（电力电子与电力传动专业论文）三相交流变频驱动系统的容错控制研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第| i 页 a bs t r a c t t h r e e p h a s ea cv a r i a b l ei j r e q u e n c yd r i v es y s t e mi sw i d e l yu s e di ni n d u s t r i a l ， c o m m e r c i a l ，a v i a t i o na n do t h e rf i e l d sf o ri t se x c e l l e n ts p o r t sp e r f o r m a n c ea n d g o o de n e r g y - s a v i n ge f f e c t s b e c a u s et h ep h y s i c a lm o d e lo ft h es y s t e mh a s n o n l i n e a r ，m u l t i - v a r i a b l e ，s t r o n gc o u p l i n g o fi t so w nc h a r a c t e r i s t i c s ，p r e c i s e c o n t r o lo ft h es y s t e mi sd i f f i c u l ta n dv u l n e r a b l et of a i l u r e t h es y s t e mf a i l u r e s a r ed i a g n o s e df a s ta n d a c c u r a t e l y t h ec o r r e s p o n d i n gf a u l t t o l e r a n tc o n t r o l s t r a t e g yi so fg r e a ts i g n i f i c a n c e t oi m p r o v es y s t e mr e l i a b i l i t y i nt h i s p a p e r , m u l t i l e v e li n v e r t e rd r i v es y s t e mf o rt h es t u d yo nt h ei n v e r t e rt o p o l o g yb e t w e e n d i f f e r e n tp a r t so ft h em e r i t so ft h es i t u a t i o n ，t h r e e p h a s ei n v e r t e r d r i v e nc o n t r o l s t r a t e g y ，f o c u s e s o nt h e a p p l i e dm u l t i - l e v e l c a s c a d ei n v e r t e r p u l s e w i d t h m o d u l a t i o nc o n t r o lt e c h n o l o g y h e np h a s e s h i f t i n gp o i n to fv i e wi nd i f f e r e n t w a y si su s e d ，t h es y s t e mo u t p u tp e r f o r m a n c ew i l lh a v ed i f f e r e n ti m p a c t s ，a n d m a t h e m a t i c a le x p l a n a t i o ni sg i v e nt os t a r t i na c c o r d a n c ew i t ht h et h r e e p h a s ea cv a r i a b l ef r e q u e n c yd r i v es y s t e mo f t h ed i v i s i o n ，p a r t so ft h er e c t i f i e r ，d cf i l t e rc a p a c i t o r s ，t h ei n v e r t e ra n di n d u c t i 6 n m o t o r ，t h ef a u l tc o n d i t i o nm a yo c c u ra r ed e s c r i b e da n d ，t h ev a r i o u sp a r t sc a nb e u s e df o rf a u l td i a g n o s i st h e o r yi nd e t a i l t h es t u d yb a s e do n9 一l e v e li n v e r t e r c a s c a d es y s t e m ，w h e nt h ei n t e m a ls w i t c ho ft h ep o w e rm o d u l ef a i l u r e ，a l lt h