CN107656184A

CN107656184A - 一种npc三电平变流器的开关管故障诊断方法

Info

Publication number: CN107656184A
Application number: CN201710777906.8A
Authority: CN
Inventors: 林鹤云; 王沈晟; 王克羿; 阳辉
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2017-09-01
Filing date: 2017-09-01
Publication date: 2018-02-02
Anticipated expiration: 2037-09-01
Also published as: CN107656184B

Abstract

本发明公开了一种NPC三电平变流器的开关管故障诊断方法，以一相桥臂为检测单元，针对该桥臂上开关管单个开路故障，以所述相桥臂的开关状态、输出电流、流经上下方的外侧开关管的电流这四个量为故障特征量，通过位于外侧功率器件的外端处的电流传感器A1检测流经上方外侧开关管的电流的电流值，通过位于输出线端处的电流传感器A2检测输出电流的电流值和通过位于外侧功率器件另一外端处的电流传感器A3检测流经下方的外侧开关管的电流的电流值，通过所述的三处电流传感器检检测到的输出电流的电流值和流经上下方外侧开关管的电流的电流值推断出电路内部的电流流经路径，结合此刻开关状态，与无故障时对应的电流路径进行比对，得出开关管开路故障诊断结果。

Description

一种NPC三电平变流器的开关管故障诊断方法

技术领域

本发明涉及一种NPC三电平变流器的开关管故障诊断方法，属于电力电子器件故障诊断领域。

背景技术

在变流技术应用中，多电平功率变换技术与传统两电平技术相比，具有单个功率器件承受的电压电流应力更小、输出的电压波形更接近正弦波和电流谐波含量较少等显著优点，特别适用于电力机车驱动、新能源并网、冶金设备操控等大功率传动领域。其中，二极管箝位型(Neutral Point Clamped,NPC)三电平变流结构是目前技术最为成熟、应用最为广泛的一种多电平变流拓扑结构。在实际工程应用中，由于变流器的能量密度高、运行工况复杂、半导体器件的可靠性相对较低，变流器的开关管常会发生短路、开路故障，并导致电路无法正常工作，造成更严重的损失和危害。综上，研究二极管箝位型三电平变流器开关管的故障特征，提出相应的故障诊断方法，尽快汇报开关管故障的类型和位置对于提高变流器的可靠性具有重要意义。

目前，对二极管箝位型(NPC)三电平变流器的开关管故障诊断技术的研究主要依据信号处理法和原理分析法这两种研究路径。信号处理法一般先对采集于变流器不同位置的电压、电流信号进行傅里叶变换、小波变换等信号处理提取特征信号，再将特征信号通过神经网络、贝叶斯模型、支持向量机等方式进行分类，进而确定故障发生的原因和具体的位置。原理分析法则先根据不同工作状态下的电路拓扑，分析得到电压、电流的波形，建立对应的知识库，再将采集到的电压、电流信号与预先建立的知识库进行比对，进而判断故障发生的原因和位置。

信号处理法在处理过程中，对信号长度有一定的要求，同时计算较为复杂，降低了故障诊断的时效性，通过算法模型分类未能对故障机理从原理上进行分析且对算法训练的要求很高，降低了故障判断的准确性。原理分析法从故障发生的原理出发，保障了故障判断的准确性，但现有的原理分析法由于采集到的电压电流信号有限存在故障位置判断不够明确、需要装设体积较大的电压传感器、仅适用于逆变或整流的工作环境等问题。

发明内容

本发明为解决现有技术中存在的不足，提出一种NPC三电平变流器的开关管故障诊断方法，该诊断方法在实际应用中，通过电路原理分析，将路径判断简化为一组逻辑判断，具有原理明晰、方法简单、易于实现的优点。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种NPC三电平变流器的开关管故障诊断方法，以一相桥臂为检测单元，针对该桥臂上开关管单个开路故障，以所述相桥臂的开关状态、输出电流、流经上下方的外侧开关管的电流这四个量处理为一组故障特征量，通过位于外侧功率器件的外端处的电流传感器A1检测流经上方的外侧开关管的电流的电流值，通过位于输出线端处的电流传感器A2检测输出电流的电流值和通过位于外侧功率器件的另一外端处的电流传感器A3检测流经下方的外侧开关管的电流的电流值，通过输出电流的电流值和流经上下方的外侧开关管的电流的电流值推断出电路内部的电流流经路径，结合此刻开关状态，与无故障时对应的电流路径进行比对，得出故障诊断结果。

