CN109164342B - 一种三相逆变器开路故障的诊断方法、装置及电子设备 - Google Patents

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CN109164342B CN201810968458.4A CN201810968458A CN109164342B CN 109164342 B CN109164342 B CN 109164342B CN 201810968458 A CN201810968458 A CN 201810968458A CN 109164342 B CN109164342 B CN 109164342B
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Abstract

本发明公开了一种三相逆变器开路故障的诊断方法，包括：通过电流互感器获得A、B、C三相输出电流数据，列出三相输出电流的时间表达式；将三相输出电流的时间表达式转换为空间直角坐标系下的空间轨迹表达式；依据空间轨迹表达式绘制空间轨迹图；使用空间轨迹图在既有故障空间轨迹图集合中进行检索，若检索到与空间轨迹图所匹配的既有故障空间轨迹图集合中的集合项，则将检索到的集合项对应的故障类型输出为诊断结果。实现了通过电流互感器测量得到逆变器的A、B、C三相输出电流，利用三相输出电流对三相逆变器的开路故障情况进行诊断的功能，具有不需要对三相逆变器进行电路改造、便利、快捷、准确等优点。

Description

一种三相逆变器开路故障的诊断方法、装置及电子设备
技术领域
本发明涉及电力电子领域，特别是指一种三相逆变器的开路故障诊断方法、装置及电子设备。
背景技术
三相逆变器如今不仅广泛应用于工业生产中，还在交通运输行业扮演着至关重要的角色。但是由于其自身元器件的敏感性及工作环境的不确定性，其故障率在电力电子系统中也一直高居不下，近些年来针对三相逆变器的功率管的开路故障诊断技术层出不穷，主要可分为电压诊断法及电流诊断法两类。现有的开路故障诊断技术虽各有优势，但是机车逆变器却存在许多难以改变的客观条件制约了许多方法的施展。首先，机车上的系统不允许随意改造，很难通过获取其控制信号或加装额外的电压传感器来对系统进行诊断；其次，牵引变流器负载变化范围大，变化速度快，负载变化多且频繁，部分以输出电流作为诊断变量的方法对负载变化较为敏感。
三相逆变器中通常有A、B、C三相输出电流，开路故障可以分为以下三大类(参考图1)：1、单管故障，如A相V1发生开路故障；2、同相两管故障，如A相V1、V2发生开路故障；3、异相两管故障，如A、B两相V1、V3发生开路故障。将以上故障归类之后，总共可以划分成6种单管开路故障、3种同相两管开路故障、12种异相两管开路故障。
现在，通过不改造逆变器的电路而方便、简单、快捷的进行开路故障的诊断的方法还没有提出。
发明内容
有鉴于此，为克服通过改造三相逆变器的电路，方便快捷的获得开路故障的诊断结果，本发明提出一种三相逆变器的开路故障诊断方法、装置及电子设备，具有简单易行、耗时短(一周期)、不要系统控制信号且不需要额外传感器的效果。
第一方面，本发明提供了一种三相逆变器开路故障的诊断方法，包括：
通过电流互感器获得A、B、C三相输出电流数据，列出三相输出电流的时间表达式；
将三相输出电流的时间表达式转换为空间直角坐标系下的空间轨迹表达式；
依据空间轨迹表达式绘制空间轨迹图；
使用空间轨迹图在既有故障空间轨迹图集合中进行检索，若检索到与空间轨迹图所匹配的既有故障空间轨迹图集合中的集合项，则将检索到的集合项对应的故障类型输出为诊断结果。
在一些实施方式中，三相输出电流与空间直角坐标的对应关系为：
x＝ia(t)，y＝ib(t)，z＝ic(t)，
其中，ia(t)、ib(t)、ic(t)分别为随时间t变化的A、B、C三相输出电流；x，y，z分别为空间直角坐标系的三个坐标轴。
在一些实施方式中，判断空间轨迹图的故障类型的方法还包括：
基于质心标准公式和三相输出电流的时间表达式，获得空间轨迹图的质心坐标；
判断质心坐标是否为(0,0,0)，若否，则为单管故障或异相两管故障；
若是，对质心坐标为(0,0,0，)的空间轨迹图进行斜率判断，获得诊断结果；对单管故障或异相两管故障的空间轨迹图进行质心坐标的判断，获得诊断结果。
在一些实施方式中，对质心坐标为(0,0,0，)的空间轨迹图进行斜率判断包括：
取空间轨迹图中的任意两点，获得两点所确定的直线的斜率；
判断斜率与x、y、z轴中任意一个的斜率匹配，得到对应的诊断结果。
在一些实施方式中，对单管故障或异相两管故障的空间轨迹图进行质心坐标的判断包括：
获得空间轨迹图的质心坐标；
使用质心坐标与至少一个预设的故障质心坐标进行对比，若存在与质心坐标相匹配的预设的故障质心坐标，则将相匹配的预设的故障质心坐标对应的故障类型输出为诊断结果。
在一些实施方式中，质心标准公式为：
Figure GDA0002737602730000031
其中，mi-非故障情况下的空间轨迹图中的i质点的质量，xi-非故障情况下的空间轨迹图中的i质点的x轴坐标值。
在一些实施方式中，非故障情况下的A、B、C三相输出电流的时间表达式为：
Figure GDA0002737602730000032
其中，Iam、Ibm、Icm分别为A、B、C三相输出电流的幅值；ω为电流角频率；
Figure GDA0002737602730000033
为两相电流之间的相位差；
