CN102053210B - 变频器三相逆变桥igbt开路故障诊断方法 - Google Patents

Abstract

变频器三相逆变桥IGBT开路故障诊断方法，属于三相逆变桥IGBT故障诊断技术领域。它解决了采用Park矢量法判断逆变桥IGBT的开路故障，在突加负载或突减负载时造成的误诊断的问题。它首先采集所述变频器控制调速的电机定子的三相电流i_a、i_b和i_c；然后通过离散傅里叶变换对所述三相电流i_a、i_b和i_c进行变换，获得三相电流i_a、i_b和i_c直流分量幅值和基波分量幅值的余弦分量a_j，k和正弦分量b_j，k；用基波分量幅值将直流分量幅值归一化，得到直流分量归一化值h_j；根据直流分量归一化值h_j判断三相逆变桥的故障相；再对所述故障相进行上管和下管故障的判定。本发明适用于三相逆变桥的故障诊断。

Description

变频器三相逆变桥IGBT开路故障诊断方法

技术领域

本发明涉及一种变频器三相逆变桥IGBT开路故障诊断方法，属于三相逆变桥IGBT故障诊断技术领域。

背景技术

由变频器与电机构成的调速系统是一个复杂的电子系统，易受到电磁环境的影响而发生损坏。在工业应用当中，生产工艺的连续性又要求变频器系统在发生故障后不能停机，否则将造成巨大的经济损失。由于对系统自动维护性能要求的提升，变频器的故障诊断和容错控制得到了非常大的关注。只有准确检测出故障点，才可以针对此故障进行容错控制，所以，故障诊断是容错控制的基础。在变频器的所有故障中，逆变桥IGBT的开路故障和短路故障占了相当大的比重。其中IGBT的短路故障已有成熟的解决方案，即通过硬件电路检测IGBT的D-S压降，来准确判别故障管。而IGBT开路故障的产生，一方面是由于过流烧毁，导致开路；另一方面是由于接线不良、驱动断线等原因导致的驱动信号开路。相对于短路故障而言，开路故障发生后往往电机还能够继续运行，不易被发现，会造成较大的危害，因为在此情况下其余的IGBT将流过更大的电流，易发生过流故障；同时还造成电机电流中存在直流电流分量，而引起其转矩减小、发热、绝缘损坏等问题，如不及时处理开路故障，会引发更大的事故。

现有方法中对逆变桥IGBT开路故障的诊断以电流检测法最为常用。平均电流Park矢量法是电流检测法的一种，它是在α-β坐标系下进行，通过对电流值的3-2变换得到I_α和I_β，然后在一个电流周期内求其平均值，再根据其平均值求得平均电流Park矢量。当开路故障出现时Park矢量将不为零，再通过判断其幅值和相位确定哪只IGBT出现故障。具体方法如下：

首先对三相电流I_a，I_b，I_c进行Park变换：

I_α＝I_a

$I_{\mathrm{\β}}=\frac{I_b-I_c}{\sqrt{3}};$

然后计算I_α和I_β在一个电流周期之内的平均值：

${\mathrm{\μ}}_v=\frac{1}{N}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{i}_v\left(n\right)$ (v＝α，β)；

于是可得到平均电流Park矢量的模和相角为：

$\mathrm{\μ}=\left|\stackrel{\→}{\mathrm{\μ}}\right|\sqrt{{{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{\α}}}^2+{{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{\β}}}^2}$

$\mathrm{angle}\left(\stackrel{\→}{\mathrm{\μ}}\right)=\arctan \left(\frac{{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{\β}}}{{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{\α}}}\right).$

在逆变桥IGBT正常无故障的情况下，其一个周期内的电流平均值为零，平均电流Park矢量的模为零；如图1所示，当T4管发生驱动开路故障，得到其三相电流波形如图2所示，图中曲线O代表a相电流，曲线P代表b相电流，曲线Q代表c相电流，可以看出，a相电流的负电流部分被削去，同时其它两相电流出现直流分量。通过仿真分析各管发生开路故障的情况，可以得到相应I_α和I_β的李萨育波形如图3所示。

某功率管开路故障时，三相电流出现直流分量，Park矢量不再为零。故障管的具体判别方法为：当Park矢量的模大于某一阈值时，表明有故障出现，再通过判别Park矢量的相角来确认具体哪只功率管发生了故障，根据Park矢量法确定故障管的定位表如表1所示。

表1

实验表明，平均电流Park矢量法在稳态时可以准确地检测出故障管，图4为故障发生时刻、故障检出时刻和相应相电流波形。

但在动态过程中，如突加负载和突减负载，则易产生误判现象，如图5所示，在突加额定负载和突减额定负载时产生了误诊断。

产生误诊断的根本原因在于某时刻突加负载后电机的电流突然增大，导致计算出的一个周期内的电流平均值不为零，Park矢量的幅值突然增大并大于故障界定值，从而产生了误诊断，此时如果故障阈值设定的较大，则误诊断的几率会减小，但同时降低了检测灵敏度，导致空载或负载较小时无法诊断出故障。

