CN104597368B

CN104597368B - 一种基于电流的三相逆变器开路故障检测方法

Info

Publication number: CN104597368B
Application number: CN201510020290.0A
Authority: CN
Inventors: 凡时财; 徐安平; 邹见效; 徐红兵
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2015-01-15
Filing date: 2015-01-15
Publication date: 2017-06-16
Anticipated expiration: 2035-01-15
Also published as: CN104597368A

Abstract

本发明公开了一种基于电流的三相逆变器开路故障检测方法，首先从电机驱动控制系统中获取电机三相电流i_n，再对三相电流的周期平均值和绝对值的周期平均值做加权处理，并进行归一化处理得到检测变量d_n，然后将检测变量d_n与预设阀值k_i进行比较，得到三相逆变器的故障指示D_n，再根据故障指示D_n在故障定位表中定位发生开路故障的逆变器开关管。这种方法简单且易实行，适合集成到控制系统中。

Description

一种基于电流的三相逆变器开路故障检测方法

技术领域

本发明属于三相逆变器故障检测技术领域，更为具体地讲，涉及一种基于电流的三相逆变器开路故障检测方法。

背景技术

随着电机调速系统在工业应用中的广泛使用，调速系统的安全性问题愈益成为人们关注的焦点。电机驱动系统作为调速系统的重要组成部分，其可靠性对调速系统的安全运行至关重要。然而电机驱动系统的可靠性主要受三相逆变器功率器件的影响，为了提高调速系统的安全性，对三相逆变器的故障进行实时有效的检测和定位，并应用相应的容错控制显得不可或缺。

三相逆变器的功率器件故障，可归结为短路故障和开路故障。短路故障由于存在的时间极短而难以被检测，因此，在工程上多采用硬件电路来进行保护。开路故障不会导致系统马上停机而是继续故障运行，这种非正常运行状态会增加剩余功率组件的电压和电流压力，如不及时诊断并加以消除，可能引起二次故障，最终给系统带来巨大的损害。

针对三相逆变器功率器件的开路故障，目前的主要研究方向之一是基于电流的检测方法，如图1所示，基于电流的逆变器开关管开路故障检测方法步骤如下：

(1)计算三相电流和三相期望电流的差：

其中，n取a、b、c，三相期望电流由dq轴期望电流和经过坐标变换所得，具体变换如下：

(2)计算检测变量d_n：

其中，<e_n>为三相电流误差e_n的周期平均值，<|i_n|>为三相电流i_n的绝对值的周期平均值，n取a、b、c。正常情况下，<e_n>≈0，所以d_n≈0。在逆变器故障时，电机三相电流会发生变化，导致三相电流与三相期望电流的差e_n产生变化，从而使检测变量d_n产生变化，因此可以通过检测变量d_n的值来判断故障。

(3)判断并定位具体的开路故障：

表1 是逆变器故障判断表。其中，k_f为预设阀值。

表1

但是以上基于电流的故障检测方法存在以下缺点：

(1)只能检测和定位逆变器单个开关管开路故障，而不能检测多个开关管同时发生开路故障的情况，若要检测多管开路故障，则必须增加额外的检测变量，使方法复杂，计算较多；

(2)用到的三相期望电流i_n ^*需要进行两次坐标变换才能得到，将增加运算量，使检测较慢。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于电流的三相逆变器开路故障检测方法，实现了三相逆变器开路故障的快速检测和定位，为系统的故障处理提供准确可靠的依据。

为实现上述发明目的，本发明一种基于电流的三相逆变器开路故障检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)、从电机驱动控制系统中获取电机三相电流i_n(n＝a、b、c)；

(2)、根据电机三相电流i_n计算各相检测变量d_n(n＝a、b、c)

