CN108414873A - 一种三相逆变器功率器件开路故障检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电力电子技术领域，具体涉及一种三相逆变器功率器件开路故障检测方法，该故障检测方法结合空间矢量调制算法的特征，建立了调制扇区与功率器件之间独特的对应关系，并通过实时检测三相输出电压，准确定位发生开路故障的功率器件，该检测方法能够在现有三相逆变器硬件系统的基础上实现功率器件开路故障检测，硬件成本低，该故障检测方法不受负载工作状态的影响，具有良好的鲁棒性，逆变器扇区与功率器件有着一一对应的关系，能够准确定位故障开关。

Description

一种三相逆变器功率器件开路故障检测方法

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，具体涉及一种三相逆变器功率器件开路故障检测方法。

背景技术

三相逆变器能将直流电源转化为输出电压幅值和频率可调的三相交流电源，例如三相逆变器将太阳电池板、燃料电池组等新能源发电装置产生的直流电转换成电机负载所需的三相正弦电流或者并网系统所需的三相正弦电压。当前，三相逆变器已被广泛应用于日常生活中或者工业应用领域，如家用电器、电机驱动、风能发电等场合。

随着现代工业技术的不断发展，在飞机、汽车、高铁等重要工业领域，三相逆变器的可靠性是确保系统安全、长久地运行先进工业电气系统的基本保障。国外学者展开了一项关于电力电子装置可靠性的调查，而调查结果表明半导体器件以31％的比例排在所有脆弱元件中的第一位，而造成故障的主要原因是环境、系统瞬态响应和负载重载。

在三相逆变器中，全控型功率器件IGBT或MOSFET控制了系统所需的三相交流电压的频率和幅值，三相逆变器是由六个功率器件组成的三相桥式结构，在系统在老化、过载以及一些不可预知的外界操作等条件影响下,逆变器会发生功率器件故障，例如，在交流调速驱动中,多达70％的故障都和功率器件有关，综上所述，研究三相逆变器功率器件开路故障检测技术具有重要的意义。

发明内容

(一)解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供了一种三相逆变器功率器件开路故障检测方法，用于解决在系统在老化、过载以及一些不可预知的外界操作等条件影响下,逆变器会发生功率器件故障等问题；本发明通过以下技术方案予以实现：

(二)技术方案

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：

一种三相逆变器功率器件开路故障检测方法，包括三相逆变器，所述三相逆变器是由六个功率器件组成的三相桥式结构，其具体检测步骤包括：

步骤一：当旋转电压矢量UREF进入新的逆变器扇区，将当前逆变器扇区的计数值n1置零；

步骤二：记录当前逆变器扇区的具体标号，并在每个调制周期内检测和该扇区相对应的输出相电压幅值；

步骤三：判断检测到的输出相电压幅值的绝对值是否满足故障检测条件，若条件不成立，n1保持不变；否则n1加1；

步骤四：在当前逆变器扇区的每个调制周期内，判断n1是否大于给定的参考值N1，若条件成立，则在当前扇区产生故障检测信号，并结合逆变器扇区与功率器件间的对应关系判断具体发生开路故障的功率器件；若条件不成立，则三相逆变器正常运行。

优选的，所述三相逆变器采用电压空间矢量调制算法，六个所述功率器件记为Sap、San、Sbp、Sbn、Scp、Scn，将六个所述功率器件分别记为A1、A2、A3、A4、A5与A6；逆变器扇区标号记为Invi，其中i＝1,2..6，则所述逆变器扇区分别为Inv1、Inv2、Inv3、Inv4、与Inv5，并将逆变器扇区分别记为：B1、B2、B3、B4、B5与B6。

优选的，则所述功率器件与所述逆变器扇区之间的唯一对应关系为：A1：Sap、B1：Inv2；A1：San、B1：Inv5；A1：Sbp、B1：Inv4；A1：Sbn、B1：Inv1；A1：Scp、B1：Inv6；A1：Scn、B1：Inv3。

优选的，所述A1与所述B1对应，所述A2与所述B2对应，所述A3与所述B3对应，所述A4与所述B4对应，所述A5与所述B5对应，所述A6与所述B6对应。

优选的，所述步骤三中，故障检测条件的判断标准为：

其中，U₁是参考电压幅值，低于正常工作状态下的三相输出电压幅值；u_j(j＝a，b或者c)为三相输出电压中的一相，与逆变器扇区相关。例如，在扇区Inv4，就检测跟开关S_bp相接的b相电压u_b。

