本發(fā)明涉及電力電子
技術(shù)領(lǐng)域：
，特別是一種容錯(cuò)型電磁攪拌電源系統(tǒng)及其控制方法。
背景技術(shù)：
：在高品質(zhì)特殊鋼加工冶煉行業(yè)，連鑄電磁攪拌技術(shù)成為提高連鑄鋼材品質(zhì)和成品率的最有效技術(shù)途徑。兩相正交逆變電源作為連鑄電磁攪拌的關(guān)鍵裝備，其電流波形質(zhì)量和響應(yīng)速度等性能直接影響連鑄鋼的質(zhì)量和品質(zhì)，對(duì)提升我國軍用艦船、橋梁、建筑、高檔轎車等制造水平意義重大。目前鋼鐵連鑄用電磁攪拌電源一般采用二相正交逆變電源，輸出兩相正交電流給感應(yīng)線圈供電，激發(fā)形成電磁推力，從而使鋼液產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。該種攪拌方法具有磁場能量集中，所需攪拌功率小以及繞組能量效率高。在兩相逆變電源的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方面，一般采用兩級(jí)結(jié)構(gòu)，前級(jí)采用不可控整流方式，將三相交流電轉(zhuǎn)換成一個(gè)穩(wěn)定的直流電源。由于兩相正交逆變電源的負(fù)載為感性負(fù)載，系統(tǒng)消耗有功功率小，負(fù)載功率主要是無功功率，故前級(jí)整流器的功率因數(shù)低，同時(shí)諧波含量高。針對(duì)后級(jí)兩相正交逆變器，YoungCM等學(xué)者采用4個(gè)橋臂構(gòu)成兩單相逆變器結(jié)構(gòu)，可以分別單獨(dú)控制，將直流電轉(zhuǎn)換成兩個(gè)正交90°的交流電源，該種結(jié)構(gòu)具有控制簡單，直流電壓利用率高，但是其器件數(shù)量較多，成本高。由此，JangDH等學(xué)者提出了采用兩個(gè)橋臂構(gòu)成兩相正交逆變器，每個(gè)橋臂與直流側(cè)電容構(gòu)成半橋逆變器，從而實(shí)現(xiàn)兩相正交電壓輸出，該種結(jié)構(gòu)雖然器件數(shù)量減少，但是其直流電壓利用率低，直流側(cè)兩電容需要進(jìn)行平衡控制。為此，為了彌合兩者的缺陷，羅安等學(xué)者提出了一種三橋臂的兩相正交逆變電源結(jié)構(gòu)，其中兩個(gè)開關(guān)臂為獨(dú)立的開關(guān)臂，第3個(gè)開關(guān)臂為公共臂，通過采用合適的控制方法可以實(shí)現(xiàn)兩相正交輸出功能。電磁攪拌逆變電源的重要組成部分是逆變器。逆變器中最容易產(chǎn)生事故的地方就是功率組件及其控制線路，目前還沒能夠有效地處理好它的可靠性問題。當(dāng)逆變器產(chǎn)生事故時(shí)會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)不能正常工作，嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致不可想象的后果。因此要求逆變器在產(chǎn)生事故時(shí)能實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)運(yùn)行。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)不足，提供一種容錯(cuò)型電磁攪拌電源系統(tǒng)及其控制方法，在切除故障功率開關(guān)器件后，將其余的功率開關(guān)器件與直流側(cè)的電容重新構(gòu)成兩相半橋逆變電路，以保持系統(tǒng)持續(xù)運(yùn)行。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：一種容錯(cuò)型電磁攪拌電源系統(tǒng)，包括一個(gè)前級(jí)三相可控整流電路、兩個(gè)串聯(lián)直流側(cè)儲(chǔ)能電容、一個(gè)后級(jí)兩相正交逆變電路和三個(gè)輸出電感；所述前級(jí)三相可控整流電路包括三個(gè)整流橋臂，所述三個(gè)整流橋臂與電網(wǎng)三相電源連接；兩個(gè)直流側(cè)儲(chǔ)流電容串聯(lián)而成的支路與所述三個(gè)整流橋臂并聯(lián)；所述后級(jí)兩相正交逆變電路包括三橋臂兩相逆變橋；兩個(gè)串聯(lián)的直流側(cè)儲(chǔ)能電容的公共連接點(diǎn)與三橋臂兩相逆變橋的中間橋臂中點(diǎn)連接后，通過一個(gè)所述輸出電感與單相負(fù)載連接；兩相逆變橋的另外兩個(gè)橋臂輸出通過另外兩個(gè)所述輸出電感與單相負(fù)載相連。