基于無刷直流電機的電壓型逆變器故障模式研究
李志紅，包廣清
（蘭州理工大學電氣工程與信息工程學院，蘭州730050）
摘要：本文主要對無刷直流電機驅動系統中電壓型逆變器的幾種典型故障模式進行分析，尤其對整流管的開路和短路故障特性進行深入研究，仿真試驗結果進一步驗證了理論分析的正確性。本研究對優(yōu)化保護電路設計，提高系統運行可靠性具有重要指導意義。
關鍵詞：逆變器；無刷贏流電機；故障診斷；仿真
中圖分類號：tm36 +1 文獻標志碼：a 文章編號：1001-6848(2010)06-0070-04
0引 言
無刷直流電機作為一種機電設備，長期運行有發(fā)生故障的隱患。****研究表明，調速系統中功率變換器的故障占整個驅動系統故障的百分之82.5，是驅動系統中最易發(fā)生故障的薄弱環(huán)節(jié)。為了提高無刷直流電機逆變器的可靠性，目前大多采取降額設計或使用并聯冗余元件或電路的方法，但這兩種設計方法會使電源造價過高，且僅適用于空間條件許可的場合。為改變這種狀況，文獻[3]以感應電機作為研究對象，設計了一種隔離故障的方案。文獻[4]對感應電機系統中電流型逆變器作了仿真研究。文獻[5]以變壓變頻調速系統為研究對象，對其逆變器故障模式進行了仿真研究。但對于無刷直流電機驅動系統中，逆變器故障的研究就目前的文獻檢索來看，還鮮有記錄。
1故障模型分析
常見的電壓型逆變器一電動機系統（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)開關管開路故障( f5)；
6)開關管短路( 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
下面僅對逆變器開關管開路故障( f5)、逆變器開關管短路故障( f6)進行分析，可以證明在逆變器中，任一相或電子器件發(fā)生故障對逆變器的影響是對稱的。
所以在此僅討論某一相故障和某一電子器件故障。
(1)逆變器開關管開路故障(f5)
開關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）導致開關元件基極驅動出現故障，這會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，當開關管vt1基極觸發(fā)失敗，無刷直流電機a相將通過續(xù)流二極管vd1連至電源正極，其電路拓撲結構如圖2所示，假定，驅動系統在開關管開路故障發(fā)生后達到一個新的穩(wěn)定狀態(tài)，同時驅動系統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管vt4的開關狀態(tài)所決定。
(2)逆變器開關管短路故障(f6)
開關元件短路故障多由于開關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，這是一種較為嚴重的故障，它會造成其他元件發(fā)生破壞。對于開關元件短路故障需要強調的是，為了避免逆變器橋臂直通故障發(fā)生，逆變器都有相應的保護措施。也育文獻稱此故障為一相橋臂僵持故障。如圖l所示，當開關f6閉合時，開關管vt4會立即被關斷，以避免橋臂直通故障發(fā)生。這時a相電壓受其它四個正常開關元件的導通模式控制。短路故障等效電路如圖3所示：
2仿真實驗
本文仿真用無刷直流電機的參數的為：額定電壓為300 v；額定轉速n=365 rad/s，負載轉矩為3n．m定子相繞組電阻r=0.388 ω，定子電感l(wèi) =o．00284 h，轉動慣量j=0.002 kg．m2，極對數p=l。
逆變器工作模式為兩相導通模式，每隔1/6周期換向一次。仿真實驗模型如圖4所示
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