发明内容

本发明提供了一种变频器三相逆变桥IGBT开路故障诊断方法，它解决了采用Park矢量法判断逆变桥IGBT的开路故障，在突加负载或突减负载时造成的误诊断的问题。

本发明包括以下步骤：

步骤一：采集所述变频器控制调速的电机定子的三相电流i_a、i_b和i_c；

步骤二：通过离散傅里叶变换对所述三相电流i_a、i_b和i_c进行变换，获得三相电流i_a、i_b和i_c直流分量幅值和基波分量幅值的余弦分量a_j，k和正弦分量b_j，k，如下式所示：

$a_{j,k}=\frac{1}{N}\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{i}_j\left(n\right)\cos \left(\frac{2\mathrm{\πkn}}{N}\right)$ j＝a，b，c；

$b_{j,k}=\frac{1}{N}\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{i}_j\left(n\right)\sin \left(\frac{2\mathrm{\πkn}}{N}\right)$ j＝a，b，c；

式中k＝0，1，当k＝0时，表示直流分量，当k＝1时，表示基波分量；N为电流采样的次数；

步骤三：由步骤二计算获得三相电流i_a、i_b和i_c的基波分量幅值的余弦分量为a_j，1，正弦分量为b_j，1；三相电流i_a、i_b和i_c的直流分量幅值的余弦分量为a_j，0，正弦分量为b_j，0，此时b_j，0等于零；

用基波分量幅值将直流分量幅值归一化，得到直流分量归一化值h_j：

$h_j=\frac{a_{j,0}}{\sqrt{{a_{j,1}}^2+{b_{j,1}}^2}}$ (j＝a，b，c)；

步骤四：根据直流分量归一化值h_j判断三相逆变桥的故障相：

设定阈值为1，当max(|h_j|)＞1，则判定三相逆变桥发生开路故障，且该相为故障相，然后执行步骤五；否则三相逆变桥无故障，返回步骤一；

步骤五：对所述故障相进行上管和下管故障的判定：

当h_j＞0，判定所述故障相下管故障，否则为上管故障，判定结束。

本发明的优点是：本发明采用基于离散傅里叶分析的归一化法对三相逆变桥IGBT的开路故障进行诊断，它首先检测电机的三相电流i_a、i_b和i_c；然后通过离散傅里叶变换计算定子电流的直流分量幅值和基波分量幅值，用基波分量幅值将直流分量幅值归一化，根据直流分量幅值归一化的值判断故障IGBT管。它通过采用基于离散傅里叶分析的归一化的算法，使故障诊断方法不再对负载敏感，避免了传统平均电流Park矢量法在突加负载和突减负载情况下易出现的误诊断。

附图说明

图1为三相逆变桥IGBT的电气结构示意图；

图2为采用平均电流Park矢量法对三相逆变桥的开路故障诊断，在开路故障发生时的三相电流波形图；

图3为采用平均电流Park矢量法诊断三相逆变桥的开路故障时，通过仿真分析各管发生开路故障的情况，得到和相应I_α和I_β的李萨育波形图；

图4为采用平均电流Park矢量法诊断三相逆变桥的开路故障，故障发生时刻、故障检出时刻的相应相电流波形图；

图5为采用平均电流Park矢量法诊断三相逆变桥的开路故障，在突加负载或突减负载时出现的误诊断波形图；

图6为采用本发明方法归一化后的三相电流直流分量的曲线图；

图7为采用本发明方法归一化法三相逆变桥的故障诊断波形图；

图8为采用本发明方法归一化法在突加负载或突减负载时的电流波形图；

图9为本发明方法的流程图。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1和图9说明本实施方式，本实施方式包括以下步骤：

步骤一：采集所述变频器控制调速的电机定子的三相电流i_a、i_b和i_c；

步骤二：通过离散傅里叶变换对所述三相电流i_a、i_b和i_c进行变换，获得三相电流i_a、i_b和i_c直流分量幅值和基波分量幅值的余弦分量a_j，k和正弦分量b_j，k，如下式所示：

$a_{j,k}=\frac{1}{N}\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{i}_j\left(n\right)\cos \left(\frac{2\mathrm{\πkn}}{N}\right)$ j＝a，b，c；

$b_{j,k}=\frac{1}{N}\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{i}_j\left(n\right)\sin \left(\frac{2\mathrm{\πkn}}{N}\right)$ j＝a，b，c；

式中k＝0，1，当k＝0时，表示直流分量，当k＝1时，表示基波分量；N为电流采样的次数；

步骤三：由步骤二计算获得三相电流i_a、i_b和i_c的基波分量幅值的余弦分量为a_j，1，正弦分量为b_j，1；三相电流i_a、i_b和i_c的直流分量幅值的余弦分量为a_j，0，正弦分量为b_j，0，此时b_j，0等于零；

