串联H桥多电平高压变频器故障处理新方法

1 引言

　　矿井提升机是煤矿生产的关键设备，肩负着井上、井下联络的重任，提升机控制系统工作的安全可靠性，直接影响到企业的经济效益［1］。串联h桥的多电平高压变频提升机传动系统，虽然不像重要场合的风机、水泵负载那样要求系统能够连续运转，当变频器功率单元出现故障时可以立即停止提升机运行，进行单元更换、检修处理，待故障排除后继续进行生产，但是当提升机高速运行时，若变频器某一相的一个或几个，甚至多相的多个h桥功率单元同时发生故障时，要求提升机传动系统必须能够继续驱动电动机，以提供足够的制动力矩将提升机制动。因此，提升机传动系统在变频器故障状态下能否继续运行，是值得研究的问题。

　　目前，国内对串联h桥型变频器故障单元的处理主要有旁路技术、热插拔技术等，这些只是用于对故障单元硬件方面的处理，在控制方式上并没有得到改善。同时存在变频器的输出电压不对称、对操作人员人身安全有一定的危险以及备用h桥单元的投入需要一定的时间。本文主要针对6kv九电平电压空间矢量控制变频器，分析当单元故障时，如何对电压矢量开关状态重新选择，保证串联h桥功率单元故障时，提升机能够提供最大的制动力矩。在matlab/simulink环境下对提升机传动系统进行了故障运行仿真分析。

2 故障运行时逆变器的控制方法

　　为了使提升机在串联h桥功率单元故障时提供最大制动力矩，并使传动系统输出的电压轨迹接近圆形，需要确定最小的kdx，令此最小值为kdmin，将kdmin所对应的正六边形，作为变频器最大电压矢量幅值的参考。

　　为了使传动系统输出达到式（2）确定的最大幅值，对开关状态进行调整，调整之后，传动系统输出的三相相电压的相位、幅值都很可能会不对称，但输出的线电压是对称的，电动机仍然可以对称运行。

　　在传统的故障单元旁路方式中，为保证线电压对称，必须保证相电压是对称的，所以必须将某些正常串联h桥功率单元一同旁路，限制了传动系统的带载能力。与传统的故障单元旁路方式相比，应用svpwm控制技术的开关状态调整方式，在同样的故障状态下，能够输出幅值更大的正弦电压，能够为提升机制动提供更大的力矩。

　　2.1 参考电压矢量限幅

　　当串联h桥功率单元出现故障时，如果参考电压矢量vr*的幅值大于vmax，那么vr*就无法通过变频器输出实现，此时必须对vr*进行限幅。一种简单可行的方法，就是将vmax作为参考电压矢量的幅值，将矢量vr*的角度作为参考电压矢量的角度。设参考电压矢量vr*在m-n坐标系中的坐标为（vrm*，vm*），如图1所示。根据余弦定理可以计算，参考电压矢量vr*的幅值vr*为：

　　因此，为了使参考电压矢量为圆形，将其限制在图1用虚线表示的正六边形内切圆上，只需将vr*按比例λ缩短，其中。

　　图2中（a）所示为c相串联h桥功率单元全部发生故障时，参考电压及限幅前后传动系统输出的电压矢量分布图。

2.2 开关状态的调整

　　采用电压空间矢量调制时，根据参考电压矢量确定电压矢量及开关状态［3］。当串联h桥功率单元发生故障后，某些电压矢量已无法通过所选的开关状态来实现，必须对这些开关状态进行调整，调整的原则是使零序电压尽可能保持最小。

　　例如开关状态（2，1，-3），在c相两个串联h桥功率单元故障的情况下就无法得到，为了使零序电压最小，所以调整开关状态为（3，2，-2），零序电压由0变为3。通过此种调整，归根到底就是通过增加a、b两相的电压来补偿c相无法提供的那部分电压。

　　为了增强开关状态（va，vb，vc）调整的自适应能力，在本文的仿真系统中采用实时计算的方式来实现，调整计算的流程图如图3所示。图2中（b）为c相串联h桥功率单元全部发生故障时开关状态调整前后的仿真波形。