r e e m e a s u r e sw e r et a k e na n dt h es y s t e mo u t p u tp e r f o r m a n c ec o m p a r e d b yu s i n go f n e u t r a l s h i f tt h e o r y ，t h el i n eo u t p u tv o l t a g ec a nb er e b a l a n c e db e c a u s eo ff a u l t i s o l a t i o nd e v i c ec a u s e d w i t ht h el e v e lo ff a i l u r ea n dt h ep o w e rm o d u l eo ff a i l u r e i s o l a t i o n ，b e i n gi s o l a t e do ft h ef a i l u r ep o w e rs w i t c hw i l lb eb e a e rp e r f o r m a n c e t h e o r ya n a l y s i sa n ds i m u l a t i o no nt h eb a s i so ft h ec a s c a d e d7 - l e v e li n v e r t e r d r i v es y s t e mf o rt h ee x p e r i m e n t a lp l a t f o r m ，t h eh a r d w a r e 。d e s i g na n ds o f t w a r e d e s i g ni sd e s c r i b e di nd e t a i l a n db yf a u l ts i m u l a t i o n ，t h ec o r r e c t n e s so ft h e t h e o r e t i c a ls t u d yo ft h ef e a s i b i l i t ya n ds y s t e md e s i g nb yt a k i n gt h ea p p r o p r i a t e t e c h n o l o g yf o rf a u l t t o l e r a n tc o n t r o la r ev e r i f i e d 、 k e yw o r d s ：c a s c a d e dm u l t i l e v e l ；c a r r i e rp h a s es h i f t e ds p w m ；n e u t r a l s h i f t ； f a i l u r ed i a g n o s i s ；f a u l t - t o l e r a n tc o n t r o l 西南交通大学曲南父逋大罕 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密d 使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“”) 言翥等斧番倾日期：卅3 指导老师签名：毫才7 良彦 嗍砷多、j 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作 所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本文工作的创新点 将在其他领域研究广泛的容错控制技术应用于三相交流变频驱动系统， 针对级联多电平逆变装置，将适用于级联逆变的载波相移s p w i v l 对不同级联 单元数时输出性能的影响，运用数学公式进行了推导。利用中性点偏移技术， 提出了基于故障开关管隔离的容错控制方法，通过实验结果验证了此种方案 的可行性。 学位论文作者签名枷 日期：，兮矽 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第l 章绪论 1 1 三相交流变频驱动系统的发展 实用的电气传动是以电动机的转矩和转速为控制对象，按生产机械的工 艺要求对电动机的转速( 或位置) 进行控制的自动化系统。根据在完成电能 机械能转换过程中所采用的执行部件不同，工程上通常把电气传动分为直流 电气传动和交流电气传动两大类。直流电气传动在起、制动，正、反转以及 调速精度、调速范围、静态特性和动态响应等方面，在相当长一段时间比交 流电气传动更具优势，但是直流电动机具有电刷和机械换向器，存在着自身 的弱点，必须经常进行维修检查，使用环境也受到限制( 如不能用于易燃易爆 场合) ，并限制了直流电动机向高转速、高电压、大容量方向发展。电动机系 统随着电力电子器件、功率变换器、电机制造、现代控制理论及计算机技术 的进步而迅速发展。交流变频提高工艺性能和节约能源方面，显示出巨大的 潜力。 在电机学中我们知道，交流电机的同步转速表达式见( 1 - 1 ) ： ，z ：6 0 f( 1 1 )，z = ll l ， j p 式中力，一同步转速( r r a i n ) 厂一为定子供电频率( h z ) p 一为极对数 根据异步电机转差率的定义： s = 兰卫= l n 一( 1 2 ) s = 二一= l - 一 ll 一， ，z 1，z 1 可知交流异步电动机的转速表达式为： 玎= 刀。