进一步的，包括以下步骤：

a.NPC三电平变流器有三种工作状态，分别对应特征信号1、0、-1，特征信号1指仅桥臂上方两个IGBT导通的状态，特征信号0指仅桥臂中间两个IGBT导通的状态，特征信号-1指仅桥臂下方两个IGBT导通的状态；

b.对电流传感器A1、电流传感器A2和电流传感器A3检测到的电流值进行过零检测，并设置阈值范围，过零阈值的幅值为额定电流幅值的0.005至0.01，当检测到的电流值高于阈值范围时，此处电流信号处理为1，属于该范围的电流信号处理为0，低于该范围的电流信号处理为-1；

c.根据不同开关状态下对应的电流路径特征进行分析，根据电流路径出现的优先级关系，判断电路中出现开路故障的开关管的具体位置；

d.将该桥臂的工作状态信号、流经上方的外侧开关管的电流信号、输出电流信号、流经下方的外侧开关管的电流信号组成特征信号，当特征信号依次为下列组合且延续超过设定的阈值时间时，可以诊断出开关管开路故障：

当特征信号为1，0，-1，0，为开关管T1开路；

当特征信号为1或0，0，-1，-1，为开关管T2开路；

当特征信号为0或-1，-1，1，0，为开关管T3开路；

当特征信号为-1，0，1，0，为开关管T4开路。

进一步的，可在各相桥臂独立施展，实现多管故障诊断。

本发明的一相桥臂由四个带有反并联二极管的IGBT串联而成，直流环节由两个相同的支撑电容串联而成，两个箝位二极管串联且于内侧两个IGBT与外侧两个IGBT之间接入主桥臂。对于一相桥臂而言，其所发生的开关管故障根据故障开关管数量不同，可以分为单管故障和多管故障，开关管单管故障，可分为单管短路故障和单管开路故障这两种，每种又根据故障开关管的具体位置可分为四种。考虑到问题的复杂性，对于多管故障，仅考虑双管开路故障，包括半桥臂内外侧开关管均开路故障和上下半桥臂内外侧开关管分别开路故障。

本发明的有益效果是：本发明与现有技术相比，具有以下优点：本发明通过在每个单相桥臂中装设电流传感器，实现了实时分析电流的实际流经路径，避免了部分诊断方法中所使用的电压互感器，显著缩小了诊断装置的总体积。与基于信号的故障诊断方法相比，该方法不需要对变流器的电压电流信号进行复杂的数学处理，大大提高了诊断的效率，减少了设备带故障运行的时间。由于该诊断方法是基于NPC三电平变流器在正常工作状态下电流流经的路径与故障状态下的路径的区别，判断原理明晰，无需大量识别训练，准确率高。

附图说明

图1为本发明二极管箝位型三电平变流器的电路图；

图2为本发明故障诊断的一相桥臂的电路图；

图3为本发明电流过零阈值范围的示意图；

图4为单相桥臂无故障状态下电流流经路径汇总图；

图5为本发明开关管开路诊断故障逻辑判断图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明专利做进一步说明。参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

以二极管箝位型三电平变流器为例，变流器的电路图如图1所示，该变流器可用于整流器和逆变器的不同场合。本实施例的故障诊断方法以一相桥臂作为一个检测单元，根据对称的原则，选取其中一相桥臂的电路做具体分析，具体参考图2。该相桥臂包括开关管T1、T2、T3和T4，开关管反串联二极管D1、D2、D3和D4，以及箝位二极管D5和D6，直流环节由两个规格相同的支撑电容C1和C2串联而成，电流传感器A1设置在外侧功率器件的外端处、电流传感器A2设置在输出线端处和电流传感器A3设置于外侧功率器件的另一外端处，图2所示的直流环节中，从上到下的电位分别记为u_p、u_o、u_n，电路正常工作时，直流环节支撑电容C1和C2正常工作，u_p高于u_o高于u_n。

如图2中电流传感器旁箭头所示，对于故障检测电路中的三处电流传感器，为了表述清楚，依照序号顺序，将这三处电流分别简称为上方电流、相电流和下方电流，并分别以向下、向桥臂、向下为正方向，本实施例的故障诊断方法，需要对上述三处电流信号设置过零阈值范围，过零阈值的幅值推荐为额定电流幅值的0.005至0.01，过零阈值设定过小会导致故障检测误报，过零阈值设定过大会导致故障诊断不够敏感，当电流高于阈值范围时，此处电流信号处理为1，同理，属于该范围、低于该范围的电流信号分别处理为0和-1，如图3所示。

图4为无故障状态下，该相桥臂所有可能出现的电流路径，电流传感器的框内表示了电路中仅次一条电流路径时对应的电流方向。如图4所示，无故障状态下，该相电路中有六条电流路径，其中，三条路径的电流流入桥臂，另三条路径的电流流出桥臂。所述的电流路径中，部分路径需要经过开关管，因此只有对应开关管导通的状态下，才能存在，电流路径对开关状态的依赖关系及其对应的电流信号如表1所示。

