磁悬浮轴承多桥臂开关功率放大器容错技术研究.pdf

摘要

与传统的机械轴承相比，磁悬浮轴承具有无接触、低损耗、精度高、功耗低，阻尼、刚

度可调可控，智能控制等突出优点，被广泛应用在透平机械、飞轮储能、航空、医疗、核能

等领域。在这些领域中，安全性与可靠性受到广泛关注。而磁悬浮轴承系统作为典型的机电

一体化控制系统，结构复杂，一旦发生故障，将导致转子在高速旋转中跌落，极易引发安全

事故，因此如何进一步提高运行时的安全性和可靠性是磁悬浮轴承技术研究的关键。

功率放大器是磁悬浮轴承系统的重要组成部分，但其中的电力电子器件易发生故障，是

整个系统中稳定性较为薄弱的环节。由于器件过压击穿、雪崩击穿、热击穿、器件破裂、焊

接线破裂、焊接线浮起等问题，将会使功率放大器工作在非正常状态，轻则影响系统性能，

增加其他器件的电压和电流应力，重则会使系统陷入崩溃。

本文针对五相六桥臂开关功放的开路故障，提出了一种具有开路容错功能的多桥臂开关

功放拓扑，并给出了相应的容错控制策略。首先分析了容错功放拓扑的工作原理，然后基于

电流差值变化的特点给出了判断开路故障的方法，并通过相应的容错控制策略，实现冗余桥

臂对故障桥臂的替换，以达到故障不停机的目的。最后，仿真与实验结果显示了该容错拓扑

能够实现每相电流在发生开路故障后快速恢复控制，证明了该容错拓扑的安全性和可行性。

接着，针对五相六桥臂拓扑的短路故障，提出了一种具有短路容错功能的多桥臂开关功

放拓扑。该拓扑通过在开关功放拓扑中加入快速熔断保险丝，当短路故障发生时，通过保险

丝的熔断，将故障部分隔离，避免发生二次故障。同时将短路故障变为开路故障，并利用冗

余桥臂完成对故障桥臂的替换，保证了线圈负载实际电流对参考电流的持续跟踪，实现系统

在短路故障状态下的稳定运行。最后，仿真与实验结果显示了该容错拓扑能够实现每相电流

在发生短路故障后快速恢复控制，证明了该容错拓扑的安全性和可行性。

关键词:磁悬浮轴承，五相六桥臂，开路故障，短路故障，容错控制

Abstract

Comparedwithtraditionalmechanicalbearings,magneticlevitationbearingshavethe

advantagesofnon-contact,lowloss,highprecision,lowpowerconsumption,adjustableand

controllabledamping,stiffness,intelligentcontrol,etc.,whicharewidelyusedinturbinemachinery,

flywheelenergystorage,aviation,medical,nuclearenergyandotherfields.Inthesefields,security

andreliabilityarewidelyconcerned.Asatypicalmechatronicscontrolsystem,magneticlevitation

bearingsystemhasacomplexstructure.Oncefailureoccurs,therotorwillfalloffinhigh-speed

rotation,whichiseasytocausesafetyaccidents.Therefore,howtofurtherimprovethesafetyand

reliabilityduringoperationisthekeytotheresearchofmagneticlevitationbearingtechnology.

Aswitchpoweramplifierisanimportantpartofmagneticbearingssystem,butitspower

electroniccomponentsarepronetofailure,whichisaweaklinkinthewholesystem.Theswitch

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