( 1 - s ) = 6 0 f ( 1 一s ) ( 卜3 ) p 根据交流异步电动机转速表达式，其基本的调速方法有：改变电动机 的磁极对数改变定子电流的频率改变转差率。其中，变极对数调速 和变频调速属于改变同步转速的调速方案，在同速过程中，转差率是一定的， 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 故系统效率不会因调速而降低。而变转差率调速属于不改变同步转速的调速 方案，存在着调速范围愈宽，系统效率愈低的问题。在改变同步转速的两种 调速方案中，变极对数调速为有级调速，调速范围窄，且不连续，所以，目 前在交流调速方案中，变频调速方案是各种交流调速系统中最理想的一种调 速方式。 为解决能源短缺和环境污染这两大世纪难题，针对高压大功率机电设备 的大容量变频调速技术近年来成为国内外研究和使用的科技热点。大容量变 频调速技术不仅可以为占工业用电大多数的高压大容量电动机实现变频拖 动，节省大量电能，而且以其为核心技术发展起来的高速公共交通工具( 电力 机车，城市地铁和轻轨) 及电动汽车也是解决环境污染的重要途径。另外，以 采用高压多电平大容量电力电子装置构成的无功补偿和电力有源滤波器及其 相关技术，可以有效地补偿电网中的无功，并可治理谐波，对电力系统的发 展也具有重要意义。 特别是近年来，交流调速技术在风机、水泵及其他领域得到了一定的推 广应用，电压3 8 0v 以下的低压变频器已大量使用。但是在工业应用领域， 大功率的传动机械，大功率风机、水泵占主要地位的驱动电动机都是4 0 0 - - 4 00 0 0k w ，3 1 0k v 的大功率高压交流电动机。随着电力电子器件沿着大 容量、高频、易驱动、低损耗、智能模块化的方向前进以及现代控制理论的 发展，高压大功率交流变频调速技术发展迅速，出现了多种类型的调速方式。 按照不同的分类标准可以分为以下几类： 依据所使用的电力电子器件可以分为g t o 、i g b t 、i g c t 、s g c t 型等。 依据控制策略，一类是基于交流电动机稳态数学模型的标量控制；另一 类是基于交流电动机动态数学模型的矢量控制。而高性能矢量控制方法可分 为：一种是基于解耦控制的无速度传感器矢量控制技术；另一种是基于 b a n g b a n g 控制的直接转矩控制技术。 依据功率变换方式可以分为直接变换( 交一交) 和间接变换式( 交一直一 交) 两类。直接变换最典型的是：矩阵变换式。根据所用储能元件性质的不 同，交一直一交变换器还可分为电流型和电压型两种；从高压的构成角度，又 可以分成直接高压型和间接高压型，具体分类如图i - 1 所示f 。 而交一直一交电压源高压变频器按照拓扑结构，分为高一低一高式、器件串 联两电平式、三电平式、功率单元串联多电平式等。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 功率变 流变换 流变换 交 直 厂 变换 l 一交流变 传统交交变换 矩阵式交交变换 型 图卜1 功率变换装置类型不意图 交流变频调速技术是强弱电混合，机电一体的综合技术，既要处理巨大 电能的转换( 整流、逆变) ，又要处理信息的收集、变换和传输，因此它必 定会分成功率和控制两大部分。前者要解决与高压大电流有关的技术问题， 后者要解决的软硬件控制问题。因此，未来高压变频调速技术也将在这两方 面得到发展，其主要表现为：高压变频器将朝着大功率，小型化，轻型化 的方向发展高压变频器将向着直接器件高压和多重叠加( 器件串联和单元 串联) 两个方向发展更高电压、更大电流的新型电力半导体器件将应用在 高压变频器中现阶段，i g b t 、i g c t 、s g c t 仍将扮演着主要的角色，s c r 、 g t o 将会退出变频器市场无速度传感器的矢量控制、磁通控制和直接转矩 控制等技术的应用将趋于成熟全面实现数字化和自动化：参数自设定技 术、过程自优化技术、故障自诊断技术应用3 2 位m c u , d s p 及a s i c 等器 件，实现变频器的高精度，多功能相关配套行业正朝着专业化，规模化发 展，社会分工将更加明显。 1 2 容错控制的意义与研究现状 随着现代控制理论和微机信号处理技术的不断进展，新型功率半导体器 件不断出现，三相变频驱动系统因其良好的节能效果，优良的运动性能，广 泛应用于工业、商业、航空等领域。由于系统的物理模型具有非线性、多变 量、强耦合的自身特点，不但对系统进行精确控制成为困难，而且也是故障 型型 流压 电电 、lll广j 型 型 压 压 一局 高 接 接 压 型 低 压 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 极易发生的环节。如何提高系统特别是功率变换装置的可靠性，避免因故障 发生带来严重的经济损失，甚至造成灾难事故，具有重要的现实意义。正是 在这样一种背景下，容错控制技术的研究被推到了前沿位置，并得到了飞速 的发展。容错控制为提高复杂系统的可靠性和安全性开辟了一条新的途径。 