串聯H橋多電平高壓變頻器故障處理新方法

1 引言

　　礦井提升機是煤礦生產的關鍵設備，肩負著井上、井下聯絡的重任，提升機控制系統工作的安全可靠性，直接影響到企業的經濟效益［1］。串聯h橋的多電平高壓變頻提升機傳動系統，雖然不像重要場合的風機、水泵負載那樣要求系統能夠連續運轉，當變頻器功率單元出現故障時可以立即停止提升機運行，進行單元更換、檢修處理，待故障排除后繼續進行生產，但是當提升機高速運行時，若變頻器某一相的一個或幾個，甚至多相的多個h橋功率單元同時發生故障時，要求提升機傳動系統必須能夠繼續驅動電動機，以提供足夠的制動力矩將提升機制動。因此，提升機傳動系統在變頻器故障狀態下能否繼續運行，是值得研究的問題。

　　目前，國內對串聯h橋型變頻器故障單元的處理主要有旁路技術、熱插拔技術等，這些只是用于對故障單元硬件方面的處理，在控制方式上并沒有得到改善。同時存在變頻器的輸出電壓不對稱、對操作人員人身安全有一定的危險以及備用h橋單元的投入需要一定的時間。本文主要針對6kv九電平電壓空間矢量控制變頻器，分析當單元故障時，如何對電壓矢量開關狀態重新選擇，保證串聯h橋功率單元故障時，提升機能夠提供最大的制動力矩。在matlab/simulink環境下對提升機傳動系統進行了故障運行仿真分析。

2 故障運行時逆變器的控制方法

　　為了使提升機在串聯h橋功率單元故障時提供最大制動力矩，并使傳動系統輸出的電壓軌跡接近圓形，需要確定最小的kdx，令此最小值為kdmin，將kdmin所對應的正六邊形，作為變頻器最大電壓矢量幅值的參考。

　　為了使傳動系統輸出達到式（2）確定的最大幅值，對開關狀態進行調整，調整之后，傳動系統輸出的三相相電壓的相位、幅值都很可能會不對稱，但輸出的線電壓是對稱的，電動機仍然可以對稱運行。

　　在傳統的故障單元旁路方式中，為保證線電壓對稱，必須保證相電壓是對稱的，所以必須將某些正常串聯h橋功率單元一同旁路，限制了傳動系統的帶載能力。與傳統的故障單元旁路方式相比，應用svpwm控制技術的開關狀態調整方式，在同樣的故障狀態下，能夠輸出幅值更大的正弦電壓，能夠為提升機制動提供更大的力矩。

　　2.1 參考電壓矢量限幅

　　當串聯h橋功率單元出現故障時，如果參考電壓矢量vr*的幅值大于vmax，那么vr*就無法通過變頻器輸出實現，此時必須對vr*進行限幅。一種簡單可行的方法，就是將vmax作為參考電壓矢量的幅值，將矢量vr*的角度作為參考電壓矢量的角度。設參考電壓矢量vr*在m-n坐標系中的坐標為（vrm*，vm*），如圖1所示。根據余弦定理可以計算，參考電壓矢量vr*的幅值vr*為：

　　因此，為了使參考電壓矢量為圓形，將其限制在圖1用虛線表示的正六邊形內切圓上，只需將vr*按比例λ縮短，其中。

　　圖2中（a）所示為c相串聯h橋功率單元全部發生故障時，參考電壓及限幅前后傳動系統輸出的電壓矢量分布圖。

2.2 開關狀態的調整

　　采用電壓空間矢量調制時，根據參考電壓矢量確定電壓矢量及開關狀態［3］。當串聯h橋功率單元發生故障后，某些電壓矢量已無法通過所選的開關狀態來實現，必須對這些開關狀態進行調整，調整的原則是使零序電壓盡可能保持最小。

　　例如開關狀態（2，1，-3），在c相兩個串聯h橋功率單元故障的情況下就無法得到，為了使零序電壓最小，所以調整開關狀態為（3，2，-2），零序電壓由0變為3。通過此種調整，歸根到底就是通過增加a、b兩相的電壓來補償c相無法提供的那部分電壓。

　　為了增強開關狀態（va，vb，vc）調整的自適應能力，在本文的仿真系統中采用實時計算的方式來實現，調整計算的流程圖如圖3所示。圖2中（b）為c相串聯h橋功率單元全部發生故障時開關狀態調整前后的仿真波形。

