CN105629122B - 一种三相全桥逆变器的静态故障诊断的电路及诊断方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种三相全桥逆变器的静态故障诊断的电路及诊断方法，电路中只需要四个简单的电阻分压网络以及一个直接连接的采样电阻，通过将分压网路的输出电压与参考电压进行比较，根据一些特殊的判定规则，可以实现开路故障与短路故障的检测与定位。可以有效、可靠的在系统运行前就诊断出三相全桥逆变器中是否存在开路故障和短路故障，确保在系统启动前就可以确定系统的故障状态，当检测到发生故障，停机下电进行检测，如果系统有针对三相全桥逆变器的多余度设计，则可以先进行余度切换，保证无故障启动，同时也为之后的检修提供的一定的参考，增强了系统的安全性和维修性。

Description

一种三相全桥逆变器的静态故障诊断的电路及诊断方法

技术领域

本发明涉及电力电子学中逆变电路的故障诊断领域，具体涉及一种三相全桥逆变器的静态诊断的电路及诊断方法。

背景技术

自1957年通用电气公司研制出第一个晶闸管以来，随之发明出的各种新型器件不断促进着电力电子学的发展，逆变电路作为电力电子学中重要的组成部分之一，也有着蓬勃的发展，逆变电路根据直流侧电源性质的不同可以分为两种：电压源型逆变电路和电流源型逆变电路，三相全桥逆变器是一种典型的电压源型逆变器(VSI)，被广泛的应用于电机系统和电源功率变换系统中。据统计，38％的电机驱动系统故障都是由功率器件引起的，见文献：F.W.Fuchs,“Some diagnosis methods for voltage source invertersinvariable speed drives with induction machines—A survey,”in Proc.IEEEInd.Electron.Conf.,2003,pp.1378–1385.。所以对逆变器故障的检测与定位，对于提高系统的安全性和可维修性是一个至关重要的问题，见文献：W.Sleszynski andJ.Nieznanski,“Open-transistor fault diagnostics involtage-source inverters byanalyzing the load currents,”IEEE Inter.Sympos.on Power Electronics andDrives,2007,pp.70-73.。因此在最近的15年，研究出了很多故障检测的方法。

逆变器的故障都是由功率器件的损伤导致的，通常分为开路故障(SC)和短路故障两类故障(OC)。现有的针对逆变器的故障诊断方法通常分为两大类：基于电流的检测方法和基于电压的检测方法。

与短路故障诊断相比，在开路故障诊断这个领域的研究更多。并且基于电流的检测方法更多的设计用于运行中的电机系统或功率变换装置。

在不知道三相全桥逆变器状态的情况下，冒然启动系统，具有很大的危险性，如果逆变桥上半桥臂与下半桥臂各有一个功率器件发生短路故障，就相当于将电网短路，产生很大的短路电流，会瞬间烧毁逆变器，甚至拉低电网或烧毁供电电源；如果有单个功率器件发生短路故障或开路故障，则会导致电机负载工作于缺相状态，相电流会大于正常工作情况下的电流，而且发热严重，长期工作会对电机带来损伤。基于以上问题，能够在系统启动前就得知系统故障状态，以保证系统不在带着故障情况下安全启动。

发明内容

要解决的技术问题

本发明提出了一种三相全桥逆变器的静态故障诊断方法。

技术方案

一种三相全桥逆变器的静态故障诊断电路，其特征在于：在三相全桥逆变器的基本拓扑上添加了四个并联的电阻分压网络和一个母线电流采样电阻，每一个电阻分压网络由三个电阻R_x1、R_x2与R_x3组成，其中x＝1,2,3,4；并且每一组电阻分压网路的同一相应位置处的电阻阻值相同，其中三个电阻分压网络分别与逆变器的三相并联，还有一路并联于母线两端。

一种利用所述的电路进行静态三相全桥逆变器短路故障诊断的方法，其特征步骤如下：

步骤1：将三相全桥逆变器的六个功率器件的驱动信号全部置为无效状态，确保功率器件可靠关断后，母线电压再上电；

步骤2：当母线电压U_d上电后，进行全桥故障检测，实时检测母线电流采样电阻两端的电压值，当检测到的电压值V_bus值大于设定限定值V_th的K_g倍以上时，则认为三相全桥逆变器的上半桥臂与下半桥臂中同时至少有一个功率器件发生短路故障，结束故障检测；反之则认为三相全桥逆变器的上半桥臂与下半桥臂中没有同时出现功率器件发生短路故障；