其中，

其中，<i_n>为三相电流i_n的周期平均值，<|i_n|>为三相电流i_n的绝对值的周期平均值，w表示电机的定子电流角频率；

(3)、将检测变量d_n与预设的阀值k_i(i＝1,2,3,4)进行比较，得到故障指示D_n(n＝a、b、c)：

(4)、根据故障指示D_n在故障定位表中查找发生开路故障的逆变器开关管。

本发明的发明目的是这样实现的：

本发明基于电流的三相逆变器开路故障检测方法，首先从电机驱动控制系统中获取电机三相电流i_n，再对三相电流的周期平均值和绝对值的周期平均值做加权处理，并进行归一化处理得到检测变量d_n，然后将检测变量d_n与预设阀值k_i进行比较，得到三相逆变器的故障指示D_n，再根据故障指示D_n在故障定位表中定位发生开路故障的逆变器开关管。这种方法简单且易实行，适合集成到控制系统中。

同时，本发明基于电流的三相逆变器开路故障检测方法还具有以下有益效果：

(1)、本发明可以准确定位出27种逆变器开路故障，为系统进一步的故障处理提供有效的依据；

(2)、与现有技术相比，本发明不需要引入额外的检测变量和软件算法，仅仅对采集的三相电流进行处理，具有整体运算量小，检测和定位出故障的速度快等特点；

(3)、电机转速变化或负载变化对检测变量波动影响不大，因此通过合理设置检测变量阀值可避免误报故障。

附图说明

图1是现有技术中基于电流的三相逆变器开路故障检测方法流程图；

图2是本发明基于电流的三相逆变器开路故障检测方法流程图；

图3是电机三相电流和检测变量d_n的波形图；

图4是电机转速变化过程中，电机三相电流和检测变量d_n的波形图；

图5是电机负载变化过程中，电机三相电流和检测变量d_n的波形图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

实施例

图2是本发明基于电流的三相逆变器开路故障检测方法流程图。

在本实施例中，如图2所示，本发明基于电流的三相逆变器开路故障检测方法，包括以下步骤：

(2)、根据电机三相电流i_n计算各相检测变量d_n(n＝a、b、c)

其中，

其中，<i_n>为三相电流i_n的周期平均值，<|i_n|>为三相电流i_n的绝对值的周期平均值，w表示电机的定子电流角频率；正常情况下，三相电流i_n的周期平均值<i_n>≈0，所以d_n≈1；

在本实施例中，如图2所示，本发明仅仅需要采集电机三相电流i_n，与现有技术相比，如图1所示，省去了三相期望电流的获取，使检测方法更为简单。

(4)、根据故障指示D_n在故障定位表2中查找发生开路故障的逆变器开关管。

故障序号	开路故障的开关管
					0	正常	0	0	0
1	T1	P	M	0
					2	T2	N	P	0
3	T3	0	P	M
					4	T4	0	N	P
5	T5	M	0	P
					6	T6	P	0	N
7	T1，T2	M	0	0
					8	T3，T4	0	M	0
9	T5，T6	0	0	M
					10	T1，T4	P	N	0
11	T2，T3	N	Q	0
					12	T1，T6	Q	0	N
13	T2，T5	N	0	P
					14	T3，T6	0	P	N
15	T4，T5	0	N	Q
					16	T1，T3，[T6]	P	P	N
17	T2，T4，[T5]	N	N	Q

18	T3，T5，[T2]	N	P	P
					19	T4，T6，[T1]	Q	N	N
20	T1，T5，[T4]	P	N	P
					21	T2，T6，[T3]	N	Q	N
22	T1，T2，(T3\|T6)	M	Q	N
					23	T1，T2，(T4\|T5)	M	N	Q
24	T3，T4，(T1\|T6)	Q	M	N
					25	T3，T4，(T2\|T5)	N	M	Q
26	T5，T6，(T1\|T4)	Q	N	M
					27	T5，T6，(T2\|T3)	N	Q	M

表2

其中，[Tx]表示开关管Tx可能正常或发生开路故障；(Tx|Ty)表示开关管Tx和Ty中至少有一个发生开路故障；x、y表示开关管序号。

如表2所示，故障定位表中存放有27中逆变器开路故障，以及每种逆变器开路故障所对应的各相故障指示D_n，因此根据故障指示D_n就可以检测定位出27种三相逆变器开路故障。

实例

在本实施例中，设三相交流异步电机额定功率1.1kW，额定转速1390rpm，额定转矩7.6Nm,额定电流2.89A，检测变量阀值k₁＝-0.3，k₂＝0.3，k₃＝1.8，k₄＝3.3。

