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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生故障的薄弱環節。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基極觸發失敗，無刷直流電機A相將通過續流二極管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生后達到一個新的穩定狀態，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 =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
2.1逆變器開關管開路故障
開關管VT1開路故障發生后，在每個運行周期的VT6，VT1和VT1，VT2兩個狀態，電機AB相與AC相沒有電流流過。
由于定子繞組沒有電流流過，所以電機電磁轉矩為0，同時負載轉矩不變，電機轉速將出現下降趨勢。
開關管VT1開路故障的三相電流波形如圖5所示，從圖中看出，開關管發生開路故障后，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，同時輸出一個波動很大的轉矩，如圖6所示，這是因為在由于A相電流在正向流通時間內出現斷續，瞬態轉矩輸出為零；通過圖7，我們可以看出，故障發生后，三相繞組輸出功率與正常運行時相比，A相輸出功率降低了百分之15 37，而同時，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行時的百分之33.3、百分之33. 307、百分之33. 3，變為故障后的百分之28. 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，由于電機的負載轉矩并沒有變，所以為了維持轉矩平衡，只有加大B、C相電流，從而使得電機在一個周期內實現平均轉矩相等，通過圖8可以看出電動機的速度波動也很明顯，速度波動由正常運行時的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。
在原有系統參數基礎上，分別讓系統在0.5倍額定負載、空載運行，我們分析A、B、C三相繞組輸出電磁功率可以發現：開關管VT1開路故障后A相輸出功率較正常運行是降低了百分之14. 22（1/2額定負載）、百分之13. 78（空載），但B相輸出功率，較正常
運行時分別增加了百分之5. 49（1/2額定負載）、百分之6.46（空載），C相輸出功率，較正常運行時分別增加了百分之6. 33（1/2額定負載）、百分之5.72（空載）。這是因為，VT1開關管發生開路故障后，A相繞組只能通過反向電流，輸出功率下降很快。由于故障前后，負載轉矩不變，所以電機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，以補償A相繞組因故障而損失的功率。因電機的平均轉速降低了，所以故障后，電機輸出功率也隨之有所降低。這也說明故障后，電機系統具有一定的自調節動能。
2.2逆變器開關管短路故障
開關管VT1短路故障三相電流波形如圖所示，從圖9中可以看出，VT1短路故障是發生在VT2、VT3導通周期內，故障后A相直接與正極相接，此時電機A、C相反電勢極性與電源極性一致，B相反電勢與電源極性相異，電流方向為：電源正極-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 -電源負極；B、C兩相出現了與之平衡的負向電流，A、B相電流達到額定值的十倍之多，產生了很大的制動轉矩，轉矩波動很大，如圖10所示。同時電機的轉速下降很快。轉速波形如圖11所示。電機由于慣性，并不能馬上停機。所以當電機運行到VT3、VT4周期時，此時VT4已斷開。故電流方向為：電源正極-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；在此運行周期內，電機轉速降為零，電機停機。從電機停機后的波形看，電機將反轉，這是因為電機產生的負向電磁轉矩所致。在不同的時間點設置故障，使故障發生在不同的導通周期內，其仿真結果都表明開關管短路故障都會使電機產生過電流，產生大的制動轉矩，使電機轉速瞬間降為零。因而，我們可以得出結論：開關管短路故障是一種菲常嚴重的故障，會導致無刷直流電機瞬間停機，甚至有可能燒毀電機。
3結論
本文對典型的電壓型逆變器供電的無刷直流電機在逆變器開關管故障情況下，無刷直流電機的運行特性進行了仿真研究，通過仿真實驗，我們可以得出：
(1)不同開關元件發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原件在同一故障狀態下，其電流及轉矩波形不同；
(3)逆變器在不同故障狀態下的電流波形差異明顯；
根據這些不同的電流及轉矩波形特征可建立一故障診斷專家子系統，并基于此實現逆變器的故障檢測與診斷。
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