容错控锘1 ( f a u l tt o l e r a n tc o n t r o l ，f t c ) 的基本思想是：当系统中一个或者 多个关键部件发生故障或差错时，系统能自动检测与诊断，并能采取相应的 措施，使系统在故障的情况下仍能维持规定的性能，或不丧失基本性能。因 此，构成一个容错控制问题有三个基本要素。其一是考虑的故障类型，即容 错控制的对象：其二是对控制系统的性能要求，即控制的目标；其三是容错 控制的方案，即采用何种控制方法( 包括系统的结构和参数) 来实现容错控 制 2 】o 作为一门交叉学科，容错控制与鲁棒控制、故障检测与诊断、自适应控 制、智能控制等息息相关。现代控制理论、信号处理、模式识别、最优化方 法、决策论、统计数学等构成了容错控制的理论基础。容错控制系统设计主 要包含两个问题：故障诊断机构的设计和容错控制器的设计。故障诊断技术 的发展，是应用现代控制理论、数理统计、人工智能等方法分析处理非正常 工况下系统特性的结果；容错控制则是保证当控制系统中的某些部件发生故 障时，系统仍能按期望的性能指标或性能指标略有降低( 但可接受) 的情况 下，还能安全地完成控制任务。显然，控制系统的故障诊断和容错控制有着 密切的联系，故障诊断技术的发展为容错控制的研究提供了必要的基础和前 提准备。 当前对系统故障诊断研究主要有以下方法： 1 基于信号处理的方法 小波变换 主元分析方法 利用k u l l b a c k 信息准则的故障检测 2 基于解析模型的方法。在明了诊断对象数学模型的基础上，按照一定 的数学方法对被测信息进行诊断处理。 状态估计方法 1 ) 自适应非线性观测器方法 2 ) 非线性未知输入观测器方法 3 ) 滤波器方法 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 参数估计方法。根据参数变化的统计特性检测故障的发生，具体 有强跟踪滤波器方法。 3 基于知识的方法。不需要准确的数学模型。 专家系统故障诊断 模糊逻辑故障诊断 故障树故障诊断 神经网络故障诊断 信息融合故障诊断 单一的故障诊断方法已经不能满足要求，出现了多种方法相结合的诊断 研究。例如：基于粗糙集神经网络、基于高阶谱与支持向量机、基于模糊理 论和频谱分析、基于神经网络和频谱分析、基于小波分析及神经网络等故障 诊断方法。同时新的基于电路模型的研究也得到应用，例如：基于混杂系统 模型的电力电子故障诊断等。 对故障准确的检测和诊断，目的是为了可以对可能发生的故障进行预测、 隔离，乃至进一步实现对系统的容错控制。故障诊断的输出作为容错控制系 统的输入信号，使得整个系统在故障情况下，系统的性能指标影响不大，能 够继续维持整个系统的运行而不致出现停机。 一个系统能够容错的必要条件是系统中存在着冗余，容错控制系统设计 的关键是如何使用这些冗余来达到容错的目的。根据系统中处理故障和冗余 的不同方式，容错控制系统可分为被动容错系统和主动容错系统。在被动容 错控制系统中，系统可能发生的故障情况在控制系统设计之初就作为先验知 识被考虑进去了，不需要在线获知故障信息，多采用的是鲁棒控制技术。而 主动容错控制系统或者通过算法设计自适应地在线辨识故障参数，或者利用 故障诊断机构获取故障信息，如故障发生的位置和故障的程度等，总之，需 要系统的故障信息来重组系统的控制行为。被动容错控制和主动容错控制多 依赖于系统的模型：定量，半定量或定性模型。基于模型的容错控制策略， 依然是当前研究的一个热点问题。要想使一个系统具有非常理想的控制性能， 对其模型的研究是必不可少的，对系统的模型掌握的越清晰，就越有可能取 得精准的控制效果。由于实际系统中存在的众多的未知因素，复杂系统的建 模工作极其艰难，由此使智能控制技术的研究成为了许多研究人员的兴趣所 在。智能控制不依赖于对象模型的特点使其应用得到了飞速的发展，也进一 步引起了基于人工智能的容错控制技术的研究热潮【3 1 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 容错控制使系统在发生故障的情况下，能够自动补偿故障的影响以维护 系统的稳定性和尽可能的恢复系统故障前的性能，从而保证系统的运行稳定 可靠。这一点对实际系统，尤其是需要高可靠性的系统，如各类飞行器、核 设施等，有着非凡的意义。容错控制系统设计是提高系统可靠性和安全性的 一个很重要的一个途径。几十年来，容错控制系统的设计一直深受关注。1 9 8 6 年美国国家科学基金会和i e e e 控制系统学会联合召开了关于控制所面临的 机遇与挑战的讨论会，参加这次会议的有全世界最著名的5 2 位控制理论与应 用专家，在他们向大会提交的一份报告中，把多变量鲁棒、自适应和容错控 制列为富有挑战性的研究课题【4 j 。如今关于容错控制的研究工作正如火如荼 的进行着，有很多理论上和工程上的课题有待于解决。 1 3 三相交流变频驱动系统容错控制研究现状 三相变频驱动系统采用逆变器控制交流电机，节能效果显著，运动性能 优良。典型的交直交电压源变频驱动系统如图1 - 2 所示，由公网将工频三相 交流电引入，根据需要可以在整流部分前面增加变压器装置，经整流器将交 流电变换成直流电，再通过滤波装置对直流电储能并滤除低次谐波，最后通 过逆变单元变换成可控频率和电压的交流电供给感应电动机负载，在逆变部 分与感应电动机之间仍然可以根据需要增加变压器装置，以提高输出电压等 级。 