步骤3：当没有检测到三相全桥逆变器的上半桥臂与下半桥臂中没有同时出现功率器件发生短路故障时，则接着检测是否发生了单纯的上半桥臂或下半桥臂短路故障：实时采样四路电阻分压网路的输出，当四路分压网络的输出值都相同时，即V₁＝V₂＝V₃＝V_ref＝(R₄₃/(R₄₁+R₄₂+R₄₃)U_d)时，则认为逆变器桥的六个功率器件都没有发生短路故障，当四路分压网路的输出中三路和三个桥臂并联的分压网络输出与母线并联的网络输出不同时，则上半桥臂或下半桥臂可能发生了短路故障；如果V₁＝V₂＝V₃＝0，而V_ref＝(R₄₃/(R₄₁+R₄₂+R₄₃)U_d)时，则说明下半桥臂功率管发生了短路故障，如果V₁＝V₂＝V₃＝(R₄₃/(R₄₂+R₄₃)U_d)，而V_ref＝(R₄₃/(R₄₁+R₄₂+R₄₃)U_d)时，则说明上半桥臂功率管发生了短路故障，如下表所示：

半桥臂短路故障诊断条件

表中：“--”表示这里在判定时不关注其值的大小，“≈”代表，实际测量值在此附近，相对于V_ref没有明显差异。

一种利用所述的电路进行静态三相全桥逆变器开路故障诊断的方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：当确定没有发生任何模式的短路故障时，将三相全桥逆变器的六个功率器件的驱动信号置为无效状态，确保功率管可靠关断状态后，母线电压再上电；

步骤2：当母线电压U_d上电，对每个功率器件进行开路故障诊断：首先确保待检测的功率器件的驱动信号为可靠关断状态，实时检测三个与三相桥臂并联的电阻分压网络的输出，根据开路故障诊断条件，针对待检功率器件给予相应驱动信号，使其处于导通状态；如果驱动信号调整前V₁，V₂，V₃，V_ref的输出为V₁＝V₂＝V₃＝V_ref＝(R₄₃/(R₄₁+R₄₂+R₄₃)U_d)，而调整后V₁、V₂以及V₃的输出发生变化，说明该功率管发生了开路故障；如果待检功率器件处于上半桥臂时，故障情况下的V₁、V₂以及V₃的输出等于(R₄₃/(R₄₂+R₄₃)U_d)；如果待检功率器件处于下半桥臂时，故障情况下的V₁、V₂以及V₃的输出等于0，具体的诊断条件和相应的驱动信号的调整如下表所示，

开路故障诊断条件

表中：“--”表示这里在判定时不关注其值的大小，“≈”代表，实际测量值在此附近，相对于V_ref没有明显差异。

有益效果

本发明提出的一种三相全桥逆变器的静态故障诊断的电路及诊断方法，设计了一种用于三相全桥逆变器的静态故障诊断电路，只需要四个简单的电阻分压网络以及一个直接连接的采样电阻，通过将分压网路的输出电压与参考电压进行比较，根据一些特殊的判定规则，可以实现开路故障与短路故障的检测与定位。利用该故障诊断电路的检测方法适用于系统开始运行之前。在该方法中，可以有效、可靠的在系统运行前就诊断出三相全桥逆变器中是否存在开路故障和短路故障，确保在系统启动前就可以确定系统的故障状态，当检测到发生故障，停机下电进行检测，如果系统有针对三相全桥逆变器的多余度设计，则可以先进行余度切换，保证无故障启动，同时也为之后的检修提供的一定的参考，增强了系统的安全性和维修性。

本发明涉及常用于工业中驱动的三相全桥逆变电路的短路故障与开路故障的检测与定位，如可用于各种三相负载对称并阻抗小的电机驱动器系统中，具体涉及用于无刷直流电机或永磁同步电机的短路故障与开路故障的静态检测。本发明的故障检测装置由电阻分压网络和母线电流采样电阻组成，将电阻分压网路与母线电流电阻的输出送入信号处理电路，信号处理电路的设计根据静态三相全桥逆变器短路故障诊断(1)和静态三相全桥逆变器开路故障诊断(2)中的诊断逻辑进行设计。本发明的故障诊断方案可以实现在系统运行前，对三相全桥逆变器进行短路与开路故障的检测，能够在系统启动前就得知系统的故障状态，当检测到系统处于故障模态时，可以采用禁止系统启动，或者如果系统有针对三相全桥逆变器的多余度设计，则可以进行余度切换，以保证系统无故障启动。

