DTC異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中逆變器故障工況研究

張?zhí)m紅， 陸廣平， 陳沖

(鹽城工學(xué)院電氣工程學(xué)院，江蘇鹽城 224051)

DTC異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中逆變器故障工況研究

張?zhí)m紅， 陸廣平， 陳沖

(鹽城工學(xué)院電氣工程學(xué)院，江蘇鹽城 224051)

為了尋求進(jìn)行系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)的依據(jù)，對(duì)直接轉(zhuǎn)矩控制異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中逆變器故障工況進(jìn)行研究。通過對(duì)直接轉(zhuǎn)矩控制原理的分析，指出系統(tǒng)運(yùn)行工況的影響因素;對(duì)逆變器最常見的功率開關(guān)短路與開路故障工況進(jìn)行仿真研究，其中功率開關(guān)短路故障工況指系統(tǒng)采取截止故障開關(guān)互補(bǔ)開關(guān)或截止所有開關(guān)兩種保護(hù)方案之后的工況。仿真結(jié)果表明，短路故障后盡管采取了保護(hù)方案，系統(tǒng)仍會(huì)出現(xiàn)大的機(jī)械和電流沖擊，其中截止所有開關(guān)的保護(hù)方案相對(duì)較優(yōu)，但此方案下電流和轉(zhuǎn)矩的最大值仍超過正常運(yùn)行時(shí)額定值的10倍以上;在發(fā)生功率開關(guān)開路故障時(shí)，故障相電流只有半個(gè)周期，轉(zhuǎn)矩有低頻脈動(dòng)，但系統(tǒng)仍可繼續(xù)短時(shí)運(yùn)行。

直接轉(zhuǎn)矩控制;異步電機(jī);驅(qū)動(dòng);逆變器;故障

0 引言

逆變器控制的三相異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)因主電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制靈活、性能優(yōu)良，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)的許多領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用，但由于電力電子器件的脆弱性及其控制的復(fù)雜性，其中的逆變器部分是較易發(fā)生故障的薄弱環(huán)節(jié)［1－3］，阻礙了這類系統(tǒng)在可靠性要求較高的場(chǎng)合中的推廣應(yīng)用。

逆變器發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)處于非正常運(yùn)行方式，逆變器、電機(jī)均可能承受數(shù)倍于正常工況下的電壓應(yīng)力和電流應(yīng)力，電機(jī)還會(huì)承受較大的機(jī)械沖擊力，從系統(tǒng)可靠設(shè)計(jì)的角度出發(fā)為使元器件在故障發(fā)生后不損壞或損壞數(shù)減到最小，必須研究故障工況。在一些重要場(chǎng)合，如航空、軍事中，即使發(fā)生故障，系統(tǒng)也不能停機(jī)，必須采用故障容錯(cuò)技術(shù)［4－7］，容錯(cuò)技術(shù)的核心問題為故障檢測(cè)與診斷，要進(jìn)行故障檢測(cè)與診斷，就必須對(duì)逆變器的故障工況進(jìn)行研究，從中獲取分析故障類型的有用信息，確定進(jìn)一步要采取的保護(hù)措施或容錯(cuò)控制方案。

對(duì)逆變器可靠性問題的研究，國(guó)外始于上世紀(jì)90年代初期［2］，國(guó)內(nèi)起步較晚，近幾年才開始進(jìn)行各種電機(jī)控制系統(tǒng)中逆變器可靠性問題的研究［7－13］。高性能的電機(jī)控制系統(tǒng)離不開先進(jìn)的控制策略，采用不同控制策略的系統(tǒng)中的逆變器發(fā)生故障后的工作情況差別很大。直接轉(zhuǎn)矩控制(direct torque control，DTC)技術(shù)作為異步電機(jī)最為先進(jìn)的控制技術(shù)之一，在高性能電機(jī)驅(qū)動(dòng)場(chǎng)合中的應(yīng)用越來越廣泛，但無(wú)論是國(guó)內(nèi)還是國(guó)外，關(guān)于DTC異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的可靠性研究還很少，僅有的幾篇文獻(xiàn)［6－7，11，14］多是針對(duì)容錯(cuò)后控制策略或性能進(jìn)行研究的。本文對(duì)DTC異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中逆變器最常見的功率開關(guān)短路和開路故障工況進(jìn)行研究，采用計(jì)算機(jī)仿真手段分析故障發(fā)生后系統(tǒng)最關(guān)鍵的核心部件，即電機(jī)承受的電流及機(jī)械應(yīng)力，尋找故障特征量，為系統(tǒng)設(shè)計(jì)、故障診斷與系統(tǒng)容錯(cuò)提供依據(jù)。

