王亞飛，葛興來

（西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，成都 610031）

引言

隨著電力電子元器件及其控制技術(shù)的發(fā)展，電力電子裝置系統(tǒng)的效率變得越來越高。但隨之而來也產(chǎn)生很多問題，如結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功率器件繁多等，這些都是導(dǎo)致系統(tǒng)可靠性降低的因素。研究表明：逆變器的功率開關(guān)管是電力電子裝置系統(tǒng)最薄弱環(huán)節(jié)之一[1]。由此可見，要保證系統(tǒng)正常運(yùn)行，關(guān)鍵是要保證功率器件的正常。通常逆變器故障分為IGBT開路故障和IGBT短路故障。IGBT短路故障由于其存在時(shí)間很短，危害很大，在硬件電路上已有成熟的解決方案；而IGBT開路故障由于其不易及時(shí)被發(fā)現(xiàn)，很可能形成二次故障，造成更大的損失。

目前IGBT開路故障的研究已有很多，可從檢測(cè)變量的角度分為兩大類：（1）基于電流的診斷方法；（2）基于電壓的診斷方法。文獻(xiàn)[2]提出了基于傅里葉變換的歸一化方法，即根據(jù)定子電流歸一化后的基波分量大小定位開路故障的功率管，但僅限于單個(gè)功率管的診斷；文獻(xiàn)[3]提出了通過比較逆變器各相電流正、負(fù)半波在正常和故障狀態(tài)下對(duì)應(yīng)的功率，進(jìn)而達(dá)到故障診斷，但其不適用于空載情況；基于電流的診斷方法還有電流向量瞬時(shí)頻率方法[4]、負(fù)載電流分析法[5]、直流側(cè)電流頻譜分析法[6]、Hilbert變換法[7]和人工智能系統(tǒng)[8-11]等。 文獻(xiàn)[12]提出了基于電壓解析模型的開路故障快速診斷法，即當(dāng)逆變器功率器件發(fā)生開路故障時(shí)，逆變器相電壓、電機(jī)線電壓等與正常時(shí)相比均存在偏差，根據(jù)這些電壓偏差就可診斷故障，但只應(yīng)用于了開環(huán)控制下的單管故障；文獻(xiàn)[13-15]提出了基于開關(guān)函數(shù)模型及運(yùn)行模式分析的診斷法，根據(jù)正常和故障狀態(tài)下功率開關(guān)管承受電壓的不同，采用高速光耦等硬件電路進(jìn)行單管和單橋臂的開路診斷。

通?；陔娏鞯脑\斷方法受系統(tǒng)閉環(huán)控制的影響較大，當(dāng)負(fù)載突增或突減時(shí)，易出現(xiàn)誤診斷，而且診斷時(shí)間也至少需要一個(gè)基波周期。而基于電壓的診斷方法可不受閉環(huán)控制策略及負(fù)載擾動(dòng)的影響，且診斷時(shí)間較短[16]。

目前，既能夠?qū)Ω鞣N單管和雙管IGBT開路故障進(jìn)行準(zhǔn)確定位，又不受閉環(huán)控制和負(fù)載擾動(dòng)影響的診斷方法很少。本文通過分析對(duì)比逆變器在正常與開路故障狀態(tài)下的三相電壓，提出一種以線電壓為檢測(cè)變量的簡(jiǎn)易實(shí)時(shí)診斷方法，利用實(shí)際的線電壓和開關(guān)信號(hào)得到三相電壓及殘差，根據(jù)這些電壓殘差間的關(guān)系進(jìn)行各種單管及雙管開路故障識(shí)別，仿真結(jié)果表明，該方法不受負(fù)載突變及閉環(huán)控制的影響，能夠?qū)崟r(shí)在線進(jìn)行故障診斷。

1 逆變器工作模式分析

逆變器常見主電路如圖1所示，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包含6個(gè)IGBT開關(guān)管T1～T6，以及6個(gè)并聯(lián)二極管D1～D6，直流側(cè)母線電容電壓 Udc。令 a、b、c 相橋臂的功率管開關(guān)信號(hào)分別為sa、sb、sc，并且同相橋臂的兩個(gè)功率管的開關(guān)信號(hào)互補(bǔ)，即sa、sb、sc為1時(shí)橋臂上管開通，下管關(guān)斷；sa、sb、sc為 0 時(shí)橋臂上管關(guān)斷，下管開通。 a、b、c 三相的電壓分別為 uan、ubn、ucn，線電壓分別為 uab、ubc、uca，端電壓分別為 uao、ubo、uco，其中o為母線端參考點(diǎn)，n為負(fù)載中性點(diǎn)。

