三电平单相桥臂故障时转入两相桥臂运行的逆变器的制造方法
【专利摘要】一种三电平单相桥臂故障时转入两相桥臂运行的逆变器，属于三电平故障两相运行的逆变器。该逆变器的直流侧连接两个容值相等的电容；两相正常桥臂并联，每个桥臂有四个开关器件和二个开关串联连接，在每一个桥臂的开关器件上均反向并联一个二极管。负载侧接三相交流电机，一相桥臂发生故障后，将这一相桥臂切除，三相交流电机分别接入两个正常桥臂中点以及直流侧电容中点；通过对空间矢量调制算法(SVPWM)的相应调整，使其适应两桥臂拓扑，逆变器仍能在低压状态下运转。本发明可以实现在三电平逆变器单相桥臂出现故障时，仍能保证电机运转，与其他现有技术相比，实现方法简单。
【专利说明】三电平单相桥臂故障时转入两相桥臂运行的逆变器
【技术领域】
[0001] 本发明涉及三电平故障两相运行的逆变器，具体是一种三电平单相桥臂故障时转 入两相桥臂运行的逆变器。
【背景技术】
[0002] 在交流电机控制系统中，逆变器在整个系统中起到了重要的作用，维持了电机的 运转。但是在实际运行中，逆变器的故障会导致输出波形畸变，使得电机无法正常运转。在 依赖电机的行业，例如矿井提升机，逆变器的故障引起的停机检修会导致经济的严重受损， 更可能危及生命安全。因此，需要采取有效措施使逆变器故障时依然能够维持逆变器输出 波形正确，从而保证电机的运行。
[0003] 从20世纪80年代开始，随着大容量高压逆变器的研制，多电平变频器的优势逐渐 显示出来，成为电机传动领域的热点。人们常用的多电平逆变器的基本电路拓扑有一下三 种：飞跨电容箝位式多电平逆变器、级联型多电平逆变器、二极管箝位型多电平逆变器。
[0004] PWM(Pulse Width Modulation)控制就是对脉冲宽度进行调制的技术，用来等效 地获得所需要的波形。空间矢量PWM(SVPWM)控制策略是根据变频器空间电压（电流）矢量 切换来控制变频器。电压空间矢量PWM控制策略是日本学者在20世纪80年代针对交流电 机变频调速提出的，采用逆变器空间电压矢量的切换来获得准圆形旋转磁场。SVPWM可以提 高电压型逆变器的电压利用率和电机的动态响应性能，同时还能减小电机的转矩脉动。根 据要跟踪的磁链空间矢量的运动轨迹，选择逆变器的开关形式，使逆变器输出适当波形的 电压，这就是SVPWM的基本原理。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是提供一种结构简单、成本低、可靠性高的三电平单相桥臂故障时 转入两相桥臂运行的逆变器。
[0006] 本发明的目的是这样实现的：所采用的技术方案为：该逆变器的三相桥臂共有12 个开关器件，每个桥臂上有4个开关器件和两个开关串联连接；在每个开关器件上反向并 联一个二极管，两个开关均从相线连接到开关器件；主拓扑采用二极管钳位，电源侧为两个 容值相等的电容；每个桥臂的4个开关器件分为2组二个相邻开关器件，每一组内二个相 邻开关器件的连接点分别通过箝位二极管连接到直流侧电容中点；在每个桥臂的2组开关 器件的连接点通过开关连接到直流侧中点；当检测到三电平逆变器A、B、C相桥臂中某一相 桥臂发生故障后，将这一相桥臂切除，将其输出端直接接入逆变器的中点处，采用非故障的 两相桥臂代替三相桥臂继续运行；通过六个箝位二极管钳位，调整三电平空间矢量调制算 法（SVPWM)，可以有效地增加电平数，减少电压谐波，使输出电压电流更加接近正弦的三相 输出，仍能在低压状态下运转。
[0007] 在两桥臂结构下，负载侧接三相交流电机，三相交流电机分别接入两个正常桥臂 中点以及直流侧电容中点；采用空间矢量调制算法（SVPWM)，对其进行调整，使其适应两桥 臂拓扑，当三电平逆变器在单相桥臂出现故障时，仍能保证电机运转；具体步骤如下：
[0008] (1)分析没有故障的三电平逆变器输出的基本矢量图，根据故障相桥臂对基本矢 量进行筛选，得到故障后新的基本矢量图；
[0009] (2)判断参考矢量在故障后基本矢量图中的位置，根据伏秒平衡原理对基本矢量 作用时间进行调整；
[0010] (3)确定基本矢量的作用顺序，结合矢量作用时间对开关器件进行控制。
[0011] 有益效果：由于采用了上述方案，在直流侧连接两个容值相等的电容，A、B两相正 常桥臂上分别有四个开关器件反并联二极管组成，每相桥臂上的1、2开关器件中间以及3、 4开关器件中间通过箝位二极管连接到直流侧的中点，C相桥臂故障切除后直接连接直流 侧中点；负载侧接三相交流电机，三相交流电机分别接入两个正常桥臂中点以及直流侧电 容中点。
[0012] 当检测到三电平逆变器A、B、C相桥臂中某一相桥臂发生故障后，将这一相桥臂切 除，将其输出端直接接入逆变器的中点处。原本的三电平逆变器每个桥臂的输出端都可以 输出三种电平，分别为P、〇、N，故障相输出端接入中点后，输出端只能输出0电平。传统算 法基本矢量共有27种，故障后，由于故障相只能输出0电平，因此基本矢量减少到7种，区 域划分图如5。利用这7个基本矢量，通过对SVPWM调制算法的调整，可以保证在降压条件 下维持输出波形正弦。
