CN105891658B - 一种逆变器功率管开路故障的诊断方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种逆变器功率管开路故障的诊断方法，包括以下步骤：S1、获取逆变器任意两个桥臂之间的线电压的实测值作为实测电压V_ijm，并根据预设的线电压估算模型对任意两个桥臂之间的线电压进行估算作为估算电压V_ije，实测电压V_ijm与估算电压V_ije一一对应，i、j分别为两个桥臂的排序，i∈{0,1},j∈{0,1}，且i≠j；S2、计算相对应的实测电压V_ijm与估算电压V_ije之间的误差电压Δ_ij，并根据误差电压Δ_ij的幅值与脉冲宽度判断是否有桥臂上的功率管出现开路故障；S3、当出现开路故障，根据误差电压Δ_ij的正负极性定位故障桥臂与故障功率管。本发明提供一种逆变器功率管开路故障诊断方法，能够有效提高逆变器安全、可靠性的故障诊断。

Description

一种逆变器功率管开路故障的诊断方法

技术领域

本发明涉及逆变器故障诊断技术领域，尤其涉及一种逆变器功率管开路故障的诊断方法。

背景技术

电压源逆变器供电的电机驱动系统在航空航天，军事和工业等领域得到了广泛的应用，但是由于功率开关器件的脆弱性，使其成为整个系统中最易发生故障的薄弱环节。逆变器一旦发生故障，如不及时处理，将直接影响整个系统的正常的工作，严重的话危及生命安全。因此，研究逆变器故障诊断方法具有重要的实用价值。

逆变器中功率管开路故障是一种典型故障。变流器发生故障时，电路中的电压和电流等物理量相对正常状态时将会发生变化，利用这些特征量便可对其进行故障诊断。目前，根据检测量的不同，主要分为电流检测法和电压检测法。电流检测法主要有：电流时域分析法、电流矢量轨迹与电流瞬时频率法，平均电流Park矢量法，归一化直流法和智能诊断法等。这种方法诊断时间至少需要一个基波周期，而且易受系统闭环等控制策略的影响。电压检测法主要有：电压解析模型法，当逆变器某一个功率器件发生开路故障时，逆变器相电压、电机相电压、电机线电压或电机中性点电压与正常状态相比较均存在误差，利用这些电压误差来诊断器件的故障，但是该方法需要较多的电压传感器。将开关函数模式应用到逆变器的运行模式分析中，利用高速光耦实现逆变器的无传感器开路故障诊断。在开关函数模型和分析运行模式的基础上，根据故障和正常状况下桥臂承受电压的误差，通过硬件实现故障的诊断。这两种电压检测法需要光耦或比较器，不但增加了成本，而且降低了可靠性。总体来说，故障检测的快速性、准确性和可靠性是逆变器功率管故障检测方法的重点。

发明内容

基于背景技术存在的技术问题，本发明提出了一种逆变器功率管开路故障的诊断方法。

本发明提出的一种逆变器功率管开路故障的诊断方法，包括以下步骤：

S1、获取逆变器任意两个桥臂之间的线电压的实测值作为实测电压V_ijm，并根据预设的线电压估算模型对任意两个桥臂之间的线电压进行估算作为估算电压V_ije，实测电压V_ijm与估算电压V_ije一一对应，i、j分别为两个桥臂的排序，i∈{1,2,3},j∈{1,2,3}，且i≠j；

S2、计算相对应的实测电压V_ijm与估算电压V_ije之间的误差电压Δ_ij，并根据误差电压Δ_ij的幅值与脉冲宽度判断是否有桥臂上的功率管出现开路故障；

S3、当出现开路故障，根据误差电压Δ_ij的正负极性定位故障桥臂与故障功率管。

优选地，步骤S1中的线电压估算模型为：V_ije＝(S_i-S_j)V_dc，其中，V_dc为直流母线电压，S_i、S_j分别为两个桥臂上的控制信号，控制信号由桥臂上下两个功率管的工作状态决定，S_i∈{0,1},S_j∈{0,1}。

优选地，当桥臂上管导通下管故障，控制信号取值高电平1；当桥臂上管故障下管导通，控制信号取值低电平0。

优选地，步骤S2具体包括以下步骤：

S21、将相对应的实测电压V_ijm与估算电压V_ije经过低通滤波后计算误差电压Δ_ij；

S22、预设误差阈值V_th和时间阈值T_fault；

S23、根据各误差电压Δ_ij与误差阈值V_th的比较结果获得故障逻辑值；

S24、将故障逻辑值等于2时的持续时间t_ε与时间阈值T_fault比较，并根据比较结果判断是否存在开路故障。

优选地，时间阈值T_fault＝k_fT_s，其中，k_f为时间因子，T_s为信号采样周期。

优选地，步骤S23具体为：

将各误差电压Δ_ij与设误差阈值V_th比较，获得第一逻辑值ε_i，

对各第一逻辑值ε_i求取绝对值E_ij＝|ε_i|，并根据绝对值E_ij计算故障逻辑值E_sum，

E_sum＝E₁₂+E₂₃+E₃₁。

优选地，当t_ε≥T_fault，判断开路故障存在，且当E_sum＜2，t_ε复位为0。

优选地，步骤S3具体为：当出现开路故障，判断等于1的两个绝对值共用的桥臂为故障桥臂，且当故障桥臂对应的第一逻辑值ε_i等于1，判断故障桥臂的上管故障；当故障桥臂对应的第一逻辑值ε_i等于-1，判断故障桥臂的下管故障。