圖1 逆變器電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 Inverter circuit topology structure

當(dāng)逆變器正常工作時(shí)，三相電壓可以表示為

由式（1）可知，當(dāng)a相橋臂的功率管開關(guān)信號(hào)sa=1，即逆變器的工作模式為100、101、110和111時(shí)，a相電壓uan≥0；而當(dāng)a相橋臂的功率管開關(guān)信號(hào)sa=0，即逆變器的工作模式為000、001、010和011時(shí)，a相電壓uan≤0。b、c相橋臂類似。因此，根據(jù)三相電壓的正負(fù)可將一個(gè)基波周期內(nèi)的三相電壓波形分為6個(gè)區(qū)間，各區(qū)間內(nèi)具體導(dǎo)通的功率管如表1所示。

表1 各區(qū)間內(nèi)導(dǎo)通的功率管Tab.1 Each interval conduction of power tube

逆變器的三相電壓波形如圖2所示。

圖2 逆變器的三相電壓波形Fig.2 Three-phase voltage waveforms of inverter

2 逆變器開路故障診斷原理

2.1 單個(gè)功率管開路故障

逆變器主電路中有6個(gè)IGBT功率管，故共6種單個(gè)功率管開路故障?？紤]到電路的對(duì)稱性，下面只分析單個(gè)功率管T1開路故障情況。當(dāng)T1開路故障時(shí)，逆變器a相橋臂的功率管開關(guān)信號(hào)sa不能為1，而b和c相橋臂的功率管開關(guān)信號(hào)sb和sc不受影響，則逆變器常見的4種工作模式（100、101、110和111）失效，a相橋臂端電壓uao將存在電壓偏差 Δuao，即

由式（2）可知，電壓偏差Δuao為脈寬型PWM電壓波形，為了便于后續(xù)的標(biāo)幺化，此處不需要濾除開關(guān)紋波。由于端電壓偏差Δuao存在的，在區(qū)間1～3內(nèi)逆變器三相電壓表現(xiàn)出故障特征，且三相電壓為

由式（1）減去式（3），可得逆變器三相電壓殘差為

由式（4）的三相電壓殘差可以看出，當(dāng)T1開路故障時(shí)，a相電壓殘差為正，而b、c相電壓殘差為負(fù)，并且a相電壓殘差絕對(duì)值等于b、c相電壓殘差絕對(duì)值之和，即三相電壓殘差間的關(guān)系為

同理，其他功率管開路故障時(shí)，也有類似的結(jié)論。則單個(gè)功率管開路時(shí)三相電壓殘差間的關(guān)系如表2所示。

表2 單個(gè)功率管開路時(shí)三相電壓殘差間的關(guān)系Tab.2 Relationship between three phase voltage residuals with single power tube open circuit

2.2 2個(gè)功率管同時(shí)開路故障

逆變器有2個(gè)功率管同時(shí)開路故障的情況可以分為三類：?jiǎn)蜗鄻虮鄣?個(gè)功率管開路故障，如T1和T2；相鄰相橋臂異側(cè)的2個(gè)功率管開路故障，如T1和T4；相鄰相橋臂同側(cè)的2個(gè)功率管開路故障，如T1和T3。

（1）同相橋臂的兩個(gè)功率管開路故障。以a相橋臂的T1和T2為例，在正常狀態(tài)下，T1和T2交替導(dǎo)通。T1和T2同時(shí)開路故障后，在區(qū)間1～3內(nèi)，三相電壓表現(xiàn)出T1開路故障特征，而在區(qū)間4～6內(nèi)，表現(xiàn)出T2開路故障特征。

（2）相鄰相橋臂異側(cè)的2個(gè)功率管開路故障。以a、b相橋臂的T1和T4為例，T1和T4同時(shí)開路故障后，在區(qū)間3內(nèi)僅表現(xiàn)出T1開路故障特征，在區(qū)間6內(nèi)僅表現(xiàn)出T4開路故障特征，在區(qū)間1和2內(nèi)同時(shí)表現(xiàn)T1和T4開路故障，其他區(qū)間正常。

（3）相鄰相橋臂同側(cè)的2個(gè)功率管開路故障。以a、b相橋臂的T1和T3為例，T1和T3同時(shí)開路故障后，在區(qū)間1和2內(nèi)僅表現(xiàn)出T1開路故障特征，在區(qū)間4和5內(nèi)僅表現(xiàn)出T2開路故障特征，在區(qū)間3內(nèi)同時(shí)表現(xiàn)T1和T3開路故障，其他區(qū)間正常。

