|
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(wú)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(wú)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(wú)刷直流電機(jī)作為一種機(jī)電設(shè)備，長(zhǎng)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(wú)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(guò)高，且僅適用于空間條件許可的場(chǎng)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(wú)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(lái)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(wú)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(guò)載。如圖l所示，當(dāng)開關(guān)管VT1基極觸發(fā)失敗，無(wú)刷直流電機(jī)A相將通過(guò)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(guò)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(wú)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 =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
2.1逆變器開關(guān)管開路故障
開關(guān)管VT1開路故障發(fā)生后，在每個(gè)運(yùn)行周期的VT6，VT1和VT1，VT2兩個(gè)狀態(tài)，電機(jī)AB相與AC相沒(méi)有電流流過(guò)。
由于定子繞組沒(méi)有電流流過(guò)，所以電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩為0，同時(shí)負(fù)載轉(zhuǎn)矩不變，電機(jī)轉(zhuǎn)速將出現(xiàn)下降趨勢(shì)。
開關(guān)管VT1開路故障的三相電流波形如圖5所示，從圖中看出，開關(guān)管發(fā)生開路故障后，故障相由于不再與電源正極相接，因此該相相電流不再為正值。而另外（B、C相）兩相電流明顯增大，同時(shí)輸出一個(gè)波動(dòng)很大的轉(zhuǎn)矩，如圖6所示，這是因?yàn)樵谟捎贏相電流在正向流通時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)斷續(xù)，瞬態(tài)轉(zhuǎn)矩輸出為零；通過(guò)圖7，我們可以看出，故障發(fā)生后，三相繞組輸出功率與正常運(yùn)行時(shí)相比，A相輸出功率降低了百分之15 37，而同時(shí)，B、C兩相輸出功率則分別增高了百分之5、百分之4. 85，總功率卻下降了百分之1. 84，A、B、C相輸出功率占總功率百分比由正常運(yùn)行時(shí)的百分之33.3、百分之33. 307、百分之33. 3，變?yōu)楣收虾蟮陌俜种?8. 7、百分之35. 7、百分之35. 6；至于B、C兩相輸出功率則增高，我們可以這樣理解，由于電機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩并沒(méi)有變，所以為了維持轉(zhuǎn)矩平衡，只有加大B、C相電流，從而使得電機(jī)在一個(gè)周期內(nèi)實(shí)現(xiàn)平均轉(zhuǎn)矩相等，通過(guò)圖8可以看出電動(dòng)機(jī)的速度波動(dòng)也很明顯，速度波動(dòng)由正常運(yùn)行時(shí)的0 01010增大到故障后的百分之2. 68。且平均值與正常值相比有所減小。
在原有系統(tǒng)參數(shù)基礎(chǔ)上，分別讓系統(tǒng)在0.5倍額定負(fù)載、空載運(yùn)行，我們分析A、B、C三相繞組輸出電磁功率可以發(fā)現(xiàn)：開關(guān)管VT1開路故障后A相輸出功率較正常運(yùn)行是降低了百分之14. 22（1/2額定負(fù)載）、百分之13. 78（空載），但B相輸出功率，較正常
運(yùn)行時(shí)分別增加了百分之5. 49（1/2額定負(fù)載）、百分之6.46（空載），C相輸出功率，較正常運(yùn)行時(shí)分別增加了百分之6. 33（1/2額定負(fù)載）、百分之5.72（空載）。這是因?yàn)�，VT1開關(guān)管發(fā)生開路故障后，A相繞組只能通過(guò)反向電流，輸出功率下降很快。由于故障前后，負(fù)載轉(zhuǎn)矩不變，所以電機(jī)輸出的平均功率變化不大。為了維持輸出功率，B、C兩相繞組增大輸出電磁功率，以補(bǔ)償A相繞組因故障而損失的功率。因電機(jī)的平均轉(zhuǎn)速降低了，所以故障后，電機(jī)輸出功率也隨之有所降低。這也說(shuō)明故障后，電機(jī)系統(tǒng)具有一定的自調(diào)節(jié)動(dòng)能。
2.2逆變器開關(guān)管短路故障
開關(guān)管VT1短路故障三相電流波形如圖所示，從圖9中可以看出，VT1短路故障是發(fā)生在VT2、VT3導(dǎo)通周期內(nèi)，故障后A相直接與正極相接，此時(shí)電機(jī)A、C相反電勢(shì)極性與電源極性一致，B相反電勢(shì)與電源極性相異，電流方向?yàn)椋弘娫凑龢O-A相繞組一B相繞組- VD3 -電源正極，電源正極-A相繞組-C相繞組- VI2 -電源負(fù)極；B、C兩相出現(xiàn)了與之平衡的負(fù)向電流，A、B相電流達(dá)到額定值的十倍之多，產(chǎn)生了很大的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)很大，如圖10所示。同時(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)速下降很快。轉(zhuǎn)速波形如圖11所示。電機(jī)由于慣性，并不能馬上停機(jī)。所以當(dāng)電機(jī)運(yùn)行到VT3、VT4周期時(shí)，此時(shí)VT4已斷開。故電流方向?yàn)椋弘娫凑龢O-A相繞組B相繞組VD3電源正極，電源正極A相繞組-c相繞組- VD5 -電源正極；在此運(yùn)行周期內(nèi)，電機(jī)轉(zhuǎn)速降為零，電機(jī)停機(jī)。從電機(jī)停機(jī)后的波形看，電機(jī)將反轉(zhuǎn)，這是因?yàn)殡姍C(jī)產(chǎn)生的負(fù)向電磁轉(zhuǎn)矩所致。在不同的時(shí)間點(diǎn)設(shè)置故障，使故障發(fā)生在不同的導(dǎo)通周期內(nèi)，其仿真結(jié)果都表明開關(guān)管短路故障都會(huì)使電機(jī)產(chǎn)生過(guò)電流，產(chǎn)生大的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，使電機(jī)轉(zhuǎn)速瞬間降為零。因而，我們可以得出結(jié)論：開關(guān)管短路故障是一種菲常嚴(yán)重的故障，會(huì)導(dǎo)致無(wú)刷直流電機(jī)瞬間停機(jī)，甚至有可能燒毀電機(jī)。
3結(jié)論
本文對(duì)典型的電壓型逆變器供電的無(wú)刷直流電機(jī)在逆變器開關(guān)管故障情況下，無(wú)刷直流電機(jī)的運(yùn)行特性進(jìn)行了仿真研究，通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)，我們可以得出：
(1)不同開關(guān)元件發(fā)生故障其輸出的相電流波形不同；
(2)同一橋壁上的不同開關(guān)原件在同一故障狀態(tài)下，其電流及轉(zhuǎn)矩波形不同；
(3)逆變器在不同故障狀態(tài)下的電流波形差異明顯；
根據(jù)這些不同的電流及轉(zhuǎn)矩波形特征可建立一故障診斷專家子系統(tǒng)，并基于此實(shí)現(xiàn)逆變器的故障檢測(cè)與診斷。
|
