基于三相四橋臂逆變器的電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(jī)調(diào)速系統(tǒng)在各領(lǐng)域中越來(lái)越廣泛地使用。在很多場(chǎng)合讓電機(jī)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(chǎng)合要求電機(jī)系統(tǒng)即使出現(xiàn)某些故障也能不間斷地正常運(yùn)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(kāi)展預(yù)測(cè)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(jiǎn)化逆變器結(jié)構(gòu)、提高調(diào)

2、速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能、降低電動(dòng)機(jī)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(shí)電壓，產(chǎn)生很大的共模電壓，并在電動(dòng)機(jī)上耦合出很高的軸電壓和軸電流，這不僅威脅到電機(jī)系統(tǒng)本身的安全可靠性，縮短其使用壽命，還會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的電磁干擾（EMI），危及周?chē)O(shè)備的可靠運(yùn)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(jī)調(diào)速系統(tǒng)的可靠性。主要進(jìn)行了四個(gè)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(cè)分析，基于三相四橋臂逆變的電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)容錯(cuò)運(yùn)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(gè)橋臂不出現(xiàn)零狀態(tài)的情況下，可以用第四橋臂實(shí)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(lái)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(dá)到抑制逆變器輸出共模電壓和共模電流的效果。通過(guò)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(shí)驗(yàn)對(duì)比，證實(shí)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(huì)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(jìn)行了對(duì)其策略?xún)?yōu)化的研究，分別提出了一種不增加開(kāi)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(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)，證實(shí)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(shí)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(xì)

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(cè)模型，從可靠度和平均無(wú)故障時(shí)間這兩個(gè)方面定量地對(duì)三橋臂和四橋臂逆變器主電路的可靠性作了對(duì)比預(yù)測(cè)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(duì)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(jī)調(diào)速系統(tǒng)能容錯(cuò)運(yùn)行是提高其可靠性的重要手段，而系統(tǒng)容錯(cuò)運(yùn)行是由故障檢測(cè)與診