CN101793928A - 移相全桥变换器实时故障诊断方法及系统 - Google Patents

移相全桥变换器实时故障诊断方法及系统 Download PDF

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本发明公开了一种移相全桥变换器实时故障诊断方法及系统，在移相全桥变换器两个下桥臂上放置电流传感器，移相全桥变换器一个完整开关周期的正半周中，超前下桥臂的传感器获取功率管反并联二极管续流电流信号；开关周期的负半周中，滞后下桥臂的传感器获取功率管反并联二极管续流电流信号；通过功率管驱动信号结合上述正半周或负半周采样获得的续流电流信号，依据功率管反并联二极管续流电流信号和功率管驱动信号的逻辑关系，来确定移相全桥变换器的故障情况。本发明可以快速、准确定位故障并确定故障类别，建立故障数据库，且实现故障预测。

Description

移相全桥变换器实时故障诊断方法及系统
技术领域
本发明涉及系统故障诊断领域，具体涉及一种针对移相全桥变换器实时故障诊断方法及系统。
背景技术
在电力电子装置中主功率变换器功率器件是最容易发生故障的薄弱环节，近年来功率器件运行的可靠性虽然有所提高，但未能满足功率变换器的要求。统计资料表明，短路和断路是功率器件最常见的故障，移相全桥变换器(如图1)功率管的故障可分为单管短路、双管短路、单管断路和双管断路四种类型，而功率管的过电压、过电流和过温是是造成故障的最主要原因。目前，针对功率变换器故障诊断所采用的技术可以分为基于数学模型和不依赖数学模型两大类。基于数学模型的故障诊断方法可分为状态估计法和参数辨识法，基于数学模型的电力电子故障诊断方法物理意义十分明了，公式推导简单，但由于电力电子变换器是非线型系统，实际工作中变换器模型总是不够精确的，而且很多变换器拓扑甚至连数学模型都很难建立，所以该方法很少在工程上应用。不依赖数学模型的故障诊断方法主要包括直接测量法、信号处理法、模式识别、专家系统、神经网络和遗传算法等等。直接测量法可分为检测功率器件变量和检测电路其它相关变量两类，该方法简单直观，实时性强，但无法对电路故障精确定位。信号处理法、模式识别、专家系统、神经网络等方法由于涉及到复杂的算法，程序处理时间长，很难满足运行频率越来越高的电力电子变换器的要求，例如必须在10μs内检测出变换器功率管发生短路故障并排除故障，否则桥式拓扑的电力电子变换器将出现桥臂直通这种恶劣的故障状态。
总的来说，不依赖数学模型的电力电子变换器故障诊断方法有以下不足：(1)直接测量法不能对故障进行精确定位；(2)信号处理法、模式识别等涉及人工智能的故障诊断法的算法复杂很难在工程上应用；(3)无法实现故障预测。
发明内容
本发明的目的在于提出一种移相全桥变换器实时故障诊断方法，能快速准确定位故障并确定故障类别。
本发明的另一个目的在于通过实现上述方法的系统。
本发明的第一个目的可通过以下的技术措施来实现：一种移相全桥变换器实时故障诊断方法，其特征在于在移相全桥变换器两个下桥臂上放置电流传感器，移相全桥变换器一个完整开关周期的正半周中，超前下桥臂的传感器获取功率管反并联二极管续流电流信号；开关周期的负半周中，滞后下桥臂的传感器获取功率管反并联二极管续流电流信号；通过功率管驱动信号结合上述正半周或负半周采样获得的续流电流信号，依据功率管反并联二极管续流电流信号和功率管驱动信号的逻辑关系，来确定移相全桥变换器的故障情况。
作为进一步改进，为了保证判断的准确性，在确定移相全桥变换器的故障情况时，还可结合相电流信号的逻辑关系；所述相电流信号通过以下采样获取：在开关周期的正半周中，滞后下桥臂的电流传感器获取工作状态的相电流信号；开关周期的负半周中，超前下桥臂的电流传感器获取工作状态的相电流信号。
作为进一步改进，在故障情况下，还采样获取移相全桥变换器的母线电压信号、变压器一次侧电流信号、功率管散热器温度值，存储建立变换器故障状态数据库；将采样的实时运行数据与故障数据库中的数据比较，判断当前运行数据与故障数据库数据是否匹配，实现故障情况预诊断。
