1 引言

單相正弦波逆變器在工業生產中得到廣泛應用，一旦發生故障，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，以保證設備繼續安全可靠運行，或以犧牲性能損失為代價，保證設備在規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。通過分析發現，對于單相全橋逆變電路，實際上存在結構上的冗余。可將全橋電路視為兩個半橋電路的疊加，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，電路等效為正常的全橋逆變電路。當功率管VM1發生觸發脈沖丟失故障后，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發生觸發脈沖丟失故障后，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脈沖，觸發連接該橋臂的雙向晶閘管；③控制單元改變調節器參數，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°）發生觸發脈沖丟失故障，檢測信號經DSP故障診斷單元判定后，執行容錯控制程序，封鎖VM2觸發脈沖，觸發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°發生觸發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脈沖丟失的故障狀態下仍可保持輸出電壓的穩定，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。