單相正弦波逆變器容錯控制研究

摘要：介紹了一種具有容錯能力的單相正弦波逆變系統(tǒng)。在診斷單相正弦波逆變器功率開關(guān)觸發(fā)脈沖丟失故障的基礎(chǔ)上，對故障后電路采用主動容錯控制策略，將電路拓撲進行重構(gòu)，使單相正弦波逆變器在功率開關(guān)觸發(fā)脈沖丟失故障狀態(tài)下仍可保持良好的性能，提高了逆變器的可靠性和質(zhì)量。
關(guān)鍵詞：逆變器；故障診斷；容錯控制

1 引言
單相正弦波逆變器在工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用，一旦發(fā)生故障，不但影響生產(chǎn)的正常進行，而且造成嚴重的經(jīng)濟損失。采用故障診斷和容錯控制技術(shù)是提高系統(tǒng)可靠性的有力措施。容錯控制的基本思想是：當(dāng)系統(tǒng)中某些部件發(fā)生故障時，這些部件在系統(tǒng)中的功能可由其他部件完全或部分代替，使系統(tǒng)在故障的情況下仍能維持規(guī)定的性能，或不喪失基本性能。目前容錯控制主要可分為兩大類：基于硬件冗余的方法和基于軟件冗余的方法。硬件冗余是對容易失效的部件設(shè)置一定的備份。此方法簡單易行，但易使系統(tǒng)成本增加，結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜。軟件冗余的方法充分利用系統(tǒng)中不同部件在功能上的重疊，為提高控制系統(tǒng)的可靠性設(shè)計提供了較經(jīng)濟的途徑。

2 容錯控制策略
容錯控制目的在于針對不同的故障源和故障特征，采取相應(yīng)的容錯處理措施，對故障進行補償、消除或自動修復(fù)，以保證設(shè)備繼續(xù)安全可靠運行，或以犧牲性能損失為代價，保證設(shè)備在規(guī)定時間內(nèi)完成其基本功能。要想采用容錯控制，首先應(yīng)分析系統(tǒng)中是否存在結(jié)構(gòu)或功能上的冗余。通過分析發(fā)現(xiàn)，對于單相全橋逆變電路，實際上存在結(jié)構(gòu)上的冗余?？蓪⑷珮螂娐芬暈閮蓚€半橋電路的疊加，若可在全橋逆變器一個橋臂功率開關(guān)管故障后，封鎖該橋臂，將全橋電路重構(gòu)為半橋電路，就可維持電路一定的性能，實現(xiàn)容錯控制。圖1為具有容錯能力的全橋電路拓撲及第一、二橋臂開關(guān)故障后電路重構(gòu)的等效電路。

在圖1a中，將全橋電路中的直流濾波電容一分為二作為半橋電路的電容C1，C2，用雙向晶閘管VTr1將第一橋臂中點A與兩電容中點o相連，雙向晶閘管VTr2將第二橋臂中點B與點o相連，這樣便構(gòu)成了具有容錯能力的全橋電路拓撲。
正常工作時，VTr1，VTr2為關(guān)斷狀態(tài)，電路等效為正常的全橋逆變電路。當(dāng)功率管VM1發(fā)生觸發(fā)脈沖丟失故障后，采用容錯控制策略將同一橋臂的功率管VM3關(guān)閉，同時觸發(fā)VTr2導(dǎo)通，VTr1保持關(guān)斷，全橋電路被重構(gòu)為半橋電路，此時電路等效為圖1b。當(dāng)功率管VM2發(fā)生觸發(fā)脈沖丟失故障后，采用容錯控制策略將同一橋臂的功率管VM4關(guān)閉，同時觸發(fā)VTr1導(dǎo)通，VTr2保持關(guān)斷，全橋電路被重構(gòu)為半橋電路，此時電路等效為圖1c。當(dāng)電路重構(gòu)后原有控制器應(yīng)根據(jù)控制對象的變化進行相應(yīng)調(diào)整，以保證性能維持在可接受的范圍內(nèi)。
歸納容錯控制策略如下，假設(shè)VMi(i=1，2，3，4)觸發(fā)脈沖丟失。整個容錯控制過程可分為以下幾個步驟：①故障檢測及診斷電路判斷故障開關(guān)位置；②控制單元封鎖VMi及其同一橋臂上功率開關(guān)的觸發(fā)脈沖，觸發(fā)連接該橋臂的雙向晶閘管；③控制單元改變調(diào)節(jié)器參數(shù)，使其適應(yīng)重構(gòu)后的拓撲。

3 實驗研究
在原理分析和仿真實驗的基礎(chǔ)上，設(shè)計并制作了一臺小功率實驗裝置。實驗參數(shù)為：開關(guān)頻率fs=10 kHz；輸出濾波電感L=1 mH；輸出濾波電容C=20μF；輸入濾波電容C1=C2=1 000μF；直流輸入電壓Uin=48 V。所有功率開關(guān)均采用IRF650A型功率MOSFET，輸出電壓經(jīng)分壓后采用電壓隔離放大器AD202檢測。輸出電流檢測采用CSB6-50A型霍爾電流傳感器。初級直流側(cè)電流檢測電阻采用4個0．3Ω／2 W的電阻并聯(lián)。輸入濾波電阻由兩個1 000μF電容構(gòu)成，o點由VTr1和VTr2連接A，B兩點。雙向晶閘管選用BTA16-600B，驅(qū)動選用雙向晶閘管驅(qū)動專用芯片MOC3 021。電路主控制芯片采用TMS302LF2407A型DSP，由其完成故障診斷及容錯策略的實施。
實驗?zāi)MVM1在指定相位(90°，170°，270°)發(fā)生觸發(fā)脈沖丟失故障，檢測信號經(jīng)DSP故障診斷單元判定后，執(zhí)行容錯控制程序，封鎖VM2觸發(fā)脈沖，觸發(fā)VTr1，改變給定正弦波uref為原來的2倍。

圖2分別為VM1在相位90°，170°，270°發(fā)生觸發(fā)脈沖丟失故障后容錯控制波形。圖中，uo為逆變器輸出電壓波形，uphase為故障相位信號，uref為給定電壓波形。uref是將DSP程序中的數(shù)字給定正弦波通過PWM端口以SPWM波輸出，經(jīng)RC低通濾波器由示波器得到的。由圖可知：故障發(fā)生后，經(jīng)過幾個毫秒uo波形就恢復(fù)到額定值，但由于半橋電路輸出能力有限，輸出電壓有一定下降，且波形出現(xiàn)了一些畸變。以上問題可通過優(yōu)化主電路設(shè)計及控制電路設(shè)計來解決。

4 結(jié)論
提出一種具有容錯能力的單相逆變器拓撲，并通過實驗驗證了該拓撲的容錯能力。這里采用的針對單相正弦波逆變器的容錯控制策略，不僅使單相正弦波逆變器在開關(guān)觸發(fā)脈沖丟失的故障狀態(tài)下仍可保持輸出電壓的穩(wěn)定，而且具有較強的實時性，使系統(tǒng)在故障時仍能維持較好的性能，提高了系統(tǒng)的可靠性。