本发明的另一个目的通过以下技术措施实现：一种移相全桥变换器实时故障诊断系统，其特征在于包括：信号采集模块、数据管理模块、故障特征信号逻辑分析模块、故障诊断解析模块；信号采集模块从移相全桥变换器获取工作状态的相电流信号、功率管反并联二极管续流电流信号和功率管驱动信号输入至数据管理模块，数据管理模块将上述采样信号传输至故障特征信号逻辑分析模块分析工作状态的相电流信号、续流电流信号和功率管驱动信号的逻辑关系，故障诊断解析模块根据分析模块得出的逻辑关系，确定移相全桥变换器故障情况。
本发明所述信号采集模块获取的采样信号还包括移相全桥变换器母线电压、变压器一次侧电流、散热器温度。
本发明系统还包括故障状态数据存储模块，用于存储故障情况下采集模块获取的移相全桥变换器母线电压、变压器一次侧电流、散热器温度；数据比较模块，用于将采集模块实时采样到的数据，与故障状态数据库中的数据进行比较，实现故障预诊断。
本发明系统还包括故障预处理模块，用于对预诊断故障作自动处理。
本发明利用功率管反并联二极管续流电流信号和功率管驱动信号在各种故障状态下特有的逻辑关系，可以快速、准确定位故障并确定故障类别；并通过测得故障情况下的移相全桥变换器母线电压、变压器一次侧电流、散热器温度，建立故障数据库，实现故障预测。可以使得整个系统在有限次实验后，可以得到移相全桥变换器无故障运行的临界点，也就是由功率管所承受的电压、电流和温度三个参数所确定的安全工作区。
附图说明
图1是现有技术中软开关移相全桥变换器的电路拓扑图；
图2是本发明的系统结构图；
图3是本发明的系统工作流程图；
图4是本发明中电流和电压传感器放置位置示意电路图；
图5是本发明中温度传感器放置位置示意结构图
图6是本发明中移相全桥变换器单管断路故障示意电路图；
图7是本发明中移相全桥变换器单管短路故障示意电路图；
图8是本发明中移相全桥变换器双管断路故障示意电路图；
图9是本发明中移相全桥变换器双管短路故障示意电路图；
图10是本发明中移相全桥变换器工作状态下的电流回路示意电路图；
图11是本发明中移相全桥变换器续流状态下的电流回路示意电路图；
图12是本发明中移相全桥变换器正常情况下VT1管驱动信号与各电流对应关系图；
图13是本发明中移相全桥变换器的VT1管断路故障状态下驱动信号与各电流对应关系图；
图14是本发明中移相全桥变换器的VT4管断路故障状态下驱动信号与各电流对应关系图；
图15是本发明中移相全桥变换器的VT1和VT4双管断路故障状态下驱动信号与各电流对应关系图；
图16是本发明中移相全桥变换器的VT1管短路故障状态下驱动信号与各电流对应关系图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图，对本发明的具体实施方式作进一步说明。
本发明提出的一种移相全桥变换器实时故障诊断方法，在移相全桥变换器两个下桥臂上放置电流传感器，移相全桥变换器一个完整开关周期的正半周中，超前下桥臂的传感器获取功率管反并联二极管续流电流信号；开关周期的负半周中，滞后下桥臂的传感器获取功率管反并联二极管续流电流信号；通过功率管驱动信号结合上述正半周或负半周采样获得的续流电流信号，依据功率管反并联二极管续流电流信号和功率管驱动信号的逻辑关系，来确定移相全桥变换器的故障情况。
变换器功率管发生断路故障，表现为功率管导通逻辑下处于工作状态的变压器一次侧电流发生故障进入续流状态，不同位置的功率管发生断路故障时对应着不同的续流回路，由于正常工作状态下功率管驱动信号与相应的续流电流信号的严格互补的，即正常工作状态下功率管驱动信号为高电平，相应的续流电流信号为低电平，而功率管发生断路故障时，功率管驱动信号和对应的续流电流信号均为高电平，所以根据功率管驱动信号结合对应的二极管续流电流信号，可实现对故障功率管开路故障的判别。
变换器功率管发生短路故障，移相全桥变换器工作电流会持续上升，但电流回路仍然维持正常工作状态时的电流回路，对应功率管的驱动信号变为低，由于正常工作状态下功率管驱动信号与相应的续流电流信号严格互补，即正常工作状态下功率管驱动信号为高电平，相应的续流电流信号为低电平，而功率管发生短路故障时，功率管驱动信号和对应的续流电流信号均为低电平，而工作电流信号为高，由此可以实现对功率管的短路故障判别。
