CN103226185A - 一种基于谐波监测的变流器功率模块在线故障诊断方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于谐波监测的变流器功率模块在线故障诊断方法，包括以下步骤：1)选择变流器的一个或多个典型运行工作点作为故障诊断工作点；2)获得变流器的谐波初始特性，将其作为故障诊断的基准；3)在变流器运行过程中监测并采集变流器功率模块输出的电压或电流信号，获得电压或电流的低次谐波信号，同时采集功率模块表壳温度信号，获得当前谐波特性；4)比较变流器谐波初始特性与当前谐波特性，计算变压器当前健康状态指数，根据健康状态指数判断是否存在故障，并根据当前谐波变化特点判断故障类型，当健康状态指数达到设定的故障限值时发出报警信号并停机。与现有技术相比，本发明实现简单、成本低、故障诊断结果准确有效。

Description

一种基于谐波监测的变流器功率模块在线故障诊断方法

技术领域

本发明涉及一种变流器故障诊断方法，可广泛应用到航空、交通、冶金、新能源发电等对变流器可靠性要求很高的领域，尤其是涉及一种基于谐波监测的变流器功率模块在线故障诊断方法。

背景技术

变流器是电能变换的装置，它通过半导体功率器件(如IGBT，MOSFET等)将一种形式(波形)的电能转换为另一种形式(波形)。变流器的出现使得电能利用更加灵活、方便，因此广泛应用于航空航天、舰船驱动、冶金机械传动、机车牵引、电动汽车驱动、高压直流输电、风力与太阳发电等重要领域。然而变流器一旦发生故障将可能导致灾难性后果(如飞机坠毁，舰船、高铁、电动汽车突然失去动力等)，或带来重大经济损失和严重社会影响(如引发电网停电、风机停机、太阳能电站解列等事故)。对变流器功率模块实施状态监测与故障诊断，可以防止灾难性事故的发生并为合理安排运维计划提供信息，对保障变流器及整个系统安全、可靠、高效运行具有重要意义。以海上风电为例，如能有效获取风场中所有风机变流器功率模块的健康状态及剩余寿命信息，就可以统筹安排运维计划，大大节省运维费用，减小风机停机时间，提高风场运行的可靠性和经济性。

焊接层老化与引线断裂是两种常见的功率模块故障。它们由热机疲劳引起，在功率或温度循环作用下材料损伤逐渐累积与发展，最终导致芯片温度增加而烧毁。多年来，电力电子器件制造商一直致力于通过优化设计与工艺不断提高功率模块的可靠性，但由于变流器长期工作在大范围变频、变载运行状态，此类故障始终无法完全避免。

焊接层老化和引线断裂均会引起电力电子器件结温上升，因此诊断故障的关键在于准确获取器件的结温(芯片上最高温度)信息。传统的方法包括基于模型的方法以及器件结温测量的方法(直接与间接测量法)。基于模型的功率模块故障诊断与寿命预测方法利用功率模块电热模型估算器件结温，并利用模块可靠性模型通过分析结温变化历史过程对模块寿命进行预测。该方法简便、经济且无需专门硬件电路，但完全依赖于模型。考虑到实际变流器中器件参数分散性、故障复杂多样以及器件状态影响结温估算等因素，该方法难以实现变流器故障有效诊断与寿命准确预测。

理论上，电力电子器件结温可通过芯片表面安装温度传感器(如集成二极管、光纤、热电偶)直接测量。但这种方法不但会增加功率模块的复杂性与成本，而且由于芯片表面温度分布不均，结温测量精度受传感器安装位置影响很大。另一方面，通过器件温敏参数(如通态电压V_ce(on)、电压变化率dv/dt等)也可间接获取结温信息，然而由于温敏参数变化量微小且变流器开关频率高(kHz～MHz)，因此该方法对测量精度与实时性要求很高。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种实现简单、成本低、故障诊断结果准确有效的基于谐波监测的变流器功率模块在线故障诊断方法，该方法结合了模型法简单与测量法准确的优点，通过监测变流器端部电气变量低次谐波的变化获取器件结温变化信息，实现功率模块故障诊断。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于谐波监测的变流器功率模块在线故障诊断方法，该方法通过在线监测并分析变流器在某一个或多个工作点运行时电压或电流低次谐波长期变化的趋势，诊断变流器功率模块当前运行的健康状态、预测其剩余寿命并在故障发生前及时预警并停机，具体包括以下步骤：

