王亞飛，田子思，葛興來(lái)

（西南交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院，成都市610031）

基于三相電流殘差的功率管多管開(kāi)路故障診斷

王亞飛，田子思，葛興來(lái)

（西南交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院，成都市610031）

牽引逆變器是電力牽引交流傳動(dòng)系統(tǒng)的重要組成部分，它的可靠性直接影響著機(jī)車(chē)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，其主電路功率管（IGBT）是最易發(fā)生故障的部分。針對(duì)IGBT的多管開(kāi)路故障，提出了一種基于三相電流殘差的多管開(kāi)路故障快速在線診斷方法；通過(guò)分析牽引逆變器在正常條件和各開(kāi)路故障類(lèi)型下的三相電流，得出了發(fā)生多管開(kāi)路故障情況下的三相電流殘差特征；利用控制系統(tǒng)中的電流給定信號(hào)重構(gòu)參考三相電流與實(shí)測(cè)電流進(jìn)行運(yùn)算，并根據(jù)三相電流殘差特征進(jìn)行故障定位。最后給出了半實(shí)物實(shí)驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證了該診斷方法能夠快速實(shí)現(xiàn)IGBT單管及雙管開(kāi)路故障診斷，且不受閉環(huán)控制和負(fù)載擾動(dòng)影響。

功率管開(kāi)路故障；電流殘差；多管故障

引言

隨著我國(guó)鐵路的迅速發(fā)展，電力牽引交流傳動(dòng)系統(tǒng)得到廣泛應(yīng)用。電力傳動(dòng)系統(tǒng)的核心是電力電子變流器，這是一個(gè)復(fù)雜的電子系統(tǒng),容易發(fā)生故障，進(jìn)而影響系統(tǒng)性能。研究表明，功率管是電力電子裝置系統(tǒng)的最脆弱的結(jié)構(gòu)［1］。由此，要保證電力牽引交流傳動(dòng)系統(tǒng)的正常運(yùn)行，關(guān)鍵是要保證功率管的正常工作。通常功率管（常用IGBT）故障可以分為開(kāi)路故障和短路故障兩大類(lèi)。短路故障包括開(kāi)關(guān)管短路故障、反并聯(lián)二極管短路故障以及由反并聯(lián)二極管開(kāi)路引發(fā)的功率管擊穿短路故障（電感電流失去續(xù)流回路，產(chǎn)生瞬間高壓擊穿開(kāi)關(guān)管）［2］，因其通常會(huì)導(dǎo)致瞬時(shí)過(guò)電流現(xiàn)象，從而可被IGBT驅(qū)動(dòng)電路上已有保護(hù)方案，如串聯(lián)熔斷器等，及時(shí)動(dòng)作，將故障切除。而開(kāi)路故障，由于其造成的效果是IGBT不再導(dǎo)通，因此故障特征不明顯，不易及時(shí)被發(fā)現(xiàn)，很可能在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后形成二次故障。

目前對(duì)IGBT開(kāi)路故障的研究已有很多，根據(jù)選取的診斷變量可以分為如下兩大類(lèi)：（1）基于電流的診斷方法。文獻(xiàn)［3］提出了對(duì)故障后的定子電流進(jìn)行傅里葉變換，并根據(jù)定子電流歸一化后的基波分量大小定位故障，但該方法只能適用于單個(gè)功率管開(kāi)路的情況；文獻(xiàn)［4］在正常和故障狀態(tài)通過(guò)分析逆變器三相電流正負(fù)周期下對(duì)應(yīng)的功率，進(jìn)而達(dá)到故障診斷，但空載情況易出現(xiàn)誤診斷；其他方法如：電流矢量瞬時(shí)頻率方法［5］、負(fù)載電流分析法［6］、直流側(cè)電流頻譜分析法［7］、Hilbert變換法［8］、人工智能診斷系統(tǒng)［9-12］等。（2）基于電壓的診斷方法。文獻(xiàn)［13］提出了一種基于逆變器開(kāi)關(guān)函數(shù)模型的開(kāi)路故障診斷方法，該方法通過(guò)對(duì)比逆變器在正常和功率管開(kāi)路故障時(shí)，輸出三相電壓、端電壓以及線電壓的變化，利用這些電壓出現(xiàn)的偏差進(jìn)行故障診斷，但只應(yīng)用了開(kāi)環(huán)控制下的單管故障；文獻(xiàn)［14-16］提出了基于開(kāi)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(kāi)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(kāi)路診斷?，F(xiàn)有的文獻(xiàn)中，很少有診斷方法關(guān)注實(shí)現(xiàn)多個(gè)IGBT開(kāi)路故障定位，但是對(duì)于三相逆變器系統(tǒng)，由于IGBT數(shù)量比較多，對(duì)于雙管故障的診斷也不可忽視。