用基波分量幅值将直流分量幅值归一化，得到直流分量归一化值h_j：

$h_j=\frac{a_{j,0}}{\sqrt{{a_{j,1}}^2+{b_{j,1}}^2}}$ (j＝a，b，c)；

步骤四：根据直流分量归一化值h_j判断三相逆变桥的故障相：

设定阈值为1，当max(|h_j|)＞1，则判定三相逆变桥发生开路故障，且该相为故障相，然后执行步骤五；否则三相逆变桥无故障，返回步骤一；

步骤五：对所述故障相进行上管和下管故障的判定：

当h_j＞0，判定所述故障相下管故障，否则为上管故障，判定结束。

本实施方式中采用了基于离散傅里叶分析的归一化法对三相逆变桥IGBT的开路故障进行诊断，由于现有技术中采用的平均电流Park矢量法存在负载性问题，阈值的设定与负载相关，为了能够在空载到满载整个区间内都能进行故障诊断，只能将阈值设置的较小；但较小的阈值又会引起突加负载和突减负载情况下的误诊断，采用本实施方式所述方法对三相逆变桥IGBT的故障进行诊断，诊断方法不再对负载敏感，所以在各种负载条件下不必更改阈值即可准确故障诊断。

具体实施方式二：本实施方式为对实施方式一的进一步说明，所述步骤四中根据直流分量归一化值h_j判断三相逆变桥的故障相的具体方法为：

当max(|h_j|)＞1，设定f_2，j＝1，表示三相逆变桥发生开路故障；否则f_2，j＝0，表示三相逆变桥无故障。其它与实施方式一相同。

具体实施方式三：下面结合图1、图6至图8说明本实施方式，本实施方式为对实施方式二的进一步说明，所述步骤五中对所述故障相进行上管和下管故障的判定的具体方法为：

当h_j＞0，设定f_1，j＝1，表示下管故障，否则f_1，j＝0，表示上管故障。其它与实施方式二相同。

由步骤四中根据直流分量归一化值h_j判断三相逆变桥的故障相的具体方法可知，当某相归一化后绝对值最大且超过阈值1，则认定三相逆变桥中该相发生开路故障，用f_2，j＝1表示，用f_2，j＝0表示系统无故障。用由步骤五中对所述故障相进行上管和下管故障的判定的具体方法可知，f_1，j＝1，表示下管故障，否则f_1，j＝0，表示上管故障。由图1，根据上述条件得到基于傅里叶变换的归一化方法故障定位表，如表2所示：

表2

故障开关	f1，a	f1，b	f1，c	f2，a	f2，b	f2，c
							T1	0			1
T2		0			1
							T3			0			1
T4	1			1
							T5		1			1
T6			1			1

将本发明方法应用于系统实验，得实验结果如图6、图7、图8所示。图6中h_a、h_b、h_c为三相电流的直流分量归一化后的值，由于h_a的绝对值大于1，故f_2，a＝1，又因为h_a为负，故f_1，a＝0，根据表2可知，此时T1管发生了开路故障。其它IGBT故障的判断方法与此相同。图7和图8表示了该方法可以正确诊断出故障IGBT，同时，在突加负载和突减负载时，不会发生误诊断。

Claims (1)

1.一种变频器三相逆变桥IGBT开路故障诊断方法，其特征在于：它包括以下步骤：

步骤一：采集所述变频器控制调速的电机定子的三相电流i_a、i_b和i_c；

步骤二：通过离散傅里叶变换对所述三相电流i_a、i_b和i_c进行变换，获得三相电流i_a、i_b和i_c直流分量幅值和基波分量幅值的余弦分量a_j，k和正弦分量b_j，k，如下式所示：

$a_{j,k}=\frac{1}{N}\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{i}_j\left(n\right)\cos \left(\frac{2\mathrm{\πkn}}{N}\right),j=a,b,c;$

$b_{j,k}=\frac{1}{N}\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{i}_j\left(n\right)\sin \left(\frac{2\mathrm{\πkn}}{N}\right),j=a,b,c;$

式中k=0，1，当k=0时，表示直流分量，当k=1时，表示基波分量；N为电流采样的次数；

步骤三：由步骤二计算获得三相电流i_a、i_b和i_c的基波分量幅值的余弦分量为a_j，1，正弦分量为b_j，1；三相电流i_a、i_b和i_c的直流分量幅值的余弦分量为a_j，0，正弦分量为b_j，0，此时b_j，0等于零；

用基波分量幅值将直流分量幅值归一化，得到直流分量归一化值h_j：

$h_j=\frac{a_{j,0}}{\sqrt{{a_{j,1}}^2+{b_{j,1}}^2}},(j=a,b,c);$

步骤四：根据直流分量归一化值h_j判断三相逆变桥的故障相：

设定阈值为1，当max(|h_j|)>1，则判定三相逆变桥发生开路故障，且该相为故障相，然后执行步骤五；否则三相逆变桥无故障，返回步骤一；

步骤五：对所述故障相进行上管和下管故障的判定：

当h_j>0，判定所述故障相下管故障，否则为上管故障，判定结束。

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