CN105974253B - 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，先定义逆变器的故障线电压的包络线函数；获取逆变器的输出线电压；对所述输出线电压进行预处理，获得有效故障信息；根据所述有效故障信息并结合线电压包络线函数，得出开路故障引起的电压畸变特征；根据所述电压畸变特征，定位故障桥臂。本发明公开的逆变器功率管开路故障的诊断方法，无需获取系统控制信号，一般可在一个载波周期内定位故障，诊断过程与逆变器控制方式以及负载均无关，具有良好的鲁棒性，诊断电路结构非常简单，也可用于其他三相逆变电路的桥臂开路故障诊断。

Description

一种逆变器功率管开路故障的诊断方法

技术领域

本发明涉及基于PWM技术的逆变器领域，特别是指一种逆变器功率管开路故障的诊断方法。

背景技术

基于PWM技术的逆变器在工业领域中应用极其广泛，其可靠性至关重要，但变流系统的故障目前不可能被完全消除，因此，面向变流系统的故障诊断技术近年来成为研究的热点。工业变流系统故障主要由电容器故障、半导体功率管及其驱动电路故障组成。

从故障诊断的对象入手，可将故障诊断成果分为两类，第一类成果针对元器件故障进行诊断，这类故障诊断需对电容器及功率半导体器件的物理特性、结构有深入了解，当前存在故障模型精度不高，故障特征难以提取等问题。

第二类成果针对元器件故障引起的电路结构故障进行诊断，电路结构故障主要包含桥臂短路和开路两种，其中，短路故障破坏性大，需通过保护电路瞬间关闭系统从而保护剩余器件；开路故障不一定引起系统瞬间崩溃，但可能引起其他器件的二次损伤，最终导致系统失效。这类方法需采集变流器触发脉冲作为诊断变量，或需将诊断方法整合入控制系统，这对已服役的变流系统难以实现；部分方法还需增加传感器获取特定变量，或者采用受负载影响较大的输出电流作为诊断依据；此外，部分方法计算量较大，需增加复杂的诊断电路。这些缺点使目前的故障诊断方法在推广应用上存在一定困难。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提出一种简单易推广的逆变器功率管开路故障的诊断方法。

基于上述目的本发明提供的一种逆变器功率管开路故障的诊断方法，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：

定义逆变器的故障线电压的包络线函数；

实时获取逆变器的输出线电压；

对所述输出线电压进行预处理，获得有效故障信息；

根据所述有效故障信息并结合所述故障线电压包络线函数，得出开路故障引起的电压畸变特征；

根据所述电压畸变特征，定位故障桥臂。

进一步的，在所述逆变器故障线电压包络线函数的定义式为：

其中为时间区间，n＝1,2,3，所述逆变器输出线电压包络线函数的定义式定义的六条包络线分别为逆变器晶体管开路故障的故障线电压包络线。

进一步的，对所述输出线电压进行预处理，获得有效故障信息的过程包括：

根据故障特征变量预处理方程对状态信息进行处理，去除不包含故障信息的部分，故障特征变量预处理方程为：

m＝1,2,3；n＝1,2,3

其中，u_n在n＝1，2，3时分别代表u_ab，u_bc和u_ca，和分别代表三相上管和下管开路的故障特征变量，|uTH|<udc，是一个常量。

进一步的，根据所述有效故障信息并结合所述故障线电压包络线函数，得出开路故障引起的电压畸变特征的步骤包括：

根据所述有效故障信息判断是否发生故障，所述故障诊断函数为：

进一步的，当发生故障时，所述诊断函数的值为非零值。

进一步的，当发生故障时，若发生故障的桥臂为上管时，所述有效故障信息为所述上管的负半周期的输出线电压；若发生故障的桥臂为下管时，所述有效故障信息为所述上管的正半周期的输出线电压。

从上面所述可以看出，本发明提供的一种逆变器功率管开路故障的诊断方法，先定义逆变器的故障线电压的包络线函数；获取逆变器的输出线电压；对所述输出线电压进行预处理，获得有效故障信息；根据所述有效故障信息并结合线电压包络线函数，得出开路故障引起的电压畸变特征；根据所述电压畸变特征，定位故障桥臂。无需获取系统控制信号，一般可在一个载波周期内定位故障，诊断过程与逆变器控制方式以及负载均无关，具有良好的鲁棒性，诊断电路结构非常简单，也可用于其他三相逆变电路的桥臂开路故障诊断。