1)选择变流器的一个或多个典型运行工作点作为故障诊断工作点；

2)获得变流器的谐波初始特性，将其作为故障诊断的基准；

3)在变流器运行过程中监测并采集变流器功率模块输出的电压或电流信号，并将其通过低通滤波电路，获得电压或电流的低次谐波信号，同时采集功率模块表壳温度信号，根据低次谐波信号与功率模块表壳温度信号的关系获得当前谐波特性；

4)比较变流器谐波初始特性与当前谐波特性，计算变压器当前健康状态指数，根据健康状态指数判断是否存在故障，并根据当前谐波变化特点判断故障类型，当健康状态指数达到设定的故障限值时发出报警信号并停机。

所述的获得变流器的谐波初始特性具体方法为：

对刚投运的新变流器测量并记录变流器在故障诊断工作点运行时电压或电流低次谐波幅值M_h与功率模块表壳温度T_C的关系M_h＝f₀(T_C)。

所述的健康状态指数H＝ΔT_C/ΔT_C(max)，其中ΔT_C是相同谐波幅值下功率模块表壳温度的变化量，ΔT_C(max)是功率模块表壳温度的最大允许变化量。

所述的根据当前谐波变化特点判断故障类型具体为：

当低次谐波幅值持续变化时，判断故障为焊接层老化；当低次谐波幅值发生突然变化时，判断故障为引线断裂。

所述的变流器输出的电压或电流信号采用电压或电流霍尔传感器进行测量与隔离；所述的功率模块表壳温度信号通过模块内部集成温度传感器或外加温度传感器获得。

该方法根据健康状态指数长期变化的规律与趋势采用外延法预测功率模块的剩余寿命。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1)实现简单、成本低。与开关频率相比，变流器低次谐波(如3、5、7次谐波)频率低，这降低了信号测量与处理对实时性的要求。测量与滤波信号可直接送到变流器控制器进行处理与分析而无需专用高速计算机微处理器与采样电路，大大节约了硬件成本。

2)故障诊断结果准确有效。变流器交流侧电压与电流低次谐波变化是由结温变化导致器件开关过程发生变化引起的。由于低频谐波能够综合反映器件开关过程在整个工作周期(如20ms50Hz)内受温度影响的总和效应，因此大大提高了故障诊断信号(理论上：有效信号提高倍数＝开关频率/工作频率)。另外，本发明提供的方法是利用器件结温变化量而非结温绝对值对功率模块热机疲劳性故障进行诊断，因此尽管器件参数分散性会造成同型号功率模块开关时间存在一定差异，但它们随温度的变化程度却基本相同，这保证了本方法诊断结果的准确性。

附图说明

图1是本发明的原理示意图；

图2是本发明变流器故障预诊断流程图；

图3是典型的功率模块加速疲劳实验结果(1700V/500A SKiiP3513GB120)；

图4是正电流时PWM变流器相电压波形图；

其中，(a)为变流器功率模块示意图；(b)为变流器各电压波形图；

图5是一个工作周期内PWM变频器的相电压偏差；

图6是温度对电力电子器件关断过程的影响；

图7是变流器故障预诊断基本算法示意图；

图8是本发明实施例中测得的变流器5次电流谐波初始特性；

图9是本发明实施例中利用5次电压谐波诊断功率模块焊接层故障的实验结果。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明

如图1-图2所示，一种基于谐波监测的变流器功率模块在线故障诊断方法，该方法通过在线监测并分析变流器在某一个或多个工作点运行时电压或电流低次谐波长期变化的趋势，诊断变流器功率模块当前运行的健康状态、预测其剩余寿命并在故障发生前及时预警并停机，具体包括以下步骤：

S1：选择变流器的一个或多个典型运行工作点作为故障诊断工作点。

变流器谐波同时受运行工作点

和器件温度的影响。为实现故障诊断，必需比较变流器在相同工作点运行时低次谐波变化的情况。实际系统中，应尽量选择变流器运行中经常出现的重载运行工作点(如额定工作点)作为故障诊断工作点。这样不但可以提高在线获取谐波信号的数据量，而且结温及谐波变化更为显著，有助于得到更加准确有效的故障诊断结果。选择多个工作点可以进一步提高故障诊断的准确性。

