基于无刷直流电机的电压型逆变器故障模式研究
李志红，包广清
（兰州理工大学电气工程与信息工程学院，兰州730050）
摘要：本文主要对无刷直流电机驱动系统中电压型逆变器的几种典型故障模式进行分析，尤其对整流管的开路和短路故障特性进行深入研究，仿真试验结果进一步验证了理论分析的正确性。本研究对优化保护电路设计，提高系统运行可靠性具有重要指导意义。
关键词：逆变器；无刷赢流电机；故障诊断；仿真
中图分类号：tm36 +1 文献标志码：a 文章编号：1001-6848(2010)06-0070-04
0引 言
无刷直流电机作为一种机电设备，长期运行有发生故障的隐患。****研究表明，调速系统中功率变换器的故障占整个驱动系统故障的百分之82.5，是驱动系统中最易发生故障的薄弱环节。为了提高无刷直流电机逆变器的可靠性，目前大多采取降额设计或使用并联冗余元件或电路的方法，但这两种设计方法会使电源造价过高，且仅适用于空间条件许可的场合。为改变这种状况，文献[3]以感应电机作为研究对象，设计了一种隔离故障的方案。文献[4]对感应电机系统中电流型逆变器作了仿真研究。文献[5]以变压变频调速系统为研究对象，对其逆变器故障模式进行了仿真研究。但对于无刷直流电机驱动系统中，逆变器故障的研究就目前的文献检索来看，还鲜有记录。
1故障模型分析
常见的电压型逆变器一电动机系统（如图1所示）故障模式分为以下几类：
1)输入端单相接地(fi)；
2)整流二极管短路( f2)；
3)直流端接地( f3)；
4)直流链接电容短路( f4)；
5)开关管开路故障( f5)；
6)开关管短路( f6)；
7)绕组相间短路( f7)；
8)绕组接地短路(f8)。
无刷直流电机的本体也有可能发生故障。
1.1逆变器故障的分析
下面仅对逆变器开关管开路故障( f5)、逆变器开关管短路故障( f6)进行分析，可以证明在逆变器中，任一相或电子器件发生故障对逆变器的影响是对称的。
所以在此仅讨论某一相故障和某一电子器件故障。
(1)逆变器开关管开路故障(f5)
开关元件开路故障多由于控制电路元件性能变差或电磁兼容性差（例如电路自激）导致开关元件基极驱动出现故障，这会使逆变器电压输出波形变差，引起其他元件过载。如图l所示，当开关管vt1基极触发失败，无刷直流电机a相将通过续流二极管vd1连至电源正极，其电路拓扑结构如图2所示，假定，驱动系统在开关管开路故障发生后达到一个新的稳定状态，同时驱动系统的控制策略与故障前保持一致。a相的极性将由流过的电流方向以及开关管vt4的开关状态所决定。
(2)逆变器开关管短路故障(f6)
开关元件短路故障多由于开关元件的反向击穿所引起，也可能是由于桥臂的绝缘破坏或并接在元件两端的rc吸收回路短路所造成，这是一种较为严重的故障，它会造成其他元件发生破坏。对于开关元件短路故障需要强调的是，为了避免逆变器桥臂直通故障发生，逆变器都有相应的保护措施。也育文献称此故障为一相桥臂僵持故障。如图l所示，当开关f6闭合时，开关管vt4会立即被关断，以避免桥臂直通故障发生。这时a相电压受其它四个正常开关元件的导通模式控制。短路故障等效电路如图3所示：
2仿真实验
本文仿真用无刷直流电机的参数的为：额定电压为300 v；额定转速n=365 rad/s，负载转矩为3n．m定子相绕组电阻r=0.388 ω，定子电感l =o．00284 h，转动惯量j=0.002 kg．m2，极对数p=l。
逆变器工作模式为两相导通模式，每隔1/6周期换向一次。仿真实验模型如图4所示
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