　　2.3 故障运行时的触发脉冲循环控制

　　串联h桥功率单元发生故障后，触发脉冲的循环必须忽略该故障单元，循环只在正常的串联h桥功率单元之间进行。

　　在仿真模型中，采用脉冲选择连接器循环选择的方式来实现，a、b、c三相的串联h桥功率单元故障矩阵分别用fa、fb、fc表示，fa、fb、fc均为4×1矩阵，每个矩阵的四个元素对应各相中串联的四个h桥功率单元故障状态，“1”表示单元正常，“0”表示单元故障。例如，a1、a3故障，则fa=［0，1，0，1］t；若b4故障，则fb=［1，1，1，0］t。

　　由于三相触发脉冲控制方式相同，在此以a相为例进行说明。为方便表述，将fa记为fa=［fa1， fa2， fa3，

　　fa4］t，因此，ea的计算可以描述为：

　　ea=fa1+fa2+fa3+fa4 （4）

　　用f1、f2、f3、f4分别表示四个功率单元的脉冲循环序列初值，与fa各元素的关系为：

　　初值确定后，还要将触发脉冲循环控制序列进行修正，触发脉冲循环序列由串联h桥功率单元全部正常时的0-1-2-3-0-1-2-3-……，修正为故障状态循环序列0-1-……-（ea-1）-0-1-……-（ea-1）-……。加上初值后，故障状态时的触发脉冲循环控制序列瞬时值f1′、f2′、f3′、f4′取值范围为：

　　因此可以判断，如果f1′、f2′、f3′、f4′取值大于或者等于p，则说明其对应的功率单元发生故障，将触发脉冲选择至无效端口，用于封锁脉冲输出（仿真模型中设定此时逆变器电压输出为零）；如果取值小于p，将f1′、f2′、f3′、f4′分别对ea取余，计算的结果用于连接器选择。图4所示为a1故障时的触发脉冲循环控制序列及各功率单元连接器选择仿真图形。

3 仿真分析

　　基于simulink对串联h桥九电平提升机变频传动系统进行了仿真，该系统的电动机采用转子磁链定向的矢量控制，变频系统中每个h桥逆变单元采用仿真系统中直流电压单独供电。系统容量的参数选择留有一定裕量，当只有一个功率单元故障是，系统运行不会受到任何影响，所有的串联h桥单元故障都集中发生在某一相时，负载不平衡最为严重，因此，仅对a相四个功率单元发生故障情况作了仿真。

　　仿真参数设置：仿真系统的电机参数根据yr118/44-10型提升电动机的技术参数进行选取，逆变系统igbt功率模块额定电压2000v，额定电流400a。直流侧电压为vdc=1200v。

　　图5为a相的所有串联h桥功率单元都发生故障时的波形。为了将提升机转速给定和实际转速曲线区分得更明显，仿真设定的角加速度为-21rad/s2。从图（c）所示的转矩波形可以看出，由于变频器输出的最大电压降低，提升电动机反向电动势的影响时间比两个串联h桥功率单元故障时要长，待转速降低之后，电磁转矩仍然能控制提升电动机的转速，使之与给定转速吻合。图（e）和（f）所示为变频器网侧三相电流以及输入变压器主绕组的环流，三相电流的不平衡程度加剧，变压器原边绕组环流的峰值增大。

　在实际应用中，某一时刻有更多的串联h桥功率单元同时损坏的可能性很小。从上述的波形分析来看，当串联h桥功率单元发生故障时，虽然变压器绕组环流较大，但系统在较大环流下的工作时间很短，采用参考电压限幅以及开关状态调整的控制方式，可以保证提升电动机的安全制动和停机，满足煤矿提升的控制要求。

4 结束语

　　本章针对串联h桥功率单元故障，分析了单元故障对电压矢量的影响，为了保障传动系统输出三相线电压对称，并且确保传动系统输出的零序电压最小，阐述了参考电压矢量限幅、开关状态调整及触发脉冲循环控制的控制方式。在matlab/simulink搭建了单元故障状态时的控制模型，通过仿真，实现了上述串联h桥功率单元故障的控制方式，系统有较好故障运行能力。