電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中的逆變器建模及故障仿真

張雄希 錢 來(lái)

（武漢科技大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢430081）

0 前言

近年來(lái)，隨著電力電子技術(shù)和微電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，變頻調(diào)速技術(shù)取得了日新月異的進(jìn)步。但是變頻器和異步電動(dòng)機(jī)會(huì)由于頻繁起停、過(guò)載、電源沖擊、環(huán)境影響等原因而造成異常和故障。電動(dòng)機(jī)處于調(diào)速狀態(tài)時(shí)供電電源不是以理想正弦波分布，高速開(kāi)關(guān)器件使電源波形畸變，產(chǎn)生大量的諧波，附加損耗和沖擊型電源會(huì)損壞關(guān)鍵部件。三相SPWM逆變電源廣泛應(yīng)用在變頻調(diào)速系統(tǒng)，其中的功率變換器及其控制電路是最易發(fā)生故障的薄弱環(huán)節(jié)，需要對(duì)其進(jìn)行可靠、有效的狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障分析。

1 三相逆變電路

逆變就是將直流電變成交流電?？蓪⒛孀冸娐贩譃閮煞N：直流側(cè)是電壓源的稱為電壓型逆變電路；直流側(cè)是電流源的稱為電流型逆變電路。目前應(yīng)用最為廣泛的是三相電壓型逆變電路[1]。

三相逆變電路可以采用不同的控制策略。目前大多采用脈寬調(diào)制PWM技術(shù)，比較典型的控制方式有：正弦波脈寬調(diào)制(SPWM)、電流滯環(huán)跟蹤PWM(CHBPWM)和電壓空間矢量PWM(SVPWM)等。它能使逆變器輸出一系列幅值相等而寬度不同的脈沖。其中正弦脈寬調(diào)制(SPWM)幅值相等、脈沖寬度按正弦規(guī)律變化、波形的諧波分量較少，目前應(yīng)用非常廣泛[2]。

2 系統(tǒng)模型構(gòu)建及故障仿真

圖1 SPWM逆變器電路仿真模型

利用運(yùn)行在Matlab平臺(tái)上的仿真軟件Simulink可對(duì)實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真和分析，Simulink為用戶提供了用方框圖進(jìn)行建模的圖形用戶接口，用戶只需用鼠標(biāo)選中各模塊，并放進(jìn)新建的模塊圖，最后用連線將各模塊連接起來(lái)，即完成對(duì)特定系統(tǒng)模型的創(chuàng)建。異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)模型的構(gòu)建主要使用Simulink中的電力系統(tǒng)工具箱 (簡(jiǎn)稱PSB)中的元件模塊。SPWM逆變器電路仿真模型如圖1所示。

該仿真模型由信號(hào)模塊、三相SPWM逆變器接簡(jiǎn)單的負(fù)載組成，對(duì)線電壓Uab觀測(cè)采樣，并進(jìn)行FFT及諧波分析處理。逆變系統(tǒng)常見(jiàn)故障一般有IGBT開(kāi)路和短路故障。其中短路故障存在過(guò)流保護(hù)，因此論文主要對(duì)IGBT的開(kāi)路故障進(jìn)行分析。

當(dāng)六個(gè)IGBT管都正常工作時(shí)，對(duì)線電壓Uab進(jìn)行諧波分析如圖2所示。

圖2 正常工作時(shí)Uab諧波分析

圖3 IGBT1開(kāi)路時(shí)Uab諧波分析

可看出正常運(yùn)行時(shí)基波和五次諧波分量較高，而其它次諧波的含量較少。

設(shè)定A相IGBT1（如圖1）開(kāi)路，對(duì)電路仿真模型的線電壓Uab進(jìn)行諧波分析如圖3所示。

可看出單個(gè)IGBT開(kāi)路時(shí)基波和二次次諧波的分量較高，但有不少的直流分量，而其它次諧波的含量較少。

設(shè)定A相IGBT1和IGBT2（如圖1）開(kāi)路對(duì)電路仿真模型的線電壓Uab進(jìn)行諧波分析如圖4所示。

圖4 IGBT1和IGBT2開(kāi)路時(shí)Uab諧波分析

可看出同相兩個(gè)IGBT開(kāi)路時(shí)基波和3次、5次、6次諧波含量較高，而其它次諧波的含量較少。

設(shè)定不同相兩個(gè)IGBT開(kāi)路：如A相IGBT1和B相IGBT2（如圖1）開(kāi)路時(shí)，基波和二次次諧波的分量較高，而其它次諧波的含量較少；A相IGBT1和B相IGBT4（如圖1）開(kāi)路時(shí)，基波含量較高，而其它次諧波的含量較少。限于篇幅，圖形不一一列舉。

3 總結(jié)

異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)故障診斷及仿真是目前探究的熱點(diǎn)。論文對(duì)異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中逆變器的模型進(jìn)行了構(gòu)造，并對(duì)IGBT單管及雙管開(kāi)路故障進(jìn)行仿真研究。通過(guò)對(duì)系統(tǒng)有故障運(yùn)行時(shí)的相電流信號(hào)或線電壓信號(hào)進(jìn)行分析，依據(jù)各類故障時(shí)諧波次數(shù)總結(jié)出故障特征，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)故障的一般檢測(cè)和診斷，為實(shí)現(xiàn)逆變器與異步電機(jī)系統(tǒng)的故障檢測(cè)和診斷方法的實(shí)用化提供了基礎(chǔ)。

［1］王兆安，黃俊.電力電子技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

［2］陳國(guó)呈.PWM 逆變技術(shù)及應(yīng)用[M].北京：中國(guó)電力出版社，2007.

［3］吳小華，史忠科.三相SPWM逆變器故障檢測(cè)與診斷的仿真研究[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2004（7）.

［4］崔博文.逆變器供電的感應(yīng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)故障仿真研究[J].電機(jī)與控制學(xué)報(bào)，2007,11(6).

［5］張德豐.MATLAB/SIMMULINK 建模與仿真[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009.