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《华中科技大学》 2009年
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基于三相四桥臂逆变器的电机驱动系统EMC及可靠性研究

黄劲  
【摘要】: 随着电力电子技术的发展及其元器件生产成本的下降,由逆变器供电的电机调速系统在各领域中越来越广泛地使用。在很多场合让电机安全可靠地工作极其重要,如航空、航天、军事、矿井、医疗等,在这些场合要求电机系统即使出现某些故障也能不间断地正常运行。而在调速系统中,逆变器中的功率半导体器件是最容易发生故障的环节,开展预测并提高逆变器工作可靠性的研究十分必要。另外,目前几乎所有的调速系统都采用脉冲宽度调制(PWM)技术,该技术可以简化逆变器结构、提高调速系统的动态响应性能、降低电动机的谐波损耗、提高电能的利用效率。但它固有的脉冲特性造成了逆变器输出很高的dv/dt和不平衡的瞬时电压,产生很大的共模电压,并在电动机上耦合出很高的轴电压和轴电流,这不仅威胁到电机系统本身的安全可靠性,缩短其使用寿命,还会产生很强的电磁干扰(EMI),危及周围设备的可靠运行。本文研究采用三相四桥臂结构改善逆变器的电磁兼容性(EMC),提高电机调速系统的可靠性。主要进行了四个方面的工作:采用三相四桥臂结构降低逆变器输出的共模干扰,优化三相四桥臂逆变器输出的差模特性,三相逆变器可靠性的预测分析,基于三相四桥臂逆变的电机调速系统容错运行。 在逆变器的共模模型基础上,分析了三相三桥臂逆变器产生很大共模电压的原因是其输出电压的不平衡,指出三相四桥臂结构在前三个桥臂不出现零状态的情况下,可以用第四桥臂实现逆变器输出电压的平衡。本文提出了一种基于正弦PWM(SPWM)载波移相的跳变后移策略来控制三相四桥臂逆变器,突破了SPWM载波移相控制中调制指数必须小于0.666的限制,避免了直流电压利用率低下的缺陷。该策略能够在任意情况下避免零状态的出现,从而达到抑制逆变器输出共模电压和共模电流的效果。通过三桥臂和四桥臂几种常用的SPWM、空间矢量PWM(SVM)策略下逆变器输出的共模干扰的仿真和实验对比,证实了在SPWM跳变后移控制下的三相四桥臂逆变器具有最佳的共模输出特性。 虽然SPWM跳变后移策略会使三相四桥臂逆变器获得最佳的共模输出特性,但因它改变了脉冲局部与正弦波的伏秒等效关系,导致逆变器差模特性变差。在分析三相四桥臂逆变器的差模模型基础上,进行了对其策略优化的研究,分别提出了一种不增加开关次数的SPWM脉冲后移策略和具有最优差模特性的最短间隔状态交换策略。通过仿真和实验,证实这两种策略具有与SPWM跳变后移策略同样好的共模干扰抑制能力,同时又具有比跳变后移策略更优的差模特性,其中SPWM最短间隔状态交换策略下的三相四桥臂逆变器具有最优的EMC特性。 在介绍可靠性基本理论的基础上,详细地分析了逆变器主电路中所有元器件的失效率。本文建立了三相逆变器可靠性的预测模型,从可靠度和平均无故障时间这两个方面定量地对三桥臂和四桥臂逆变器主电路的可靠性作了对比预测研究,证明了四桥臂逆变器虽然增加了一些元件,但与三桥臂逆变器相比,其可靠性有了大幅度的提高。因此,三相四桥臂结构对逆变器可靠性的改善十分有效。 除了降低元器件本身的工作失效率以外,电机调速系统能容错运行是提高其可靠性的重要手段,而系统容错运行是由故障检测与诊断以及电路重构来实现。本文介绍了电机调速系统中逆变器常见的故障类型以及故障检测和诊断方法,详细分析了几种常见故障后逆变器输出电流的变化情况,提出了以三相电流的相对直流分量和工频分量作为特征向量,诊断上述故障的方法和步骤,并在高可靠性的原则下选择采用了简单隔离电路和双向晶闸管组成的切换电路来实现电路重构。通过三种常用控制策略的仿真验证了三相四桥臂逆变器能很好地实现电机调速系统的容错运行。
【学位授予单位】:华中科技大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2009
【分类号】:TM306

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