相應(yīng)的，本發(fā)明提供了一種上述容錯(cuò)型電磁攪拌電源系統(tǒng)的控制方法，包括前級(jí)三相可控整流電路控制部分和后級(jí)兩相正交逆變電路控制部分；所述前級(jí)三相可控整流電路控制部分包括以下步驟：1)采集三相電網(wǎng)電壓、前級(jí)三相可控整流電路交流側(cè)電流和直流側(cè)電壓udc，計(jì)算出直流側(cè)電壓的二次紋波分量u2；2)設(shè)置直流側(cè)參考電壓將直流側(cè)參考電壓與udc相減，再減去直流側(cè)電壓的二次紋波分量u2，得到直流側(cè)電壓的直流分量的跟蹤誤差Δud，然后經(jīng)過PI控制器的調(diào)節(jié)處理后輸出直流側(cè)電壓的調(diào)節(jié)指令I(lǐng)dc；3)將前級(jí)三相可控整流電路輸入電流的前饋指令信號(hào)Ie和經(jīng)PI控制器得到的直流側(cè)電壓的調(diào)節(jié)指令I(lǐng)dc疊加，作為前級(jí)三相可控整流電路交流側(cè)電流的幅值，分別乘以三相電網(wǎng)電壓對(duì)應(yīng)的同步正弦信號(hào)，得到前級(jí)三相可控整流電路交流側(cè)電流指令信號(hào)irefa、irefb、irefc，即：其中Ie為前饋指令信號(hào)，Ie＝2udcidc/3Em，Idc＝kPΔud+kI∫Δuddt，kP、kI分別為電壓外環(huán)PI控制器的比例系數(shù)和積分系數(shù)；idc為直流側(cè)電流；Em是交流側(cè)電壓最大值；Δud直流側(cè)電壓的直流分量的跟蹤誤差；；4)將交流側(cè)電流指令信號(hào)與檢測到的實(shí)際交流側(cè)電流ia、ib、ic相減，其輸出經(jīng)PR控制器及脈寬調(diào)制后，得到前級(jí)三相可控整流電路中的各功率開關(guān)管的控制信號(hào)da、db、dc，控制前級(jí)三相可控整流電路中開關(guān)器件的開通和關(guān)斷；后級(jí)兩相正交逆變電路控制部分包括以下步驟：1)檢測直流側(cè)的兩個(gè)電容電壓udc1和udc2，這兩個(gè)電容電壓之差經(jīng)一個(gè)PI控制器后輸出為Δi；2)設(shè)置后級(jí)兩相正交逆變電路的輸出電流參考指令irefα、irefβ、irefw，檢測后級(jí)兩相正交逆變電路的三相輸出電流iα、iβ、iw；將Δi疊加到后級(jí)兩相正交逆變電路輸出電流控制內(nèi)環(huán)中，得到后級(jí)兩相正交逆變電路三相輸出電流偏差信號(hào)iCα、iCβ、iCw；將三相輸出電流偏差信號(hào)iCα、iCβ、iCw輸入云模型控制器，得到PWM調(diào)制器的輸入信號(hào)，調(diào)制出后級(jí)兩相正交逆變電路中各個(gè)功率開關(guān)器件的通斷信號(hào)。本發(fā)明中，kP＝0.1，kI＝20。通過云模型控制器得到PWM調(diào)制器的輸入信號(hào)的實(shí)現(xiàn)步驟包括：1)令e等于后級(jí)兩相正交逆變電路輸出電流的偏差信號(hào)，則偏差信號(hào)的積分記為ei，輸出控制量為z；e與ei論域都為[-55]，z的論域?yàn)閇-55]；偏差信號(hào)e的云模型用數(shù)字特征表示為Ge(Exe，Ene，Hee)；偏差信號(hào)e的7朵云為：E-3＝“偏差負(fù)大”＝Ge1(-51.670.42)；E-2＝“偏差負(fù)中”＝Ge2(-1.911.030.26)；E-1＝“偏差負(fù)小”＝Ge3(-0.950.630.16)；E0＝“偏差為零”＝Ge4(00.390.1)；E+1＝“偏差正小”＝Ge5(0.950.630.16)；E+2＝“偏差正中”＝Ge6(-1.911.030.26)；E+3＝“偏差正大”＝Ge7(51.670.42)。