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国际电气、电子和仪器工程高级研究杂志

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永磁同步电机容错电压源逆变器

Ritesh kumar jha1， lingeswaran。K2
  1. 学生，EEE，巴拉特大学，塞莱尤尔，金奈
  2. 助理教授，电子电气，巴拉特大学，塞莱尤尔，金奈
有关文章载于Pubmed，谷歌学者

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摘要

设计并测试了一种用于永磁驱动器的两电平容错电压源逆变器(VSI)。一般来说，两电平逆变器由三个支腿组成。在这种情况下，增加一个额外的(冗余)支腿来取代故障支腿。该逆变器采用背对背连接晶闸管，在开路和短路故障下都能正常工作。其主要优点是故障后性能与正常故障前操作相同，故障补偿快，操作中扰动可以忽略不计。通过对永磁同步电机的场向控制进行了验证。

关键字
容错，永磁同步电机(PMSM)，可靠性，电压源逆变器(VSI)。

介绍
一般工业驱动器由电力电子转换器、数字控制器、反馈传感器和电机等许多部分组成。任何一个部件的故障都将停止驱动器的运行或可能影响驱动器的性能。电厂、铁路机车、航空航天、汽车等关键应用。其中驱动器的容错是非常重要的。对于工业加工厂来说，单个驱动器的故障会导致物料和机器的严重损坏。由于故障而产生的后续费用可能是巨额的。因此，容错是现代驱动解决方案的重要领域。
为了解决这个问题，提出了各种理论，例如，根据某些拓扑结构的正确操作，电机的中性点或故障腿必须连接到直流电压链路的中点，使用两个电容器创建。在这种类型的控制中，逆变器应该被高估，以产生额定扭矩输出。提出了一种不需要直流链路中点可用性的有效替代方案，代价是使用额外的组件。虽然它需要额外的组件，它在故障后操作时提供100%的输出，而不会使逆变器过载。然而，这种拓扑使用辅助电容器和快速作用的半导体熔断器来隔离故障腿。电容器的额定值和尺寸随着逆变器额定值的增加而增加。熔断器的存在增加了逆变器和直流母线寄生电感的成本。
当变频器或机器发生故障时，剩余电机仍可继续运转。在变矩器或机器发生故障时，减少转矩，剩余电机可以继续运行。在驱动器的一个阶段发生故障时，扭矩的减少可以通过高估剩余的健康阶段来补偿。提出了一种模块化并联冗余系统，该系统将两套完整的驱动系统安装在同一轴上，各电机相由独立的单相逆变器驱动。任何一组驱动器的故障都会使输出功率降低到50%。一种容错逆变器拓扑结构已被提出，但使用背对背连接的igbt隔离故障腿。这些igbt增加了逆变器的成本，而且由于隔离器件的导通电阻，逆变器中的损耗也增加了。
上述理论都增加了成本、损耗，降低了性能。本文提出了对现有拓扑结构的求和修改，使逆变器的成本和性能之间没有妥协。背对背连接的晶闸管被用来代替机电继电器。

建议系统的框图
图像
三相电压型PWM逆变器最近在多兆瓦工业驱动应用中越来越受欢迎。这种流行的主要原因是在串联设备之间易于共享大电压，并且与两电平逆变器相比，输出的谐波质量得到了改善。在低功率方面，由于igbt在电压和电流额定值方面的快速发展以及更高的开关频率，GTO设备正在被igbt所取代。三电平逆变器的空间矢量脉宽调制提供了卓越的谐波质量和更大的下调制范围的额外优势，将调制因子从传统的正弦脉宽调制的78.5%扩展到90.7%。
可调速驱动器(ASD)是一种用于提供连续范围过程速度控制的设备(与变速箱或多速电机中的离散速度控制相比)。ASD能够调节感应或同步电机的速度和转矩。电动ASD是一种用于控制电机速度的电气系统。asd可以有多种名称，如变速驱动器、可调频率驱动器或变频逆变器。后两个术语仅用于指某些交流系统，这是通常的做法，尽管一些直流驱动器也基于频率可调的原则。