优选地，步骤S1中，相邻两个桥臂之间的实测电压通过测量获得，剩余的实测电压根据测量获得的实测电压计算获得。

本发明通过计算相对应的实测电压V_ijm与估算电压V_ije之间的误差电压Δ_ij，并根据误差电压Δ_ij的幅值与脉冲宽度判断是否有桥臂上的功率管出现开路故障。脉冲宽度即时间宽度，如此，通过采用电压幅值和时间宽度双重标准保障了诊断方法的有效性和鲁棒性。

本发明中，引入故障逻辑值，且故障逻辑值的计算参考了所有的误差电压，通过故障逻辑值判断桥臂故障减少计算量，并优化了时间宽度的标准。且，本发明中，根据三个误差电压的正负性可以准确地定位故障的位置。

本发明中，以两个桥臂之间的电压作为计算基础，相较于对每一个桥臂电压的单独检测，减少了电压传感器的使用，提高了故障检测的可靠性。

本发明提供一种逆变器功率管开路故障诊断方法，能够有效提高逆变器安全、可靠性的故障诊断。

附图说明

图1为电压源型逆变器拓扑结构图；

图2为本发明提出的一种逆变器功率管开路故障的诊断方法流程图；

图3为基于误差电压的功率管开路故障诊断结构图；

图4为故障定位框图。

具体实施方式

参照图1，本发明提出的一种逆变器功率管开路故障的诊断方法，具体针对逆变器中由功率管构成的逆变桥，该逆变桥由三个并联的桥臂组成，每一个桥臂由上下两个功率管构成。本实施方式中，三个并联的桥臂为第一桥臂、第二桥臂和第三桥臂，其中，第一桥臂由串联的上管T1和下管T2组成，第二桥臂由串联的上管T3和下管T4组成，第三桥臂由串联的上管T5和下管T6组成。第一桥臂上，上管T1和下管T2之间设置节点1；第二桥臂上，上管T3和下管T4之间设置节点2；第三桥臂上，上管T5和下管T6之间设置节点3。

参照图2、图3，本发明提出的一种逆变器功率管开路故障的诊断方法，包括以下步骤。

S1、获取逆变器任意两个桥臂之间的线电压的实测值作为实测电压V_ijm，并根据预设的线电压估算模型对任意两个桥臂之间的线电压进行估算作为估算电压V_ije，实测电压V_ijm与估算电压V_ije一一对应，i、j分别为两个桥臂的排序，i∈{1,2,3},j∈{1,2,3}，且i≠j。

本实施方式中，相邻两个桥臂之间的实测电压即第一桥臂和第二桥臂之间的实测电压V_12m和第二桥臂与第三桥臂之间的实测电压V_23m通过测量获得，剩余的第一桥臂和第三桥臂之间的实测电压V_31m根据测量获得的实测电压V_12m和V_23m计算获得，V_31m＝-V_12m-V_23m。

本实施方式中，两个桥臂之间的线电压为两个桥臂上节点之间的电压。故而，第一桥臂和第二桥臂之间的实测电压V_12m通过连接在节点1和节点2之间的电压表V₁₂测量获得，第二桥臂与第三桥臂之间的实测电压V_23m通过连接在节点2和节点3之间的电压表V₂₃测量获得。

步骤S1中的线电压估算模型为：V_ije＝(S_i-S_j)V_dc，其中，V_dc为直流母线电压，S_i、S_j分别为两个桥臂上的控制信号，控制信号由桥臂上下两个功率管的工作状态决定，S_i∈{0,1},S_j∈{0,1}。具体地，当桥臂上管导通下管故障，控制信号取值高电平1；当桥臂上管故障下管导通，控制信号取值低电平0。控制信号可直接测量。

本实施方式中，

S21、将相对应的实测电压V_ijm与估算电压V_ije经过低通滤波后计算误差电压Δ_ij。

其中，V_12ef、V_12mf、V_23ef、V_23mf、V_31ef、V_31mf分别为V_12e、V_12m、V_23e、V_23m、V_31e、V_31m低通滤波后的值。

本实施方式中，为了降低误差风险，相对应的实测电压和估算电压例如V_12m和V_12e经过相同的低通滤波器进行低通滤波。进一步的，还可将V_12e、V_12m、V_23e、V_23m、V_31e、V_31m均经过相同的低通滤波器进行低通滤波。