优选的，所述步骤四中的参考值N₁计算方法为：

其中，f_s是开关频率，f_o是三相输出电压频率，k₁是修正系数。

(三)有益效果

本发明提供了一种三相逆变器功率器件开路故障检测方法，

①该检测方法能够在现有三相逆变器硬件系统的基础上实现功率器件开路故障检测，具有硬件成本低的优点。

②该故障检测方法不受负载工作状态(如轻载或者空载)的影响，具有良好的鲁棒性。

③逆变器扇区与功率器件有着一一对应的关系，能够准确定位故障开关。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明开路故障检测算法流程图；

图2为三相逆变器拓扑结构图；

图3为电压矢量分布图；

图4为功率器件在各个逆变器扇区的开关状态；

图5为三相输出电压扇区划分；

图6为Sap开路故障情况下，逆变器在扇区Inv1和Inv2的电路状态；

图7为功率器件与扇区之间的对应关系。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例：

一种三相逆变器功率器件开路故障检测方法，三相逆变器电路拓扑结构以及功率器件故障类型如图2所示。针对三相逆变器功率器件开路故障，本发明提出一种三相逆变器功率器件开路故障检测方法，该故障检测方法结合空间矢量调制算法的特征，建立了调制扇区与功率器件之间独特的对应关系，并通过实时检测三相输出电压，准确定位发生开路故障的功率器件。

图1是本发明所提故障检测算法流程图，具体步骤如下：

步骤一：当旋转电压矢量U_REF进入新的逆变器扇区，将当前逆变器扇区的计数值n₁置零；

步骤二：记录当前逆变器扇区的具体标号，并在每个调制周期内检测和该扇区相对应的输出相电压幅值；

步骤三：判断检测到的输出相电压幅值的绝对值是否满足故障检测条件，若条件不成立，n₁保持不变；否则n₁加1。

步骤四：在当前逆变器扇区的每个调制周期内，判断n₁是否大于给定的参考值N₁，若条件成立，则在当前扇区产生故障检测信号，并结合逆变器扇区与功率器件间的对应关系判断具体发生开路故障的功率器件；若条件不成立，则三相逆变器正常运行。

三相逆变器正常工作时，采用电压空间矢量调制策略，六个非零电压矢量在平面中的分布如图3所示。以电压矢量

为例，该矢量表示功率器件S_ap，S_bp，S_cn开通，其余功率器件全部关断。期望的电压矢量U_REF逆时针旋转，在任意一个调制周期内，根据矢量合成定理由所在扇区相邻的两个非零矢量与零矢量合成。由图3知，当U_REF所在的扇区确定后，在任意一个调制周期内，总有两个功率器件处于一直开通的状态，有一个桥臂上的两个功率器件为斩波控制，其余功率器件则一直关断。以扇区Inv1为例，S_ap与S_bn开通，与c相相接桥臂上的S_cn和S_cp各导通一段时间，S_an与S_bp则一直关断。三相逆变器各个功率器件与扇区之间的关系如图4所示。由图4可知，逆变器每个功率器件都在两个逆变器扇区内处于一直开通状态，并在另外两个扇区内是斩波控制。此外，图4还表明，逆变器有两组恒开通扇区，记为组(1)和组(2)。但在每组恒开通扇区内，六个功率器件与各个逆变器扇区有唯一的对应关系，三相逆变器功率器件与扇区之间的对应关系是本发明故障检测的重要依据。

图5是对三相输出相电压做相应的扇区划分。三相逆变器桥臂上的两个功率器件控制着跟该桥臂相接输出相电压的极性。以u_b为例，S_bp开通时b相与直流电源正端相连；而当S_bn开通时，b相与直流电源负端相接。每个功率器件反并的二极管给负载感性电流提供续流通道。若假定S_ap发生开路故障，由图4可知，受到影响的扇区是Inv3、Inv6、Inv1和Inv2。由于S_ap在Inv1和Inv2两个逆变器扇区的开关状态是一直开通，当U_REF在这两个扇区时，若三相逆变器正常工作，a相将一直与直流电源正端相接，输入电源给a相负载提供能量，S_ap控制u_a正向电压达到最大值，如图5所示。而当S_ap损坏后，因S_an在这个两个扇区处于一直关断的状态，此时逆变器电路状态如图6所示。此时a相处于不控状态，该相电流极性不确定，i_a可以通过反并二极管D₁或者D₂续流。图6表明S_ap的开路故障切断了输入电源向a相负载传输能量的路径。因此，在Inv1和Inv2，u_a将不断下降，甚至会完全跌落至零，即u_a在这两个扇区的幅值将远小于正常工作时电压幅值。考虑到U_REF逆时针旋转，在Inv2，u_a跌落现象最明显。在S_ap开路故障的情况下，考虑到输出侧三相电压耦合，其它两相的能量传递会受到一些影响，导致输出电压波形质量下降。综合以上分析，若S_ap发生开路故障，u_a在扇区Inv1和Inv2有电压跌落的现象，并在后一个扇区更加明显。当逆变器其它功率器件发生开路故障时，三相逆变器电路特点与S_ap损坏时类似。通过以上分析，可以在特定的逆变器扇区检测对应的输出相电压来定位三相逆变器发生开路故障的功率器件。