蓑喜国州辩圉f 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 电机电流，消除了因过压火过流应力使电机绝缘损坏而引起故障；由于直接 启动引起的转子断条问题，采用逆变器软起动之后也将消除。解决了电动机 本体的可靠性问题以后，电力电子装置的可靠性问题就成为直接影响三相变 频驱动系统的关键环节。电力电子装置主要由主电路、控制电路和驱动电路 等多个部分组成，在实际工作中，主电路相对其他部分故障率更高。其故障 诊断与一般模拟电路、数字电路的故障诊断有较大区别，因为故障信息仅存 在发生故障到停电之前数十毫秒内，且电力电子电路为强非线性、高功率， 需要进行实时监控、在线诊断。 当三相变频驱动系统的电力电子电路发生故障时，电路中的电压、电流、 频率等量相对于正常状况会有变化，可以将这些现象或变化作为故障特征信 号。上一小节介绍的故障诊断相关技术，在三相变频驱动系统中同样得到了 应用。目前已有的诊断方法主要有基于知识的专家系统法、电流检测法与电 压检测法【，j 。 1 专家系统法 根据经验，列出所有可能出现的故障及现象，归纳成为规则，将现象与 规则集中起来，构成供专家系统使用的知识库。诊断时操作员根据故障现象， 通过人机对话回答专家系统提出的问题，专家系统根据这些信息经推理确定 故障及原因，得出结论及处理方法。该方法可以快速准确地进行故障诊断， 减少维护成本及停机时间，适合于采用各种控制策略的变频驱动系统，但是 在实际应用中，完备的知识库的获取是故障诊断专家系统的瓶颈 引。 2 电流检测法 可以在直流母线设置单个电流传感器进行故障诊断与保护，若逆变器同 一桥臂两个开关直通短路或电机两相短路，电流传感器会检测到很大的短路 电流，其将超过电流限幅值，比较器产生出错信号，再加上由开关矢量状态 组合而成的逻辑电路，可以检测出接地故障。直流母线单电流传感器的检测 方法对系统短路与单相接地故障诊断与保护很有效，但是不能识别发生故障 的具体位置。 交流驱动系统采用p w m 控制时，由于控制电路元器件老化及e m c 性能变 差而引起的功率开关无驱动故障，可从随电压扰动引起的定子电流的变化来 监控间歇性无驱动故障【9 】。文献 1 0 通过分析定子电流矢量轨迹的斜率与电 流瞬时频率来诊断故障，仅根据输入电流的测量即可判断开关故障。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 3 电压检测法 基于电流模式的故障识别，在故障发生与检测到故障之间需要至少一个 基波周期的时间，为了克服上述缺点，文献 1 1 提出了电压检测法。当发生 逆变器功率开关管无驱动故障时，输出相电压与正常工作时有偏差，再同电 压误差与发生故障的开关对应关系相比较即可确定故障。 对于三相变频驱动系统的容错控制技术，其与电机本体结构、电路拓扑 结构、智能控制策略和传感器集成技术有关【1 2 】。文献 1 3 将集成电机箱体内 部系统中的电机、逆变器及控制算法统筹考虑，综合研究出一套高故障容限 的新方法：当系统检测到故障时，它通过调节控制律，利用电机和逆变器特 别设计的拓扑结构重新组合和调节，使系统仍然保持正常运行。目前针对电 动机本体结构的研究主要集中于以下两种电机结构：开关磁阻电机( s w i t c h e d r e l u c t a n c em o t o r ，s r ) ，故障容错永磁电机( f a u l tt o l e r a n tp e r m a n e n t m a g n e tm o t o r ，f t p m ) 。另外，通过对其定子绕组结构的改造而成的分裂绕组 异步电机( s p l i t w o u n di n d u c t i o n m o t o r ，s w i ) ，使异步电机驱动系统的可 靠性得到进一步提高。 驱动电路拓扑结构的角度来提高可靠性可以通过并联冗余相和提高缺相 容错能力的方法来实现，二者具有相同的前提条件：驱动电路的独立性。传 统的方法是利用多出来的一相进行备用冗余，还可采用将直流母线电容一分 为二的方法，使电动机的中性点与电容相连，从而实现三相驱动电路相与相 之间的独立性。文献 1 4 以三相电压源变流器开关管出发脉冲丢失故障为例， 采用主动容错控制策略，在故障发生后对变流器拓扑进行重构，并改变控制 策略，以维持系统性能拓扑结构如图1 - 3 所示。电容器c 1 、c 2 可以看作第4 桥臂，从而构成硬件冗余。拓扑中3 个三端双向晶闸管开关被用来作为故障 发生后对变流器拓扑进行重构。正常工作时，共有6 个开关工作。如果某1 个桥臂开关管触发脉冲丢失，封锁同一桥臂上另一开关管门极触发信号，然 后把连接该桥臂的那一相连接到2 个电容中间，这样就只剩下4 个开关被控 制，也就是4 开关的工作方式。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 a ) 、正常拓扑结构 b ) 、故障后拓扑结构 图1 - 3 具有容错功能的变流器拓扑 容错控制算法是指使设计的控制系统对发生的故障具有容错能力的一种 控制策略，矢量控制的容错性能也是学术研究的焦点。其主要思想：对三相 电动机而言，其旋转主磁场由三相电流产生的磁场相加而成，如果其中某一 相发生故障无法正常输出，则电动机仍然可以在另外两相产生的合成旋转磁 场下或者通过改变控制算法使得电机输入电压重新达到平衡继续运行。