯(lián)組成；第三相橋臂3由第五熔斷器F5、第五功率管T5、第六功率管T6和第六熔斷器F6依次串聯(lián)組成；第四相橋臂4由第七功率管T7和第八功率管T8串聯(lián)組成；所述四相橋臂1、2、3、4的正極連接在一起，接直流電源正極，負極連接在一起，接直流電源負極；第一?第八功率管Tl?T8均為并聯(lián)有體二極管的IGBT功率管，第一?第六熔斷器Fl?F6均為快速熔斷器；
[0021]前三相橋臂，即第一相橋臂1、第二相橋臂2、第三相橋臂3的中點分別接電機三相繞組a、b、c的出線端；第一?第八功率管Tl?T8的柵極均與電機控制器相連，由電機控制器輸入或斷開驅(qū)動信號；
[0022]三個雙向晶閘管TR1、TR2、TR3分別接在前三相橋臂1、2、3的中點與第四相橋臂4的中點之間，與第四相橋臂4 一起構成前三相橋臂的冗余；雙向晶閘管TR1、TR2、TR3的控制極均與電機控制器相連，由電機控制器輸入或斷開觸發(fā)信號。
[0023]本發(fā)明所述的一種相冗余型三相逆變器容錯電路的控制方法，在無故障正常運行時，如圖2所示，僅前三相橋臂1、2、3給電機三相繞組a、b、c供電，第四相橋臂4和三個雙向晶閘管TR1、TR2、TR3不工作，此時電機由對稱的三相六開關逆變器供電。
[0024]當前三相橋臂中的某一相橋臂出現(xiàn)開路故障時，電機控制器斷開該故障相橋臂兩個功率開關的驅(qū)動信號，觸發(fā)與該相橋臂中點相連的雙向晶閘管導通，同時將故障橋臂的驅(qū)動信號用于控制第四相橋臂的兩個功率管，由被觸發(fā)的雙向晶閘管與第四相橋臂構成的冗余電路投入運行，代替被斷開的故障相橋臂。以第一相橋臂I的第一功率管Tl或第二功率管T2出現(xiàn)開路故障為例，如圖3所示，電機控制器斷開第一功率管Tl與第二功率管T2的驅(qū)動信號，控制雙向晶閘管TRl導通，將本來用于第一功率管Tl與第二功率管T2的驅(qū)動信號分別用于控制第七功率管T7和第八功率管T8，使雙向晶閘管TRl及第四相橋臂4構成該相橋臂的冗余電路投入運行，實現(xiàn)容錯控制；電機仍然為三相六開關供電的對稱運行方式，各項性能指標和故障發(fā)生前一樣。
[0025]當前三相橋臂中的某一相橋臂的其中一個功率管出現(xiàn)短路故障時，同一相橋臂上的互補功率管、該橋臂上的兩個熔斷器與直流電源形成回路，兩個熔斷器因為過流被熔斷，該橋臂從電路中斷開，短路故障自動轉(zhuǎn)化為開路故障，再利用上述功率管開路故障容錯方法進行容錯控制。
【主權項】
1.一種相冗余型三相逆變器容錯電路，其特征在于:包括第一相橋臂、第二相橋臂、第三相橋臂、第四相橋臂和三個雙向晶閘管； 所述第一相橋臂由第一熔斷器、第一功率管、第二功率管和第二熔斷器依次串聯(lián)組成；第二相橋臂由第三熔斷器、第三功率管、第四功率管和第四熔斷器依次串聯(lián)組成；第三相橋臂由第五熔斷器、第五功率管、第六功率管和第六熔斷器依次串聯(lián)組成；第四相橋臂由第七功率管和第八功率管串聯(lián)組成；所述四個橋臂的距極連接在一起，接直流電源正極，負極連接在一起，接直流電源負極； 前三相橋臂的中點分別接電機三相繞組出線端；第一?第八功率管的柵極均與電機控制器相連； 三個雙向晶閘管分別接在前三相橋臂中點與第四相橋臂中點之間，與第四相橋臂一起構成前三相橋臂的冗余；三個雙向晶閘管的控制極均與電機控制器相連。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種相冗余型三相逆變器容錯電路的控制方法，其特征在于:在相冗余型三相逆變器容錯電路正常運行時，僅前三相橋臂給電機三相繞組供電，第四相橋臂和三個雙向晶閘管不工作；當前三相橋臂中的某一相橋臂出現(xiàn)開路故障時，該故障相橋臂中的兩個功率管停止運行，而與該故障相橋臂中點相連的雙向晶閘管及第四相橋臂構成該相橋臂的冗余電路投入運行，實現(xiàn)容錯控制；當前三相橋臂中的某一相橋臂出現(xiàn)短路故障時，該故障相橋臂中的熔斷器因過流而熔斷，短路故障轉(zhuǎn)化為開路故障，通過上述的開路故障容錯方法進行容錯控制。
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種相冗余型三相逆變器容錯電路及其控制方法，包括第一相橋臂、第二相橋臂、第三相橋臂、第四相橋臂和三個雙向晶閘管；前三相橋臂的中點分別接電機三相繞組出線端；各橋臂中的功率管的柵極均與電機控制器相連；三個雙向晶閘管分別接在前三相橋臂中點與第四相橋臂中點之間，與第四相橋臂一起構成前三相橋臂的冗余；三個雙向晶閘管的控制極均與電機控制器相連。在相冗余型三相逆變器容錯電路正常運行時，僅前三相橋臂給電機三相繞組供電；當前三相橋臂中的某一相橋臂出現(xiàn)故障時，該故障相橋臂的冗余電路投入運行，實現(xiàn)容錯控制。本發(fā)明設計合理、功率器件數(shù)量和成本增加有限、性價比高，容錯控制方法簡便易行，且安全可靠。
【IPC分類】H02M1-32, H02M7-48
【公開號】CN104617759
【申請?zhí)枴緾N201510060947
【發(fā)明人】張?zhí)m紅, 倉竹榮, 何堅強, 李小凡, 陳沖
【申請人】鹽城工學院
【公開日】2015年5月13日
【申請日】2015年1月31日