《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于矩陣變換器驅(qū)動(dòng)的PMSM容錯(cuò)補(bǔ)救措施
來(lái)源：電子技術(shù)應(yīng)用2014年第2期
魏 萍，魏 浩
南昌大學(xué) 信息工程學(xué)院，江西 南昌330031
摘要： 矩陣變換器作為一種“綠色”變換器，具有良好的輸入和輸出特性，功率因數(shù)可調(diào)，能量雙向流動(dòng)，且體積小。但由于矩陣式變換器（MC）沒(méi)有續(xù)流回路，易發(fā)生短路故障和斷路故障，且由于其沒(méi)有直流環(huán)節(jié)，因此上述兩種故障均是非常危險(xiǎn)的，嚴(yán)重影響供電質(zhì)量。為此提出了一種新型的矩陣式變換器（MC）故障容錯(cuò)安全運(yùn)行方式，當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)，通過(guò)控制變換器雙向開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通狀態(tài)為負(fù)載提供一個(gè)可控安全的續(xù)流回路，使負(fù)載能夠在短時(shí)間內(nèi)釋放儲(chǔ)能，減少對(duì)變換器系統(tǒng)電路的損壞。通過(guò)Matlab/Simulink仿真驗(yàn)證該策略的正確性和可行性。
中圖分類(lèi)號(hào)： 464
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
文章編號(hào)： 0258-7998(2014)02-0062-03
A fault-tolerant remedial operation strategy based on matrix converter drive PMSM
Wei Ping，Wei Hao
School of Information Engineering, Nanchang University, Nanchang 330031，China
Abstract： Matrix converter(MC) as a ″green″ converter has good input and output characteristics, adjustable power factor, bidirectional power flow, small volume and so on. Because of lacking current loop, the converter prone to short circuit fault and open fault, since no direct link, both of the faults are very dangerous, seriously affecting the quality of power supply. This paper proposes a new fault-tolerant safe operation method for matrix converter. The key of the proposed method is to provide a safe and controlled path for converter switch conduction state when a fault occurs. The load can release the stored energy in a short time and reduce the damage of circuit in the inverter system. The simulation of Matlab/Simulink verifies the feasibility of the strategy and the correctness of the presented theory.
Key words : matrix converter；PMSM；fault-tolerant control；fault protection

    作為一種“綠色”變換器，相比于傳統(tǒng)的交－直－交變換器，矩陣式變換器（MC）[1-3]具有許多優(yōu)點(diǎn)：無(wú)中間直流儲(chǔ)能環(huán)節(jié)，體積縮小，功率電路簡(jiǎn)單、緊湊；能量的雙向流通，正弦的輸入輸出電流；可輸出頻率、幅值及相位可控的正弦負(fù)載電壓；輸入功率因數(shù)等于1或可控[4-5]。
    1971年，NIDERLINSKI首先提出容錯(cuò)控制FTC(Fault Tolerant Control)這一概念，SILJAK在1980年最先發(fā)表關(guān)于容錯(cuò)控制的文章。“容錯(cuò)”一詞源至于計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)，是容忍故障的簡(jiǎn)稱(chēng)[6]。由于矩陣式變換器（MC）沒(méi)有續(xù)流回路，易發(fā)生短路故障和斷路故障；由于其沒(méi)有直流環(huán)節(jié)不管是哪種故障均是非常危險(xiǎn)的，嚴(yán)重影響供電質(zhì)量。本文將容錯(cuò)運(yùn)行引入到矩陣式變換器（MC）故障模式下，如圖1采用二極管，圖2采用雙向開(kāi)關(guān)，分別構(gòu)成續(xù)流回路，當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)，通過(guò)控制變換器雙向開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通狀態(tài)為負(fù)載提供一個(gè)可控安全的續(xù)流回路，使負(fù)載能夠在短時(shí)間內(nèi)釋放儲(chǔ)能，減少對(duì)變換器系統(tǒng)電路的損壞[7]。

1 矩陣變換器故障種類(lèi)
    MC作為一種高性能的電力變換器，由于沒(méi)有自由續(xù)流回路，當(dāng)其發(fā)生故障時(shí)，不能像交—直—交電力變換器那樣直接關(guān)斷變換器的所有開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)保護(hù)和故障的切除。傳統(tǒng)上采用二極管續(xù)流電路來(lái)保護(hù)MC，其原理與交-直-交變換器在二極管續(xù)流回路上的作用相同，優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)能夠安全可靠運(yùn)行。而缺點(diǎn)是又因?yàn)橐肓舜箅娙葸M(jìn)入系統(tǒng)，隨著系統(tǒng)容量的增加，電容的容量也相應(yīng)地變大，從而增大了系統(tǒng)的體積，另一方面也就減弱了MC許多優(yōu)良特性[6]。MC-PMSM系統(tǒng)故障分為轉(zhuǎn)矩負(fù)載過(guò)載、變換器開(kāi)關(guān)管短路與斷路3種情況。
1.1 矩陣變換器的故障波形
    常見(jiàn)的MC故障可以分為兩種類(lèi)別：短路故障和斷路故障。由于其沒(méi)有直流環(huán)節(jié)，不管是哪種故障均是非常危險(xiǎn)的，會(huì)嚴(yán)重影響電網(wǎng)的電能質(zhì)量[6]。通過(guò)Matlab軟件搭建系統(tǒng)仿真模型，分別針對(duì)其短路故障和斷路故障進(jìn)行仿真，并分析這些故障的影響。圖3、圖4為MC上開(kāi)關(guān)SAa發(fā)生斷路與短路的仿真波形。