S2：获得变流器的谐波初始特性，将其作为故障诊断的基准。

对刚投运的新变流器测量并记录变流器在故障诊断工作点运行时电压或电流低次谐波幅值M_h与功率模块表壳温度T_C的关系M_h＝f₀(T_C)。

其中，变流器端部电气变量的测量与隔离可采用工程常用方法(如电压或电流霍尔传感器)并通过模拟低通滤波器进行滤波，而模块表壳温度信号可通过模块集成温度传感器或外加温度传感器获得。考虑到功率模块热机疲劳发展缓慢，可积累较长时间(如1月)段的谐波数据以获取准确的变流器谐波初始特性。所述的变流器输出的电压或电流信号采用电压或电流霍尔传感器进行测量与隔离；所述的功率模块表壳温度信号通过模块内部集成温度传感器或外加温度传感器获得。

3)在变流器运行过程中监测并采集变流器功率模块输出的电压或电流信号，并将其通过低通滤波电路，获得电压或电流的低次谐波信号，同时采集功率模块表壳温度信号，根据低次谐波信号与功率模块表壳温度信号的关系获得当前谐波特性。在变流器长期运行过程中监测并记录低次谐波与模块表壳温度数据。为减小数据存储容量并提高精度，可选择较长时间周期(如1周)并采用周期平均的方法对原始信号进行处理。

4)比较变流器谐波初始特性与当前谐波特性，计算变压器当前健康状态指数，根据健康状态指数判断是否存在故障，并根据当前谐波变化特点判断故障类型，当健康状态指数达到设定的故障限值时发出报警信号并停机。所述的健康状态指数H＝ΔT_C/ΔT_C(max)，其中ΔT_C是相同谐波幅值(对应于相同器件结温)下功率模块表壳温度的变化量，即相同谐波幅值下当前监测的功率模块表壳温度与初始特性中的功率模块表壳温度的差值，ΔT_C(max)是功率模块表壳温度的最大允许变化量，如图7所示。

根据健康状态指数长期变化的趋势，采用适当算法(如外延法)可近似预测模块剩余寿命。当谐波变化量超过预先设定的故障限值(可由功率模块制造商提供或通过可靠性实验确定)应立即报警并停机以防止功率模块烧毁。

根据谐波变化的不同特点可进一步诊断出发生故障的类型。如图3所示，焊接层老化会引起器件结温逐渐增加并造成低次谐波幅值持续变化直至超过故障限值，而引线断裂则会引起器件结温及谐波幅值突然变化。

对于引线断裂故障，本发明只适用于多芯片并联的功率模块。为提高容量，大容量功率模块均采用多个电力电子芯片并联而成。变流器长期运行过程中，芯片引线可能依次断裂并最终导致某个芯片脱落，此时负载电流将通过其它芯片流过引起结温突然上升。

上述故障诊断方法的工作原理是基于器件温度变化引起变流器交流侧电压与电流低次谐波变化的物理关系。如图4所示，受死区与开关时间等因素影响，PWM变流器实际产生的相电压与理想值之间存在一定偏差ΔV。如图5所示，偏差电压ΔV的极性随电流极性而变化形成近似方波的电压，从而产生一系列低次谐波(如3、5、7次谐波)。温度变化会影响电力电子器件的开关过程，其中主要影响关断过程中的关断延迟时间t_d(off)，如见图6所示。这将影响变流器各相桥臂实际产生的PWM电压占空比以及偏差电压ΔV，从而改变电压与电流低次谐波的大小。

尽管开关时间随温度变化的绝对量很小(约几十纳秒)，但高频运行PWM变流器在一个工作周期内有多个开关事件，因此本方法可大大提高故障诊断信号(理论上：有效信号提高倍数＝开关频率/工作频率)。理论分析与实验研究表明：对于常规变流器，本方法能根据低次电压或电流谐波幅值的变化准确提取器件结温变化信息，实现故障有效诊断。