1 DTC系統(tǒng)運(yùn)行工況影響因素分析

異步電機(jī)數(shù)學(xué)模型在α－β坐標(biāo)系中為

式中:us為定子電壓矢量;is、ir分別為定、轉(zhuǎn)子電流矢量;Rs、Rr分別為定、轉(zhuǎn)子電阻;Ls、Lr、Lm分別為定、轉(zhuǎn)子自感與互感;ωr為轉(zhuǎn)子電角速度;p為電機(jī)極對(duì)數(shù);Lσ=(LsLr－L2m)/Lr;γ0為 α －β平面呈右手關(guān)系的軸向單位矢量;設(shè)定、轉(zhuǎn)子磁鏈分別為ψs=|ψs|ejθs(t)、ψr=|ψr|ejθr(t)，θs、θr為磁鏈?zhǔn)噶拷?θ為定子磁鏈?zhǔn)噶喀譻和轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶喀譺之間的夾角。

忽略定子電阻影響，根據(jù)式(1)，有

電機(jī)的磁鏈方程為

式中，τr=Lr/Rr，為電機(jī)轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)。由式(3)得

根據(jù)式(2)和式(5)可得

式(4)表明定子電壓矢量能迅速改變定子磁鏈ψs，式(6)表明轉(zhuǎn)子磁鏈ψr的變化是由ψs變化引起的，同時(shí)他還與電機(jī)轉(zhuǎn)速有關(guān)，因此ψr與ψs相比變化相對(duì)緩慢，式(7)表明若ψs幅值不變，轉(zhuǎn)矩變化率正比于ψs與ψr的轉(zhuǎn)速差。直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)就是利用不同電壓矢量對(duì)定子磁鏈的調(diào)節(jié)作用，使轉(zhuǎn)矩得到迅速有效的控制，其控制結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)Fig.1 The configuration of DTC system

電壓矢量與逆變器拓?fù)溆嘘P(guān)。以Sa、Sb、Sc表示三相開關(guān)狀態(tài)，上管導(dǎo)通時(shí)值為1，下管導(dǎo)通時(shí)值為0。正常工況下，電機(jī)的電壓矢量為

此時(shí)電壓矢量共有8種，如圖2中V0～V7所示(下標(biāo) 0～7為 Sa、Sb、Sc的組合狀態(tài)，即從 000～111)。非零電壓矢量V1～V6的幅值均為2Udc/3，空間互差60°，零電壓矢量V0與V7的幅值為零。以非零電壓矢量為界，將空間分為6個(gè)扇區(qū)，即θ1～θ6。

圖2 電壓矢量及其對(duì)定子磁鏈的影響Fig.2 Voltage vectors and their effect to stator flux

表1 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)中電壓矢量選擇表Table 1 Voltage vector select table for DTC system

根據(jù)式(4)，在t0～t時(shí)刻定子磁鏈ψs為

式中，k=0，1，…，7。

式(9)表示ψs直接受所選電壓矢量的影響，如圖2所示。選擇非零電壓矢量可使ψs最快以2Udc/3的角速度運(yùn)動(dòng)，電磁轉(zhuǎn)矩Te幅值迅速增大;選擇零電壓矢量時(shí)ψs靜止不動(dòng)，Te幅值減小。

電機(jī)最關(guān)鍵的物理量是電磁轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)矩的影響因素即為系統(tǒng)運(yùn)行工況的影響因素。在DTC系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)矩受電壓矢量的影響，具體為:1)逆變器拓?fù)?，該因素決定了電機(jī)將受控于什么樣的電壓矢量;2)逆變器的直流母線電壓Udc，該因素決定了電壓矢量的幅值大小;3)工作點(diǎn)，即定子磁鏈ψs所在位置，由圖2可見，ψs在不同位置，同一電壓矢量對(duì)其影響不一樣，轉(zhuǎn)矩變化也不一樣。