为了保证判断的准确性，在确定移相全桥变换器的故障情况时，还可结合相电流信号的逻辑关系，实现对不同功率管不同故障的精确定位。故障信息逻辑关系如下：上桥臂功率管发生单管断路故障时，对应的功率管驱动信号、续流电流信号和相电流信号均为高电平；下桥臂功率管发生断路故障时，对应的功率管驱动信号为高电平，续电电流信号和相电流信号均为低电平；发生双管断路故障时，对应的功率管驱动信号和续流电流信号为高电平，相电流信号为低电平；由于功率管发生短路故障时，变换器的电流回路与正常工作状态下的电流回路保持一致，所以无论哪个功率管发生短路故障，其相电流信号为高电平，续流电流信号为低电平，而发生短路故障的功率管驱动信号为低，所以通过功率管驱动信号、续流电流信号结合相电流信号可以对功率管短路故障进行精确定位；相电流信号通过以下采样获取：在开关周期的正半周中，滞后下桥臂的电流传感器获取工作状态的相电流信号；开关周期的负半周中，超前下桥臂的电流传感器获取工作状态的相电流信号。
另外，造成功率器件断路或短路故障的主要原因是过电压、过电流和过温，移相全桥变换器中的母线电压值和变压器一次侧的电流值可以认为是功率管在工作状态(或发生故障时)所承受的电压值和电流值，而功率管散热器温度值则是功率管管壳温度在散热器热传导系数影响下在散热器上的表现值，因此移相全桥变换器发生故障时存储的母线电压值、变压器一次侧电流值和功率管散热器温度值是变换器的故障状态值。
这样在故障情况下，还可以采样获取移相全桥变换器的母线电压信号、变压器一次侧电流信号、功率管散热器温度值，存储建立变换器故障状态数据库；将采样的实时运行数据与故障数据库中的数据比较，判断当前运行数据与故障数据库数据是否匹配，实现故障情况预诊断。
同时，对故障情况预诊断后还可以做出预处理，将实时采样的运行数据与故障数据库中的数据比较，当运行数据与故障数据库数据匹配时，系统自动降低变换器功率输出5％，以防止变换器发生故障。若软开关移相全桥变换器在输出功率减低5％的情况下还发生故障，则重复上述过程，直至软开关移相全桥变换器运行在安全工作区内。
本发明移相全桥变换器故障诊断系统的总体结构框图如图2所示，包括移相全桥变换器、信号采集模块、数据管理模块、故障特征信号逻辑分析模块、故障诊断解析模块、故障状态数据存储模块和故障预处理模块。信号采集模块从软开关移相全桥变换器获取需要的电路采样信号输入至数据管理模块；数据管理模块将采样信号传输至故障特征信号逻辑分析模块，故障诊断解析模块根据分析模块得出的逻辑关系，确定诊断对象是否出现故障、出现何种故障以及故障位置，并同时向数据管理模块发送指令，将此采样信号和对应的故障类型存入故障状态数据库；数据比较模块接收数据管理模块中的采样信号，与故障状态数据存储模块中的数据进行比较，将比较结果传输至故障预处理模块。
信号采集模块完成对母线电压、变压器一次侧电流，散热器温度，功率管反并联二极管续流电流、相电流信号和各功率管驱动信号的采样，各传感器的安装位置如图4所示，其中电流传感器S1、S2用于采样功率管反并联二极管续流电流信号、相电流信号；电流传感器S3用于采样变压器一次侧电流；电压传感器S4用于采样母线电压；温度传感器放置在功率管的散热器上，位于超前桥臂功率管与滞后桥臂功率管之间，具体位置如图5所示。
为本发明系统的工作流程如图3所示：
数据管理模块接收上述信号采集模块的输出信号，并对接收到的信号进行数据预处理和暂存，将预处理后的功率管反并联二极管传感器信号和各功率管驱动信号数据输出至故障特征信号逻辑分析模块；同时将母线电压、变压器一次侧电流和散热器温度采样值发送至数据比较模块。
数据比较模块接受来自数据管理模块的采样数据，并把这些实时数据与故障状态数据库中的母线电压、变压器一次侧电流和散热器温度的故障状态历史数据进行匹配，若数据不匹配，则下一采样周期继续进行实时匹配；若数据匹配，则数据比较模块向故障预处理模块发送指令，故障预处理模块把软开关移相全桥变换器的功率输出值下降5％。