積分ei的云模型用數(shù)字特征表示為Gei(Exei，Enei，Heei)，積分ei的7朵云為：E-3＝“偏差負(fù)大”＝Gei1(-51.670.42)；E-2＝“偏差負(fù)中”＝Gei2(-1.911.030.26)；E-1＝“偏差負(fù)小”＝Gei3(-0.950.630.16)；E0＝“偏差為零”＝Gei4(00.390.1)；E+1＝“偏差正小”＝Gei5(0.950.630.16)；E+2＝“偏差正中”＝Gei6(-1.911.030.26)；E+3＝“偏差正大”＝Gei7(51.670.42)。輸出控制量z的云模型用數(shù)字特征表示為Gz(Exz，Enz，Hez)，輸出控制量z的的7朵云為：E-3＝“偏差負(fù)大”＝Gz1(-51.670.42)；E-2＝“偏差負(fù)中”＝Gz2(-1.911.030.26)；E-1＝“偏差負(fù)小”＝Gz3(-0.950.630.16)；E0＝“偏差為零”＝Gz4(00.390.1)；E+1＝“偏差正小”＝Gz5(0.950.630.16)；E+2＝“偏差正中”＝Gz6(-1.911.030.26)；E+3＝“偏差正大”＝Gz7(51.670.42)；2)令CGAi表示帶X條件的二維云發(fā)生器，CGAi的輸出結(jié)果是μAi，E'ne＝R(Ene,Hee)，E'nei＝R(Enei,Heei)，函數(shù)R()表示服從正態(tài)分布的隨機(jī)函數(shù)；從μAi中選擇最大值μMAXi，激活Y條件一維正態(tài)云發(fā)生器CGB，CGB的輸出是zi，逆向一維云發(fā)生器CGC的輸出期望值表示為3)將z作為PWM調(diào)制器的輸入信號(hào)，調(diào)制出后級(jí)兩相正交逆變電路中各個(gè)功率開關(guān)器件的通斷信號(hào)。本發(fā)明容錯(cuò)型電磁攪拌電源系統(tǒng)后級(jí)兩相正交逆變電路控制方法，包括以下步驟：1)檢測直流側(cè)的兩個(gè)電容電壓udc1和udc2，這兩個(gè)電容電壓之差經(jīng)一個(gè)PI控制器后輸出為Δi；2)設(shè)置后級(jí)兩相正交逆變電路的輸出電流參考指令irefα、irefβ、irefw，檢測后級(jí)兩相正交逆變電路的三相輸出電流iα、iβ、iw；將Δi疊加到后級(jí)兩相正交逆變電路輸出電流控制內(nèi)環(huán)中，得到后級(jí)兩相正交逆變電路三相輸出電流偏差信號(hào)iCα、iCβ、iCw；將三相輸出電流偏差信號(hào)iCα、iCβ、iCw輸入云模型控制器，得到PWM調(diào)制器的輸入信號(hào)，調(diào)制出后級(jí)兩相正交逆變電路中各個(gè)功率開關(guān)器件的通斷信號(hào)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明所具有的有益效果為：本發(fā)明容錯(cuò)型電磁攪拌電源系統(tǒng)提高了電源的可靠性，在故障狀態(tài)時(shí)對(duì)逆變器拓?fù)潆娐愤M(jìn)行重新配置，即在切除故障功率開關(guān)器件后，將其余的功率開關(guān)器件與直流側(cè)的電容重新構(gòu)成兩相半橋逆變電路，以保持系統(tǒng)持續(xù)運(yùn)行。因此當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行在故障狀態(tài)時(shí)，控制算法不需改變，系統(tǒng)成本低。附圖說明圖1容錯(cuò)型電磁攪拌電源系統(tǒng)的等效電路圖；圖2容錯(cuò)型電磁攪拌電源系統(tǒng)正常工作時(shí)的等效電路圖；圖3容錯(cuò)型電磁攪拌電源系統(tǒng)故障狀態(tài)時(shí)的等效電路圖；圖4容錯(cuò)型電磁攪拌電源系統(tǒng)前級(jí)三相可控整流電路的控制框圖；圖5容錯(cuò)型電磁攪拌電源系統(tǒng)后級(jí)兩相正交逆變電路控制算法中的云模型控制框圖；圖6容錯(cuò)型電磁攪拌電源系統(tǒng)后級(jí)兩相正交逆變電路的控制框圖。具體實(shí)施方式圖1為容錯(cuò)型電磁攪拌電源系統(tǒng)的等效電路圖。系統(tǒng)主要參數(shù)如下：電網(wǎng)電壓380V、50Hz，網(wǎng)側(cè)濾波電感Zf為1mH。直流側(cè)電容C1、C2各為10000μF，直流側(cè)初始電壓為700V。