基于三相四橋臂逆變器的電機驅(qū)動系統(tǒng)EMC及可靠性研究.pdf

1、隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展及其元器件生產(chǎn)成本的下降，由逆變器供電的電機調(diào)速系統(tǒng)在各領(lǐng)域中越來越廣泛地使用。在很多場合讓電機安全可靠地工作極其重要，如航空、航天、軍事、礦井、醫(yī)療等，在這些場合要求電機系統(tǒng)即使出現(xiàn)某些故障也能不間斷地正常運行。而在調(diào)速系統(tǒng)中，逆變器中的功率半導(dǎo)體器件是最容易發(fā)生故障的環(huán)節(jié)，開展預(yù)測并提高逆變器工作可靠性的研究十分必要。另外，目前幾乎所有的調(diào)速系統(tǒng)都采用脈沖寬度調(diào)制（PWM）技術(shù)，該技術(shù)可以簡化逆變器結(jié)構(gòu)、提高調(diào)

2、速系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)性能、降低電動機的諧波損耗、提高電能的利用效率。但它固有的脈沖特性造成了逆變器輸出很高的和不平衡的瞬時電壓，產(chǎn)生很大的共模電壓，并在電動機上耦合出很高的軸電壓和軸電流，這不僅威脅到電機系統(tǒng)本身的安全可靠性，縮短其使用壽命，還會產(chǎn)生很強的電磁干擾（EMI），危及周圍設(shè)備的可靠運行。本文研究采用三相四橋臂結(jié)構(gòu)改善逆變器的電磁兼容性（EMC），提高電機調(diào)速系統(tǒng)的可靠性。主要進行了四個方面的工作：采用三相四橋臂結(jié)構(gòu)降低逆變器輸出

3、的共模干擾，優(yōu)化三相四橋臂逆變器輸出的差模特性，三相逆變器可靠性的預(yù)測分析，基于三相四橋臂逆變的電機調(diào)速系統(tǒng)容錯運行。
　　 在逆變器的共模模型基礎(chǔ)上，分析了三相三橋臂逆變器產(chǎn)生很大共模電壓的原因是其輸出電壓的不平衡，指出三相四橋臂結(jié)構(gòu)在前三個橋臂不出現(xiàn)零狀態(tài)的情況下，可以用第四橋臂實現(xiàn)逆變器輸出電壓的平衡。本文提出了一種基于正弦PWM（SPWM）載波移相的跳變后移策略來控制三相四橋臂逆變器，突破了SPWM載波移相控制中調(diào)制指數(shù)

4、必須小于0.666的限制，避免了直流電壓利用率低下的缺陷。該策略能夠在任意情況下避免零狀態(tài)的出現(xiàn)，從而達到抑制逆變器輸出共模電壓和共模電流的效果。通過三橋臂和四橋臂幾種常用的SPWM、空間矢量PWM（SVM）策略下逆變器輸出的共模干擾的仿真和實驗對比，證實了在SPWM跳變后移控制下的三相四橋臂逆變器具有最佳的共模輸出特性。
　　 雖然SPWM跳變后移策略會使三相四橋臂逆變器獲得最佳的共模輸出特性，但因它改變了脈沖局部與正弦波的伏

5、秒等效關(guān)系，導(dǎo)致逆變器差模特性變差。在分析三相四橋臂逆變器的差模模型基礎(chǔ)上，進行了對其策略優(yōu)化的研究，分別提出了一種不增加開關(guān)次數(shù)的SPWM脈沖后移策略和具有最優(yōu)差模特性的最短間隔狀態(tài)交換策略。通過仿真和實驗，證實這兩種策略具有與SPWM跳變后移策略同樣好的共模干擾抑制能力，同時又具有比跳變后移策略更優(yōu)的差模特性，其中SPWM最短間隔狀態(tài)交換策略下的三相四橋臂逆變器具有最優(yōu)的EMC特性。
　　 在介紹可靠性基本理論的基礎(chǔ)上，詳細

6、地分析了逆變器主電路中所有元器件的失效率。本文建立了三相逆變器可靠性的預(yù)測模型，從可靠度和平均無故障時間這兩個方面定量地對三橋臂和四橋臂逆變器主電路的可靠性作了對比預(yù)測研究，證明了四橋臂逆變器雖然增加了一些元件，但與三橋臂逆變器相比，其可靠性有了大幅度的提高。因此，三相四橋臂結(jié)構(gòu)對逆變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，電機調(diào)速系統(tǒng)能容錯運行是提高其可靠性的重要手段，而系統(tǒng)容錯運行是由故障檢測與診