S22、预设误差阈值V_th和时间阈值T_fault。

本实施方式中，时间阈值T_fault＝k_fT_s，其中，k_f为时间因子，T_s为信号采样周期。

S23、根据各误差电压Δ_ij与误差阈值V_th的比较结果获得故障逻辑值E_sum。

本步骤步骤S23具体为：

将各误差电压Δ_ij与设误差阈值V_th比较，获得第一逻辑值ε_i，

对各第一逻辑值ε_i求取绝对值E_ij＝|ε_i|，并根据绝对值E_ij计算故障逻辑值E_sum＝E₁₂+E₂₃+E₃₁＝|ε₁|+|ε₂|+|ε₃|。

本实施方式中，

S24、将故障逻辑值等于2时的持续时间t_ε与时间阈值T_fault比较，并根据比较结果判断是否存在开路故障。具体地，当t_ε≥T_fault，判断开路故障存在，且当E_sum＜2，t_ε复位为0。

本实施方式中，为了便于判断，可引入故障值fault，

可见，fault＝1时，必定存在功率管开路故障，反之，不存在。

S3、当出现开路故障，根据误差电压Δ_ij的正负极性定位故障桥臂与故障功率管。

本实施方式中，第一逻辑值ε_i的获得参考了误差电压Δ_ij的幅值和正负极性，故而，可根据第一逻辑值ε_i的取值以及绝对值E_ij判断故障桥臂与故障功率管。

本步骤中，当出现开路故障，判断等于1的两个绝对值E_ij共用的桥臂为故障桥臂。例如，当E₁₂＝E₃₁＝1且E₂₃＝0，则E₁₂与第一桥臂和第二桥臂相关，E₃₁与第一桥臂和第三桥臂相关，故而，E₁₂和E₃₁共用第一桥臂，可判断，第一桥臂为故障桥臂，即第一桥臂上存在故障功率管。

本步骤中，当故障桥臂对应的第一逻辑值ε_i等于1，判断故障桥臂的上管故障；当故障桥臂对应的第一逻辑值ε_i等于-1，判断故障桥臂的下管故障。例如，当第一桥臂对应的第一逻辑值ε₁等于1，判断第一桥臂的上管故障；当第一桥臂对应的第一逻辑值ε₁等于-1，判断第一桥臂的下管故障。

本实施方式中，故障桥臂和故障功率管的定位可参照图4。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种逆变器功率管开路故障的诊断方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、获取逆变器任意两个桥臂之间的线电压的实测值作为实测电压V_ijm，并根据预设的线电压估算模型对任意两个桥臂之间的线电压进行估算作为估算电压V_ije，实测电压V_ijm与估算电压V_ije一一对应，i、j分别为两个桥臂的排序，i∈{1,2,3},j∈{1,2,3}，且i≠j；

S2、计算相对应的实测电压V_ijm与估算电压V_ije之间的误差电压Δ_ij，并根据误差电压Δ_ij的幅值与脉冲宽度判断是否有桥臂上的功率管出现开路故障；

S3、当出现开路故障，根据误差电压Δ_ij的正负极性定位故障桥臂与故障功率管；

其中，步骤S1中的线电压估算模型为：V_ije＝(S_i-S_j)V_dc，其中，V_dc为直流母线电压，S_i、S_j分别为两个桥臂上的控制信号，控制信号由桥臂上下两个功率管的工作状态决定，S_i∈{0,1},S_j∈{0,1}。

2.如权利要求1所述的逆变器功率管开路故障的诊断方法，其特征在于，当桥臂上管导通下管故障，控制信号取值高电平1；当桥臂上管故障下管导通，控制信号取值低电平0。

3.如权利要求1所述的逆变器功率管开路故障的诊断方法，其特征在于，步骤S2具体包括以下步骤：

S21、将相对应的实测电压V_ijm与估算电压V_ije经过低通滤波后计算误差电压Δ_ij；

S22、预设误差阈值V_th和时间阈值T_fault；

S23、根据各误差电压Δ_ij与误差阈值V_th的比较结果获得故障逻辑值；

S24、将故障逻辑值等于2时的持续时间t_ε与时间阈值T_fault比较，并根据比较结果判断是否存在开路故障；

其中，步骤S23具体为：

将各误差电压Δ_ij与设误差阈值V_th比较，获得第一逻辑值ε_i，

对各第一逻辑值ε_i求取绝对值E_ij＝|ε_i|，并根据绝对值E_ij计算故障逻辑值E_sum，

E_sum＝E₁₂+E₂₃+E₃₁。

4.如权利要求3所述的逆变器功率管开路故障的诊断方法，其特征在于，时间阈值T_fault＝k_fT_s，其中，k_f为时间因子，T_s为信号采样周期。

5.如权利要求3所述的逆变器功率管开路故障的诊断方法，其特征在于，当t_ε≥T_fault，判断开路故障存在，且当E_sum＜2，t_ε复位为0。

6.如权利要求3所述的逆变器功率管开路故障的诊断方法，其特征在于，步骤S3具体为：当出现开路故障，判断等于1的两个绝对值共用的桥臂为故障桥臂，且当故障桥臂对应的第一逻辑值ε_i等于1，判断故障桥臂的上管故障；当故障桥臂对应的第一逻辑值ε_i等于-1，判断故障桥臂的下管故障。

7.如权利要求1所述的逆变器功率管开路故障的诊断方法，其特征在于，步骤S1中，相邻两个桥臂之间的实测电压通过测量获得，剩余的实测电压根据测量获得的实测电压计算获得。