附图说明

图1为本发明实施例的逆变器功率管开路故障的诊断方法的流程图；

图2为本发明中涉及的逆变器的工作原理图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

如图1所示，为本发明一种逆变器功率管开路故障的诊断方法的一个实施例的示意图，在本实施例中，包括以下步骤：

步骤101：定义逆变器的故障线电压的包络线函数。

步骤102：获取逆变器的输出线电压。

步骤103：对所述输出线电压进行预处理，获得有效故障信息。

步骤104：根据所述有效故障信息并结合线电压包络线函数，得出开路故障引起的电压畸变特征。

步骤105：根据所述电压畸变特征，定位故障桥臂。

本发明公开的逆变器功率管开路故障的诊断方法，无需获取系统控制信号，一般可在一个载波周期内定位故障，诊断过程与逆变器控制方式以及负载均无关，具有良好的鲁棒性，诊断电路结构非常简单，也可用于其他三相逆变电路的桥臂开路故障诊断。

作为本发明的一个实施例，在所述获取逆变器的输出线电压之前，还包括：

定义逆变器输出线电压包络线函数，所述逆变器输出线电压包络线函数的定义式为：

其中为时间区间，n＝1,2,3，所述逆变器输出线电压包络线函数的定义式定义的六条包络线分别为逆变器晶体管开路故障的故障线电压包络线。

作为本发明的另一个实施例，对所述输出线电压进行预处理，获得有效故障信息的过程包括：

根据故障特征变量预处理方程对状态信息进行处理，去除不包含故障信息的部分，故障特征变量预处理方程为：

m＝1,2,3；n＝1,2,3

其中，u_n在n＝1，2，3时分别代表u_ab，u_bc和u_ca，和分别代表三相上管和下管开路的故障特征变量，|uTH|<udc，是一个常量。

作为本发明的又一个实施例，在所述对所述输出线电压进行预处理，获得有效故障信息之后，还包括：

根据所述有效故障信息判断是否发生故障，所述故障诊断函数为：

在本发明的一些实施例中，当发生故障时，所述诊断函数的值为非零值。

在本发明的另一些实施例中，当发生故障时，若发生故障的桥臂为上管时，所述有效故障信息为所述上管的负半周期的输出线电压；若发生故障的桥臂为下管时，所述有效故障信息为所述上管的正半周期的输出线电压。

如图2所示，为本发明中涉及的逆变器的原理示意图。其中：T1～T6为IGBT，D1～D6为其反并联二极管；C11～C14，R11～R14共同组成支撑电容环节，为逆变提供稳定的直流输入电压；KM2和R10组成预充电电路，用于限制开机输入电流；KM3和R15组成放电支路，用于停机后泄放支撑电容的电量；L1为输入平波电抗器；La～Lc为输出滤波电感；Ca～Cc为无感电容。逆变器输入电压为直流600V，输出电压为三相380V/50Hz；逆变器采用SPWM控制。

由于逆变器故障通常表现为桥臂开路故障，因此针对逆变器故障问题，只需要定位故障桥臂。

逆变器采用SPWM控制，其本质是通过对比参考信号和载波信号的大小，产生用于控制T1-T6的触发信号。这里定义参考信号如式(1)，其中ur为参考信号幅值，fr为参考信号频率，Tr＝1/fr为载波周期，对ABC三相分别为0，-2π/3，2π/3。

三相共用的载波信号定义为：

其中，k为自然数，uc为载波幅值，Tc为载波周期，fc＝1/Tc为载波频率。由以上参考信号和载波信号的定义，可推出逆变器的开关信号方程如式(3)：

其中，为ABC三相；代表相上管导通，下管关断，则代表相下管导通，上管关断。由此可得各开关管在正常状态下承受的电压如式(4)所示：

其中k＝1,3,5 (4)