附图说明

图1三相全桥逆变器静态故障诊断的检测电路

图2开路短路故障诊断电路

图3三相全桥逆变器的静态故障诊断方法流程图

具体实施方式

现结合实施范例、附图对本发明作进一步描述：

为了对三相全桥逆变器的静态故障诊断方法进行验证，需要在原有的基础硬件电路上添加必要的检测电路，如图1所示。

硬件检测电路由检测电路和信号调理电路组成，检测电路就是在三相全桥逆变器的基本拓扑上添加了四个电阻分压网络和一个母线电流采样电阻R_bus，每一个电阻分压网络由三个电阻组成(R_x1、R_x2与R_x3，其中x＝1,2,3,4)，并且每一组电阻分压网路的相应位置其对应电阻阻值相同，具体事例中母线电压为28V，考虑到后级运放电路的供电，通常采用±15V，因此可以选取R_x1＝5k、R_x2＝10k、R_x3＝5k，这里x＝1,2,3,4，其中三个电阻分压网络分别与逆变器的三相并联，还有一路并联于母线两端，检测电路一共有五个信号输出V₁，V₂，V₃，V_ref以及V_bus，将五路信号送入开路短路故障检测电路进行故障诊断。

开路短路故障检测电路通常有两种具体实现方法：采用纯模拟电路搭建和数字模拟混合电路搭建。数字模拟混合电路，如图1所示。采用运放搭建跟随器、滤波器以及放大器，将5路信号进行滤波，除去PWM斩波频率对信号的影响，再对信号进行等比例缩放，以适合于后级数字处理器中的AD采样量程，在数字处理器内采用程序方式进行故障检测与判定。而纯模拟电路，如图2所示，采用运放搭建跟随器、滤波器以及比较器，将5路信号进行滤波，除去PWM斩波频率对信号的影响，再分别将V₁，V₂，V₃，与V_ref送入比较器进行比较，同时将V_bus与K_g*V_th在比较器中作比较，将四路比较结果送入逻辑门阵列，进行故障检测与判定。

三相全桥逆变器的静态故障诊断方法的流程图如图3所示：

静态三相全桥逆变器短路故障诊断：

步骤1：将三相全桥逆变器的六个功率器件的驱动信号全部置为无效状态，确保功率器件可靠关断后，母线电压再上电；

步骤2：当母线电压U_d上电后，进行全桥故障检测，实时检测母线电流采样电阻两端的电压值，当检测到的电压值V_bus值大于设定限定值V_th的K_g倍以上时，则认为三相全桥逆变器的上半桥臂与下半桥臂中同时至少有一个功率器件发生短路故障，其中K_g的具体数值可根据三相全桥逆变器所带负载的功率等级进行推算，结束故障检测；反之则认为三相全桥逆变器的上半桥臂与下半桥臂中没有同时出现功率器件发生短路故障；

步骤3：当没有检测到三相全桥逆变器的上半桥臂与下半桥臂中没有同时出现功率器件发生短路故障时，则接着检测是否发生了单纯的上半桥臂或下半桥臂短路故障。实时采样四路电阻分压网路的输出，当四路分压网络的输出值都相同时，即V₁＝V₂＝V₃＝V_ref＝(R₄₃/(R₄₁+R₄₂+R₄₃)U_d)时，则认为逆变器桥的六个功率器件都没有发生短路故障，当四路分压网路的输出中三路和三个桥臂并联的分压网络输出与母线并联的网络输出不同时，则上半桥臂或下半桥臂可能发生了短路故障。如果V₁＝V₂＝V₃＝0，而V_ref＝(R₄₃/(R₄₁+R₄₂+R₄₃)U_d)时，则说明下半桥臂功率管发生了短路故障，如果V₁＝V₂＝V₃＝(R₄₃/(R₄₂+R₄₃)U_d)，而V_ref＝(R₄₃/(R₄₁+R₄₂+R₄₃)U_d)时，则说明上半桥臂功率管发生了短路故障，如表1所示。