逆变器故障检测的基本思路是在特定的逆变器扇区内检测某相输出电压，具体的对应关系如图7所示。故障检测条件的判断标准如下式所示：

其中，U₁是参考电压幅值，低于正常工作状态下的三相输出电压幅值；u_j(j＝a，b或者c)为三相输出电压中的一相，与逆变器扇区相关。例如，在扇区Inv4，就检测跟开关S_bp相接的b相电压u_b。

在每个逆变器扇区对满足式(1)的情况进行计数，当计数值n₁大于给定的逆变器参考值N₁时，就在该扇区产生一个故障检测信号，结合图7就可以知道逆变器发生开路故障的功率器件。考虑到一个逆变器扇区的时间跨度是输出电压周期的六分之一，故参考值N₁可由下式得到：

式中，f_s是开关频率，f_o是三相输出电压频率，k₁是修正系数。为了准确和快速的检测逆变器发生开路故障的功率器件，k₁需要取一个合适的值。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种三相逆变器功率器件开路故障检测方法，包括三相逆变器，所述三相逆变器是由六个功率器件组成的三相桥式结构，其具体检测步骤包括：

步骤一：当旋转电压矢量UREF进入新的逆变器扇区，将当前逆变器扇区的计数值n1置零；

步骤二：记录当前逆变器扇区的具体标号，并在每个调制周期内检测和该扇区相对应的输出相电压幅值；

步骤三：判断检测到的输出相电压幅值的绝对值是否满足故障检测条件，若条件不成立，n1保持不变；否则n1加1；

步骤四：在当前逆变器扇区的每个调制周期内，判断n1是否大于给定的参考值N1，若条件成立，则在当前扇区产生故障检测信号，并结合逆变器扇区与功率器件间的对应关系判断具体发生开路故障的功率器件；若条件不成立，则三相逆变器正常运行。

2.根据权利要求1所述的一种三相逆变器功率器件开路故障检测方法，其特征在于：所述三相逆变器采用电压空间矢量调制算法，六个所述功率器件记为Sap、San、Sbp、Sbn、Scp、Scn，将六个所述功率器件分别记为A1、A2、A3、A4、A5与A6；逆变器扇区标号记为Invi，其中i＝1,2..6，则所述逆变器扇区分别为Inv1、Inv2、Inv3、Inv4、与Inv5，并将逆变器扇区分别记为：B1、B2、B3、B4、B5与B6。

3.根据权利要求2所述的一种三相逆变器功率器件开路故障检测方法，其特征在于：则所述功率器件与所述逆变器扇区之间的唯一对应关系为：A1：Sap、B1：Inv2；A1：San、B1：Inv5；A1：Sbp、B1：Inv4；A1：Sbn、B1：Inv1；A1：Scp、B1：Inv6；A1：Scn、B1：Inv3。

4.根据权利要求3所述的一种三相逆变器功率器件开路故障检测方法，其特征在于：所述A1与所述B1对应，所述A2与所述B2对应，所述A3与所述B3对应，所述A4与所述B4对应，所述A5与所述B5对应，所述A6与所述B6对应。

5.根据权利要求1所述的一种三相逆变器功率器件开路故障检测方法，其特征在于：所述步骤三中，故障检测条件的判断标准为：

其中，U₁是参考电压幅值，低于正常工作状态下的三相输出电压幅值；u_j(j＝a，b或者c)为三相输出电压中的一相，与逆变器扇区相关。例如，在扇区Inv4，就检测跟开关S_bp相接的b相电压u_b。

6.根据权利要求1所述的一种三相逆变器功率器件开路故障检测方法，其特征在于：所述步骤四中的参考值N₁计算方法为：

其中，f_s是开关频率，f_o是三相输出电压频率，k₁是修正系数。