基于無刷直流電機(jī)的電壓型逆變器故障模式研究
李志紅，包廣清
（蘭州理工大學(xué)電氣工程與信息工程學(xué)院，蘭州730050）
摘要：本文主要對(duì)無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中電壓型逆變器的幾種典型故障模式進(jìn)行分析，尤其對(duì)整流管的開路和短路故障特性進(jìn)行深入研究，仿真試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了理論分析的正確性。本研究對(duì)優(yōu)化保護(hù)電路設(shè)計(jì)，提高系統(tǒng)運(yùn)行可靠性具有重要指導(dǎo)意義。
關(guān)鍵詞：逆變器；無刷贏流電機(jī)；故障診斷；仿真
中圖分類號(hào)：tm36 +1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：a 文章編號(hào)：1001-6848(2010)06-0070-04
0引 言
無刷直流電機(jī)作為一種機(jī)電設(shè)備，長期運(yùn)行有發(fā)生故障的隱患。****研究表明，調(diào)速系統(tǒng)中功率變換器的故障占整個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)故障的百分之82.5，是驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中最易發(fā)生故障的薄弱環(huán)節(jié)。為了提高無刷直流電機(jī)逆變器的可靠性，目前大多采取降額設(shè)計(jì)或使用并聯(lián)冗余元件或電路的方法，但這兩種設(shè)計(jì)方法會(huì)使電源造價(jià)過高，且僅適用于空間條件許可的場合。為改變這種狀況，文獻(xiàn)[3]以感應(yīng)電機(jī)作為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)了一種隔離故障的方案。文獻(xiàn)[4]對(duì)感應(yīng)電機(jī)系統(tǒng)中電流型逆變器作了仿真研究。文獻(xiàn)[5]以變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)為研究對(duì)象，對(duì)其逆變器故障模式進(jìn)行了仿真研究。但對(duì)于無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，逆變器故障的研究就目前的文獻(xiàn)檢索來看，還鮮有記錄。
1故障模型分析
常見的電壓型逆變器一電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)（如圖1所示）故障模式分為以下幾類：
1)輸入端單相接地(fi)；
2)整流二極管短路( f2)；
3)直流端接地( f3)；
4)直流鏈接電容短路( f4)；
5)開關(guān)管開路故障( f5)；
6)開關(guān)管短路( f6)；
7)繞組相間短路( f7)；
8)繞組接地短路(f8)。
無刷直流電機(jī)的本體也有可能發(fā)生故障。
1.1逆變器故障的分析
下面僅對(duì)逆變器開關(guān)管開路故障( f5)、逆變器開關(guān)管短路故障( f6)進(jìn)行分析，可以證明在逆變器中，任一相或電子器件發(fā)生故障對(duì)逆變器的影響是對(duì)稱的。
所以在此僅討論某一相故障和某一電子器件故障。
(1)逆變器開關(guān)管開路故障(f5)
開關(guān)元件開路故障多由于控制電路元件性能變差或電磁兼容性差（例如電路自激）導(dǎo)致開關(guān)元件基極驅(qū)動(dòng)出現(xiàn)故障，這會(huì)使逆變器電壓輸出波形變差，引起其他元件過載。如圖l所示，當(dāng)開關(guān)管vt1基極觸發(fā)失敗，無刷直流電機(jī)a相將通過續(xù)流二極管vd1連至電源正極，其電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示，假定，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在開關(guān)管開路故障發(fā)生后達(dá)到一個(gè)新的穩(wěn)定狀態(tài)，同時(shí)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制策略與故障前保持一致。a相的極性將由流過的電流方向以及開關(guān)管vt4的開關(guān)狀態(tài)所決定。
(2)逆變器開關(guān)管短路故障(f6)
開關(guān)元件短路故障多由于開關(guān)元件的反向擊穿所引起，也可能是由于橋臂的絕緣破壞或并接在元件兩端的rc吸收回路短路所造成，這是一種較為嚴(yán)重的故障，它會(huì)造成其他元件發(fā)生破壞。對(duì)于開關(guān)元件短路故障需要強(qiáng)調(diào)的是，為了避免逆變器橋臂直通故障發(fā)生，逆變器都有相應(yīng)的保護(hù)措施。也育文獻(xiàn)稱此故障為一相橋臂僵持故障。如圖l所示，當(dāng)開關(guān)f6閉合時(shí)，開關(guān)管vt4會(huì)立即被關(guān)斷，以避免橋臂直通故障發(fā)生。這時(shí)a相電壓受其它四個(gè)正常開關(guān)元件的導(dǎo)通模式控制。短路故障等效電路如圖3所示：
2仿真實(shí)驗(yàn)
本文仿真用無刷直流電機(jī)的參數(shù)的為：額定電壓為300 v；額定轉(zhuǎn)速n=365 rad/s，負(fù)載轉(zhuǎn)矩為3n．m定子相繞組電阻r=0.388 ω，定子電感l(wèi) =o．00284 h，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量j=0.002 kg．m2，極對(duì)數(shù)p=l。
逆變器工作模式為兩相導(dǎo)通模式，每隔1/6周期換向一次。仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D4所示
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