全双向开关型双级矩阵变换器整流级降额容错控制方法

文档序号:9813562阅读:371来源:国知局
全双向开关型双级矩阵变换器整流级降额容错控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及矩阵变换器整流级降额容错方法,尤其设及全双向开关型双级矩阵变 换器整流级降额容错控制方法,属于电力电子器件容错控制技术领域。
【背景技术】
[0002] 作为空中交通工具和作战单元,飞机在国民经济和国防事业中发挥着越来越重要 的作用。自二十世纪80年代提出全电飞机概念W来,其W低重量、低成本、易维护等优点受 到了学术界与工业界的广泛专注。近年来随着多电及全电飞机的推广,用电作动器取代传 统气压、液压作动器已成为一种必然趋势,而其可靠性直接关系到整个系统的安全运行。高 容错电作动器通过及时诊断系统中的故障,并在故障后主动重构系统软硬件结构,从而保 证整个系统不损失性能或者损失部分性能指标的情况下安全运行,成为近年来的研究热 点。
[0003] 电机驱动系统(电作动器)通常由电机、功率变换器、传感器W及控制器组成,每一 部分故障都会影响系统的正常运行,直至系统擁痕。针对电机本体故障,国内外学者已研究 多年,并形成了较为成熟的方法;而变换器中的功率器件及其驱动故障,学者们对其关注较 少,其可靠性问题仍有待解决。
[0004] 矩阵变换器作为一种全娃型交-交变换器,W其体积重量小、功率密度高、能量可 双向流动等优点受到国内外学者的广泛关注。为增加矩阵变换器-电机驱动系统可靠性,国 内外学者在变换器容错和电机容错两方面均有研究。变换器容错方面,现有容错策略大多 针对直接矩阵变换器,主要有修改调制策略和增加冗余器件两种方法。但直接矩阵变换器 无法发挥间接矩阵变换器巧位电路简单、换流策略简单的优点,且现有容错方法大多针对 开关管的开路故障,与实际应用中,变换器因过压过流过热等原因失效的大多为短路故障 的现象不符。此外,现有容错拓扑所能容错的故障较为单一。因此,找到一种既能发挥双级 矩阵变换器的优点又能实现开关管短路/开路等多种故障容错的拓扑,并研究其容错策略 具有重要意义。