傳統(tǒng)的三相電流平均值法可以通過(guò)調(diào)整閾值實(shí)現(xiàn)對(duì)雙管開(kāi)路故障的診斷，但是診斷的靈敏程度要依賴(lài)于所設(shè)置的閾值,在閾值設(shè)置較小時(shí),診斷會(huì)受變流器工作狀況影響,在突加負(fù)載和突減負(fù)載時(shí)造成誤診斷。而增大閾值則會(huì)導(dǎo)致診斷系統(tǒng)反應(yīng)不靈敏，對(duì)于輕載或空載狀況下的故障可能不動(dòng)作，所以基于電流的故障故障診斷方法通常診斷時(shí)間至少需要一個(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，但是需要在電路上額外增加傳感器［17］。

本文通過(guò)分析對(duì)比逆變器在正常與開(kāi)路故障狀態(tài)下的三相電流，提取出單管開(kāi)路故障時(shí)的三相電流殘差特征量和多管故障時(shí)的三相電流絕對(duì)值均值特征量，在此基礎(chǔ)上提出一種基于三相電流殘差的逆變器IGBT開(kāi)路故障診斷方法。通過(guò)半實(shí)物實(shí)驗(yàn)，證明了該方法能夠快速實(shí)時(shí)在線故障診斷，兼顧了對(duì)各種單管和雙管IGBT開(kāi)路故障進(jìn)行準(zhǔn)確定位，同時(shí)又不受閉環(huán)控制和負(fù)載擾動(dòng)影響。

1 逆變器單管開(kāi)路故障特征分析

牽引逆變器常見(jiàn)主電路如圖1所示，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包含6個(gè)IGBT開(kāi)關(guān)管T1～T6和6個(gè)并聯(lián)二極管D1～D6，直流側(cè)母線電容電壓Udc。

圖1 牽引逆變器電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 Topology of traction inverter circuit

以功率管T1為例，當(dāng)T1發(fā)生開(kāi)路故障時(shí)，主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 T1開(kāi)路故障時(shí)主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.2 Topology of traction inverter circuit when T1is open-circuit

逆變器正常和T1開(kāi)路故障時(shí)a相電流的流通路徑如圖3所示。定義三相電流流入異步電機(jī)繞組方向?yàn)檎粗疄樨?fù)，當(dāng)電流由a點(diǎn)流向n點(diǎn)時(shí)，ia＞0；當(dāng)電流由n點(diǎn)流向a點(diǎn)時(shí)，ia≤0。圖中s1為開(kāi)關(guān)管T1的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，s1=1表示T1開(kāi)通，s1=0表示 T1關(guān)斷，s2～s6以此類(lèi)推。T1發(fā)生開(kāi)路故障后，它的驅(qū)動(dòng)信號(hào)s1就始終為0，不能為1；而T2功率管以及b相和c相橋臂功率管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)均不受影響。

由圖3可見(jiàn)，當(dāng)ia＜0時(shí)，a相電流的流通路徑包含T2或D1，其中T2為主要的流通路徑，D1為續(xù)流路徑。由于T2可正常開(kāi)通，D1也可正常續(xù)流，故此時(shí)a相電流負(fù)半周期不受影響；當(dāng)ia＞0時(shí)，a相電流的流通路徑包含T1或D2，其中T1為主要的流通路徑，D2為電流換向時(shí)的續(xù)流路徑，但是由于T1開(kāi)路故障，不能導(dǎo)通，盡管D2可正常續(xù)流，a相電流依然受到影響，不能正向增大，即此時(shí)a相電流正半周期基本為0，沒(méi)有跟隨控制系統(tǒng)的給定。

