变频器――感应电机调速系统的故障分析

核心提示：　　在通常的工业应用中，电力电子装置的可靠性是非常重要的。电力电子装置的稳定性决定了它的应用范围。然而变频器的可靠性并不

　　在通常的工业应用中，电力电子装置的可靠性是非常重要的。电力电子装置的稳定性决定了它的应用范围。然而变频器的可靠性并不十分高，在电压型逆变器中，除了直流环节的电容器外，电力电子元件和它们的控制元件也是一个薄弱环节。一个实用的方法是用保守设计来提高可靠性，另外一个方法是用另一套线路作为备用。显然，这两种方法都增加了成本，适于高可靠性情况下。相对于这两种技术，近年来发展一种故障检测技术，其思想是在故障情况下改变控制策略，以便使系统在不利的情况下可以继续运行。同时，在系统运行中预测各种故障引起的后果也是很重要的，以便在系统设计时加以考虑。系统的非正常运行方式不但会使变频器造成很大的损害，而且会影响电机的特性，减少电机的使用寿命。因此正确估计非正常运行条件下系统承受的电流电压数值，验证系统是否仍然在额定值范围之内，对系统的运行具有重要意义。

　　1变频器故障工况分析对感应电机拖动系统的故障分析是近几年才发展起来的，国内外文献对此也很少述及，文献对此只进行了定性分析。在感应电机拖动系统中，运行故障主要是由电机绕组和电力电子半导体元件引起的。对拖动系统故障的早期预测和快速诊断可以减少系统的损失。实际上，根据具体的故障条件，可以确定系统的运行状况，对严重故障需要立即停机，而对一般故障可以采用补偿策略，避免停机带来的损失。同时为了改进故障诊断技术，对变频器感应电机系统的故障工况进行研究也是非常必要的。特别是比较故障工况和正常工况下系统的运行性能，可以分析系统在不同故障情况下的承受力，并得到故障情况下有用的信息。

　　分析电机的不对称运行常见的方法是对称分量法，这种方法是先将不对称的量分解成正序、负序及零序三组结称分量来分别求解，然后再用线性叠加的方法合成不对称问题的解答。对称分量法只限于线性电路的稳态求解，难以对不对称运行的瞬态及稳态进行统一处理。本文采用计算机仿真的方法，对变频器供电下的感应电机系统的故障工况进行了分析。

　　电压型变频器的故障主要存在以下几种情况1）电机）相开路故障（ F 2）电力晶体管开路故障（ F 3）一相桥臂僵持故障4）晶体管短路故障（ F 5）整流二极管短路故障（ F 6）输入电源单线接地故障（ F 7）直流环节电容短路故障（ F 8）电机端部一线接地故障（ F短路故障和接地故障对系统会造成很大的危害，并会导致元件和电机的损害，应立即停止运行，相对来说，开路故障造成的损害要小一些，有的甚至还可以继续运行。因此本文仅对故障情形1）电机端部一相开路故障F（ a相断开而b、c相正常供电）进行仿真研究。在分析中假设： 1开关元件为理想元件 o直流环节电容有足够的容量来维持直流电压不变。

　　2机电一相开路故障在这种情况下，假设a相绕组与变频器脱离，电机处于单相运行状态， b相和c相串联于直流环节电压之间。断相故障可在实际运行中发生，如电机端部的引出线一相与逆变器脱离。断相故障也可以作为一种补偿策略，如在短路情况下，为了防止该相损害，同时要求避免停机，使系统在单相下运行。图2（ a） （ h）给出了SPWM供电下a相突然断开时的瞬态波形。

　　湖南工程学院学报可以看出，一相断开时，会产生一个很大的一个负向转矩，同时电流出现振荡。a相断开后，由于b、c两相的感应作用，在a相产生一个正弦电压， b、c两相的电压为感应电压与外施电压的叠加。

　　相对来说，达到稳态时断相故障对系统的影响较小。图3给出了SPWM供电时达到稳态时的波形。

　　秦祖泽等：变频器） ））感应电机调速系统的故障分析另外，断相响应对系统的冲击与发生断相的时刻有关。当在电流过零时发生断相，对系统的冲击最小，当a相电流最大时发生断相对系统的损害最大。图5给出了不同时刻发生断相故障的比较。图中虚线为t = 2s时发生断相时的瞬态波形，此时i湖南工程学院学报相时的瞬态波形，此时i为了比较单相运行对系统性能的影响，图6、图7给出了单相运行和正常运行时电流和转矩谐波分量的比较。图中实线为正常运行工况，虚线为单相运行工况。

　　可以看出，无论是SPWM还是方波供电，单相运行都出现以下情况：1）电磁转矩出现很强的二倍频脉动分量，其值围绕转矩的平均值（负载转矩）上下波动。

　　2）电流基波值比正常工况时增大。实际系统中单相运行是否继续取决于实际电流，对一个给定转矩，如果电流大于允许值，则单相运行将被禁止。

　　1）变频器：感应电机调速系统在发生突然故障时，一般都会出现大的冲击电流和大的脉动转矩。在秦祖泽等：变频器） ））感应电机调速系统的故障分析突然短路或突然接地的情况下，会对系统造成很大冲击，造成系统停机。而在一些故障情况下（如一相开路故障）系统仍可在一定程度上继续运行。因此，预测调速系统在各种故障情况下的运行工况具有重要意义。

　　2）分析了变频器：感应电机系统可能出现的故障工况，并对其中的一相开路故障进行了仿真。

　　3）由仿真结果可以看出，在一相开路故障情况下，电磁转矩会出现很高的二倍频分量。低频脉动转矩的出现对系统的运行会带来不利影响，造成系统运行的不稳定。为此应通过一些控制策略如谐波注入法等进行改进。

　　4）在故障情况下电流会增大，系统能否运行取决于系统实际允许量大电流，本文仿真中假定电流没有限制。