綜上分析，當(dāng)單個(gè)功率管開路故障時(shí)，可依據(jù)表2 中三相電壓殘差間的關(guān)系進(jìn)行故障識(shí)別。當(dāng)2個(gè)功率管開路故障時(shí)，由于在同時(shí)表現(xiàn)2個(gè)功率管開路故障的區(qū)間內(nèi)，三相電壓殘差并未有類似如式（5）的關(guān)系，因此需要在不同的區(qū)間內(nèi)，結(jié)合表2逐個(gè)識(shí)別出故障的功率管。

本文以逆變器的uab和ubc作為實(shí)測(cè)線電壓，首先，利用開關(guān)信號(hào)sa、sb、sc獲取對(duì)應(yīng)的參考線電壓，即

3 逆變器開路故障診斷方法

逆變器廣泛應(yīng)用于新能源發(fā)電、電機(jī)變頻調(diào)速等領(lǐng)域，但是在由逆變器供電的負(fù)載中，有些負(fù)載的中性點(diǎn)實(shí)際上并不存在，如常用的鼠籠型異步電機(jī)等，故不能直接測(cè)量其三相電壓。為了使診斷方法更加通用，可以通過測(cè)量線電壓來間接獲取三相電壓，所利用的關(guān)系為

然后，以Udc為基準(zhǔn)值對(duì)實(shí)測(cè)線電壓和參考線電壓進(jìn)行標(biāo)幺化，再通過截止頻率為100 Hz的低通濾波器以及式（6），消除諧波噪聲，并得到正弦化的三相電壓。最后，將三相電壓比較獲取三相電壓殘差，并利用殘差閾值kf和表2中三相電壓殘差間的關(guān)系進(jìn)行故障識(shí)別。具體的開路故障診斷原理框圖如圖3所示。

圖3 開路故障診斷原理框圖Fig.3 Block program of open-circuit fault diagnosis principle

在圖3中，殘差閾值kf是用來判斷開路故障是否發(fā)生，其取值與三相電壓殘差有關(guān)。一方面，在正常條件下，三相電壓殘差均趨近于零；另一方面，在各單管開路故障后的一個(gè)基波周期內(nèi)，三相電壓殘差中的最大絕對(duì)值可分別設(shè)為 KT1、KT2、KT3、KT4、KT5、KT6，并且它們均為未知常量，需要通過仿真實(shí)驗(yàn)獲取。為了避免出現(xiàn)漏診斷，kf的取值范圍為

此外，考慮到故障時(shí)三相電壓波形畸變以及噪聲等影響，閾值kf的選定還需要一定的安全裕量。

4 仿真結(jié)果分析

在Matlab/Simulink中，搭建閉環(huán)矢量控制下的仿真模型，逆變器所帶負(fù)載為鼠籠型異步電機(jī)，具體仿真參數(shù)如表3所示。在進(jìn)行各種類型的開路故障仿真時(shí)，開路故障均是通過移除相應(yīng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)來實(shí)現(xiàn)，而反并聯(lián)續(xù)流二極管完好。通過對(duì)各單管開路故障的仿真測(cè)試，這里設(shè)定殘差閾值kf=0.2。

表3 仿真模型參數(shù)Tab.3 Parameters of simulation model

4.1 正常狀態(tài)

逆變器在正常條件下，負(fù)載突變時(shí)的電壓電流波形如圖4所示。在t=1 s時(shí)刻，負(fù)載突然由空載增大至額定負(fù)載；在t=1.1 s時(shí)刻，負(fù)載突然由額定負(fù)載減至空載。負(fù)載突變過程中，三相電壓殘差基本保持不變，且明顯低于閾值kf，不會(huì)出現(xiàn)誤診斷。故診斷方法不受負(fù)載突變及閉環(huán)控制的影響。

圖4 負(fù)載突變時(shí)的電壓電流波形Fig.4 Waveforms of voltages and curents when load mutation