表1半桥臂短路故障诊断条件

注：其中“--”表示这里在判定时不关注其值的大小

其中“≈”代表，实际测量值在此附近，相对于V_ref没有明显差异

静态三相全桥逆变器开路故障诊断：

步骤1：将三相全桥逆变器的六个功率器件全部置于关断状态后，再将母线电压28V上电；

步骤2：当母线电压上电后，进行全桥故障检测，实时检测母线电流采样电阻两端的电压值，当检测到的电压值V_bus值大于V_th的K_g倍以上时，则认为三相全桥逆变器的上半桥臂与下半桥臂中均至少有一个功率器件发生短路故障，其中K_g的具体数值可根据三相全桥逆变器所带负载的功率等级进行推算，结束故障检测，反之则认为三相全桥逆变器的上半桥臂与下半桥臂中没有同时出现功率器件发生短路故障；

步骤3：当没有检测到三相全桥逆变器的上半桥臂与下半桥臂中没有同时出现功率器件发生短路故障时，则接着来检测是否发生了单纯的上半桥臂或下半桥臂短路故障，实时采样四路电阻分压网路的输出，当四路分压网络的输出值都相同，即V₁＝V₂＝V₃＝V_ref＝K_n(R₄₃/(R₄₁+R₄₂+R₄₃)U_d)时，则认为逆变器桥的六个功率器件都没有发生短路故障，其中K_n为电路中放大器的缩放比例系数，当四路分压网路的输出中三路和三个桥臂并联的分压网络输出与和母线并联的网络输出不同时，则上半桥臂或下半桥臂可能发生了短路故障，如果V₁＝V₂＝V₃＝0，而V_ref＝K_n(R₄₃/(R₄₁+R₄₂+R₄₃)U_d)时，则说明下半桥臂发生了短路故障，如果V₁＝V₂＝V₃＝K_n(R₄₃/(R₄₂+R₄₃)U_d)，而V_ref＝K_n(R₄₃/(R₄₁+R₄₂+R₄₃)U_d)时，则说明上半桥臂发生了短路故障；

步骤4：当没有检测到发生任何短路故障时，再开始进行开路故障诊断，根据实际电阻分压网络得到V_ref，其中K_n系数设定为1，由此得到T1～T6开路故障诊断条件如表3所示；

表3开路故障诊断条件

注：其中“--”表示这里在判定时不关注其值的大小

其中“≈”代表，实际测量值在此附近，相对于V_ref没有明显差异

步骤5：将T1功率器件的驱动信号调整为导通状态，实时检测三个与三相桥臂并联的电阻分压网络的输出，如果驱动信号调整前V₁，V₂，V₃，V_ref的输出为V₁＝V₂＝V₃＝V_ref＝7V，当调整驱动信号并确保T1为导通状态时，V₁，V₂，V₃，V_ref的输出为V₁＝V₂＝V₃＝9.33V，而V_ref＝7V时，则TI功率器件发生开路故障；

步骤6：将T3功率器件的驱动信号调整为导通状态，实时检测三个与三相桥臂并联的电阻分压网络的输出，如果驱动信号调整前V₁，V₂，V₃，V_ref的输出为V₁＝V₂＝V₃＝V_ref＝7V，当调整驱动信号并确保T3为导通状态时，V₁，V₂，V₃，V_ref的输出为V₁＝V₂＝V₃＝9.33V，而V_ref＝7V时，则T3功率器件发生开路故障；

步骤7：将T5功率器件的驱动信号调整为导通状态，实时检测三个与三相桥臂并联的电阻分压网络的输出，如果驱动信号调整前V₁，V₂，V₃，V_ref的输出为V₁＝V₂＝V₃＝V_ref＝7V，当调整驱动信号并确保T5为导通状态时，V₁，V₂，V₃，V_ref的输出为V₁＝V₂＝V₃＝9.33V，而V_ref＝7V时，则T5功率器件发生开路故障；

步骤8：将T2功率器件的驱动信号调整为导通状态，实时检测三个与三相桥臂并联的电阻分压网络的输出，如果驱动信号调整前V₁，V₂，V₃，V_ref的输出为V₁＝V₂＝V₃＝V_ref＝7V，当调整驱动信号并确保T2为导通状态时，V₁，V₂，V₃，V_ref的输出为V₁＝V₂＝V₃＝0，而V_ref＝7V时，则T2功率器件发生开路故障；

步骤9：将T4功率器件的驱动信号调整为导通状态，实时检测三个与三相桥臂并联的电阻分压网络的输出，如果驱动信号调整前V₁，V₂，V₃，V_ref的输出为V₁＝V₂＝V₃＝V_ref＝7V，当调整驱动信号并确保T4为导通状态时，V₁，V₂，V₃，V_ref的输出为V₁＝V₂＝V₃＝0，而V_ref＝7V时，则T4功率器件发生开路故障；