由基尔霍夫定理并结合式(4)可得逆变器输出线电压uab(t)、ubc(t)和uca(t)如下式(6)：

结合上述分析，以A相为例，提出推论1：

证明：由式(3)可得：

由式(8)可以得出：

所以：

计算r_A(t)-r_B(t)可得：

因此：

可见，uab(t)以和相同的周期在大于等于零和小于等于零之间切换。同理，ubc(t)和uca(t)也满足同样推论。为方便起见，定义两个时间区间如下：

其中，代表ABC三相。由推论1得出正常时uab(t)，ubc(t)及uca(t)的值及其他参数如表1所示：

表1正常工况下线电压

Table.1Line to line voltage under normal conditions

单管开路对输出线电压的影响明显，可为定位故障提供足够信息。以A相T1管为例，分析单管开路故障时系统的工作特征。由于当T1开路且tr_A(t)＝0时，系统工作状态与正常状态一致。因此仅需讨论tr_A(t)＝1时的情况，因此，tr_A(t)-tr_B(t)≥0，即前面所定义的t_AZone₁区间。由式(6)可得此时u_ab(t)与tr_B(t)也有关，可为四种情况进行分析：

i_a(t)>0,tr_B(t)＝1

当i_a>0时，i_a只能通过D2流通，uan(t)＝0；又因tr_B(t)＝1，因此，ubn(t)＝udc，uab(t)＝uan(t)-ubn(t)＝-udc。

i_a(t)<0,tr_B(t)＝1

当i_a<0时，i_a只能通过D1流通，uan(t)＝udc；又因tr_B(t)＝1，ubn(t)＝udc，uab(t)＝uan(t)-ubn(t)＝0。

i_a(t)>0,tr_B(t)＝0

当i_a>0时，uan(t)＝0；因tr_B(t)＝0，ubn(t)＝0，uab(t)＝uan(t)-ubn(t)＝0。

i_a(t)<0,tr_B(t)＝0

当i_a<0时，uan(t)＝udc；tr_B(t)＝0，ubn(t)＝0，uab(t)＝uan(t)-ubn(t)＝udc。

表2故障状态下的线电压特征

Table.2Line to line voltage feature

同理，T2开路情况也可以用相似方法分析，从而获得表2，表2列出了T1和T2分别开路时，与正常工况下不同的状态。任意单管开路的情况下u_ab(t),u_bc(t)和u_ca(t)的情况都可以用上述方法进行分析，T3/T4和T5/T6情况与之相似，仅在时间区间上存在的区别。

以T1和T2开路为例，对比表1和表2的分析结果不难发现：T1开路导致u_ab(t)在t_AZone₁区间出现小于零的情况，T2开路导致u_ab(t)在t_AZone₂区间出现大于零的情况，且开路后的线电压仍遵循一定规律，利用这些特征，可实现诊断和定位。分别定义故障线电压包络线为：

其中n＝1,2,3。由式(12)定义的六条包络线分别为T1-T6开路故障的故障线电压包络线。

利用前述的故障线电压包络线，与实测线电压进行比较，即可诊断和定位开路故障。由逆变器的异常工作状态分析可知，当上管发生开路故障时，线电压与正常状态的区别仅在其负半周体现，因此，先对状态信息进行处理，去除不包含故障信息的部分，提出故障特征变量预处理方程如式(13)所示：

m＝1,2,3；n＝1,2,3

其中，un在n＝1，2，3时分别代表uab，ubc和uca。和分别代表三相上管和下管开路的故障特征变量。|uTH|<udc，是一个常量。

定义故障诊断函数如下：

当故障诊断函数(14)和(15)出现非零值，即代表发生故障。

以A相的T1开路为例，假设t1时刻T1管开路，分正常和异常两个时段对所提方法举例分析，正常状态(t<t1)：

对于A相，θA＝0，T1为上管，因此特征变量和包络线分别为：

由表1可知：

由式(16)和(18)可得:

把式(17)和(19)代入式(14)可得：

同理可得正常工况无误警。

故障状态(t>t1)：

由表2可知当发生故障时：

由式(16)和(21)可得：

将式(17)和(22)代入式(14)可得：

故障诊断函数可以准确指示T1开路故障，此时用相同的分析方法分析T2的包络线和特征值可得：

同理可推导并证明对于任意开关管的开路，都可用式(12)～(15)按如上分析过程进行诊断。

负载变化主要影响输出电流，逆变器输出线电压受控制系统实时调整，仅在负载发生突变时刻存在一定的波动，当前一般工业用逆变器的输出电压稳态调整率基本能做到±5％以内。

由于所选用的故障诊断特征变量是由逆变器输出线电压提炼的，而输出电压是通过控制pwm的占空比来调整的，负载变化并不影响推论1、表1和表2的结果，因此，负载突变只要在spwm的调整范围内，本方法都不会出现误警或不可预知情况。

