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。在診斷單相正弦波逆變器功率開關觸發(fā)脈沖丟失故障的基礎上，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，使單相正弦波逆變器在功率開關觸發(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量。
關鍵詞：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)生產中得到廣泛應用，一旦發(fā)生故障，不但影響生產的正常進行，而且造成嚴重的經濟損失。采用故障診斷和容錯控制技術是提高系統可靠性的有力措施。容錯控制的基本思想是：當系統中某些部件發(fā)生故障時，這些部件在系統中的功能可由其他部件完全或部分代替，使系統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置一定的備份。此方法簡單易行，但易使系統成本增加，結構變得復雜。軟件冗余的方法充分利用系統中不同部件在功能上的重疊，為提高控制系統的可靠性設計提供了較經濟的途徑。

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，采取相應的容錯處理措施，對故障進行補償、消除或自動修復，以保證設備繼續(xù)安全可靠運行，或以犧牲性能損失為代價，保證設備在規(guī)定時間內完成其基本功能。要想采用容錯控制，首先應分析系統中是否存在結構或功能上的冗余。通過分析發(fā)現，對于單相全橋逆變電路，實際上存在結構上的冗余?？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管故障后，封鎖該橋臂，將全橋電路重構為半橋電路，就可維持電路一定的性能，實現容錯控制。圖1為具有容錯能力的全橋電路拓撲及第一、二橋臂開關故障后電路重構的等效電路。

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，這樣便構成了具有容錯能力的全橋電路拓撲。
正常工作時，VTr1，VTr2為關斷狀態(tài)，電路等效為正常的全橋逆變電路。當功率管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關閉，同時觸發(fā)VTr2導通，VTr1保持關斷，全橋電路被重構為半橋電路，此時電路等效為圖1b。當功率管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關閉，同時觸發(fā)VTr1導通，VTr2保持關斷，全橋電路被重構為半橋電路，此時電路等效為圖1c。當電路重構后原有控制器應根據控制對象的變化進行相應調整，以保證性能維持在可接受的范圍內。
歸納容錯控制策略如下，假設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位置；②控制單元封鎖VMi及其同一橋臂上功率開關的觸發(fā)脈沖，觸發(fā)連接該橋臂的雙向晶閘管；③控制單元改變調節(jié)器參數，使其適應重構后的拓撲。

3 實驗研究
在原理分析和仿真實驗的基礎上，設計并制作了一臺小功率實驗裝置。實驗參數為：開關頻率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。所有功率開關均采用IRF650A型功率MOSFET，輸出電壓經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。初級直流側電流檢測電阻采用4個0．3Ω／2 W的電阻并聯。輸入濾波電阻由兩個1 000μF電容構成，o點由VTr1和VTr2連接A，B兩點。雙向晶閘管選用BTA16-600B，驅動選用雙向晶閘管驅動專用芯片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。
實驗模擬VM1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程序中的數字給定正弦波通過PWM端口以SPWM波輸出，經RC低通濾波器由示波器得到的。由圖可知：故障發(fā)生后，經過幾個毫秒uo波形就恢復到額定值，但由于半橋電路輸出能力有限，輸出電壓有一定下降，且波形出現了一些畸變。以上問題可通過優(yōu)化主電路設計及控制電路設計來解決。

4 結論
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，使系統在故障時仍能維持較好的性能，提高了系統的可靠性。