圖3 正常和T1故障狀態(tài)時(shí)a相電流的流通路徑Fig.3 Path of phase-a current under normal condition and fault condition

圖4是T1開(kāi)路故障時(shí)牽引逆變器系統(tǒng)的三相電流波形，當(dāng)t=3.48 s左右時(shí)，T1發(fā)生開(kāi)路故障，a相電流沒(méi)有正向流通路徑，導(dǎo)致其正半周期基本為0，且這段時(shí)間內(nèi)的b相和c相電流發(fā)生畸變，諧波增大。而a相電流的負(fù)向流通路徑不受T1開(kāi)路故障影響，故此時(shí)的三相電流正常?？梢?jiàn)發(fā)生IGBT單管故障后，在半個(gè)基波周期內(nèi)三相電流將出現(xiàn)不平衡，與理論分析結(jié)論相同。

圖4 T1開(kāi)路故障時(shí)三相電流波形Fig.4 Waveforms of three-phase current when T1is open-circuit

對(duì)于這一現(xiàn)象，可以利用控制系統(tǒng)中dq軸指令電流生成三相參考電流，與測(cè)量的三相電流進(jìn)行對(duì)比，得到三相電流殘差en，來(lái)指示故障的發(fā)生。

對(duì)于控制系統(tǒng)，有dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系到abc三相坐標(biāo)系的變換為

定義相電流殘差en為

則此時(shí)a相電流殘差ea取值取決于s1、s2和ia的方向，情況如表1所示。

表1 a相電壓殘差與開(kāi)關(guān)狀態(tài)的關(guān)系Tab.1 Relationship between the voltage residual and the switch state in phase A

2 多管開(kāi)路故障特征分析

2.1 同相的兩個(gè)功率管同時(shí)故障

當(dāng)T1、T2同時(shí)發(fā)生開(kāi)路故障時(shí)，主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖5所示。此時(shí)a相電流既沒(méi)有正向流通路徑，也沒(méi)有負(fù)向流通路徑，而僅存在續(xù)流通路，故a相電流基本為0，即a相繞組斷開(kāi)，僅b、c相繞組為電機(jī)供電。逆變器的常見(jiàn)8種工作模式均運(yùn)行在故障狀態(tài)，不能合成參考電壓矢量，此時(shí)電機(jī)的空間旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)將受到更嚴(yán)重的影響，進(jìn)而嚴(yán)重影響電磁轉(zhuǎn)矩。

圖5 T1、T2開(kāi)路故障時(shí)主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.5 Topology of traction inverter circuit when T1& T2are open-circuit

圖6 是T1、T2同時(shí)開(kāi)路故障時(shí)，牽引逆變器系統(tǒng)的三相電流波形。當(dāng)t=3.48 s左右時(shí)，T1、T2同時(shí)發(fā)生開(kāi)路故障，a相電流在故障后一直為0，b相和c相電流發(fā)生明顯畸變。此時(shí)，式（2）中定義的電流殘差en等于相電流給定值，無(wú)法表征故障情況，需要新的診斷量。

圖6 T1、T2同時(shí)開(kāi)路故障時(shí)三相電流波形Fig.6 Waveforms of three-phase current when T1&T2are open-circuit

令N為一個(gè)周期內(nèi)采樣點(diǎn)數(shù)，ωs為角頻率，定義動(dòng)窗均值法為

對(duì)于同相2個(gè)IGBT同時(shí)故障的逆變器來(lái)說(shuō)，因故障相電流一直為0，故其相電流絕對(duì)值的均值也為0，即

而對(duì)于正常工作的逆變器來(lái)說(shuō)，相電流基本是標(biāo)準(zhǔn)正弦信號(hào)，記I為相電流幅值，相電流可以表示為Isin（ωst），所以相電流絕對(duì)值的均值可由分段積分得到，即

故當(dāng)檢測(cè)到某相的＜|in|＞=0時(shí)，意味著該相橋臂的上下管均發(fā)生了開(kāi)路故障。

2.2 不同相的兩個(gè)功率管同時(shí)故障

當(dāng)T1、T4同時(shí)發(fā)生開(kāi)路故障時(shí)，主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖7所示。此時(shí)a相電流只有負(fù)向流通路徑，b相電流只有正向流通路徑，故a相電流在正半周期將變?yōu)?，b相電流則在負(fù)半周期變?yōu)?。