故障特征信号逻辑分析模块接受来自数据管理模块的数据后，故障特征信号逻辑分析模块通过功率管反并联二极管续流电流信号和功率管驱动信号的逻辑关系，故障诊断解析模块根据分析模块得出的逻辑关系，确定诊断对象软开关移相全桥变换器是否出现故障、出现何种故障以及故障位置，并同时向数据管理模块发送指令，同时数据管理模块把预存的发生故障时母线电压值、变压器一次侧电流值和散热器温度值储存进故障状态数据库。
下面举例说明故障特征信号逻辑分析过程。移相全桥变换器功率管的故障可分为短路和断路两大类，以VT1和VT2导通逻辑状态为例，其功率管故障包括以下四种情况，其中单管故障以上管为例，如图6所示为单管断路，图7所示为单管短路。
(1)功率管断路故障
以移相全桥变换器一个开关周期中的正半周为例，其工作状态下(即VT1与VT4同时导通)和续流状态下(VT1关断时)的电流情况分别如图10、图11所示，把电流传感器放置在软开关移相全桥变换器两个下桥臂(如图4所示)，则在正半开关周期的工作状态下的电流和续流状态下的电流都流过滞后桥臂功率管VT4下的传感器，称为相电流值ISA，而只有在续流状态下电流才流过超前桥臂VT2下的传感器，称为续电流值ISa；在开关周期的负半周反之，VT2下的传感器为相电流值ISB；VT4下的传感器为续电流值ISb。
以VT1功率管和VT4功率管为例，下面阐述单管断路故障的诊断方法。
正常情况下VT1管驱动信号与各电流对应关系如图12所示，其中PVT1为VT1功率管的驱动信号，ISA为相电流值，ISa为续电流值，IVT1为导通时功率管VT1所承受的电流值。由图12可见，将ISa进行如虚线形式的数字化后，其值与PVT1严格互补。当VT1管发生单管故障，相电流ISA下降，驱动信号PVT1在导通周期内维持高电平，但由于VT1管已经损坏，相电流通过VD2管自然续流，如图13阴影部分所示。此时PVT1与数字化后的ISa同为高电平，故通过两者的实时相与，当相与结果为高则可以判断此时VT1管发生断路故障。
当VT4管发生单管断路故障时，相电流同样开始下降，PVT1在导通周期内维持高电平，但软开关移相全桥变换器此时无法与供电电源形成回路，相电流将通过VT1管和续流二极管VD3下降至0，故障时相电流传感器和续流电流传感器均无电流流过，如图14阴影部分所示，由此可以判断VT4管发生断路故障。
采样同样的分析方法，当VT1管和VT4管发生双管断路故障时，相电流经续流二极管VD2和VD3，能量直接回馈至母线。此时，只有续电流传感器有电流流过，如图15阴影部分所示。但可以看出，此时同样满足VT1管单管断路故障时的判别条件。
为了保证判断的准确性，在ISa数字化的基础上，同时把该逻辑状态下的ISA也进行数字化处理，再结合PVT1和PVT4得出各个断路故障对应的故障逻辑值表见表1。
表1正半开关周期断路故障类型对应逻辑值
  故障类型   PVT1   PVT2   PVT3   PVT4   ISA   ISa
  VT1断路   1   0   0   1   1   1
  VT4断路   1   0   0   1   0   0
  故障类型   PVT1   PVT2   PVT3   PVT4   ISA   ISa
  双管断路   1   0   0   1   0   1
采用相同的分析方法，当软开关移相全桥变换器运行在负半周开关周期时，发生断路故障的故障类型对应逻辑值如表2所示。
表2负半开关周期断路故障类型对应逻辑值
  故障类型   PVT1   PVT2   PVT3   PVT4   ISB   ISb
  VT3断路  0   1   1   0   1   1
  VT2断路  0   1   1   0   0   0
  双管断路  0   1   1   0   0   1
(2)功率管短路故障
