具有容错能力的单相正弦波逆变系统研究

1 引言

单相正弦波逆变器在工业生产中得到广泛应用，一旦发生故障，不但影响生产的正常进行，而且造成严重的经济损失。采用故障诊断和容错控制技术是提高系统可靠性的有力措施。容错控制的基本思想是：当系统中某些部件发生故障时，这些部件在系统中的功能可由其他部件完全或部分代替，使系统在故障的情况下仍能维持规定的性能，或不丧失基本性能。目前容错控制主要可分为两大类：基于硬件冗余的方法和基于软件冗余的方法。硬件冗余是对容易失效的部件设置一定的备份。此方法简单易行，但易使系统成本增加，结构变得复杂。软件冗余的方法充分利用系统中不同部件在功能上的重叠，为提高控制系统的可靠性设计提供了较经济的途径。

2 容错控制策略

容错控制目的在于针对不同的故障源和故障特征，采取相应的容错处理措施，对故障进行补偿、消除或自动修复，以保证设备继续安全可靠运行，或以牺牲性能损失为代价，保证设备在规定时间内完成其基本功能。要想采用容错控制，首先应分析系统中是否存在结构或功能上的冗余。通过分析发现，对于单相全桥逆变电路，实际上存在结构上的冗余。可将全桥电路视为两个半桥电路的叠加，若可在全桥逆变器一个桥臂功率开关管故障后，封锁该桥臂，将全桥电路重构为半桥电路，就可维持电路一定的性能，实现容错控制。图1为具有容错能力的全桥电路拓扑及第一、二桥臂开关故障后电路重构的等效电路。

在图1a中，将全桥电路中的直流滤波电容一分为二作为半桥电路的电容C1，C2，用双向晶闸管VTr1将第一桥臂中点A与两电容中点o相连，双向晶闸管VTr2将第二桥臂中点B与点o相连，这样便构成了具有容错能力的全桥电路拓扑。

正常工作时，VTr1，VTr2为关断状态，电路等效为正常的全桥逆变电路。当功率管VM1发生触发脉冲丢失故障后，采用容错控制策略将同一桥臂的功率管VM3关闭，同时触发VTr2导通，VTr1保持关断，全桥电路被重构为半桥电路，此时电路等效为图1b。当功率管VM2发生触发脉冲丢失故障后，采用容错控制策略将同一桥臂的功率管VM4关闭，同时触发VTr1导通，VTr2保持关断，全桥电路被重构为半桥电路，此时电路等效为图1c。当电路重构后原有控制器应根据控制对象的变化进行相应调整，以保证性能维持在可接受的范围内。

归纳容错控制策略如下，假设VMi（i=1，2，3，4）触发脉冲丢失。整个容错控制过程可分为以下几个步骤：①故障检测及诊断电路判断故障开关位置；②控制单元封锁VMi及其同一桥臂上功率开关的触发脉冲，触发连接该桥臂的双向晶闸管；③控制单元改变调节器参数，使其适应重构后的拓扑。

3 实验研究

在原理分析和仿真实验的基础上，设计并制作了一台小功率实验装置。实验参数为：开关频率fs=10 kHz；输出滤波电感L=1 mH；输出滤波电容C=20μF；输入滤波电容C1=C2=1 000μF；直流输入电压Uin=48 V。所有功率开关均采用IRF650A型功率MOSFET，输出电压经分压后采用电压隔离放大器AD202检测。输出电流检测采用CSB6-50A型霍尔电流传感器。初级直流侧电流检测电阻采用4个0．3Ω／2 W的电阻并联。输入滤波电阻由两个1 000μF电容构成，o点由VTr1和VTr2连接A，B两点。双向晶闸管选用BTA16-600B，驱动选用双向晶闸管驱动专用芯片MOC3 021。电路主控制芯片采用TMS302LF2407A型DSP，由其完成故障诊断及容错策略的实施。

实验模拟VM1在指定相位（90°，170°，270°）发生触发脉冲丢失故障，检测信号经DSP故障诊断单元判定后，执行容错控制程序，封锁VM2触发脉冲，触发VTr1，改变给定正弦波uref为原来的2倍。

图2分别为VM1在相位90°，170°，270°发生触发脉冲丢失故障后容错控制波形。图中，uo为逆变器输出电压波形，uphase为故障相位信号，uref为给定电压波形。uref是将DSP程序中的数字给定正弦波通过PWM端口以SPWM波输出，经RC低通滤波器由示波器得到的。由图可知：故障发生后，经过几个毫秒uo波形就恢复到额定值，但由于半桥电路输出能力有限，输出电压有一定下降，且波形出现了一些畸变。以上问题可通过优化主电路设计及控制电路设计来解决。

4 结论

提出一种具有容错能力的单相逆变器拓扑，并通过实验验证了该拓扑的容错能力。这里采用的针对单相正弦波逆变器的容错控制策略，不仅使单相正弦波逆变器在开关触发脉冲丢失的故障状态下仍可保持输出电压的稳定，而且具有较强的实时性，使系统在故障时仍能维持较好的性能，提高了系统的可靠性。