根據(jù)磁鏈方程式(5)，得定子電流矢量為

式(10)表明定子電流矢量也直接受電壓矢量的影響。

2 逆變器常見故障模式

逆變器控制的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中常見故障共有11類［8］，其中逆變器部分最常見的故障有2種:1)功率開關(guān)短路故障，如圖3(a)所示。該故障是由于開關(guān)元件反向擊穿，或橋臂的絕緣破壞，或并接在元件兩端的由電阻和電容組成的吸收回路短路，使功率開關(guān)短路。這是一種很嚴(yán)重的故障，故障發(fā)生時(shí)為防止其他元件損壞而導(dǎo)致系統(tǒng)癱瘓，通常系統(tǒng)立即采用預(yù)先設(shè)置好的保護(hù)方案，常用的保護(hù)方案為:①將與故障開關(guān)同橋臂的互補(bǔ)開關(guān)的驅(qū)動(dòng)截止，以防止相短路;② 對(duì)逆變器所有的開關(guān)均發(fā)截止信號(hào)，停止整個(gè)逆變器的操作。2)功率開關(guān)開路故障，如圖3(b)所示。功率開關(guān)通常由獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)電源驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)電路元器件老化及電磁兼容性(electro magnetic compatibility，EMC)性能變差會(huì)導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)電源故障，使開關(guān)元件無(wú)驅(qū)動(dòng)信號(hào)，造成功率開關(guān)開路。

圖3 逆變器常見故障模式Fig.3 Usual fault modes of inverter

由于多個(gè)故障同時(shí)發(fā)生的可能性很小，電路均有保護(hù)措施，由一個(gè)元件發(fā)生故障(一次故障)引起多個(gè)元件繼發(fā)性故障(二次故障)的可能性也極?。?］，故本文重點(diǎn)研究功率開關(guān)短路與開路故障。

逆變器發(fā)生故障后，電路拓?fù)浒l(fā)生了變化，電壓矢量隨之變化，系統(tǒng)的工況相比于正常工況有很大的不同。由于直接轉(zhuǎn)矩控制是一種非線性的砰－砰控制，對(duì)故障工況的分析需采用計(jì)算機(jī)仿真的方法。

3 逆變器故障工況的仿真分析

為便于分析，假設(shè):1)忽略電機(jī)的鐵耗與機(jī)械損耗;2)忽略空間諧波的效應(yīng);3)不考慮飽和與其他的非線性工況，如溫度變化等。

利用Matlab軟件構(gòu)建采用直接轉(zhuǎn)矩控制的異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的仿真模型，通過將某一開關(guān)兩側(cè)短路來模擬開關(guān)短路故障，不驅(qū)動(dòng)某一開關(guān)來模擬開關(guān)開路故障。仿真所用電機(jī)為Y100L－4 2.2 kW異步電機(jī)，其參數(shù)為:額定功率為2.2 kW;額定電壓為380 V/Y;額定電流為5 A;額定頻率為50 Hz;額定轉(zhuǎn)速為1 450 r/min;電機(jī)極對(duì)數(shù) p=2。帶半載1kW，運(yùn)行在額定轉(zhuǎn)速1 450 r/min。

3.1 逆變器開關(guān)短路故障工況

3.1.1 采用截止故障開關(guān)互補(bǔ)開關(guān)的保護(hù)方案

設(shè)逆變器中開關(guān)T1發(fā)生短路故障，保護(hù)電路截止T4，此時(shí)電路拓?fù)淙鐖D4所示。此時(shí)正常應(yīng)發(fā)矢量與實(shí)際得到的矢量的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表2所示。

圖4 T1開關(guān)短路(保護(hù)電路截止T4)時(shí)電路拓?fù)銯ig.4 Circuit topology for T1short circuit while T4is turned off

表2 正常運(yùn)行與T1短路(保護(hù)電路截止T4)時(shí)的電壓矢量Table 2 Voltage vectors at normal mode and T1 short-circuit while T4is turned off