圖7 T1、T4同時(shí)開(kāi)路故障時(shí)主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.7 Topology of traction inverter circuit when T1& T4are open-circuit

圖8 是T1、T4同時(shí)開(kāi)路故障時(shí)，牽引逆變器系統(tǒng)的三相電流波形。當(dāng)t=3.48 s左右時(shí)，T1、T4同時(shí)發(fā)生開(kāi)路故障，a相電流的正半周期基本為0，b相電流的負(fù)半周期基本為0，三相電流出現(xiàn)較大畸變，在3/4個(gè)基波周期內(nèi)三相電流不平衡，與理論分析相同。此時(shí)的故障可以認(rèn)為是T1故障與T4故障的疊加，使用前面定義的電流殘差ea與eb可以分別判斷出T1與T4故障。

圖8 T1、T4同時(shí)開(kāi)路故障時(shí)三相電流波形Fig.8 Waveform of three-phase current when T1&T4are open-circuit

2.3 多個(gè)功率管同時(shí)故障

多個(gè)功率管同時(shí)開(kāi)路故障指3個(gè)或3個(gè)以上功率管開(kāi)路故障，發(fā)生的概率遠(yuǎn)小于雙管故障。其中，由于6個(gè)開(kāi)關(guān)管中的4個(gè)及以上同時(shí)發(fā)生開(kāi)路故障的情況很難發(fā)生，因此僅對(duì)3個(gè)功率開(kāi)關(guān)管同時(shí)開(kāi)路故障的情況進(jìn)行分析。3個(gè)功率開(kāi)關(guān)管同時(shí)故障時(shí)有下列3種情況。

2.3.1 3個(gè)故障開(kāi)關(guān)管分別位于三相橋臂相同位置

此類(lèi)故障例如T1、T3、T5同時(shí)故障。在這種情況下，直流母線電流無(wú)法流入牽引逆變器，牽引電機(jī)三相定子電流均為0。因此T1、T3、T5三管同時(shí)故障時(shí)，無(wú)法基于電流信號(hào)進(jìn)行故障診斷。

2.3.2 3個(gè)故障開(kāi)關(guān)管分別位于三相橋臂不同位置

此類(lèi)故障例如T1、T3、T6同時(shí)故障。在這種情況下，直流母線電流只能從c相經(jīng)T5流入牽引電機(jī)，從a相的T2、b相的T4流出，與T6管無(wú)關(guān)，此時(shí)與T1、T3管同時(shí)故障時(shí)的電流通路完全相同。因此a、b相電流只能為非正，c相電流只能為非負(fù)。由此可見(jiàn)其故障特征和故障影響與T1、T3管同時(shí)故障時(shí)相同，將這種故障模式記作T1T3+T6，意味T6的故障沒(méi)有產(chǎn)生額外的效果。此時(shí)的故障可以認(rèn)為是T1故障與T3故障的疊加，如第2.2節(jié)的分析。

類(lèi)似地，此類(lèi)故障模式還有：T1T5+T4、T3T5+T2、T2T4+T5、T2T6+T3和T4T6+T1管同時(shí)開(kāi)路故障。

2.3.3 3個(gè)故障開(kāi)關(guān)管中2個(gè)位于同一橋臂

此類(lèi)故障例如T1、T2、T3同時(shí)故障。在這種情況下，a相相當(dāng)于直接切除，逆變器變?yōu)閱蜗噙\(yùn)行。直流母線電流只能從c相的T5流入牽引電機(jī)，b相的T4流出，此時(shí)a相電流為0，b相電流為非正，c相電流為非負(fù)。電流通路與T6管無(wú)關(guān)，因此無(wú)論T6管是否發(fā)生開(kāi)路故障,故障特征均不發(fā)生改變。相應(yīng)地，當(dāng)T1、T2、T6同時(shí)故障，電流通路也與T3管無(wú)關(guān)，無(wú)論T3管是否發(fā)生開(kāi)路故障,故障特征均不發(fā)生改變。即T3、T6對(duì)管造成的故障效果相同，將這種故障模式記做T1T2（T3|T6），意味著T1T2T3故障和T1T2T6故障是同類(lèi)故障，用電流信號(hào)無(wú)法進(jìn)行更進(jìn)一步的故障定位。