4.2 單個(gè)功率管開路故障

圖5 是T1開路故障時(shí)的電壓波形。在t=1.2 s時(shí)刻，T1發(fā)生開路故障，可以看出，實(shí)際的三相電壓波形出現(xiàn)一定的畸變，但不影響區(qū)間的判斷。故障發(fā)生時(shí)刻，三相電壓波形處于區(qū)間1內(nèi)，T1開路故障立即表現(xiàn)，a相電壓殘差正向迅速增大，b、c相電壓殘差負(fù)向增大且基本相等，即三相電壓殘差滿足表2中T1開路故障特征。當(dāng)a相電壓殘差絕對(duì)值超過kf=0.2時(shí)，T1開路故障被檢測(cè)出來，診斷出T1開路故障所需時(shí)間不超過1/6基波周期。

圖5 T1開路故障時(shí)的電壓波形Fig.5 Voltages waveforms when T1open circuit fault

4.3 單相橋臂的兩個(gè)功率管同時(shí)開路故障

圖6 是T1和T2同時(shí)開路故障的電壓波形。在t=1.2 s時(shí)刻，T1和T2同時(shí)開路故障，此時(shí)，三相電壓波形處于區(qū)間1內(nèi)，T1開路故障首先表現(xiàn)，a相電壓殘差正向迅速增大，b、c相電壓殘差負(fù)向增大且基本相等，即三相電壓殘差滿足表2中T1開路故障特征。當(dāng)a相電壓殘差絕對(duì)值超過kf=0.2時(shí)，T1開路故障先被檢測(cè)出來。三相電壓波形處于區(qū)間4內(nèi)，T2開路故障才開始表現(xiàn)，a相電壓殘差負(fù)向迅速增大，b、c相電壓殘差正向增大且基本相等，即三相電壓殘差滿足表2中T2開路故障特征。當(dāng)a相電壓殘差絕對(duì)值超過kf=0.2時(shí)，T2開路故障也被檢測(cè)出來。診斷出T1和T2開路故障所需時(shí)間約1/2個(gè)基波周期。

圖6 T1和T2同時(shí)開路故障的電壓波形Fig.6 Voltage waveforms when T1and T2 open circuit fault simultareously

4.4 相鄰相橋臂的兩個(gè)功率管同時(shí)開路故障

圖7 是T1和T4同時(shí)開路故障的電壓波形。在t=1.2 s時(shí)刻，T1和T4同時(shí)開路故障，此時(shí)，三相電壓波形處于區(qū)間1內(nèi)，T1和T4的開路故障同時(shí)表現(xiàn)，雖然a、b相電壓殘差絕對(duì)值均迅速超過kf=0.2，但是三相電壓殘差并未有類似如式（5）的關(guān)系，故不能檢測(cè)出故障的功率管。三相電壓波形處于區(qū)間3內(nèi)，僅T1開路故障表現(xiàn)，此時(shí)a相電壓殘差為正，b、c相電壓殘差均為負(fù)且基本相等，即三相電壓殘差滿足表2中T1開路故障特征，當(dāng)a相電壓殘差絕對(duì)值超過kf=0.2時(shí)，T1開路故障先被檢測(cè)出來。三相電壓波形處于區(qū)間6內(nèi)，僅T4開路故障表現(xiàn)，此時(shí)b相電壓殘差負(fù)向迅速增大，a、c相電壓殘差正向增大且基本相等，即三相電壓殘差滿足表2中T4開路故障特征，當(dāng)b相電壓殘差絕對(duì)值超過kf=0.2時(shí)，T4開路故障也被檢測(cè)出來。診斷出T1和T4開路故障所需時(shí)間約5/6個(gè)基波周期。

圖7 T1和T4同時(shí)開路故障的電壓波形Fig.7 Voltage waveforms when T1and T4 open circuit fault simultaneously

同樣，其他單管或雙管開路故障也進(jìn)行仿真分析，并與理論分析一致，且診斷時(shí)間均不超過1個(gè)基波周期。

5 結(jié)論

針對(duì)逆變器主電路IGBT的開路故障，本文通過分析比較正常和故障狀態(tài)下的三相電壓，提出了基于三相電壓殘差的快速簡(jiǎn)易故障診斷方法，仿真結(jié)果表明，該方法是切實(shí)可行的，并具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）以線電壓為檢測(cè)變量，適用不同的負(fù)載類型，且不因負(fù)載的突變而影響診斷的可靠性；

（2）不僅可以診斷單管和單相橋臂的開路故障，也可以診斷相鄰相橋臂的雙管開路故障；

（3）診斷速度快，診斷所需時(shí)間均不超過1個(gè)基波周期；

（4）診斷原理簡(jiǎn)單，具有較小的計(jì)算負(fù)擔(dān)，易于進(jìn)行實(shí)時(shí)在線故障診斷。

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