非故障情况下的A、B、C三相输出电流的时间表达式转换为空间轨迹表达式为：
Figure GDA0002737602730000034
在一些实施方式中，A相发生单管V1管开路故障情况下的三相输出电流的时间表达式为：
Figure GDA0002737602730000035
Figure GDA0002737602730000036
其中，Im为三相输出电流的幅值；
A相发生单管V1管开路故障情况下的空间轨迹表达式为：
Figure GDA0002737602730000037
Figure GDA0002737602730000041
在一些实施方式中，A相发生两管V1、V2管开路故障情况下的三相输出电流的时间表达式为：
Figure GDA0002737602730000042
A相发生两管V1、V2管开路故障情况下的空间轨迹表达式为：
Figure GDA0002737602730000043
在一些实施方式中，A、B两相发生两管V1、V3管开路故障情况下的三相输出电流的时间表达式为：
Figure GDA0002737602730000044
Figure GDA0002737602730000045
Figure GDA0002737602730000046
Figure GDA0002737602730000047
A、B两相发生两管V1、V3管开路故障情况下的空间轨迹表达式为：
Figure GDA0002737602730000048
(0,0,0)ωt∈[2kπ+2/3π,2kπ+π)，
Figure GDA0002737602730000049
Figure GDA0002737602730000051
第二方面，本发明提供了一种三相逆变器开路故障的诊断装置，包括：
获取模块，通过电流互感器获得A、B、C三相输出电流数据，列出三相输出电流的时间表达式；
转换模块，将三相输出电流的时间表达式转换为空间直角坐标系下的空间轨迹表达式；
画图模块，依据空间轨迹表达式绘制空间轨迹图；
诊断模块，使用空间轨迹图在既有故障空间轨迹图集合中进行检索，空间轨迹图所匹配的既有故障空间轨迹图集合中的集合项对应的故障类型即为诊断结果。
第三方面，本发明提供了一种三相逆变器开路故障的诊断方法的电子设备，包括：
存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，处理器执行程序时实现如上述任意一项所述的方法。
从上面所述可以看出，本发明提供的一种三相逆变器的开路故障诊断方法、装置及电子设备，实现了通过电流互感器测量得到逆变器的A、B、C三相输出电流，利用三相输出电流对三相逆变器的开路故障情况进行诊断的功能，具有不需要对三相逆变器进行电路改造、便利、快捷、准确等优点。
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为本发明实施例的25T型客车逆变器结构图；
图2为本发明实施例的非故障情况下的三相输出电流的空间轨迹图；
图3为本发明实施例的各故障类型的空间轨迹图的形变示意图；
图4为本发明实施例的A、B两相两管V1、V3故障情况下的三相输出电流分段分析图；
图5为本发明实施例的实验设备图；
图6为本发明实施例的实验模型验证；
图7为本发明实施例的变负载情况下椭圆环的形变趋势；
图8为本发明实施例的单管故障空间轨迹图；
图9为本发明实施例的同相两管故障空间轨迹图；
图10为本发明实施例的异相两管故障空间轨迹图；
图11为本发明实施例的三相逆变器开路故障的诊断方法流程图；
图12为本发明实施例的三相逆变器开路故障的诊断装置结构示意图。
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。
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。
本发明实施例提供了一种三相逆变器开路故障的诊断方法、装置及电子设备，下面结合附图对本发明所提供的方法的技术方案做进一步的详尽的阐释。
作为本发明的一个实施例，参考图11，为本发明实施例的三相逆变器开路故障的诊断方法流程图，提供了一种三相逆变器开路故障的诊断方法，包括：
步骤1，通过电流互感器获得A、B、C三相输出电流数据，列出三相输出电流的时间表达式。
参考图1，为本发明实施例的25T型客车逆变器结构图。在理想情况下，通过PWM控制信号控制各相上、下桥臂的功率管交替导通，三相输出电流ia、ib、ic分别为幅值相等，相位互差120°的正弦波，可以表示为：
Figure GDA0002737602730000061
其中，Iam、Ibm、Icm分别为A、B、C三相输出电流的幅值；ω为电流角频率；
Figure GDA0002737602730000062
为两相电流之间的相位差。
步骤2，将三相输出电流的时间表达式转换为空间直角坐标系下的空间轨迹表达式。
进一步的，三相输出电流与空间直角坐标的对应关系为：
x＝ia(t)，y＝ib(t)，z＝ic(t)，
其中，ia(t)、ib(t)、ic(t)分别为随时间t变化的A、B、C三相输出电流；x，y，z分别为空间直角坐标系的三个坐标轴。
下面针对该发明中的诊断方法阐述其分析过程：
以非故障情况为例，A、B、C三相输出电流的时间表达式转换为空间轨迹表达式的方式如下：
令x＝ia(t),y＝ib(t),z＝ic(t)，则有：
Figure GDA0002737602730000071