功率開關(guān)器件IGBT的開關(guān)頻率為10kHz。輸出側(cè)濾波電感L＝0.5mH，r＝0.01Ω。前級(jí)三相可控整流電路為含有6個(gè)功率開關(guān)器件的三橋臂整流橋，與電網(wǎng)三相電源連接；直流側(cè)為兩個(gè)串聯(lián)、容值相同的儲(chǔ)能電容；后級(jí)兩相正交逆變電路為含有6個(gè)功率開關(guān)器件、5個(gè)單刀雙向開關(guān)、6個(gè)熔斷器的三橋臂兩相逆變橋；兩個(gè)串聯(lián)的直流側(cè)儲(chǔ)能電容的公共連接點(diǎn)為兩相逆變電路的輸出地線，兩相逆變橋的另兩個(gè)輸出通過兩個(gè)輸出電感與單相負(fù)載相連。后級(jí)兩相正交逆變電路在正常運(yùn)行時(shí)，為兩相三橋臂逆變電路；后級(jí)兩相正交逆變電路在故障狀態(tài)時(shí)，構(gòu)成兩相半橋逆變電路。圖2是容錯(cuò)型電磁攪拌電源系統(tǒng)正常工作時(shí)的等效電路圖。此時(shí)T12、T23、T45、T56、Tw處于斷開狀態(tài)。圖3是容錯(cuò)型電磁攪拌電源系統(tǒng)故障狀態(tài)時(shí)的等效電路圖。此時(shí)三端雙向可控硅開關(guān)T12、T23、T45、T56、Tw和熔斷器F1、F2、F3、F4、F5、F6的通斷狀態(tài)表如表1所示。表1V1V2V3V4V5V6F1011111F2000000F3110111F4111011F5000000F6111110T12100000T23001000T45000100T56000001Tw111111圖4是容錯(cuò)型電磁攪拌電源系統(tǒng)前級(jí)三相可控整流電路的控制框圖。包括以下步驟：(1)檢測三相電網(wǎng)電壓為式中ω為電網(wǎng)電壓角頻率，Em為電網(wǎng)電壓幅值。檢測三相可控整流電路交流側(cè)電流為式中Im為三相可控整流電路交流側(cè)幅值。(2)前級(jí)三相可控整流電路的控制方法如附圖4所示。首先計(jì)算直流側(cè)電壓的二次紋波分量為式中udc為直流側(cè)電壓，C為直流側(cè)電容總電容值，r是輸出電感的等效電阻值，L是輸出電感的電感值。(3)檢測的直流側(cè)電壓udc，將直流側(cè)參考電壓與udc相減，得到然后減去由式(1)計(jì)算出的二次紋波分量，可以得到直流側(cè)電壓的直流分量的跟蹤誤差Δud＝Δudc-u2。(4)然后經(jīng)過PI控制器的調(diào)節(jié)處理后輸出直流側(cè)電壓的調(diào)節(jié)指令I(lǐng)dc：Idc＝kPΔud+kI∫Δuddt(4)式中kP、kI分別為電壓外環(huán)PI調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)和積分系數(shù)。(5)將三相可控整流電路輸入電流的前饋指令信號(hào)Ie和經(jīng)PI調(diào)節(jié)器得到的電流調(diào)節(jié)信號(hào)Idc疊加，作為三相可控整流電路交流側(cè)電流的幅值，分別乘以三相電網(wǎng)電壓對(duì)應(yīng)的同步正弦信號(hào)，得到三相可控整流電路交流側(cè)電流指令信號(hào)：其中Ie＝2udcidc/3Em。(6)交流側(cè)電流指令信號(hào)與檢測到的實(shí)際交流側(cè)電流ia、ib、ic相減，其輸出經(jīng)PR控制器后及脈寬調(diào)制后，得到三相可控整流電路中的各功率開關(guān)管的控制信號(hào)da、db、dc。PR控制器中，比例控制參數(shù)取值為8，諧振控制參數(shù)為100。(7)后級(jí)兩相正交逆變電路的控制框圖如附圖6所示。首先檢測直流側(cè)的兩個(gè)電容電壓udc1和udc2，這兩個(gè)電容電壓之差經(jīng)一個(gè)PI控制器后輸出為Δi；(8)由于負(fù)載是兩個(gè)單相負(fù)載，流經(jīng)α相和β相的負(fù)載電流為幅值和頻率相等、相位相差90°的正弦電流，則兩相正交逆變器的輸出電流參考指令可以表示為：式中，I*為兩相正交逆變器輸出電流期望幅值，ω*為逆變器輸出電流期望參考指令角頻率。(9)檢測兩相正交逆變器三相輸出電流iα、iβ、iw。