步骤10：将T6功率器件的驱动信号调整为导通状态，实时检测三个与三相桥臂并联的电阻分压网络的输出，如果驱动信号调整前V₁，V₂，V₃，V_ref的输出为V₁＝V₂＝V₃＝V_ref＝7V，当调整驱动信号并确保T6为导通状态时，V₁，V₂，V₃，V_ref的输出为V₁＝V₂＝V₃＝0，而V_ref＝7V时，则T6功率器件发生开路故障。

Claims (3)

1.一种三相全桥逆变器的静态故障诊断电路，其特征在于：在三相全桥逆变器的基本拓扑上添加了四个并联的电阻分压网络和一个母线电流采样电阻，每一个电阻分压网络由三个电阻R_x1、R_x2与R_x3组成，其中x＝1,2,3,4；并且每一组电阻分压网路的同一相应位置处的电阻阻值相同，其中三个电阻分压网络分别与逆变器的三相并联，还有一路并联于母线两端。

2.一种利用权利要求1所述的电路进行静态三相全桥逆变器短路故障诊断的方法，其特征步骤如下：

步骤1：将三相全桥逆变器的六个功率器件的驱动信号全部置为无效状态，确保功率器件可靠关断后，母线电压再上电；

步骤2：当母线电压U_d上电后，进行全桥故障检测，实时检测母线电流采样电阻两端的电压值，当检测到的电压值V_bus值大于设定限定值V_th的K_g倍以上时，Kg的具体数值可根据三相全桥逆变器所带负载的功率等级进行推算，则认为三相全桥逆变器的上半桥臂与下半桥臂中同时至少有一个功率器件发生短路故障，结束故障检测；反之则认为三相全桥逆变器的上半桥臂与下半桥臂中没有同时出现功率器件发生短路故障；

步骤3：当没有检测到三相全桥逆变器的上半桥臂与下半桥臂中没有同时出现功率器件发生短路故障时，则接着检测是否发生了单纯的上半桥臂或下半桥臂短路故障：实时采样四路电阻分压网路的输出，当四路分压网络的输出值都相同时，即V₁＝V₂＝V₃＝V_ref＝(R₄₃/(R₄₁+R₄₂+R₄₃)U_d)时，则认为逆变器桥的六个功率器件都没有发生短路故障，当四路分压网路的输出中三路和三个桥臂并联的分压网络输出与母线并联的网络输出不同时，则上半桥臂或下半桥臂可能发生了短路故障；如果V₁＝V₂＝V₃＝0，而V_ref＝(R₄₃/(R₄₁+R₄₂+R₄₃)U_d)时，则说明下半桥臂功率管发生了短路故障，如果V₁＝V₂＝V₃＝(R₄₃/(R₄₂+R₄₃)U_d)，而V_ref＝(R₄₃/(R₄₁+R₄₂+R₄₃)U_d)时，则说明上半桥臂功率管发生了短路故障，如下表所示：

半桥臂短路故障诊断条件

表中：“--”表示这里在判定时不关注其值的大小，“≈”代表，实际测量值在此附近，相对于V_ref没有明显差异。

3.一种利用权利要求1所述的电路进行静态三相全桥逆变器开路故障诊断的方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：当确定没有发生任何模式的短路故障时，将三相全桥逆变器的六个功率器件的驱动信号置为无效状态，确保功率管可靠关断状态后，母线电压再上电；

步骤2：当母线电压U_d上电，对每个功率器件进行开路故障诊断：首先确保待检测的功率器件的驱动信号为可靠关断状态，实时检测三个与三相桥臂并联的电阻分压网络的输出，根据开路故障诊断条件，针对待检功率器件给予相应驱动信号，使其处于导通状态；如果驱动信号调整前V₁，V₂，V₃，V_ref的输出为V₁＝V₂＝V₃＝V_ref＝(R₄₃/(R₄₁+R₄₂+R₄₃)U_d)，而调整后V₁、V₂以及V₃的输出发生变化，说明该功率管发生了开路故障；如果待检功率器件处于上半桥臂时，故障情况下的V₁、V₂以及V₃的输出等于(R₄₃/(R₄₂+R₄₃)U_d)；如果待检功率器件处于下半桥臂时，故障情况下的V₁、V₂以及V₃的输出等于0，具体的诊断条件和相应的驱动信号的调整如下表所示，

开路故障诊断条件

表中：“--”表示这里在判定时不关注其值的大小，“≈”代表，实际测量值在此附近，相对于V_ref没有明显差异。