表1电流路径与工作状态关系表

路径名	依赖的开关状态	电流信号
			路径1	1，0，-1	-1，1，0
路径2	0，-1	0，1，0
			路径3	-1	0，1，1
路径4	1	1，-1，0
			路径5	1，0	0，-1，0
路径6	1，0，-1	0，-1，-1

由表1可以看出，工作状态为-1时，电流路径可能为路径1、路径2、路径3或路径6。在实际应用中，电路中电流究竟走哪一条或者是哪几条路径还需要结合考虑图2所示的u_k处的电压。根据所述，正常工作状态下，u_p高于u_o高于u_n，可以将u_k取不同值时，对应的路径总结如下表2所示。

表2工作状态为-1时，电流路径与输出端电压的关系表

负载电压	电流路径
		u_k<u_n	路径6
u_n<u_k<u_o	路径3
		u_o<u_k<u_p	路径2路径3
u_p<u_k	路径1路径2路径3

从表2可以看出，在电路正常工作时，，如若开关状态为-1，路径2不会在没有路径3的情况下单独出现，同理，路径1不会在没有路径2和路径3的情况下单独出现。在仅考虑开关管单管故障的状况下，只有开关管T4发生开路故障，才会导致路径3被切断，当u_o<u_k<u_p时，路径2单独出现，参照表1可知，此时的电流信号为(0，1，0)，也就是说，当检测故障特征信号为(-1，0，1，0)时，即可判断是开关管T4发生了开路故障。同理，只有电路中开关管T3发生开路故障时，才会导致路径2被切断，当u_p<u_k时，路径1单独出现，即当故障特征信号为(-1，-1，1，0)时，可以判断开关管T3发生开路故障。

与上述分析相似，当工作状态为0时，电流路径与输出端电压的关系参见表3。

表3工作状态为0时，电流路径与输出端电压的关系表

负载电压	电流路径
		u_k<u_n	路径5路径6
u_n<u_k<u_o	路径5
		u_o<u_k<u_p	路径2
u_p<u_k	路径1路径2

从表3可见，在电路正常工作时，无故障状态下，如若开关状态为0，只有开关管T3发生开路故障的状态下，当u_p<u_k时，路径1才会单独于路径2出现，即当故障特征信号为(0，-1，1，0)时，可以判断开关管T3发生开路故障。

根据对称的关系，可以推导出故障特征信号为(1，0，-1，0)时，开关管T1发生开路故障，当故障特征信号为(1，0，-1，-1)或(0，0，-1，-1)时，可以判断开关管T2发生开路故障。

需要注意的是，由于电路中存在电感，电路中的电流不能瞬间变化，为避免工作状态变化瞬间电流尚未改变造成的故障误报，只有检测到所述的故障特征信号持续超过预先设定的阈值时间，才会输出开路诊断的结果。

本实施例的开关管开路故障诊断规则可以总结为图5所示的逻辑判断框图，且该故障诊断方法可以在每相独立进行故障诊断，在上述诊断方式的基础上，进行的多管故障诊断。

Claims

1.一种NPC三电平变流器的开关管故障诊断方法，其特征在于：以一相桥臂为检测单元，针对该桥臂上开关管单个开路故障，以所述相桥臂的开关状态、输出电流、流经上下方的外侧开关管的电流这四个量处理为一组故障特征量，通过位于外侧功率器件的外端处的电流传感器A1检测流经上方外侧开关管的电流的电流值，通过位于输出线端处的电流传感器A2检测输出电流的电流值和通过位于外侧功率器件另一外端处的电流传感器A3检测流经下方的外侧开关管电流的电流值，通过所述的三处电流传感器检检测到的输出电流的电流值和流经上下方外侧开关管的电流的电流值推断出电路内部的电流流经路径，结合此刻开关状态，与无故障时对应的电流路径进行比对，得出开关管开路故障诊断结果。

2.根据权利要求1所述的一种NPC三电平变流器的开关管故障诊断方法，其特征在于：包括以下步骤：

当特征信号为1，0，-1，0，为开关管T1开路；

当特征信号为1或0，0，-1，-1，为开关管T2开路；

当特征信号为0或-1，-1，1，0，为开关管T3开路；

当特征信号为-1，0，1，0，为开关管T4开路。

3.根据权利要求1或2所述的一种NPC三电平变流器的开关管故障诊断方法，其特征在于：可在各相桥臂独立施展，实现多管故障诊断。