故障發(fā)生時(shí)ψs所在位置也影響故障工況，故選用ψs在扇區(qū)θ1和θ2兩個(gè)不同位置來進(jìn)行分析。

若ψs在扇區(qū)θ1中時(shí)T1短路，T4被保護(hù)電路截止，控制器仍按表1發(fā)矢量，此時(shí)的仿真波形如圖5所示。圖中 Te、i、n分別為轉(zhuǎn)矩、電流、轉(zhuǎn)速，k為扇區(qū)θk和電壓矢量Vk的下標(biāo)，θk下標(biāo)為整數(shù)1～6，Vk下標(biāo)為整數(shù)0～7。

在θ1中按表1發(fā)V2矢量時(shí)，實(shí)際發(fā)的是V6矢量，本應(yīng)控制ψs減小，實(shí)際上卻使ψs增大，ψs一直沿V6方向變化，導(dǎo)致ψr的位置大大超前于ψs，Te變?yōu)榉岛艽蟮闹苿?dòng)轉(zhuǎn)矩，電流矢量迅速增大，轉(zhuǎn)速迅速下降。當(dāng)ψs轉(zhuǎn)到扇區(qū)θ2中時(shí)，應(yīng)發(fā)V3矢量以減小ψs，但實(shí)際發(fā)的是V7矢量，電機(jī)三相繞組處于短路狀態(tài)，根據(jù)式(1)與式(10)，ψs的變化規(guī)律為

到扇區(qū)θ3時(shí)，發(fā)V3矢量時(shí)實(shí)際發(fā)的依然是V7矢量，ψs繼續(xù)按式(11)衰減，可見 ψs在扇區(qū) θ1中發(fā)生T1短路故障(T4被截止)時(shí)，轉(zhuǎn)矩與電流均有很大的振蕩沖擊。

圖5 T1短路(T4被截止)時(shí)故障仿真波形(定子磁鏈ψs在扇區(qū)θ1中時(shí)發(fā)生短路，短路時(shí)刻t=0.38 s)Fig.5 Fault simulation waves of T1short circuit while T4is turned off(When the fault happens，position of stator flux ψsis in θ1，t=0.38 s)

ψs在θ2中發(fā)生T1短路(T4被截止)的仿真波形如圖6所示。在扇區(qū)θ2與θ3時(shí)，要發(fā)V3矢量，實(shí)際發(fā)的是V7矢量，ψs按式(11)衰減，ψr超前于ψs，轉(zhuǎn)矩變?yōu)橹苿?dòng)性質(zhì)的，轉(zhuǎn)矩與電流出現(xiàn)第一次大幅振蕩。當(dāng)ψs轉(zhuǎn)到扇區(qū)θ4時(shí)，要發(fā)V1矢量，但實(shí)際發(fā)的是 V5矢量，到了 θ1扇區(qū)時(shí)，要發(fā) V2矢量，實(shí)際發(fā)的是V6矢量，轉(zhuǎn)矩與電流出現(xiàn)第二次大幅振蕩。

由此可見，不論ψs在什么位置發(fā)生T1短路(T4被截止)，由于實(shí)際獲得的電壓矢量不一定是所需電壓矢量，兩者對(duì)磁鏈的調(diào)節(jié)作用不同，使得ψs大大偏離所要控制的軌跡，引起轉(zhuǎn)矩和電流的大幅振蕩，電機(jī)轉(zhuǎn)速迅速下降。

圖6 T1短路(T4被截止)故障仿真波形(定子磁鏈在扇區(qū)θ2中時(shí)發(fā)生短路，短路時(shí)刻t=0.385 s)Fig.6 Fault simulation waves of T1short circuit while T4is turned off(When the fault happens，position of stator flux ψsis in θ2，t=0.385 s)

3.1.2 截止所有開關(guān)的保護(hù)方案

如果T1短路，保護(hù)電路截止所有的開關(guān)，僅故障開關(guān)與旁路二極管形成電流通路，此時(shí)的電路拓?fù)淙鐖D7所示。電機(jī)a相一直與正的直流母線相連，電機(jī)終端可能出現(xiàn)的電壓矢量如表3所示。但由于b、c兩相的電流極性組合不一定按照表3中的情況全部出現(xiàn)，所以實(shí)際電壓矢量并沒有4個(gè)。