系统的解释
该型容错逆变器由四条腿组成，其中一条腿为冗余。当标准三条腿正常工作时，通常不使用冗余腿。逆变器的输出端(Va、Vb、Vc)与相应的电机相之间分别连接背对背连接的晶闸管(ISa、ISb、ISc)。这些晶闸管被用作故障腿的隔离开关。额外的三个晶闸管(THa, THb和THc)连接在冗余腿(Vr)的输出端和电机相之间。
晶闸管的额定值与igbt相同。在正常工作过程中，隔离晶闸管(ISa、ISb和ISc)总是处于开启状态，这可能会造成不期望的传导损失。
影响驱动器运行的不同故障如下:
1)单igbt开路故障，
2)单igbt短路故障，
图像
单IGBT开路故障处理:
标准三相两级VSI开开关故障(Sap开)控制交流机器。当其中一个IGBT不打开时，在电机运行的情况下，该相位的电流为零半周期，无论是正半周期还是负半周期，取决于它是上IGBT还是下IGBT。
文献中对IGBT开路故障的检测方法有多种。有些方法是基于使用电压传感器，有些是基于软件技术，而不使用任何额外的硬件。通过在需要的位置插入电压传感器，可以检测IGBT的开路故障。根据电压传感器插入位置的不同，故障检测技术可分为以下几种:
1)逆变极电压测量;
2)机器相位电压测量;
3)系统线路电压测量;
4)机器中性点电压测量。
这些方法虽然故障检测时间短，但需要额外的电压传感器进行故障检测。为了克服上述问题，一些论文提出了基于软件的技术。类似地，使用不同类型的故障检测方法。本文没有采用特殊的故障检测方法来检测逆变器的性能，在最坏的情况下，假设至少需要一个电流周期来检测故障。
图像
2.单个IGBT短路处理:
对于容错驱动器，必须尽可能快地隔离故障相位，并激活冗余腿，以恢复正常操作。IGBT的短路故障可能是由于栅极驱动器的故障或IGBT的永久性损坏。图中显示了IGBT短路故障(Sap短路)的标准VSI。基于Vce去饱和的标准故障检测用于IGBT短路故障检测。
一旦检测到IGBT短路故障，所有IGBT通过硬件保护关闭。现在对于IGBT永久损坏的情况，相应的相位永久连接到直流链路的正母线或负母线，这取决于上IGBT或下IGBT损坏。只要机器运行，电流就流过短路的IGBT和逆变器剩余的自由轮二极管。F上层IGBT (Sap)短路，硬件保护关闭所有其他IGBT后的标准VSI。根据电流周期中故障的实例，对应相位中的故障电流可能需要很长时间才能达到零交叉，以隔离故障相腿。根据驱动器、负载和工作点的参数，有时这种短路电流可能是单向的。但对于无扰动运行或驱动器运行扰动可忽略的情况，故障相位的隔离应迅速。为了达到上述要求，还向所有隔离晶闸管(ISa、ISb和ISc)发出关断命令，便于将短路电流归零。在接下来，提供的理论分析表明，通过给所有隔离晶闸管一个关断信号，故障相中的电流达到零交叉。随着IGBT Sap上的短路故障，相“a”永久连接到直流链路正母线。 If current is in the negative half-cycle when the fault occurred, as the phase is permanently connected to the positive dc bus after the fault, current tend to Short circuit IGBT
sec3发生Sap短路故障时，初始时ia、ib为正，ic为负。通过硬件保护关闭所有健康的igbt后，剩余的电流路径如图所示。对于对称机器，我们得到
图像
ib的斜率是强负的，ib将很快趋近于零。由于可控硅“ISb”的门信号被阻塞，电流保持在零。此时存在图5(b)所示的当前路径，方程为
图像
在Sec3中，ea为正，ec为负，因此ia的斜率为负，这使得ia为零，即所有电流都为零。但对于低速(静止)、低或零电动势的大电流，
达到零电流的时间会很长，直到储存在机器电感中的能量被消耗掉。
图像
实验结果:
建立了一个实验室样机，用于测试驱动磁场导向控制永磁同步电动机的容错逆变器。PMSM与另一个PMSM耦合，用作负载机。一个三相可变电阻连接在负载机器的输出端，提供所需的负载扭矩。控制算法在基于德州仪器的F2812定点数字信号处理器(DSP)评估板上实现。前文已介绍了一种容错控制器，但这不是本文的主题。通过C语言编写的软件，实现了转换器的命令信号生成、数据采集、故障插入和故障补偿。在控制实现过程中，所有必要的变量都存储在DSP的外部存储器中，然后用MATLAB绘制。igbt作为主开关器件，晶闸管用于隔离故障腿。给出了未补偿故障和补偿故障两种情况的结果。未补偿故障情况解释了标准两电平逆变器在故障后的行为，补偿情况是容错逆变器对不同故障的响应。 PMSM parameters are presented in Table I and a picture of the experimental setup is included in the appendix.
图像
模拟输出:
图像
图像
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结果
标准两级三相逆变器仅由三个支腿组成，但这种拓扑的容错逆变器由四个支腿组成，其中一个腿是冗余的。当标准三条腿正常工作时，冗余腿通常不使用。逆变器的输出端子与相应的电机相之间连接背对背连接的晶闸管。这些晶闸管被用作故障腿的隔离开关。额外的三个晶闸管连接在冗余腿的输出端和电机相之间。
优势:
•可通过冗余腿实现电机的连续运行。
•在故障状态下可防止电机驱动器损坏

结论
本文提出了一种能同时补偿开关设备短路和开路故障的容错VSI。它结构简单，模块化，易于控制。实验结果表明，该补偿策略的速度足够快，在驱动运行中几乎不存在扰动。结果表明，在所有故障情况下，晶闸管都能成功隔离故障支腿。机器的故障后性能与故障前相同，故障后控制算法与故障前相同。实现的结果表明，该逆变器可以适合许多安全关键和工业应用，其中容错是至关重要的

参考文献





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