【发明内容】

[000引本发明所要解决的技术问题是:提供一种全双向开关型双级矩阵变换器整流级降 额容错控制方法,针对整流级一个双向开关单元短路或两个同侧双向开关单元开路故障, 通过适当调整变换器的调制方式,使得系统能够降额维持运行,保证系统输入输出特性。 [0006 ]本发明为解决上述技术问题采用W下技术方案:
[0007] 全双向开关型双级矩阵变换器整流级降额容错控制方法,所述全双向开关型双级 矩阵变换器中,整流级为由六个双向开关单元组成的=相桥式电路,逆变级为由六个双向 开关单元组成的=相桥式电路,每个双向开关单元由两个在发射极相连的单向开关管构 成;所述容错控制方法为:
[0008] 当整流级中的一个双向开关单元短路故障时,断开与发生故障的双向开关单元连 接在同一直流母线端的其它两个双向开关单元,同时断开与发生故障的双向开关单元同相 的另一双向开关单元,利用整流级剩余两个双向开关单元进行开关切换实现容错;根据输 入电流综合矢量所处扇区的不同,容错过程在一个调制周期内有=种调制方式:
[0009] 方式一:当构成上述扇区的两个空间矢量所表示的开关状态均为:发生故障的双 向开关单元导通,保持整流级、逆变级各开关管驱动信号不变;
[0010] 方式二:当构成上述扇区的两个空间矢量所表示的开关状态均为:与发生故障的 双向开关单元同相的另一双向开关单元导通,交换整流级各桥臂上下两个双向开关单元的 驱动信号,同时,交换逆变级各桥臂四个开关管的驱动信号,具体为将各桥臂四个开关管自 上而下编号为1-4,其中编号1和4的开关管交换驱动信号,编号2和3的开关管交换驱动信 号;
[0011] 方式当构成上述扇区的两个空间矢量所表示的开关状态为:其中一个空间矢 量需要故障相两个双向开关单元均断开,用除构成上述扇区的两个空间矢量之外的四个空 间矢量中距无法实现的空间矢量最近的空间矢量替换无法实现的空间矢量,另一空间矢量 保持不变;
[0012] 替换后的空间矢量和保持不变的空间矢量中,其中一个所表示的开关状态为:发 生故障的双向开关单元导通,则在该空间矢量作用时,保持整流级、逆变级各开关管驱动信 号不变;另一个所表示的开关状态为:与发生故障的双向开关单元同相的另一双向开关单 元导通,则在该空间矢量作用时,交换整流级各桥臂上下两个双向开关单元的驱动信号,同 时,交换逆变级各桥臂四个开关管的驱动信号,具体为将各桥臂四个开关管自上而下编号 为1-4,其中编号1和4的开关管交换驱动信号,编号2和3的开关管交换驱动信号。
[0013] 作为所述全双向开关型双级矩阵变换器整流级降额容错控制方法的进一步优化 方案,方式=中,容错前构成输入电流综合矢量所处扇区的两个空间矢量,其中一个需要故 障相两个双向开关单元均断开,设其占空比为Ox,该空间矢量容错后被替换,另一空间矢量 的占空比为Oy,该空间矢量容错后保持不变;容错后,用于替换需要故障相两个双向开关单 元均断开的空间矢量的新空间矢量,其占空比为Ox;保持不变的空间矢量,其占空比为
[0014] 再进一步的,容错后,整流级两个空间矢量占空比均小于0.577。
[0015] 再进一步的,所述整流级采用无零矢量调制策略,该无零矢量调制策略中有效矢 量将平面划分为6个扇区,需要故障相两个双向开关单元均断开的两个有效矢量将平面划 分为两块,每块有3个扇区;容错后,其中一块中3个扇区空间矢量作用顺序保持不变,交换 另一块3个扇区每个扇区的两个空间矢量作用顺序。
[0016] 全双向开关型双级矩阵变换器整流级降额容错控制方法,所述全双向开关型双级 矩阵变换器中,整流级为由六个双向开关单元组成的=相桥式电路,逆变级为由六个双向 开关单元组成的=相桥式电路,每个双向开关单元由两个在发射极相连的单向开关管构 成;所述容错控制方法为:
[0017] 整流级两个同侧双向开关单元开路故障等效为整流级非故障相桥臂上与运两个 双向开关单元同侧的双向开关单元短路故障,针对整流级非故障相桥臂上与运两个双向开 关单元同侧的双向开关单元短路故障采用权利要求1所述容错控制方法。
[0018] 本发明采用W上技术方案与现有技术相比,具有W下技术效果:
[0019] 1、本发明控制方法使整流级一个双向开关单元发生短路故障时,无需隔离故障 相、增加冗余桥臂,利用开关管故障特性通过调整开关切换方式使系统继续运行,简化了双 级矩阵变换器的容错策略,降额运行后可保证系统输入输出特性。
[0020] 2、本发明控制方法使整流级两个同侧双向开关单元发生开路故障时,因其可等效 为与运两个双向开关单元同侧的另一相的双向开关单元短路故障,采用整流级一个双向开 关单元短路故障的容错控制方法即可实现两个同侧双向开关单元开路故障的容错控制。
[0021] 3、本发明控制方法提高了双级矩阵变换器的容错运行能力,具有重要的实际应用 意义。
【附图说明】
[0022] 图1是本发明全双向开关型双级矩阵变换器的主功率拓扑图。
[0023] 图2是本发明矩阵变换器整流级输入电流空间矢量图。
[0024] 图3是正常工作状态下系统直流母线电压、输出电压和输入电流波形图。
[0025] 图4是整流级一个双向开关单元短路故障容错时,模态3时整流级逆变级各开关管 驱动波形图。
[0026] 图5是整流级一个双向开关单元短路故障容错时,整流级各开关管驱动波形图。
[0027] 图6是整流级一个双向开关单元短路故障容错时,系统直流母线电压波形及逆变 级输入等效直流母线电压波形图。
[0028] 图7是整流级一个双向开关单元短路故障容错时,系统输出电压和输入电流波形 图。
【具体实施方式】
[0029] 下面详细描述本发明的实施方式,下面通过参考附图描述的实施方式是示例性 的,仅用于解释本发明,而不能解释为对本发明的限制。
[0030] 本领域的技术人员可W理解,除非另外定义,运里使用的所有术语(包括技术术语 和科学术语)具有本发明所属技术领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该 理解的是,诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意 义一致的意义,并且除非像运里一样定义,不会用理想化或过于正式的含义来解释。
[0031] ( - )全双向开关型双级矩阵变换器的拓扑结构介绍
[0032] 如图1所示,为全双向开关型双级矩阵变换器拓扑结构图,主功率拓扑由整流级、 直流母线和逆变级=部分组成。其中,输入=相用A,B,C表示,输出=相用U,V,W表示,直流 母线的两级分别记为P和n。整流级为由六个双向开关单元组合而成的=相桥式电路,六个 双向开关单元可用SYM(Y=A,B,C;M = p,n)表示,意指连接输入Y相与直流母线M端;逆变级从 原来的六个单向开关管改为六个双向开关单元,运一改变使其具有承受反向电压的能力, 直流母线电压极性能在某些情况下反向,六个双向开关单元用SxM(X = U,V,W;M=p,n)表示, 意指连接输出侧X相与直流母线M端。
[0033] (二)正常运行状态
[0034] -般双级矩阵变换器整流级开关管的通断状态可用元素全为喊1的2 X 3矩阵表示,共9 种开关状态祖合,分别为//I。。-心「。I。―,/34。L。1,命「。。1]平[。。I], W yi nA 心、'U O , yj 刀^ 八 ' L日 O 1 , 2 L〇 O '1」'3 Li O :日」4 '0 〇」','[_0 .1 O 吨:4;三3,冲;3, 4书。,其中,0表示双向开关单元断开,1 表不双向开关单兀接通。9个开关状态组合中,Il~Is为有效矢量,I?~19为零矢量。六个有 效矢量将平面划分为6个扇区,扇区号用Sr(Sr= I,II~VI)表示,如图2所示。
[0035] 对于全双向开关型双级矩阵变换器,用SxM^j = I, 2)分别表示逆变级双向开关单 元中的两个开关管,对应关系如图1所示。正常运行时,整流级采用无零矢量的空间矢量调 审IJ,直流电压Upn为正,Sxmi根据输出参考电压大小及所处扇区位置确定开关切换次序和导通 时间长短。
[0036] 如图3所示,给出了正常工作状态下,系统直流母线电压、=相输出电压和=相输 入电流波形图。从图中可W发现,正常工作时,直流母线电压Upn为正,呈经典的扇形波,输入 电流和输出电压均为=相正弦波。
[0037] (=)整流级一个双向开关单元短路故障容错策略
[0038] 不失一般性的,WSep发生短路故障为例,C相始终与直流母线P
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