圖7 T1開關(guān)短路(保護(hù)電路截止所有開關(guān))時(shí)電路拓?fù)銯ig.7 Circuit topology for T1short circuit while all other healthy switches are turned-off

表3 T1短路(保護(hù)電路截止所有開關(guān))的電壓矢量Table 3 Voltage vectors at T1short circuit mode while all other healthy switches are turned-off

若ψs在扇區(qū)θ1中時(shí)發(fā)生T1短路故障，并由保護(hù)電路截止所有開關(guān)，此時(shí)的仿真波形如圖8所示。短路開始時(shí)，ia＞0，ib=0，ic＜0，電機(jī)處于短路狀態(tài);ψs到了扇區(qū) θ2中時(shí)，ia＞0，ib＜0，ic＜0，b、c兩相電流分別走D2和D3，電機(jī)依然處于短路狀態(tài)，ψs到扇區(qū) θ3中時(shí)，ia＞0，ib＜0，ic=0，電機(jī)還是處于短路狀態(tài)，這樣ψs一直按照式(11)衰減，轉(zhuǎn)子磁鏈超前于定子磁鏈，轉(zhuǎn)矩變?yōu)橹苿?dòng)性質(zhì)的，電流矢量幅值變大，但是變化幅度沒有圖5中大，電機(jī)的轉(zhuǎn)速在緩慢下降。

若ψs在扇區(qū)θ2中時(shí)發(fā)生T1短路，并由保護(hù)電路截止所有開關(guān)，此時(shí)的仿真波形如圖9所示。根據(jù)對(duì)電流極性的分析可知，電機(jī)的三相繞組也一直是處于短路狀態(tài)的，ψs按照式(11)衰減，轉(zhuǎn)矩與電流的變化有振蕩，幅度比采用截止故障開關(guān)互補(bǔ)開關(guān)的保護(hù)方案要小，轉(zhuǎn)速下降要慢。零，由于轉(zhuǎn)子磁鏈的慣性使其超前于定子磁鏈，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩表現(xiàn)為制動(dòng)性質(zhì)的，但制動(dòng)轉(zhuǎn)矩的幅值、電機(jī)正常相的電流均小于截止互補(bǔ)開關(guān)的保護(hù)方案，電機(jī)轉(zhuǎn)速下降也較緩慢。

圖8 T1短路(保護(hù)電路截止所有開關(guān))的仿真波形(定子磁鏈在扇區(qū)θ1中發(fā)生短路，短路時(shí)刻t=0.381 s)Fig.8 Fault simulation waves of T1short circuit while all other switches are turned-off(When the fault happens，position of stator flux ψsis in θ1，t=0.381 s)

3.1.3 T1短路故障后兩種保護(hù)方案工況比較

采用截止與故障開關(guān)互補(bǔ)開關(guān)的保護(hù)方案時(shí)，由于8種電壓矢量中有4種可以選擇，選擇的矢量與實(shí)際應(yīng)發(fā)矢量并不一定是同一個(gè)矢量，使定子磁鏈遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏離所要控制的軌跡，引起電磁轉(zhuǎn)矩與定子電流的大幅振蕩，電機(jī)轉(zhuǎn)速迅速下降，流過逆變器正常相的電流亦很大。

采用截止所有開關(guān)的保護(hù)方案時(shí)，矢量不能自由選擇，只能由三相電流的續(xù)流決定，續(xù)流路徑?jīng)Q定了電機(jī)繞組基本上是處于短路狀態(tài)，因此無(wú)論ψs在哪個(gè)扇區(qū)時(shí)發(fā)生T1短路故障，定子磁鏈都將衰減為

圖9 T1短路(保護(hù)電路截止所有開關(guān))的仿真波形(定子磁鏈在扇區(qū)θ2中發(fā)生短路，短路時(shí)刻t=0.385 s)Fig.9 Fault simulation waves of T1short circuit while all other switches are turned-off(When the fault happens，position of stator flux ψsis in θ2，t=0.385 s)

從對(duì)系統(tǒng)保護(hù)的效果來講，T1短路時(shí)采用截止所有開關(guān)的保護(hù)方案優(yōu)于采用截止故障開關(guān)互補(bǔ)開關(guān)的方案，即便如此，電流和轉(zhuǎn)矩的最大沖擊值仍然超過正常運(yùn)行時(shí)額定值的10倍以上。