图3是电机三相电流和检测变量d_n的波形图。

在本实施例中，如图3所示，电机在额定转速、50％额定负载下，在时间t＝2s时，T1发生开路故障；在t＝2.2s时，T1和T2同时发生开路故障；在t＝2.4s时，T1、T2和T3同时发生开路故障；具体如下：

当t＝1.8～2s时：

如图3(a)所示，电机相电流i_a为对称的正弦波，则d_a≈1，故障指示D_a＝0；如图3(b)所示，电机相电流i_b为对称的正弦波，则d_b≈1，故障指示D_b＝0；如图3(c)所示，电机相电流i_c为对称的正弦波，则d_c≈1，故障指示D_c＝0；根据故障定位表2可见没有开关管发生开路故障，三相逆变器正常工作；

当t＝2～2.2s时：

如图3(a)所示，电机相电流i_a出现负半波，在t＝2.035s时，1.8＜d_a＜3.3，得到故障指示D_a＝P；如图3(b)所示，在t＝2.035s时，-0.3＜d_b＜0.3，得到故障指示D_b＝M；如图3(c)所示，在t＝2.035s时，0.3＜d_c＜1.8，得到故障指示D_c＝0；根据故障定位表2，定位出开关管T1发生开路故障；

当t＝2.2～2.4s时：

如图3(a)所示，电机相电流i_a接近于零，在t＝2.24s时，-0.3＜d_a＜0.3，得到故障指示D_a＝M；如图3(b)所示，在t＝2.24s时，0.3＜d_b＜1.8，得到故障指示D_b＝0；如图3(c)所示，在t＝2.24s时，0.3＜d_c＜1.8，得到故障指示D_c＝0；根据故障定位表2，定位出开关管T1和T2同时发生开路故障；

当t＝2.4～2.6s时：

如图3(a)所示，电机相电流i_a接近于零，在t＝2.423s时，-0.3＜d_a＜0.3，得到故障指示D_a＝M；如图3(b)示，i_b出现负半波，在t＝2.423s时，d_b＞3.3，得到故障指示D_b＝Q；如图3(c)所示，i_c出现正半波，在t＝2.423s时，d_c＜-0.3，得到故障指示D_c＝N；根据故障定位表2，定位出开关管T1、T2以及T3和T6中至少一个同时发生开路故障。

在电机的实际运行过程中，转速或负载会发生变化，电机三相电流也会发生变化。本发明是基于电机三相电流来进行故障检测的，但是电机转速变化或负载变化对检测变量波动影响不大，不会发生误报故障的现象。

图4是电机在额定负载下转速变化过程中电机三相电流和检测变量d_n的波形图。

在本实施例中，t＝1～1.2s，电机转速为600rpm；t＝1.2s，电机转速开始升为900rpm；t＝1.6s，电机转速开始降为额定转速600rpm。在整个转速变化过程中，如图4(a)、图4(b)、图4(c)所示，虽然故障检测变量d_a、d_b、d_c会在小范围内波动，但是不会偏离正常值太多甚至超过阈值，不会产生误报故障的现象。

图5是电机在额定转速下负载变化过程中电机三相电流和检测变量d_n的波形图。

在本实施例中，t＝1.4～1.6s，系统没有加载，为空载状态；t＝1.6s，系统突然加载的电机额定负载；t＝2s，系统突然变载为空载状态。在整个负载变化过程中，如图5(a)、图5(b)、图5(c)所示，虽然故障检测变量d_a、d_b、d_c会在小范围内波动，但是不会偏离正常值太多甚至超过阈值，不会产生误报故障的现象。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims

1.一种基于电流的三相逆变器开路故障检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)、从电机驱动控制系统中获取电机三相电流i_n,n＝a、b、c；

(2)、根据电机三相电流i_n计算各相检测变量d_n

其中，

(3)、将检测变量d_n与预设的阀值k_i,i＝1,2,3,4进行比较，得到故障指示D_n：

(4)、根据故障指示D_n在设计的故障定位表中查找发生开路故障的逆变器开关管；其中，在设计的故障定位表中存放有27种逆变器开路故障，以及每种逆变器开路故障所对应的各相故障指示D_n。