CN102033188B - 移相全桥变换器断路故障实时诊断方法 - Google Patents

移相全桥变换器断路故障实时诊断方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种移相全桥变换器断路故障实时诊断方法，通过电流传感器采样测量全桥变换器直流母线电流，获取直流母线电流峰值与其积分值的比率，与正常状态下移相全桥变换器直流母线电流峰值与积分值的比率的历史数据比较，确定移相全桥变换器是否发生断路故障；同时通过设于两桥臂的电流传感器获取变换器发生断路故障时的续流电流信号，依据发生断路故障时功率管反并联二极管续流电流信号逻辑关系，对发生断路故障的功率开关管进行定位。本发明可以快速、准确定位故障并确定故障类别，且实现故障预测。

Description

移相全桥变换器断路故障实时诊断方法
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断路故障实时诊断方法。 
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，断路是功率器件最常见的故障之一，移相全桥变换器（如图1）功率管的断路故障可分为单管断路和双管断路两种类型。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。
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。 
发明内容
本发明的目的在于提出一种移相全桥变换器断路故障实时诊断方法，能快速准确判定故障类别并定位故障。
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断路故障实时诊断方法，其特征在于：通过采样测量全桥变换器直流母线电流，获取直流母线电流峰值与其积分值的比率，以峰值与积分值的比率作为移相全桥变换器断路故障特征信号，与正常参考状态下移相全桥变换器直流母线电流峰值与积分值的比率进行比较，当测得的比率小于正常参考状态时的比率，则确定移相全桥变换器发生断路故障。
为了保证判断的正确性，进一步确认变换器是否发生故障并对发生断路故障的功率开关管进行定位，利用移相全桥变换器直流母线电流峰值和积分值比率初步确定变换器发生断路故障情况后，根据不同位置功率管发生断路故障时移相全桥变换器功率电路对应不同的续流回路，还通过采样获取变换器发生断路故障时功率管反并联二极管的续流电流信号，依据发生断路故障时功率管反并联二极管续流电流信号的通用逻辑关系，对发生断路故障的功率开关管进行定位。
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断路故障实时诊断系统，包括置于全桥变换器的直流母线上的电流传感器、直流母线电流采样信号调理电路、直流母线电流峰值检测电路、直流母线电流积分电路、模数转换电路、DSP控制器；所述电流传感器的输出端接直流母线电流采样信号调理电路输入端；所述的直流母线电流峰值检测电路输入端接直流母线电流采样信号调理电路输出端；所述的直流母线电流积分电路输入端接直流母线电流采样信号调理电路输出端；所述的模/数转换电路的输入端分别接直流母线电流峰值检测电路输出端、直流母线电流积分电路输出端；所述的DSP控制器I/O口接模/数转换电路输出端；采样值分别通过峰值检测电路和积分电路得到直流母线电流的峰值和积分值，直流母线电流峰值和积分值通过数模转换电路后被送至DSP控制器处理；DSP控制器通过运算得出直流母线电流峰值与积分值的比率。
以峰值与积分值的比率作为移相全桥变换器断路故障特征信号，与正常状态下移相全桥变换器直流母线电流峰值与积分值的比率进行比较，确定移相全桥变换器是否发生断路故障。
本发明系统还包括放置于移相全桥变换器两个下桥臂上的霍尔电流传感器、续流电流采样信号调理电路，霍尔电流传感器的输出端接续流电流采样信号调理电路的输入端；续流电流采样信号调理电路的输出端接所述模/数转换电路的输入端；通过采样获取变换器发生断路故障时功率管反并联二极管的续流电流信号，对发生断路故障的功率开关管进行定位。
本发明实现简单、快速性好，硬件成本低。在软件实现上，本发明不涉及复杂的算法，因此本发明比神经网络、专家系统等故障诊断方法快速性和实时性要优越，且易于在工程上实现。
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是本发明中电流传感器放置位置示意电路图；
图3是本发明中直流母线电流采样信号调理电路图；
图4是本发明中直流母线电流峰值检测电路图；
