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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)中功率變換器的故障占整個驅動系統(tǒng)故障的百分之82.5，是驅動系統(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逆變器的可靠性，目前大多采取降額設計或使用并聯(lián)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(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(xiàn)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(tǒng)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(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(shù)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(shù)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
|