由于本方法的理论基础来源于输出电压的周期性变化特性，因此，只要是定频输出的逆变器，不论采取何种控制方式，本方法都是有效的，且控制频率和电压输出频率越高，诊断速度也随之提高。诊断准确性不会受控制频率以及控制方法的影响。

故障发生时刻t1在不同时间区间对故障诊断的速度存在影响，以T1开路为例，当t∈t_AZone₁时，故障特征会立即体现在uab(t)上，故障可在一个载波周期内被诊断，当故障发生在t∈t_AZone₂时，故障不会马上体现，需等待最长半个工作周期后，才能被诊断，由于开关管故障通常发生在开关高电压、大电流的时候，因此，T1在trA(t)＝0时发生故障的可能性较低。其他管开路情况也与此类似。可见，本发明的逆变器功率管开路故障的诊断方法具有普遍的适用性，更容易推广使用。

需要说明的是，本发明实施例中所有使用“第一”和“第二”的表述均是为了区分两个相同名称非相同的实体或者非相同的参量，可见“第一”“第二”仅为了表述的方便，不应理解为对本发明实施例的限定，后续实施例对此不再一一说明。

所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。

另外，为简化说明和讨论，并且为了不会使本发明难以理解，在所提供的附图中可以示出或可以不示出与集成电路(IC)芯片和其它部件的公知的电源/接地连接。此外，可以以框图的形式示出装置，以便避免使本发明难以理解，并且这也考虑了以下事实，即关于这些框图装置的实施方式的细节是高度取决于将要实施本发明的平台的(即，这些细节应当完全处于本领域技术人员的理解范围内)。在阐述了具体细节(例如，电路)以描述本发明的示例性实施例的情况下，对本领域技术人员来说显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下或者这些具体细节有变化的情况下实施本发明。因此，这些描述应被认为是说明性的而不是限制性的。

尽管已经结合了本发明的具体实施例对本发明进行了描述，但是根据前面的描述，这些实施例的很多替换、修改和变型对本领域普通技术人员来说将是显而易见的。例如，其它存储器架构(例如，动态RAM(DRAM))可以使用所讨论的实施例。

本发明的实施例旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

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：

定义逆变器的故障线电压的包络线函数；

实时获取逆变器的输出线电压；

对所述输出线电压进行预处理，获得有效故障信息；

根据所述有效故障信息并结合所述故障线电压包络线函数，得出开路故障引起的电压畸变特征；

根据所述电压畸变特征，定位故障桥臂；

所述包络线函数的定义式为：

其中为时间区间，n＝1,2,3，所述逆变器故障线电压包络线函数的定义式定义的六条包络线分别为逆变器晶体管开路故障的故障线电压包络线。

2.根据权利要求1所述的逆变器功率管开路故障的诊断方法，其特征在于，对所述输出线电压进行预处理，获得有效故障信息的过程包括：

根据故障特征变量预处理方程对状态信息进行处理，去除不包含故障信息的部分，故障特征变量预处理方程为：

其中，u_n在n＝1，2，3时分别代表u_ab，u_bc和u_ca，a、b、c分别为三相信号节点，u_ab、u_bc、u_ca分别为不同节点之间的电压；和分别代表三相上管和下管开路的故障特征变量，|uTH|<udc，是一个常量。

3.根据权利要求1所述的逆变器功率管开路故障的诊断方法，其特征在于，根据所述有效故障信息并结合所述故障线电压包络线函数，得出开路故障引起的电压畸变特征的步骤包括：

根据所述有效故障信息判断是否发生故障，故障诊断函数为：

4.根据权利要求3所述的逆变器功率管开路故障的诊断方法，其特征在于，当发生故障时，所述诊断函数的值为非零值。

5.根据权利要求3所述的逆变器功率管开路故障的诊断方法，其特征在于，当发生故障时，若发生故障的桥臂为上管时，所述有效故障信息为所述上管的负半周期的输出线电压；若发生故障的桥臂为下管时，所述有效故障信息为所述上管的正半周期的输出线电压。