图5是本发明中直流母线电流积分电路图
图6是本发明中续流电流采样信号调理电路图
图7是本发明中模数转换电路图
图8是本发明中移相全桥变换器单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断路故障示意电路图；
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。
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断路故障实时诊断方法，现有技术中软开关移相全桥变换器的电路拓扑图如图1所示，图2为本发明中电流传感器放置位置示意电路图，将霍尔电流传感器置于全桥变换器的直流母线上，通过霍尔电流传感器采样测量全桥变换器直流母线电流值，采样值经过信号调理电路分别送至直流母线峰值检测电路和积分电路得到直流母线电流的峰值和积分值，直流母线电流的峰值和积分值经过模数转换电路并被送至DSP控制器进行运算，得出直流母线峰值与积分值的比率值K，以K值作为移相全桥变换器断路故障特征信号，基于移相全桥变换器在断路故障状态下的K值和正常状态下的K值的不同表现，确定全桥变换器是否发生断路故障。
另外通过在移相全桥变换器两个下桥臂上放置霍尔电流传感器，霍尔电流传感器接到续流电流采样信号调理电路，续流电流采样信号调理电路的输出端接所述模/数转换电路的输入端；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。通过采样获取变换器发生断路故障时功率管反并联二极管的续流电流信号，对发生断路故障的功率开关管进行定位。
上述直流母线电流采样信号调理电路（见图3），其中二极管D2、D3、电阻R1、R2、电容C1、C2组成两级的滤波电路，电阻R3和二极管D1组成钳位电路，可调集成稳压器LM317、电阻R4、R5、电容C3、C4和二极管D4组成稳压电路。
上述直流母线电流峰值检测电路（见图4），其中运算放大器A1、电阻R6和二极管D5组成电压跟随器，电容C5和电阻R7组成滤波环节，运算放大器A2组成电压跟随器。
上述母线直流电流积分电路（见图5），其中电阻R8和电容C6组成滤波环节，运算放大器A3、电阻R9、R10和电容C7组成积分环节。
上述续流电流采样信号调理电路（见图7），其中电感L1、L2和电容C8组成滤波环节，二极管D6、D7、D8和D9组成全波整流环节，电容C9和电阻R11组成全波整流输出滤波环节，集成稳压器LM317、电阻R12、R13、电容C10、C11、C12和二极管D10组成稳压环节。
上述数模转换电路（见图6），由A/D转换芯片MAX156，稳压电容C13、C14、C15，以及滤波电容C16、C17和C18组成。
上述DSP控制器采用型号为TSM320F2812控制芯片。上述所有组成本发明系统的电路为其中的一种实施方式，本发明系统还可采用其他等同功能的现有实施电路或芯片来完成，不一一例举。
当移相全桥变换器工作时，直流母线电流通过相应的功率开关管和功率变压器进行功率传输，其直流母线电流波形为脉冲序列波形，因此可通过霍尔电流传感器对直流母线电流的变化情况进行在线检测。正常工作状态下，移相全桥变换器斜对角桥臂功率开关管同时导通，输入电压整流成直流电压加在主功率变压器原边绕组，进行功率传输，直流母线电流从较高的峰值线性增大，缓慢升高，在超前桥臂的功率开关管关断时直流母线电流达到最大峰值。当发生一个或多个功率开关管断路故障时，移相全桥变换器进入断路故障状态，使得处于功率传输状态中的移相全桥变换器被强迫进入续流状态，直流母线电流未能达到最大峰值，因此在移相全桥变换器发生断路故障时其直流母线电流的峰值和直流母线电流的积分值都比正常状态下的值要小,同理发生断路故障时的直流母线电流的K值比正常状态下的K值要小。因此，采样发生断路状态时的移相全桥变换器的直流母线电流的峰值及其积分值，以直流母线电流峰值和积分值的比率值K作为移相全桥变换器断路故障的特征信号，通过对比分析移相全桥变换器在断路故障状态下和正常状态下的比率值K的不同表现可确定移相全桥变换器是否发生断路故障。
设W为移相全桥变换器断路故障逻辑值，当通过上述方法检测出移相全桥变换器发生断路故障时W值为1，移相全桥变换器正常工作状态下W值为0。
为了保证判断的准确性，在确定移相全桥变换器发生断路故障的情况时，根据不同位置功率管发生断路故障时移相全桥变换器功率电路对应不同的续流回路，还可结合续流电流信号的逻辑关系对发生断路故障的功率开关管进行故障定位。
下面举例说明利用续流电流信号逻辑关系进行断路故障定位过程。以VT1和VT4导通逻辑状态为例，其功率管故障包括以下两种情况，其中单管故障以上管为例，如图8所示为单管断路，图9所示为双管断路。