当功率管发生短路故障，功率管因为流过大电流而退饱和，其驱动信号超过电流给定值而变低，软开关移相全桥变换器的相电流持续上升，但其相电流回路与正常工作状态相电流回路一致，以VT1管发生短路故障为例，对应VT1驱动信号与各电流关系如图16所示，阴影部分为发生短路故障。正常状态下，驱动信号PVT1与续流信号ISa严格互补，发生VT1短路故障时，两数字信号出现了同时为低。由此，可以诊断出VT1发生短路故障。采用相同的分析方法下面给出软开关移相全桥变换器发生短路故障时的对应逻辑值，见表3-4。
表3正半开关周期的短路故障类型对应逻辑值
  故障类型   PVT1   PVT2   PVT3   PVT4   ISA   ISa
  VT1短路   0   0   0   1   1   0
  VT4短路   1   0   0   0   1   0
  VT1、VT4双管短路   0   0   0   0   1   0
表4负半开关周期的短路故障类型对应逻辑值
  故障类型   PVT1   PVT2   PVT3   PVT4   ISB   ISb
  VT3短路   0   1   0   0   1   0
  VT2短路   0   0   1   0   1   0
  VT3、VT2双管短路   0   0   0   0   1   0
上述实施例为实现本发明目的的较佳实施例，不用于限制本发明的保护范围。在本技术领域内，对本发明的技术方案所做的等效替换或相似的修改、修饰都在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种移相全桥变换器实时故障诊断方法，其特征在于在移相全桥变换器两个下桥臂上放置电流传感器，移相全桥变换器一个完整开关周期的正半周中，超前下桥臂的传感器获取功率管反并联二极管续流电流信号；开关周期的负半周中，滞后下桥臂的传感器获取功率管反并联二极管续流电流信号；通过功率管驱动信号结合上述正半周或负半周采样获得的续流电流信号，依据功率管反并联二极管续流电流信号和功率管驱动信号的逻辑关系，来确定移相全桥变换器的故障情况。
2.根据权利要求1所述的移相全桥变换器实时故障诊断方法，其特征在于：在确定移相全桥变换器的故障情况时，还可结合相电流信号的逻辑关系；所述相电流信号通过以下采样获取：在开关周期的正半周中，滞后下桥臂的电流传感器获取工作状态的相电流信号；开关周期的负半周中，超前下桥臂的电流传感器获取工作状态的相电流信号。
3.根据权利要求1或2所述的移相全桥变换器实时故障诊断方法，其特征在于：在故障情况下，还采样获取移相全桥变换器的母线电压信号、变压器一次侧电流信号、功率管散热器温度值，存储建立变换器故障状态数据库；将采样的实时运行数据与故障数据库中的数据比较，判断当前运行数据与故障数据库数据是否匹配，实现故障情况预诊断。
4.一种移相全桥变换器实时故障诊断系统，其特征在于包括：信号采集模块、数据管理模块、故障特征信号逻辑分析模块、故障诊断解析模块；信号采集模块从移相全桥变换器获取工作状态的相电流信号、功率管反并联二极管续流电流信号和功率管驱动信号输入至数据管理模块，数据管理模块将上述采样信号传输至故障特征信号逻辑分析模块分析工作状态的相电流信号、续流电流信号和功率管驱动信号的逻辑关系，故障诊断解析模块根据分析模块得出的逻辑关系，确定移相全桥变换器故障情况。
5.根据权利要求4所述的移相全桥变换器实时故障诊断系统，其特征在于：所述信号采集模块获取的采样信号还包括移相全桥变换器母线电压、变压器一次侧电流、散热器温度。
6.根据权利要求5所述的移相全桥变换器实时故障诊断系统，其特征在于：还包括故障状态数据存储模块，用于存储故障情况下采集模块获取的移相全桥变换器母线电压、变压器一次侧电流、散热器温度；数据比较模块，用于将采集模块实时采样到的数据，与故障状态数据库中的数据进行比较，实现故障预诊断。
7.根据权利要求6所述的移相全桥变换器实时故障诊断系统，其特征在于：还包括故障预处理模块，用于对预诊断故障作自动处理。
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