類(lèi)似地，此類(lèi)故障模式還有：T1T2（T5+T4）、T3T4（T1+T6）、T3T4（T2+T5）、T5T6（T1+T4）和T5T6（T2+T3）管同時(shí)開(kāi)路故障。

分析可知，三管同時(shí)故障的情況較為復(fù)雜，且由于電流信號(hào)的限制導(dǎo)致部分故障無(wú)法進(jìn)行診斷。

3 基于電流殘差的故障診斷算法設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)故障情況下的電流特征進(jìn)行分析，可知當(dāng)IGBT發(fā)生開(kāi)路故障后，主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)改變，對(duì)應(yīng)相電流的流通路徑發(fā)生變化，導(dǎo)致相電流出現(xiàn)半周期截止現(xiàn)象，故用此故障特征進(jìn)行故障管定位。

前述定義了2個(gè)診斷量，電流殘差en與相電流絕對(duì)值的均值＜|in|＞，均為未標(biāo)幺化的電流量，容易受到負(fù)載變化的影響產(chǎn)生波動(dòng)，不利于診斷，因此引入標(biāo)幺量，以減輕診斷變量受電機(jī)轉(zhuǎn)速及負(fù)載的影響。定義診斷變量Dn和An分別為

具體的電流殘差開(kāi)路故障診斷算法流程如圖9所示。

圖9 電流殘差開(kāi)路故障診斷算法流程Fig.9 Flow chart of the open-circuit fault diagnosis method with the current residual

首先利用控制系統(tǒng)中dq軸指令電流生成三相參考電流，與測(cè)量的三相電流進(jìn)行對(duì)比，得到三相電流殘差en，并對(duì)其求動(dòng)窗均值得到三相電流殘差均值＜en＞；其次，對(duì)三相電流的絕對(duì)值|in|求動(dòng)態(tài)均值，得到三相電流均值＜|in|＞；最后利用計(jì)算得到6個(gè)診斷變量Dn和An進(jìn)行故障定位。

3.1 正常工作狀態(tài)

當(dāng)沒(méi)有IGBT發(fā)生故障時(shí)，忽略高頻噪聲影響，參考電流與測(cè)量三相電流基本一致，即

那么三相電流殘差接近于0，診斷變量Dn為

診斷變量An為

3.2 單個(gè)功率管開(kāi)路故障

以T1開(kāi)路故障為例進(jìn)行分析。當(dāng)T1發(fā)生開(kāi)路故障時(shí)，a相電流的正半周期為0，理想情況下負(fù)半周期基本不受影響。此時(shí)，a相電流為

a相參考電流不受影響，其值為那么在正半周期內(nèi)a相電流殘差不再為0，則診斷變量Da為

則診斷變量An（n=a,b,c）為

3.3 同相橋臂2個(gè)功率管開(kāi)路故障

以a相橋臂的T1和T2為例，當(dāng)T1和T2同時(shí)發(fā)生開(kāi)路故障時(shí)，a相電流基本為0，此時(shí)的a相電流為

而a相參考電流也不受影響，那么在一個(gè)基波周期內(nèi)a相電流殘差不再為0，診斷變量Da為

則診斷變量An為

3.4 不同相橋臂異側(cè)的兩個(gè)功率管開(kāi)路故障

以a、b相橋臂的T1和T4同時(shí)開(kāi)路為例，a相電流的正半周為0，而b相電流的負(fù)半周為0，此時(shí)a相電流為

b相電流為

診斷變量Dn為

診斷變量An為

3.5 不同相橋臂同側(cè)的2個(gè)功率管開(kāi)路故障

以a、b相橋臂的T1和T3同時(shí)開(kāi)路故障，則a、b相電流的正半周期均為0，雖然c相橋臂的2個(gè)功率管正常，但是c相電流的負(fù)半周期將受a、b相的影響變?yōu)?。此時(shí)a相電流為

b相電流為

c相電流為

診斷變量Dn為

診斷變量An為

3.6 診斷規(guī)則

為了使診斷方法更加直觀規(guī)則化，可定義變量FDn和FAn，其中變量FAn主要是用來(lái)診斷同相橋臂的2個(gè)功率管開(kāi)路故障，具體表述為