    這時(shí)通過(guò)上面所提到的檢測(cè)電路發(fā)現(xiàn)開(kāi)關(guān)SAa出現(xiàn)斷路現(xiàn)象時(shí)，如圖3應(yīng)該立即控制雙向開(kāi)關(guān)TRa導(dǎo)通，使斷相的電流通過(guò)TRa回路流出，同時(shí)關(guān)斷與電機(jī)U相連接的MC所有開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。其次根據(jù)圖5迅速判斷此時(shí)電壓輸入、輸出所處的區(qū)間和相應(yīng)的最大相、中間相以及最小相。此時(shí)，若輸入電機(jī)兩端的電網(wǎng)電壓在第一扇區(qū)內(nèi)，那么UR則為正的最大值，UC為負(fù)的最大值，同時(shí)利用主控制器控制開(kāi)關(guān)保證電機(jī)的V相仍與電源的S相聯(lián)接，電機(jī)的W相仍與電源的T相聯(lián)接，而電機(jī)的U相則通過(guò)雙向開(kāi)關(guān)TRa回路連接至電網(wǎng)側(cè)[8]。采用這種策略后，即可以保證MC繼續(xù)安全運(yùn)行，也可使電機(jī)中存儲(chǔ)的能量回饋電網(wǎng)節(jié)約能源，而不像傳統(tǒng)電路采用電阻消耗儲(chǔ)能。由于當(dāng)MC檢測(cè)到故障時(shí)才開(kāi)始實(shí)施容錯(cuò)安全運(yùn)行策略,對(duì)于MC的輸出波形而言已經(jīng)不再是理想的正弦波,此時(shí)判斷輸入和輸出電壓所處區(qū)間也就不一定準(zhǔn)確。如果當(dāng)MC的故障輸入和輸出電壓一直延續(xù)到下一個(gè)區(qū)間時(shí),電機(jī)儲(chǔ)能仍未釋放完,則應(yīng)該保持主控制器控制開(kāi)關(guān)連接不變,直到電機(jī)負(fù)載側(cè)儲(chǔ)能釋放完畢,再完全關(guān)斷所有開(kāi)關(guān)，那么電機(jī)兩端將不會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)的電動(dòng)勢(shì)，最后維修MC。整個(gè)過(guò)程中對(duì)于MC完好的雙向開(kāi)關(guān)仍采用四步的換流策略直到電機(jī)的轉(zhuǎn)速降為接近零時(shí)，使電機(jī)釋放完定子繞組中儲(chǔ)存的能量。同理如果斷開(kāi)的是V、W兩項(xiàng)，則過(guò)程同上。
    圖7為MC雙向開(kāi)關(guān)短路時(shí)的仿真波形。通過(guò)人為在0.056 s處加入故障，可以得到MC-PMSM系統(tǒng)在出現(xiàn)故障后其轉(zhuǎn)速不斷作不規(guī)則震蕩后迅速下降導(dǎo)致系統(tǒng)失控。同時(shí)電機(jī)的三相電流和系統(tǒng)閉環(huán)的反饋電壓均出現(xiàn)明顯的畸變，且輸入相電流和輸出線電壓波形中含有大量的高次諧波[9]。此時(shí)分別針對(duì)圖2和圖3的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖進(jìn)行FTC的仿真研究，其仿真波形如圖8、圖9所示。

 

 

    仿真參數(shù)設(shè)計(jì)如下輸入側(cè)電容C=26.5 μF，電感L=0.9 mH，電阻R=33 Ω，頻率f=1 kHz；電機(jī)參數(shù)：LS=4.45 mH，φF=0.342 9 Wb，ωN=2 000 rpm，J=16.83e-3kgm2，PN=10.6 kW。
    基于矩陣變換器驅(qū)動(dòng)的PMSM容錯(cuò)補(bǔ)救措施，通過(guò)控制變換器開(kāi)關(guān)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)和重新調(diào)整電路結(jié)構(gòu)，為負(fù)載提供一個(gè)可以控制的續(xù)流回路，使負(fù)載釋放完儲(chǔ)存的能量并能迅速停車(chē)或繼續(xù)安全運(yùn)行，而不會(huì)在兩端出現(xiàn)任何嚴(yán)重過(guò)電壓。同時(shí)通過(guò)對(duì)二極管箝位電路的改進(jìn)，緩解了MC系統(tǒng)電路中引入大電容時(shí)導(dǎo)致的MC體積變大及箝位電容使用壽命短的不足，并能使能量回饋電網(wǎng)達(dá)到節(jié)能的目的。通過(guò)對(duì)MC的開(kāi)關(guān)在斷路和短路兩種情況下采用容錯(cuò)控制策略的仿真驗(yàn)證了所提出的容錯(cuò)運(yùn)行策略可以提高M(jìn)C系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。
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