電機調速系統中的逆變器建模及故障仿真

張雄希 錢 來

（武漢科技大學 信息科學與工程學院，湖北 武漢430081）

0 前言

近年來，隨著電力電子技術和微電子技術的迅猛發展，變頻調速技術取得了日新月異的進步。但是變頻器和異步電動機會由于頻繁起停、過載、電源沖擊、環境影響等原因而造成異常和故障。電動機處于調速狀態時供電電源不是以理想正弦波分布，高速開關器件使電源波形畸變，產生大量的諧波，附加損耗和沖擊型電源會損壞關鍵部件。三相SPWM逆變電源廣泛應用在變頻調速系統，其中的功率變換器及其控制電路是最易發生故障的薄弱環節，需要對其進行可靠、有效的狀態監測與故障分析。

1 三相逆變電路

逆變就是將直流電變成交流電。可將逆變電路分為兩種：直流側是電壓源的稱為電壓型逆變電路；直流側是電流源的稱為電流型逆變電路。目前應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制PWM技術，比較典型的控制方式有：正弦波脈寬調制(SPWM)、電流滯環跟蹤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。其中正弦脈寬調制(SPWM)幅值相等、脈沖寬度按正弦規律變化、波形的諧波分量較少，目前應用非常廣泛[2]。

2 系統模型構建及故障仿真

圖1 SPWM逆變器電路仿真模型

利用運行在Matlab平臺上的仿真軟件Simulink可對實際系統進行建模、仿真和分析，Simulink為用戶提供了用方框圖進行建模的圖形用戶接口，用戶只需用鼠標選中各模塊，并放進新建的模塊圖，最后用連線將各模塊連接起來，即完成對特定系統模型的創建。異步電機調速系統模型的構建主要使用Simulink中的電力系統工具箱 (簡稱PSB)中的元件模塊。SPWM逆變器電路仿真模型如圖1所示。

該仿真模型由信號模塊、三相SPWM逆變器接簡單的負載組成，對線電壓Uab觀測采樣，并進行FFT及諧波分析處理。逆變系統常見故障一般有IGBT開路和短路故障。其中短路故障存在過流保護，因此論文主要對IGBT的開路故障進行分析。

當六個IGBT管都正常工作時，對線電壓Uab進行諧波分析如圖2所示。

圖2 正常工作時Uab諧波分析

圖3 IGBT1開路時Uab諧波分析

可看出正常運行時基波和五次諧波分量較高，而其它次諧波的含量較少。

設定A相IGBT1（如圖1）開路，對電路仿真模型的線電壓Uab進行諧波分析如圖3所示。

可看出單個IGBT開路時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。

設定A相IGBT1和IGBT2（如圖1）開路對電路仿真模型的線電壓Uab進行諧波分析如圖4所示。

圖4 IGBT1和IGBT2開路時Uab諧波分析

可看出同相兩個IGBT開路時基波和3次、5次、6次諧波含量較高，而其它次諧波的含量較少。

設定不同相兩個IGBT開路：如A相IGBT1和B相IGBT2（如圖1）開路時，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）開路時，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

異步電機調速系統故障診斷及仿真是目前探究的熱點。論文對異步電機調速系統中逆變器的模型進行了構造，并對IGBT單管及雙管開路故障進行仿真研究。通過對系統有故障運行時的相電流信號或線電壓信號進行分析，依據各類故障時諧波次數總結出故障特征，可以實現對故障的一般檢測和診斷，為實現逆變器與異步電機系統的故障檢測和診斷方法的實用化提供了基礎。

［1］王兆安，黃俊.電力電子技術[M].北京：機械工業出版社，2008.

［2］陳國呈.PWM 逆變技術及應用[M].北京：中國電力出版社，2007.

［3］吳小華，史忠科.三相SPWM逆變器故障檢測與診斷的仿真研究[J].系統仿真學報，2004（7）.

［4］崔博文.逆變器供電的感應電機驅動系統故障仿真研究[J].電機與控制學報，2007,11(6).

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