除了 矢量控制以外，其他一些控制方法，如直接转矩控制、自适应模糊控制等也 逐渐被作为提高可靠性的方法应用到电机控制系统中，开始成为学术界研究 的热点。 运用传感器集成技术。速度传感器、电流传感器以及温度传感器等是电 机驱动系统很重要的组成部分，由于传感器的失效而引起控制系统的误操作， 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 从而导致的电机系统故障的发生率较高。因此，作为一种提高系统可靠性的 手段，运用硬件和软件技术来替代传感器的工作是行之有效的。 从总体上看，当前的研究主要集中在下面几个方面：研究控制系统故 障信号的快速监测方法研制高功率密度、高可靠性电机结构提出新的 工作冗余式驱动拓扑结构拓展容错控制策略运用传感器集成技术。 1 4 本文的主要研究内容 本文以三相变频驱动系统为研究对象，介绍了多电平变频驱动逆变器的 拓扑结构及控制策略，特别从数学公式推导的角度，说明了适用于级联多电 平逆变器的相移脉宽调制方法。从主电路结构出发，分析三相变频驱动系统 各个功能部分的故障检测与诊断理论，着重研究级联九电平逆变器功率开关 管故障后的容错控制方法，并以级联七电平逆变器为实验平台，设计出容错 控制的软硬件系统。 全文共分为五章内容： 第一章为绪论，阐述了三相交流变频驱动系统的发展过程，指出随着对 系统可靠性要求的不断提高，容错控制已经成为研究的重点方向。对当前容 错控制的意义与研究现状进行概括，特别是三相交流变频驱动系统的容错控 制研究现状，说明本文研究的主要内容。 第二章介绍多电平逆变器的拓扑结构及各自的特点，介绍了适用于三相 变频驱动系统的几种控制策略：v f 控制、矢量控制、直接转矩控制与脉宽 调制技术，并比较了各种方法的特点。特别由数学公式推导的角度，对应用 于级联型多电平逆变器的载波相移s p w m 控制技术进行了说明，提出载波相 移角度差万比2 万更有利于改善电压的输出性能，并通过仿真实验验证 了结论的正确性。 第三章按照三相变频驱动系统主电路结构，对不同拓扑结构整流电路的 故障诊断做出了概括，从电解电容等效电路模型研究出发，对直流滤波电容 的故障机理做出研究。分析了三相全桥式逆变电路与级联型多电平逆变电路 的工况分析与诊断，对感应电动机常见的转子故障、定子故障、轴承故障的 诊断理论进行了研究。 第四章采用m a t l a b 实现九电平变频调速系统的搭建，对功率变换单元发 生故障的情况，分类仿真并进行分析。以其中一相某一功率单元发生开关管 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 故障为例，对比采用不同容错控制方法的优劣特点。 第五章基于上述章节的理论分析与仿真结果，利用级联多电平逆变驱动 系统试验台，设计故障模拟与容错控制方案。从试验结果可以看出，正常状 况下逆变单元能够有稳定输出，而单相功率单元故障发生后，三相输出电压 不再平衡，利用相关容错控制方法，可以实现输出线电压的平衡，验证了上 述理论依据的正确性，初步达到预期的研究目标。 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 第2 章多电平变频驱动系统拓扑结构与控制策略 2 1 多电平变频驱动系统拓扑类型 对于实现高压大容量的途径主要有两种：通过器件的串联( 或多电平) 实现高电压；通过器件的并联实现大电流。由于器件的直接串联存在很高的 d v d t 和共模电压，严重威胁电机绕组的绝缘，因此，2 0 世纪8 0 年代以来， 人们发展了新型的多电平变频器，各种电压型多电平变频器的拓扑结构相继 被提出，并被广泛的应用于大容量功率变换领域。 目前的多电平变频器的拓扑结构主要包括：二极管筘位型、电容箝位型、 混合筘位型、带辅助变流器型、通用型箝位型、层叠式多单元、等电压h 桥 级联型、混合级联型、开绕组双端供电型和三相逆变器串联型等。但其典型 结构还是以下三种：二极管筘位型，三电平逆变器时也称为中点箝位 ( n e u r a l p o i n t c l a m p e d 简称n p c ) 三电平逆变器飞跨电容型h 桥单元 级联型。 1 二极管箝位型 二极管筘位型多电平变频器始于二极管箝位型三电平变频器【”】。n a b a e 等人在1 9 8 0 年i a s 年会所提出的电路结构为采用二极管箝位的三电平逆变 器。在1 9 8 3 年的i a s 年会上，p b h a g w a t 等人进一步将三电平推广到任意 多电平结构，建立了n p c 结构的多电平模式。 一个m 电平的二极管箝位型的多电平逆变器在直流母线上包含有m 一1 个 电容相串联，输出m 电平的相电压。若直流母线电压为，每个电容上的 电压为v d c m ，每个功率开关管的电压通过箝位二极管限制在1 个电容电压电 平v a c m 内。二极管箝位型五电平逆变器的拓扑结构如图2 1 所示。 2 飞跨电容型。 电容箝位的飞跨电容型( f l y i n gc a p a c i t o r s ) 多电平电路是由t a m e y n a r d 等人在1 9 9 2 年的p e s c 年会上提出的。