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无刷电机在逆变器开关管的故障诊断(WTH)
2020年9月15日

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

2.1逆变器开关管开路故障

    开关管VT1开路故障发生后,在每个运行周期的VT6,VT1和VT1,VT2两个状态,电机AB相与AC相没有电流流过。

    由于定子绕组没有电流流过,所以电机电磁转矩为0,同时负载转矩不变,电机转速将出现下降趋势。

    开关管VT1开路故障的三相电流波形如图5所示,从图中看出,开关管发生开路故障后,故障相由于不再与电源正极相接,因此该相相电流不再为正值。而另外(B、C相)两相电流明显增大,同时输出一个波动很大的转矩,如图6所示,这是因为在由于A相电流在正向流通时间内出现断续,瞬态转矩输出为零;通过图7,我们可以看出,故障发生后,三相绕组输出功率与正常运行时相比,A相输出功率降低了百分之15 37,而同时,B、C两相输出功率则分别增高了百分之5、百分之4. 85,总功率却下降了百分之1. 84,A、B、C相输出功率占总功率百分比由正常运行时的百分之33.3、百分之33. 307、百分之33. 3,变为故障后的百分之28. 7、百分之35. 7、百分之35. 6;至于B、C两相输出功率则增高,我们可以这样理解,由于电机的负载转矩并没有变,所以为了维持转矩平衡,只有加大B、C相电流,从而使得电机在一个周期内实现平均转矩相等,通过图8可以看出电动机的速度波动也很明显,速度波动由正常运行时的0 01010增大到故障后的百分之2. 68。且平均值与正常值相比有所减小。

 

  在原有系统参数基础上,分别让系统在0.5倍额定负载、空载运行,我们分析A、B、C三相绕组输出电磁功率可以发现:开关管VT1开路故障后A相输出功率较正常运行是降低了百分之14. 22(1/2额定负载)、百分之13. 78(空载),但B相输出功率,较正常

运行时分别增加了百分之5。 49(1/2额定负载)、百分之6。46(空载),C相输出功率,较正常运行时分别增加了百分之6。 33(1/2额定负载)、百分之5。72(空载)。这是因为,VT1开关管发生开路故障后,A相绕组只能通过反向电流,输出功率下降很快。由于故障前后,负载转矩不变,所以电机输出的平均功率变化不大。为了维持输出功率,B、C两相绕组增大输出电磁功率,以补偿A相绕组因故障而损失的功率。因电机的平均转速降低了,所以故障后,电机输出功率也随之有所降低。这也说明故障后,电机系统具有一定的自调节动能。

2.2逆变器开关管短路故障

    开关管VT1短路故障三相电流波形如图所示,从图9中可以看出,VT1短路故障是发生在VT2、VT3导通周期内,故障后A相直接与正极相接,此时电机A、C相反电势极性与电源极性一致,B相反电势与电源极性相异,电流方向为:电源正极-A相绕组一B相绕组- VD3 -电源正极,电源正极-A相绕组-C相绕组- VI2 -电源负极;B、C两相出现了与之平衡的负向电流,A、B相电流达到额定值的十倍之多,产生了很大的制动转矩,转矩波动很大,如图10所示。同时电机的转速下降很快。转速波形如图11所示。电机由于惯性,并不能马上停机。所以当电机运行到VT3、VT4周期时,此时VT4已断开。故电流方向为:电源正极-A相绕组B相绕组VD3电源正极,电源正极A相绕组-c相绕组- VD5 -电源正极;在此运行周期内,电机转速降为零,电机停机。从电机停机后的波形看,电机将反转,这是因为电机产生的负向电磁转矩所致。在不同的时间点设置故障,使故障发生在不同的导通周期内,其仿真结果都表明开关管短路故障都会使电机产生过电流,产生大的制动转矩,使电机转速瞬间降为零。因而,我们可以得出结论:开关管短路故障是一种菲常严重的故障,会导致无刷直流电机瞬间停机,甚至有可能烧毁电机。

3结论

  本文对典型的电压型逆变器供电的无刷直流电机在逆变器开关管故障情况下,无刷直流电机的运行特性进行了仿真研究,通过仿真实验,我们可以得出:

    (1)不同开关元件发生故障其输出的相电流波形不同;

    (2)同一桥壁上的不同开关原件在同一故障状态下,其电流及转矩波形不同;

    (3)逆变器在不同故障状态下的电流波形差异明显;

    根据这些不同的电流及转矩波形特征可建立一故障诊断专家子系统,并基于此实现逆变器的故障检测。



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