电机调速系统中的逆变器建模及故障仿真

张雄希 钱 来

（武汉科技大学 信息科学与工程学院，湖北 武汉430081）

0 前言

近年来，随着电力电子技术和微电子技术的迅猛发展，变频调速技术取得了日新月异的进步。但是变频器和异步电动机会由于频繁起停、过载、电源冲击、环境影响等原因而造成异常和故障。电动机处于调速状态时供电电源不是以理想正弦波分布，高速开关器件使电源波形畸变，产生大量的谐波，附加损耗和冲击型电源会损坏关键部件。三相SPWM逆变电源广泛应用在变频调速系统，其中的功率变换器及其控制电路是最易发生故障的薄弱环节，需要对其进行可靠、有效的状态监测与故障分析。

1 三相逆变电路

逆变就是将直流电变成交流电。可将逆变电路分为两种：直流侧是电压源的称为电压型逆变电路；直流侧是电流源的称为电流型逆变电路。目前应用最为广泛的是三相电压型逆变电路[1]。

三相逆变电路可以采用不同的控制策略。目前大多采用脉宽调制PWM技术，比较典型的控制方式有：正弦波脉宽调制(SPWM)、电流滞环跟踪PWM(CHBPWM)和电压空间矢量PWM(SVPWM)等。它能使逆变器输出一系列幅值相等而宽度不同的脉冲。其中正弦脉宽调制(SPWM)幅值相等、脉冲宽度按正弦规律变化、波形的谐波分量较少，目前应用非常广泛[2]。

2 系统模型构建及故障仿真

图1 SPWM逆变器电路仿真模型

利用运行在Matlab平台上的仿真软件Simulink可对实际系统进行建模、仿真和分析，Simulink为用户提供了用方框图进行建模的图形用户接口，用户只需用鼠标选中各模块，并放进新建的模块图，最后用连线将各模块连接起来，即完成对特定系统模型的创建。异步电机调速系统模型的构建主要使用Simulink中的电力系统工具箱 (简称PSB)中的元件模块。SPWM逆变器电路仿真模型如图1所示。

该仿真模型由信号模块、三相SPWM逆变器接简单的负载组成，对线电压Uab观测采样，并进行FFT及谐波分析处理。逆变系统常见故障一般有IGBT开路和短路故障。其中短路故障存在过流保护，因此论文主要对IGBT的开路故障进行分析。

当六个IGBT管都正常工作时，对线电压Uab进行谐波分析如图2所示。

图2 正常工作时Uab谐波分析

图3 IGBT1开路时Uab谐波分析

可看出正常运行时基波和五次谐波分量较高，而其它次谐波的含量较少。

设定A相IGBT1（如图1）开路，对电路仿真模型的线电压Uab进行谐波分析如图3所示。

可看出单个IGBT开路时基波和二次次谐波的分量较高，但有不少的直流分量，而其它次谐波的含量较少。

设定A相IGBT1和IGBT2（如图1）开路对电路仿真模型的线电压Uab进行谐波分析如图4所示。

图4 IGBT1和IGBT2开路时Uab谐波分析

可看出同相两个IGBT开路时基波和3次、5次、6次谐波含量较高，而其它次谐波的含量较少。

设定不同相两个IGBT开路：如A相IGBT1和B相IGBT2（如图1）开路时，基波和二次次谐波的分量较高，而其它次谐波的含量较少；A相IGBT1和B相IGBT4（如图1）开路时，基波含量较高，而其它次谐波的含量较少。限于篇幅，图形不一一列举。

3 总结

异步电机调速系统故障诊断及仿真是目前探究的热点。论文对异步电机调速系统中逆变器的模型进行了构造，并对IGBT单管及双管开路故障进行仿真研究。通过对系统有故障运行时的相电流信号或线电压信号进行分析，依据各类故障时谐波次数总结出故障特征，可以实现对故障的一般检测和诊断，为实现逆变器与异步电机系统的故障检测和诊断方法的实用化提供了基础。

［1］王兆安，黄俊.电力电子技术[M].北京：机械工业出版社，2008.

［2］陈国呈.PWM 逆变技术及应用[M].北京：中国电力出版社，2007.

［3］吴小华，史忠科.三相SPWM逆变器故障检测与诊断的仿真研究[J].系统仿真学报，2004（7）.

［4］崔博文.逆变器供电的感应电机驱动系统故障仿真研究[J].电机与控制学报，2007,11(6).

［5］张德丰.MATLAB/SIMMULINK 建模与仿真[M].北京：电子工业出版社，2009.