异步电机驱动系统逆变器故障诊断与容错控制

摘要

异步电机驱动系统在工业生产和社会生活中应用广泛，有效提高了生产设备的自动化水平和生产效率。电压型逆变器是异步电机变频驱动系统的核心部件，其运行的可靠性和安全性对系统至关重要。逆变器中IGBT等电力电子器件由于自身的脆弱性，在高压大电流的工作状态下易发生开路和短路故障，对其故障诊断与容错控制问题的研究应该得到足够的重视。对于三相交流异步电机驱动系统，本文首先设计了异步电机的双闭环矢量控制方案，在此基础上，针对逆变器的开关器件故障诊断与容错控制展开研究工作，旨在提高系统的调速性能和运行可靠性。
　　建立了异步电机在三相静止坐标系和两相旋转坐标系下的数学模型，分析了三相电压型逆变器空间电压矢量的特点。通过转子磁场定向，给出了转子磁链和电磁转矩双闭环矢量控制方案。基于异步电机的二阶状态方程，采用非线性系统反馈线性化的方法实现了励磁电流和转矩电流的精确解耦控制，设计了电流无误差跟踪控制算法。推导出了两相旋转坐标系下的转子磁链观测模型，实现磁链幅值和转差频率的观测。
　　针对采用双闭环矢量控制策略的异步电机驱动系统，提出了逆变器功率器件的平均电流故障诊断算法，分析了故障诊断机理，给出了故障诊断算法的具体实现方法;设计了系统的三相四开关容错控制方案，分析了三相四开关容错逆变器空间电压矢量的特点，给出其SVPWM调制算法。针对容错逆变器直流侧电容中点电压不平衡问题，深入研究空间电压矢量的偏移，提出三相四开关SVPWM优化算法，有效提高了参考电压合成的准确性。基于电路分析和数学建模，设计了一种直流侧电容中点电压补偿方案，以消除电压的直流偏移，拓宽系统稳定运行区域。
　　最后，搭建了异步电机驱动系统的实物实验平台，给出了硬件电路和控制程序的具体设计方案，对系统在不同条件下的运行情况进行了实验研究。仿真实验和实物实验证明了文中所提控制策略的有效性和可靠性。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题研究的背景和意义

1．2 异步电机控制方法研究现状

1．3 逆变器故障诊断研究现状

1．4 逆变器容错控制研究现状

1．5 本文研究内容

2 异步电机矢量控制系统设计

2．1 异步电机的数学建模

2．1．1 异步电机驱动系统的电路拓扑

2．1．2 三相静止坐标系下的数学模型

2．1．3 坐标变换

2．1．4 d-q坐标系下的数学模型

2．1．5 逆变器的空间电压矢量

2．2 控制系统设计

2．2．1 系统控制方案

2．2．2 反馈线性化原理

2．2．3 基于反馈线性化的电流解耦控制器设计

2．2．4 d-q坐标系下的磁链观测器设计

2．3 仿真实验

2．4 本章小结

3 逆变器的故障诊断与容错控制

3．1 基于平均电流模型的逆变器故障诊断

3．1．1 故障诊断原理

3．1．2 故障诊断方案

3．2 三相四开关容错控制策略

3．2．1 三相四开关容错逆变器

3．2．2 三相四开关SVPWM算法

3．3 三相四开关SVPWM优化控制研究

3．3．1 直流母线电压不平衡运行情况分析

3．3．2 三相四开关SVPWM优化算法

3．4 电容中点电压平衡控制策略

3．4．1 电容中点电压平衡控制原理

3．4．2 电容中点电压平衡控制方案

3．5 仿真实验

3．5．1 故障诊断算法仿真

3．5．2 三相四开关矢量控制系统仿真

3．5．3 SVPWM优化算法和电容中点电压平衡控制仿真

3．6 本章小结

4 实验平台设计与实物实验研究

4．1 实验平台整体设计方案

4．1．1 系统的结构设计

4．1．2 机组和加载方案

4．2 主电路设计

4．3 控制和检测电路设计

4．4 控制程序设计

4．5 实物实验研究

4．5．1 三相六开关矢量控制实验

4．5．2 故障诊断实验

4．5．3 三相四开关矢量控制实验

4．6 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