將Δi疊加到兩相逆變器輸出電流控制內(nèi)環(huán)中，得到偏差信號(hào)：圖5是容錯(cuò)型電磁攪拌電源系統(tǒng)后級(jí)兩相正交逆變電路控制算法中的云模型控制框圖。包括以下步驟：(1)令e＝iCα，則偏差信號(hào)的積分記ei，輸出控制量z。e與ei論域都為[-55]，z的論域?yàn)閇-55]。偏差e的云模型用數(shù)字特征表示為Ge(Exe，Ene，Hee)。偏差e的7朵云為：E-3＝“偏差負(fù)大”＝Ge1(-51.670.42)；E-2＝“偏差負(fù)中”＝Ge2(-1.911.030.26)；E-1＝“偏差負(fù)小”＝Ge3(-0.950.630.16)；E0＝“偏差為零”＝Ge4(00.390.1)；E+1＝“偏差正小”＝Ge5(0.950.630.16)；E+2＝“偏差正中”＝Ge6(-1.911.030.26)；E+3＝“偏差正大”＝Ge7(51.670.42)。積分ei的云模型用數(shù)字特征表示為Gei(Exei，Enei，Heei)。積分ei的7朵云為：E-3＝“偏差負(fù)大”＝Gei1(-51.670.42)；E-2＝“偏差負(fù)中”＝Gei2(-1.911.030.26)；E-1＝“偏差負(fù)小”＝Gei3(-0.950.630.16)；E0＝“偏差為零”＝Gei4(00.390.1)；E+1＝“偏差正小”＝Gei5(0.950.630.16)；E+2＝“偏差正中”＝Gei6(-1.911.030.26)；E+3＝“偏差正大”＝Gei7(51.670.42)。輸出控制量z的云模型用數(shù)字特征表示為Gz(Exz，Enz，Hez)。輸出控制量z的的7朵云為：E-3＝“偏差負(fù)大”＝Gz1(-51.670.42)；E-2＝“偏差負(fù)中”＝Gz2(-1.911.030.26)；E-1＝“偏差負(fù)小”＝Gz3(-0.950.630.16)；E0＝“偏差為零”＝Gz4(00.390.1)；E+1＝“偏差正小”＝Gz5(0.950.630.16)；E+2＝“偏差正中”＝Gz6(-1.911.030.26)；E+3＝“偏差正大”＝Gz7(51.670.42)。在圖5所示的規(guī)則推理器中，CGAi是帶X條件的二維云發(fā)生器，它的輸出結(jié)果是：上式中E'ne＝R(Ene,Hee)和E'nei＝R(Enei,Heei)，函數(shù)R()表示服從正態(tài)分布的隨機(jī)函數(shù)，其中第一個(gè)參數(shù)為期望值，第二個(gè)參數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)差。從μAi中選擇最大值μMAXi，去激活Y條件一維正態(tài)云發(fā)生器CGB。Y條件一維正態(tài)云發(fā)生器CGB的輸出是zi，并且滿足上式中E'nz＝R(Enz,Hez)。逆向一維云發(fā)生器CGC的輸出期望值表示為：圖6是容錯(cuò)型電磁攪拌電源系統(tǒng)后級(jí)兩相正交逆變電路的控制框圖。包括以下步驟：(1)首先檢測直流側(cè)的兩個(gè)電容電壓udc1和udc2，這兩個(gè)電容電壓之差經(jīng)一個(gè)PI控制器后輸出為Δi；(2)由于負(fù)載是兩個(gè)單相負(fù)載，流經(jīng)α相和β相的負(fù)載電流為幅值和頻率相等、相位相差90°的正弦電流，則兩相正交逆變器的輸出電流參考指令可以表示為：式中，I*為兩相正交逆變器輸出電流期望幅值，ω*為逆變器輸出電流期望參考指令角頻率。(3)檢測兩相正交逆變器三相輸出電流iα、iβ、iw。將Δi疊加到兩相逆變器輸出電流控制內(nèi)環(huán)中，得到偏差信號(hào)：(4)將式(10)的信號(hào)z作為PWM的輸入信號(hào)，調(diào)制出兩相正交逆變器中各個(gè)功率開關(guān)器件的通斷信號(hào)Sv1-Sv6；(5)Tv12、Tv23、Tv45、Tv56的通斷與圖6中各個(gè)功率器件通斷的關(guān)系如表2所示。表2V1V2V3V4V5V6FV1111111FV2000000FV3111111FV4111111FV5000000FV6111111Tv12100000Tv23001000Tv45000100Tv56000001當(dāng)前第1頁1 2 3