式中：kd和ka為診斷閾值，其選定與Dn和An有關(guān)。在正常條件下，Dn趨近于0，An趨近于1；在非同相橋臂2個(gè)功率管的開(kāi)路故障下，對(duì)應(yīng)相的Dn趨近于1或-1；在同相橋臂2個(gè)功率管開(kāi)路故障下，對(duì)應(yīng)相的An趨近于0。則2個(gè)診斷閾值的取值范圍為

考慮到開(kāi)路故障后閉環(huán)控制的調(diào)節(jié)影響，診斷閾值還需要一定的裕量，具體取值需要根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)具體實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行設(shè)計(jì)。詳細(xì)的診斷規(guī)則如表2所示，利用其就可以對(duì)IGBT故障進(jìn)行診斷定位。

4 半實(shí)物實(shí)驗(yàn)

本文搭建了以TMS320F28335控制器和RTLAB實(shí)時(shí)仿真器為核心的半實(shí)物實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，具體實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表3所示。

通過(guò)對(duì)各類(lèi)單個(gè)功率管或2個(gè)功率管開(kāi)路故障進(jìn)行測(cè)試，這里設(shè)定殘差閾值kd=0.8和ka=0.2，其值大小可根據(jù)實(shí)際診斷需要自行設(shè)定。

表2 診斷規(guī)則Tab.2 Diagnosis rules

表3 模型參數(shù)Tab.3 Parameters of the model

4.1 正常狀態(tài)

圖10為牽引逆變器在正常條件下，負(fù)載突變時(shí)的a相電流以及診斷變量的波形。在負(fù)載突變過(guò)程中，診斷變量Dabc基本保持0不變，而診斷變量Aabc基本保持為1不變，基本不受負(fù)載突變影響，均未超過(guò)閾值，故診斷方法受負(fù)載突變的影響很小，不會(huì)出現(xiàn)誤診斷現(xiàn)象。

圖10 負(fù)載突變過(guò)程時(shí)a相電流以及診斷變量波形Fig.10 Phase-a current and voltage residual on motor start-up and abrupt load variation

4.2 單個(gè)功率管開(kāi)路故障

圖11為T(mén)1開(kāi)路故障時(shí)，牽引逆變器的a相電流以及診斷變量的波形。在T1發(fā)生開(kāi)路故障后，一方面診斷變量Da開(kāi)始正向迅速增大，超過(guò)閾值kd，Db和Dc負(fù)向緩慢增大，但未超過(guò)閾值。另一方面雖然診斷變量Aa、Ab和Ac也有波動(dòng)，但均未超過(guò)閾值ka。即滿足診斷規(guī)則表中T1開(kāi)路故障特征。當(dāng)診斷變量Da超過(guò)kd=0.8時(shí)，T1開(kāi)路故障被檢測(cè)出來(lái)，診斷出T1開(kāi)路故障所需時(shí)間不超過(guò)1/2基波周期。

圖11 T1開(kāi)路故障時(shí)a相電流以及診斷變量波形Fig.11 Phase-a current and diagnostic quantities when T1 is open-circuit

4.3 同相橋臂的2個(gè)功率管同時(shí)開(kāi)路故障

圖12為T(mén)1和T2同時(shí)開(kāi)路故障時(shí)牽引逆變器的a相電流以及診斷變量的波形。當(dāng)T1和T2同時(shí)開(kāi)路故障時(shí)，由于此時(shí)a相電流處于正半周期，主要表現(xiàn)為T(mén)1開(kāi)路故障。一方面診斷變量Da開(kāi)始正向迅速增大，超過(guò)閾值kd。另一方面診斷變量Aa開(kāi)始負(fù)向增大，Ab和Ac正向增大，但均未超過(guò)閾值ka。當(dāng)診斷變量Da超過(guò)kd=0.8時(shí)，T1開(kāi)路故障被檢測(cè)出來(lái)。此后診斷變量Aa繼續(xù)負(fù)向增大，當(dāng)Aa超過(guò)ka=0.2時(shí)，診斷出T2開(kāi)路故障，診斷所需時(shí)間總共約3/4基波周期。