下面结合感应电机变频调速系统变频器故障预诊断实例，对本发明的具体实施方式做进一步详细描述。

感应电机变频调速系统采用380V/2.2kW感应电机，其额定转速为1420r/min。变流器由西门康公司的1200V/35AIGBT功率模块SK35GD126ET组成，其开关频率f_sw＝8kHz、直流电压V_dc＝535V、死区时间t_d＝4μs。为模拟功率模块焊接层老化故障，实验中在模块表壳与散热器之间加入一层导热垫——GapPad1500(见图9)，该材料热阻值等于模块内部热阻(R_th(j-s)＝1.05W/℃)的20％，与典型焊接层老化故障引起模块内部热阻增加的程度相当。实验中设定的故障诊断工作点为：工作频率f＝25Hz、电压有效值U＝196V、电流有效值I＝2.1A、功率因素实验结果如图8-9所示。

图8是实验测得的变流器5次电流谐波的初始特性，其中变流器5次电流谐波幅值随模块表壳温度的变化而单调变化。进一步利用温度变化与电流谐波幅值变化的物理关系就可以准确获取器件结温变化信息实现故障诊断。图9是利用变流器5次电压谐波实现焊接层老化故障诊断的实验结果。实验中采用导热垫模拟焊接层老化故障。实验结果表明，在相同谐波(对应于相同器件结温)条件下，焊接层老化前后功率模块表壳温度下降了6℃，这反映了焊接层老化造成模块内部热阻增加的程度。一旦表壳温度变化量超过预先设定的故障限值，变流器控制器应立即报警并停机。从实例实验可知，本发明提供的方法可通过对变流器端部变量进行简单测量与滤波，准确获取电力电子器件结温变化信息，对功率模块热机疲劳性故障实现有效诊断。

以上实例仅用于解释本发明的具体实施方案，本发明的使用范围并不受该实例限制。针对实际运行中不同变流器系统，根据本发明提供的基本方法可制定出不同的技术方案。所有这些技术方案同样属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围由权利要求限定。

Claims (6)

1.一种基于谐波监测的变流器功率模块在线故障诊断方法，其特征在于，该方法通过在线监测并分析变流器在某一个或多个工作点运行时电压或电流低次谐波长期变化的趋势，诊断变流器功率模块当前运行的健康状态、预测其剩余寿命并在故障发生前及时预警并停机，具体包括以下步骤：

1)选择变流器的一个或多个典型运行工作点作为故障诊断工作点；

2)获得变流器的谐波初始特性，将其作为故障诊断的基准；

3)在变流器运行过程中监测并采集变流器功率模块输出的电压或电流信号，并将其通过低通滤波电路，获得电压或电流的低次谐波信号，同时采集功率模块表壳温度信号，根据低次谐波信号与功率模块表壳温度信号的关系获得当前谐波特性；

4)比较变流器谐波初始特性与当前谐波特性，计算变压器当前健康状态指数，根据健康状态指数判断是否存在故障，并根据当前谐波变化特点判断故障类型，当健康状态指数达到设定的故障限值时发出报警信号并停机。

2.根据权利要求1所述的一种基于谐波监测的变流器功率模块在线故障诊断方法，其特征在于，所述的获得变流器的谐波初始特性具体方法为：

对刚投运的新变流器测量并记录变流器在故障诊断工作点运行时电压或电流低次谐波幅值M_h与功率模块表壳温度T_C的关系M_h＝f₀(T_C)。

3.根据权利要求1所述的一种基于谐波监测的变流器功率模块在线故障诊断方法，其特征在于，所述的健康状态指数H＝ΔT_C/ΔT_C(max)，其中ΔT_C是相同谐波幅值下功率模块表壳温度的变化量，ΔT_C(max)是功率模块表壳温度的最大允许变化量。

4.根据权利要求1所述的一种基于谐波监测的变流器功率模块在线故障诊断方法，其特征在于，所述的根据当前谐波变化特点判断故障类型具体为：

当低次谐波幅值持续变化时，判断故障为焊接层老化；当低次谐波幅值发生突然变化时，判断故障为引线断裂。

5.根据权利要求1所述的一种基于谐波监测的变流器功率模块在线故障诊断方法，其特征在于，所述的变流器输出的电压或电流信号采用电压或电流霍尔传感器进行测量与隔离；所述的功率模块表壳温度信号通过模块内部集成温度传感器或外加温度传感器获得。

6.根据权利要求1所述的一种基于谐波监测的变流器功率模块在线故障诊断方法，其特征在于，该方法根据健康状态指数长期变化的规律与趋势采用外延法预测功率模块的剩余寿命。

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