其最初目的是为了减少二 极管箝位型多电平变流器在较多电平情况下过多的箝位二极管，采用悬浮电 容器来代替箝位二极管工作，直流侧的电容不变。其缺点在于需要箝位的电 容数量大，变换电路控制困难，开关频率和损耗较高。 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 图2 1 二极管箝位型五电平的拓扑结构 飞跨电容型五电平电路如图2 - 2 所示。飞跨电容筘位型的工作原理与二 极管箝位型变流器相似，在此不再赘述。从图中可知，每相输出五电平需要 6 个箝位电容和4 个直流分压电容。 图2 2 飞跨电容箝位型五电平逆变器拓扑结构 西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页 3 级联型多电平变频器 为了增加电平数以提高输出电压等级、进一步减小高次谐波含量， m m a r c h e s o n i 等人在1 9 8 8 年的p e s c 年会上提出了h 桥级联的多电平逆变 电路。 级联结构主要解决了直流电容不平衡问题，其实现方法是采用多个电气 独立的直流电容分压，输出多个台阶的电平。桥式逆变器在交流输出之前， 各个单元桥之间相互独立，变压器二次侧的移相接法实现了原边电流的多重 化，极大地提高了输入电流的波形质量。在所有的桥式级联型拓扑中，最基 本的是h 桥串联结构，本文所指的h 桥级联型为直流电压相等类型，对于直 流侧电压不相等的类型将在后面加以说明。 h 桥串联式多电平变换器采用多个功率单元串联的方法来实现高电压输 出，每个功率单元采用标准的低压器件i g b t 作为主回路开关器件。一般地， 每相由个h 桥单元级联而成，逆变电路输出相电压电平数m = 2 n + 1 ，线电 压为4 件1 。图2 3 为级联数为n 的三相级联型变频器主电路拓扑，输出相电 压为( 2 n + 1 ) 个电平，线电压为( 4 n + 1 ) 个电平。 u k u 记 阮叻沈 图2 - 3 级联数为n 的三相级联型变频器主电路拓扑 4 混合级联型多电平变频器 为在输出相同电平数的情况下减少级联的功率单元，在1 9 9 8 年的a p e c 会议上m d m a n j r e k a r 等人提出了基于不同电压等级的单元级联型混合多电 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 平逆变电路结构，并给出了电压为1 ：2 的两单元级联混合七电平电路的 p w m 控制方法 16 1 。 u a ?u bu c 图2 4 两单元级联混合七电平电路 与传统的h 桥级联型多电平结构相比，它采用了不同电压等级的直流电 源以及两种类型的功率器件i g b t 和g t o ，如图2 4 所示。其基本思想是通 过“特殊调制方法将两个等级不同的直流电压混合组成七电平输出，主要 特点是综合利用了两种类型功率器件的高电压阻断能力和快速开关能力，使 得与输出相同电平数的其他多电平逆变器相比，需要的功率器件最少。分析 表明，这种结构所需器件数量是其他类型的2 3 。 2 2 控制策略与方法 在三相变频驱动交流电动机系统的控制策略方面，1 9 7 1 年德国学者 f b l a s c h k e 发表论文，提出了交流电动机的磁场定向控制( 即矢量变换控制) 的原理，为高性能交流传动控制奠定了理论基础。8 0 年代掀起的交流调速研 究热潮，矢量控制理论进一步完善和发展，矢量控制系统的进一步简化与合 理，一些新的控制策略被相继提出。1 9 8 5 年另一位德国学者d e p e n b r o c k 提 出了一种异步电动机的直接自控制理论，通常称为直接转矩控制。现在很多 学者把现代理论的一些成果，例如状态观测器、滑模变结构控制、模型参考 自适应控制、模糊控制、非线性反馈解耦控制、逆系统理论与逆系统方法等 应用于交流传动的控制，以获得交流传动系统的高性能。本节将简单介绍应 用广泛的v f 控制、矢量控制与直接转矩控制的特点【1 。7 1 。因本文的研究主要 针对级联多电平变频驱动系统，下面将主要从数学推导的角度，介绍应用于 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 级联多电平逆变的载波相移s p w m 技术。 2 2 1v f 控制 v f 控制是为了得到理想的转矩一速度特性，基于在改变电源频率进行 调速的同时，又要保证电动机磁通不变的思想而提出的，通用型变频电源基 本上都是采用这种控制方式。v f 控制变频电源结构非常简单，但是这种变 频电源采用开环控制方式，不能达到较高的控制性能，而且在低频时，必须 进行转矩补偿，以改变低频转矩特性。该控制方式的特点是控制电路结构简 单，成本较低，机械特性硬度也较好，能够满足一般传动系统的平滑调速要 求。这种控制方式在低频时，由于输出电压较小，受定子电阻压降的影响也 比较显著，故造成输出最大转矩减小。另外，其机械特性终究没有直流电动 机硬，动态转矩能力和静态调速性能都不理想，以v f ：c 控制的系统性能 不高、控制曲线会随负载的变化而变化，转矩响应慢，电动机转矩利用率不 高，低速时因定子电阻和逆变器死区效应的存在而性能下降，使系统的稳定 性变差等。 2 2 2 矢量控制 2 0 世纪7 0 年代西门子公司提出异步电动机矢量控制理论来解决交流电 动机转矩控制问题。