3.2 逆變器開關(guān)開路故障工況

當(dāng)T1發(fā)生開路故障時(shí)，電路拓?fù)淙鐖D10所示，此時(shí)所能夠獲得的電壓矢量取決于a相電流流向和T4的開關(guān)模式。

當(dāng)ia＜0時(shí)，ia的流通經(jīng)過T4或D1，電動(dòng)狀態(tài)下T4為主要通路，D1為次要的續(xù)流通路，由于T4可以正常受控，D1續(xù)流通路隨時(shí)可以滿足，所以ia的流通不受影響，所需選擇的電壓矢量均可以獲得;當(dāng)ia＞0時(shí)，ia的流通經(jīng)過T1或D4，其中T1是主要通路，但因T1無(wú)驅(qū)動(dòng)信號(hào)，盡管有D4做續(xù)流通路，ia依然沒法正向增長(zhǎng)，只能為零，a相繞組斷開，此時(shí)a相盡管有感應(yīng)電壓產(chǎn)生，但對(duì)轉(zhuǎn)矩已無(wú)影響，電壓矢量為

圖10 T1開關(guān)開路時(shí)電路拓?fù)銯ig.10 Circuit topology for T1open circuit

b、c兩相的電壓為

此時(shí)電壓矢量只有4種，在α－β平面表示如圖11所示。

電壓矢量用b、c兩相的開關(guān)狀態(tài)表示為

圖11 T1開路(ia變化趨勢(shì)大于零時(shí))的電壓矢量

Fig.11 Voltage vectors for T1open circuit when the change direction of ia is bigger than 0

ψs初始位置在θ1扇區(qū)發(fā)生T1開路故障的仿真波形如圖12所示，此時(shí)由于ia的變化趨勢(shì)剛好大于零，只能發(fā)出如圖11所示的矢量來代替V6(110)、V0(000)、V2(010)與V7(111)，因此定子磁鏈落后于轉(zhuǎn)子磁鏈，電磁轉(zhuǎn)矩變?yōu)樨?fù)的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，但制動(dòng)轉(zhuǎn)矩的幅值不大;當(dāng)ψs轉(zhuǎn)到扇區(qū)θ2時(shí)，ia＜0，可以獲得所需的電壓矢量，磁鏈和轉(zhuǎn)矩可以受控，電流依然三相對(duì)稱;當(dāng) ψs轉(zhuǎn)到扇區(qū) θ5時(shí)，ia再次要大于零時(shí)，電壓矢量再次變?yōu)閳D11中的4個(gè)矢量，轉(zhuǎn)矩變?yōu)樨?fù)的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，如此循環(huán)。

圖12 T1開路的仿真波形(定子磁鏈在扇區(qū)θ1中發(fā)生開路，開路時(shí)刻t=0.38 s)Fig.12 Fault simulation waves of T1open circuit(When the fault happens，position of stator flux ψsis in θ1 ，t=0.38 s)

ψs在扇區(qū)θ2中時(shí)發(fā)生T1開路故障的仿真波形如圖13所示，此時(shí)根據(jù)a相電流流向和T4的開關(guān)模式可以獲得所需電壓矢量，所以并未立即出現(xiàn)故障現(xiàn)象，而到了扇區(qū)θ5中，ia的變化趨勢(shì)要大于零時(shí)(仿真時(shí)間t=0.395 s)，轉(zhuǎn)矩才變?yōu)樨?fù)的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，出現(xiàn)脈動(dòng)現(xiàn)象。

通過對(duì)ψs在多個(gè)位置的仿真可知，發(fā)生單個(gè)開關(guān)開路故障時(shí)，故障相的電流有半個(gè)周期一直為零，若是上管出現(xiàn)故障，則故障相電流只有負(fù)半周，原來的正半周故障后為零，若是下管出現(xiàn)故障，則故障相的電流只有正半周，原來的負(fù)半周故障后為零，系統(tǒng)仍然可以繼續(xù)短時(shí)運(yùn)行，不必停機(jī)。但是電磁轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)了大的低頻脈動(dòng)，并且有制動(dòng)轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)，這從機(jī)械上對(duì)電機(jī)很不利。故障后正常的開關(guān)裝置承受不相等的電流應(yīng)力，且電流應(yīng)力比正常運(yùn)行時(shí)要大。由電磁轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)帶來電機(jī)轉(zhuǎn)速的波動(dòng)，這實(shí)際上會(huì)使電機(jī)產(chǎn)生新的電流諧波，逆變器的負(fù)載電流將增加。