　　2.3 故障運行時的觸發脈沖循環控制

　　串聯h橋功率單元發生故障后，觸發脈沖的循環必須忽略該故障單元，循環只在正常的串聯h橋功率單元之間進行。

　　在仿真模型中，采用脈沖選擇連接器循環選擇的方式來實現，a、b、c三相的串聯h橋功率單元故障矩陣分別用fa、fb、fc表示，fa、fb、fc均為4×1矩陣，每個矩陣的四個元素對應各相中串聯的四個h橋功率單元故障狀態，“1”表示單元正常，“0”表示單元故障。例如，a1、a3故障，則fa=［0，1，0，1］t；若b4故障，則fb=［1，1，1，0］t。

　　由于三相觸發脈沖控制方式相同，在此以a相為例進行說明。為方便表述，將fa記為fa=［fa1， fa2， fa3，

　　fa4］t，因此，ea的計算可以描述為：

　　ea=fa1+fa2+fa3+fa4 （4）

　　用f1、f2、f3、f4分別表示四個功率單元的脈沖循環序列初值，與fa各元素的關系為：

　　初值確定后，還要將觸發脈沖循環控制序列進行修正，觸發脈沖循環序列由串聯h橋功率單元全部正常時的0-1-2-3-0-1-2-3-……，修正為故障狀態循環序列0-1-……-（ea-1）-0-1-……-（ea-1）-……。加上初值后，故障狀態時的觸發脈沖循環控制序列瞬時值f1′、f2′、f3′、f4′取值范圍為：

　　因此可以判斷，如果f1′、f2′、f3′、f4′取值大于或者等于p，則說明其對應的功率單元發生故障，將觸發脈沖選擇至無效端口，用于封鎖脈沖輸出（仿真模型中設定此時逆變器電壓輸出為零）；如果取值小于p，將f1′、f2′、f3′、f4′分別對ea取余，計算的結果用于連接器選擇。圖4所示為a1故障時的觸發脈沖循環控制序列及各功率單元連接器選擇仿真圖形。

3 仿真分析

　　基于simulink對串聯h橋九電平提升機變頻傳動系統進行了仿真，該系統的電動機采用轉子磁鏈定向的矢量控制，變頻系統中每個h橋逆變單元采用仿真系統中直流電壓單獨供電。系統容量的參數選擇留有一定裕量，當只有一個功率單元故障是，系統運行不會受到任何影響，所有的串聯h橋單元故障都集中發生在某一相時，負載不平衡最為嚴重，因此，僅對a相四個功率單元發生故障情況作了仿真。

　　仿真參數設置：仿真系統的電機參數根據yr118/44-10型提升電動機的技術參數進行選取，逆變系統igbt功率模塊額定電壓2000v，額定電流400a。直流側電壓為vdc=1200v。

　　圖5為a相的所有串聯h橋功率單元都發生故障時的波形。為了將提升機轉速給定和實際轉速曲線區分得更明顯，仿真設定的角加速度為-21rad/s2。從圖（c）所示的轉矩波形可以看出，由于變頻器輸出的最大電壓降低，提升電動機反向電動勢的影響時間比兩個串聯h橋功率單元故障時要長，待轉速降低之后，電磁轉矩仍然能控制提升電動機的轉速，使之與給定轉速吻合。圖（e）和（f）所示為變頻器網側三相電流以及輸入變壓器主繞組的環流，三相電流的不平衡程度加劇，變壓器原邊繞組環流的峰值增大。

　在實際應用中，某一時刻有更多的串聯h橋功率單元同時損壞的可能性很小。從上述的波形分析來看，當串聯h橋功率單元發生故障時，雖然變壓器繞組環流較大，但系統在較大環流下的工作時間很短，采用參考電壓限幅以及開關狀態調整的控制方式，可以保證提升電動機的安全制動和停機，滿足煤礦提升的控制要求。

4 結束語

　　本章針對串聯h橋功率單元故障，分析了單元故障對電壓矢量的影響，為了保障傳動系統輸出三相線電壓對稱，并且確保傳動系統輸出的零序電壓最小，闡述了參考電壓矢量限幅、開關狀態調整及觸發脈沖循環控制的控制方式。在matlab/simulink搭建了單元故障狀態時的控制模型，通過仿真，實現了上述串聯h橋功率單元故障的控制方式，系統有較好故障運行能力。