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2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定位方法。
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。当VT1管发生单管故障，断路故障逻辑值W为1，相电流ISA下降，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。此时数字化后的ISA与ISa同为高电平，故通过两者的实时相与，当相与结果为高且W值为1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，但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，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 ISA ISa W
VT1断路 1 1 1
VT4断路 0 0 1
双管断路 0 1 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 ISB ISb W
VT3断路 1 1 1
VT2断路 0 0 1
双管断路 0 1 1
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断路故障实时诊断方法，其特征在于：通过电流传感器采样测量全桥变换器直流母线电流值，采样值分别通过峰值检测电路和积分电路得到直流母线电流的峰值和积分值，直流母线电流峰值和积分值通过模数转换电路后被送至DSP控制器处理；DSP控制器通过运算得出直流母线电流峰值与积分值的比率，以峰值与积分值的比率作为移相全桥变换器断路故障特征信号，与正常状态下移相全桥变换器直流母线电流峰值与积分值的比率进行比较，当测得的比率小于正常参考状态时的比率，则确定移相全桥变换器发生断路故障。
2.根据权利要求1所述的移相全桥变换器断路故障实时诊断方法，其特征在于：还通过采样获取变换器发生断路故障时功率管反并联二极管的续流电流信号，依据发生断路故障时功率管反并联二极管续流电流信号的通用逻辑关系，对发生断路故障的功率开关管进行定位。
3.根据权利要求2所述的移相全桥变换器断路故障实时诊断方法，其特征在于：通过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。
4.根据权利要求3所述的移相全桥变换器断路故障实时诊断方法，其特征在于：所述的电流传感器均采用霍尔元件。
5.一种实现权利要求1所述方法的移相全桥变换器断路故障实时诊断系统，其特征在于包括置于全桥变换器的直流母线上的电流传感器、直流母线电流采样信号调理电路、直流母线电流峰值检测电路、直流母线电流积分电路、模数转换电路、DSP控制器；所述电流传感器的输出端接直流母线电流采样信号调理电路输入端；所述的直流母线电流峰值检测电路输入端接直流母线电流采样信号调理电路输出端；所述的直流母线电流积分电路输入端接直流母线电流采样信号调理电路输出端；所述的模数转换电路的输入端分别接直流母线电流峰值检测电路输出端、直流母线电流积分电路输出端；所述的DSP控制器I/O口接模数转换电路输出端；
采样值分别通过峰值检测电路和积分电路得到直流母线电流的峰值和积分值，直流母线电流峰值和积分值通过模数转换电路后被送至DSP控制器处理；DSP 控制器通过运算得出直流母线电流峰值与积分值的比率；
以峰值与积分值的比率作为移相全桥变换器断路故障特征信号，与正常状态下移相全桥变换器直流母线电流峰值与积分值的比率进行比较，确定移相全桥变换器是否发生断路故障。
6.根据权利要求5所述的移相全桥变换器断路故障实时诊断系统，其特征在于：还包括放置于移相全桥变换器两个下桥臂上的霍尔电流传感器、续流电流采样信号调理电路，霍尔电流传感器的输出端接续流电流采样信号调理电路的输入端；续流电流采样信号调理电路的输出端接所述模数转换电路的输入端；通过采样获取变换器发生断路故障时功率管反并联二极管的续流电流信号，对发生断路故障的功率开关管进行定位。
7.根据权利要求6所述的移相全桥变换器断路故障实时诊断系统，其特征在于：还包括声光报警及显示电路，声光报警及显示电路分别与所述的DSP控制器上相应I/O口连接。 
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