圖13 T1開路的仿真波形(定子磁鏈在扇區(qū)θ2中發(fā)生開路，開路時(shí)刻t=0.385 s)Fig.13 Fault simulation waves of T1open circuit(When the fault happens，position of stator flux ψsis in θ2，t=0.385 s)

4 結(jié)語(yǔ)

在發(fā)生功率開關(guān)短路的情況下，截止故障開關(guān)互補(bǔ)開關(guān)的保護(hù)方案由于選擇的矢量與實(shí)際應(yīng)發(fā)矢量不一致，引起電磁轉(zhuǎn)矩與定子電流的大幅振蕩，電機(jī)轉(zhuǎn)速迅速下降;而截止所有開關(guān)的保護(hù)方案中電機(jī)繞組基本上是處于短路狀態(tài)，在定子磁鏈衰減為零的過程中，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和電流比截止故障開關(guān)互補(bǔ)開關(guān)的方案小許多，但最大值仍超過正常運(yùn)行時(shí)額定值的10倍以上。短路故障后系統(tǒng)所采取的兩種保護(hù)方案中，截止所有開關(guān)的保護(hù)方案較優(yōu)。

在發(fā)生了功率開關(guān)開路故障時(shí)，故障相的電流只有半個(gè)周期，轉(zhuǎn)矩有低頻脈動(dòng)，但系統(tǒng)仍然可以繼續(xù)短時(shí)運(yùn)行。

同一橋臂上的同一開關(guān)出現(xiàn)不同的故障，其電流與轉(zhuǎn)矩波形差異很明顯，根據(jù)這些不同的電流及轉(zhuǎn)矩波形特征可以建立一故障診斷專家系統(tǒng)，并據(jù)此實(shí)現(xiàn)逆變器的故障檢測(cè)、診斷與容錯(cuò)。本文的研究結(jié)果可為逆變器控制的其他各種電機(jī)控制系統(tǒng)的故障工況研究提供借鑒。

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(編輯:于雙)

Investigation of inverter fault mode behavior for DTC induction motor drive system

ZHANG Lan-hong， LU Guang-ping， CHEN Chong
(School of Electrical Engineering，Yancheng Institute of Technology，Yancheng 224051，China)

In order to seek evidence for system reliability design，investigation of inverter fault mode behavior for direct torque control(DTC)induction motor drive system is done.Based on analysis of the principle about DTC，influence factors of operation behavior about the system were pointed out.Simulation investigation about power switch short circuit and open circuit，which are the most familiar fault modes of inverter，was implemented.Short circuit mode behavior refers to the situation when the system adopted two protect schemes，of which one is that the complementary switch of faulty switch is turned off，and another is that all other switches are turned off.Simulation results show that the system has an enormous impact on mechanism and electrical current at power switch short circuit mode，though the protect schemes were adopted.The scheme of turning off all switches is relatively optimal.The impact on mechanism and electrical current still exceeds ten times of rating value in this scheme.When power switch open circuit fault happens，the current has only half period，and the torque oscillates at low frequency;whereas the system can still run continuously in a little time.

direct torque control;induction machines;drive;inverter;fault

2010－10－16

江蘇省自然科學(xué)基金(BK2009669);江蘇省高校自然科學(xué)基礎(chǔ)研究項(xiàng)目(08KJD470006)。作者簡(jiǎn)介:張?zhí)m紅(1968—)，女，博士，教授，研究方向?yàn)殡姍C(jī)控制和電力電子技術(shù);

陸廣平(1974—)，女，碩士，講師，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)測(cè)控技術(shù);

陳 沖(1982—)，男，碩士，講師，研究方向?yàn)殡姍C(jī)控制和電力電子技術(shù)。

TM 346.2

A

1007－449X(2011)04－0058－09