矢量控制( 又称v c 控制) 变频调速的做法是将异步电动 机在三相坐标系下的定子电流i a 、i b 、i c 通过三相一二相变换，等效成两相 静止坐标系下的交流电流i a l 、i b l ，再通过按转子磁场定向旋转变换，等效成 同步旋转坐标系下的直流电流i m l 、i t l ( i m l 相当于直流电动机的励磁电流，l 。l 相当直流电动机与转矩成正比的电枢电流) ，然后模仿直流电动机的控制方 法，求得直流电动机的控制量，经过相应的坐标反变换，实现对异步电动机 的控制。 矢量控制的实质是将交流电动机等效成直流电动机，分别对速度、磁场 两个分量进行独立控制。通过控制转子磁链，以转子磁通定向，然后分解定 子电流而获得转矩和磁场两个分量，经坐标变换，实现正交或解耦控制。矢 量控制方法的提出具有划时代的意义。然而在实际应用中，由于转子磁链难 以准确观测，系统特性受电动机参数的影响较大，且在等效直流电动机控制 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 过程中所用矢量旋转变换较复杂，使得实际的控制效果难以达到理想的分析 钍田 多日7 ko 矢量控制方式又分为基于转差频率控制的矢量控制方式、无速度传感器 矢量控制方式和速度传感器矢量控制方式等。 2 2 3 直接转矩控制 直接转矩控制是把电动机和逆变器看成一个整体，采用空间电压矢量分 析方法在定子坐标系进行磁通、转矩计算，通过跟踪型p w m 逆变器的开关 状态直接控制转矩。因此，无需对定子电流进行解耦，免去矢量变换的复杂 计算，控制结构简单。该技术在很大程度上弥补了矢量控制的不足，并以新 颖的控制思想，简洁明了的系统结构，优良的动静态性能得到了迅速发展。 目前，该技术已成功地应用在电力机车牵引的大功率交流传动上。 直接转矩控制技术，是利用空间矢量、定子磁场定向的分析方法，直接 在定子坐标系下分析异步电动机的数学模型，计算与控制异步电动机的磁链 和转矩，采用离散的两点式调节器( b a n g b a n g 控制) ，把转矩检测值与转矩给 定值作比较，使转矩波动限制在一定的容差范围内，容差的大小由频率调节 器来控制，并产生p w m 脉宽调制信号，直接对逆变器的开关状态进行控制， 以获得高动态性能的转矩输出。它的控制效果不取决于异步电动机的数学模 型是否能够简化，而是取决于转矩的实际状况，它不需要将交流电动机与直 流电动机作比较、等效与转化，即不需要模仿直流电动机的控制，由于它省 掉了矢量变换方式的坐标变换与计算和为解耦而简化异步电动机数学模型， 没有通常的p w m 脉宽调制信号发生器，所以它的控制结构简单、控制信号 处理的物理概念明确，系统的转矩响应迅速且没超调，是一种具有高静、动 态性能的交流调速控制方式。即使在开环的状态下，也能输出1 0 0 的额定 转矩，对于多拖动系统具有负荷平衡功能。 2 2 4 载波相移s p w m 控制技术 应用于级联型多电平逆变器的p w m 控制方法，主要有消除谐波p w m 法 ( s h p w m ) 、载波相移p w m ( c p s p w m ) 法和开关频率优化p w m 法( s f o p w m ) 【1 8 1 。 载波相移正弦脉宽调制技术( c p s - s p w m ) ，是利用s p w m 技术中的波形生成方式 西南交通大学硕士研究生学位论文第18 页 和多重化技术的波形叠加原理结合而成。对于c p s s p w m 技术调制原理，在很 多文献中有详细论述 1 9 , 2 0 】。对于c p s s p w m 技术中的载波相移角度，有万和 2 n n 两种方式【2 i , 2 2 j 。然而采用何种方式对逆变器输出性能有何影响的讨论 较少。本文将从载波相移s p w m 技术的数学推导入手，对这一问题做出探讨。 级联型多电平逆变器主电路拓扑如图2 - 3 所示，其中每相由个h 桥功 率单元模块组成，直流侧为相互独立，大小同为u 山的直流电源，同相各功 率模块依次级联。三角载波相移s p w m 技术利用s p i j 】v i 技术中的波形生成方式 和多重化技术的波形叠加原理，级单元采用个载波信号，同相各模块载 波信号的相位依次相差为万或者2 9 ，不同相间同级模块采用相同的载 波信号，调制波的相位即为输出相电压相位1 1j 。 三角载波相移s p w m ( c p s s p w m ) 法，是一种专门用于级联型逆变器中的 方法。每个功率单元模块可采用双桥控制p w m 方式。具体方法如图2 - 5 所示， 采用同一载波甜，、两个调制波“。、相互比较产生双极性信号( u 。、u h 相 位互差1 8 0 。) 。其中甜，与甜。调制信号控制h 桥左桥臂上下两开关管，“，与“h 调 制信号控制h 桥右桥臂上下两开关管。单桥臂输出幅值为监双极性电压。 2 功率单元两桥臂合成可得到幅值为单极性电压输出。 + 1 o - l 燃瓜删 l n 几几丌i| 1 几 二uuuul 一 图2 - 5 双桥控制p w m 方式输出波形 对于单相h 桥功率单元级联模块，如图2 - 6 采用同一调制波信号，而 西南交通大学硕士研究生学位论文第19 页 相邻功率单元载波信号u 。l 、u 。2 、u c 3 等相位差目可为万或者2 z n ，对于 不同的级联数目，采用何种载波相移角