圖12 T1和T2同時(shí)開(kāi)路故障時(shí)a相電流以及診斷變量的波形Fig.12 Phase-a current and diagnostic quantities when T1&T2are open-circuit

4.4 不同相橋臂的2個(gè)功率管同時(shí)開(kāi)路故障

圖13是T1和T4同時(shí)開(kāi)路故障時(shí)牽引逆變器的a相電流以及診斷變量的波形。由圖可見(jiàn)，當(dāng)T1和T4同時(shí)開(kāi)路故障時(shí)，先是主要表現(xiàn)為T(mén)1開(kāi)路故障，一方面診斷變量Da開(kāi)始正向迅速增大，超過(guò)閾值kd；另一方面診斷變量Aa、Ab和Ac也開(kāi)始增大，但均未超過(guò)閾值ka。當(dāng)診斷變量Da超過(guò)kd=0.8時(shí)，T1開(kāi)路故障被檢測(cè)出來(lái)。此后診斷變量Db繼續(xù)負(fù)向增大，當(dāng)Db超過(guò)-0.8時(shí)，診斷出T4開(kāi)路故障，診斷所需時(shí)間總共大約1個(gè)基波周期。

同樣地，其他單個(gè)功率管或兩個(gè)功率管開(kāi)路故障的實(shí)驗(yàn)結(jié)果診斷所需時(shí)間也均不超過(guò)1個(gè)基波周期。

圖13 T1和T4同時(shí)開(kāi)路故障時(shí)a相電流以及診斷變量的波形Fig.13 Phase-a current and diagnostic quantities when T1&T4are open-circuit

5 結(jié)論

本文綜合考慮了牽引逆變器主電路IGBT模塊的多種開(kāi)路故障情況，通過(guò)分析對(duì)比逆變器在正常與開(kāi)路故障狀態(tài)下的三相電流特征，提出一種基于三相電流殘差的診斷方法，半實(shí)物實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該診斷方法是可準(zhǔn)確快速定位故障，并有以下特點(diǎn)：

（1）診斷動(dòng)作時(shí)間不超過(guò)一個(gè)基波周期，無(wú)需增加額外的傳感器等硬件；

（2）受負(fù)載突變影響較小，在閉環(huán)控制下，具有很高的可靠性，不會(huì)出現(xiàn)誤診斷和漏診斷現(xiàn)象；

（3）需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行一定的處理，運(yùn)算量略大，但是并不影響實(shí)時(shí)診斷。

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Multiple Open-circuit Faults Diagnosis in Inverter Based on Three-phase Current Residual

WANG Yafei,TIAN Zisi,GE Xinglai
（School of Electrical Engineering,Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031,China）

The inverter plays an important role of traction systems,which directly affects the safety and reliability stable operation on drive system.The IGBT is the most vulnerable part of the inverter.Thus,to detect the open-circuit fault of the IGBT in inverters,an efficient and general diagnostic method with line current residual is proposed.The characteristics of the three-phase current residual of multiple IGBTs open circuit is analyzed by comparing the inverter operation modes of normal and faulty conditions.With the comparison of prescribed current and actual current,threephase current residuals are figured out.And the current residuals is used for fault diagnosis.Experimental results validate the efficiency and accuracy of this method.It is fast to diagnose the single and dual open-circuit faults,which is not affected by the closed loop control and load disturbance.

IGBT open-circuit;current residual;multiple fault

王亞飛

王亞飛（1988-），男，碩士，研究方向：功率變流器故障診斷與容錯(cuò)控制，Email：wangyafei_swjtu@163.com。

田子思（1992-），男，碩士研究生，研究方向：功率變流器故障診斷與容錯(cuò)控制,Email：tianabbot@163.com。

葛興來(lái)（1979-），男，通信作者，副教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向：電力電子與電力傳動(dòng)，故障診斷與容錯(cuò)控制等，Email：xlgee@163.com。

10.13234/j.issn.2095-2805.2016.6.143

TM464

A

2016-08-15