[0013] 当C相桥臂故障时，将C相输出端接入三电平逆变器中点，A相与B相的输出可以 为P、0、N，C相的输出为0 ;该逆变器的故障处理方法，结构更为简单，实现方法简单。
【专利附图】
【附图说明】
[0014] 图1为可切除故障桥臂的三电平逆变器拓扑图。
[0015] 图2为C相故障后本发明采用的拓扑图。
[0016] 图3为A、B桥臂输出相电压状态原理图。
[0017] 图4为没有故障时的基本矢量图。
[0018] 图5a为C相故障后的基本矢量图。
[0019] 图5b为C相故障后的扇区划分图。
[0020] 图6为第3扇区参考矢量的分解图。
【具体实施方式】
[0021] 下面结构附图对本发明的实施例作进一步的说明：
[0022] 本发明逆变器的三相桥臂共有12个开关器件，每个桥臂上有4个开关器件和两个 开关串联连接；在每个开关器件上反向并联一个二极管，两个开关均从相线连接到开关器 件；主拓扑采用二极管钳位，电源侧为两个容值相等的电容；每个桥臂的4个开关器件分为 2组二个相邻开关器件，每一组内二个相邻开关器件的连接点分别通过箝位二极管连接到 直流侧电容中点；在每个桥臂的2组开关器件的连接点通过开关连接到直流侧中点；当检 测到三电平逆变器A、B、C相桥臂中某一相桥臂发生故障后，将这一相桥臂切除，将其输出 端直接接入逆变器的中点处，采用非故障的两相桥臂代替三相桥臂继续运行；通过六个箝 位二极管钳位，调整三电平空间矢量调制算法（SVPWM)，可以有效地增加电平数，减少电压 谐波，使输出电压电流更加接近正弦的三相输出，仍能在低压状态下运转。
[0023] 在两桥臂结构下，负载侧接三相交流电机，三相交流电机分别接入两个正常桥臂 中点以及直流侧电容中点；采用空间矢量调制算法（SVPWM)，对其进行调整，使其适应两桥 臂拓扑，当三电平逆变器在单相桥臂出现故障时，仍能保证电机运转；具体步骤如下 ：
[0024] (1)分析没有故障的三电平逆变器输出的基本矢量图，根据故障相桥臂对基本矢 量进行筛选，得到故障后新的基本矢量图；
[0025] (2)判断参考矢量在故障后基本矢量图中的位置，根据伏秒平衡原理对基本矢量 作用时间进行调整；
[0026] (3)确定基本矢量的作用顺序，结合矢量作用时间对开关器件进行控制。
[0027] 实施例1 :如图1所示，为可切除故障桥臂的二极管中点箝位（NPC)型三电平逆变 器的主拓扑。逆变器的三相桥臂共有12个开关器件，每个桥臂上有4个开关器件。每个开 关器件反向并联一个二极管。主拓扑采用二极管钳位，电源侧为两个容值相等的电容，每个 桥臂1、2开关器件中间和3、4开关器件中间分别通过二极管连接到直流侧电容中点。通过 六个二极管钳位，可以有效地增加电平数，减少电压谐波，使输出电压电流更加接近正弦。 图1中，三电平逆变器正常运行时，开关S n、S12、S21、S22、S31和S 32处于闭合状态，开关S13、 S23、S33处于断开状态。
[0028] 当三电平逆变器的C相桥臂出现故障，将S31和S32开关断开以切除C相桥臂，并将 S 33开关闭合使C相输出端接入直流侧中点。这样，可以把拓扑图转化为如图2所示的结构 图，图2即为本发明一相桥臂出现故障时的构建结构图。
[0029] 下面将对这种结构进行详细的分析。
[0030] 在如图2所示的三电平逆变器拓扑中，A相与B相是正常工作的两相桥臂，以A相 为例解释正常桥臂工作原理。
[0031] VTn、VT12、VT13和VT 14是A相中的4个IGBT器件，按照下表的开关组合方式，可以 得到三种相电压状态，分别为Ud/2、0和-U d/2,三种状态可以用P、0和N来表示。
[0032]
【权利要求】
1. 一种三电平单相桥臂故障时转入两相桥臂运行的逆变器，其特征是：该逆变器的三 相桥臂共有12个开关器件，每个桥臂上有4个开关器件和两个开关串联连接；在每个开关 器件上反向并联一个二极管，两个开关均从相线连接到开关器件；主拓扑采用二极管钳位， 电源侧为两个容值相等的电容；每个桥臂的4个开关器件分为2组二个相邻开关器件，每一 组内二个相邻开关器件的连接点分别通过箝位二极管连接到直流侧电容中点；在每个桥臂 的2组开关器件的连接点通过开关连接到直流侧中点；当检测到三电平逆变器A、B、C相桥 臂中某一相桥臂发生故障后，将这一相桥臂切除，将其输出端直接接入逆变器的中点处，采 用非故障的两相桥臂代替三相桥臂继续运行；通过非故障相得四个箝位二极管钳位，调整 三电平空间矢量调制算法，可以有效地维持电平数，减少电压谐波，使输出电压电流接近正 弦的三相输出，仍能在低压状态下运转。
【文档编号】H02M7/487GK104377978SQ201410751304
【公开日】2015年2月25日 申请日期:2014年12月10日 优先权日:2014年12月10日
【发明者】戴鹏, 伍小杰, 公铮, 吕彦, 徐楠, 张雷, 朱信威, 郑遵宇, 於静, 郭国胜 申请人:中国矿业大学