为得到ωt，对式(2)分别取反三角函数，得到一组解为：
Figure GDA0002737602730000072
整理式(3)，得到
Figure GDA0002737602730000073
对两边分别取正弦，有
Figure GDA0002737602730000074
因为
Figure GDA0002737602730000075
Figure GDA0002737602730000076
将式(6)和式(7)代入式(5)，得
Figure GDA0002737602730000077
两边取二次方，整理得：
Figure GDA0002737602730000081
对于另一组解的情况，同样可以得到式(9)的结果。根据椭圆的一般方程，令
Figure GDA0002737602730000082
由于
Figure GDA0002737602730000083
因此，式(11)符合笛卡尔坐标系下椭圆的一般方程，且椭圆的中心位于坐标原点。
由三相电流平衡ia(t)+ib(t)+ic(t)＝0有
z＝-x-y (12)
将式(9)与(12)结合有方程组
Figure GDA0002737602730000084
式(13)即为非故障情况下的A、B、C三相输出电流的时间表达式转换为空间直角坐标系下的空间轨迹表达式。
进一步的，非故障情况下的A、B、C三相输出电流的时间表达式为：
Figure GDA0002737602730000085
其中，Iam、Ibm、Icm分别为A、B、C三相输出电流的幅值；ω为电流角频率；
Figure GDA0002737602730000086
为两相电流之间的相位差；
非故障情况下的A、B、C三相输出电流的时间表达式转换为空间轨迹表达式为：
Figure GDA0002737602730000091
具体的，对各类故障进行分析，可以将开路故障分为：单管故障，同相两管故障及异相两管故障三类，具体分类如下：
第一类、单管故障
以V1发生开路故障为例，A相电流ia在正半周期内的工作受到影响，此时V1处于开路故障状态，当ia在负半周期内时V2依然正常工作，ia保持正常输出，从而输出电流ia，ib和ic可以表示为：
Figure GDA0002737602730000092
当ωt∈[2kπ,2kπ+π)时，A相断路在Y型RL负载中，有
Figure GDA0002737602730000093
即
Figure GDA0002737602730000094
由式(2)并将式(16)正弦分量进行和差化积后有
ib(t)＝Imsin(-φ)·cosωt (17)
由于三相电流平衡且ia(t)＝0则ib(t)＝-ic(t)，所以有
Figure GDA0002737602730000095
而当ωt∈[2kπ+π,2kπ+2π)时三相输出电流如公式(1)所示。
其中，k为自然数。此时椭圆环已经发生形变，可以得到畸变的空间轨迹表达式为：
Figure GDA0002737602730000096
Figure GDA0002737602730000101
式(19)和(20)即为A相发生单管V1开路故障情况下的A、B、C三相输出电流的时间表达式转换为空间直角坐标系下的空间轨迹表达式。
其余单管故障时空间轨迹表达式的取得过程与V1一致。
进一步的，A相发生单管V1管开路故障情况下的三相输出电流的时间表达式为：
Figure GDA0002737602730000102
Figure GDA0002737602730000103
其中，Im为三相输出电流的幅值；
A相发生单管V1管开路故障情况下的空间轨迹表达式为：
Figure GDA0002737602730000104
Figure GDA0002737602730000105
第二类、两管故障
在两管开路故障中，可以将根据故障是否发生在同一相将其分为同相两管故障与异相两管故障两类。
1、同相两管故障
以V1 V2发生开路故障为例，A相始终处于完全断路状态，可知此时A相电流ia(t)＝0，该类情况分析过程参考公式(14)～(18)所示，则输出电流ia(t)，ib(t)和ic(t)可以表示为
Figure GDA0002737602730000106
椭圆环已经发生形变，可以得到畸变的空间轨迹表达式为
Figure GDA0002737602730000111
式(22)即为A相发生两管V1、V2开路故障情况下的A、B、C三相输出电流的时间表达式转换为空间直角坐标系下的空间轨迹表达式。
进一步的，A相发生两管V1、V2开路故障情况下的三相输出电流的时间表达式为：
Figure GDA0002737602730000112
A相发生两管V1、V2开路故障情况下的空间轨迹表达式为：
Figure GDA0002737602730000113
2、异相两管故障
以V1 V3发生开路故障为例进行分析，由于每相之间存在2/3π的相位差且每相仅有半个周期是处于故障状态，故需要分不同时段对A、B、C三相输出电流进行分析，具体分段如图4所示，则输出电流ia，ib和ic可以表示为：
当ωt∈[2kπ,2kπ+2/3π)时，A相电流处于正半周期，V1处于开路故障状态，B相电流处于负半周期，V4正常工作，则此时三相电流中仅ia(t)＝0，分析过程见参考公式(14)～(18)所示，则该阶段输出电流ia(t)，ib(t)和ic(t)可以表示为
Figure GDA0002737602730000114
当ωt∈[2kπ+2/3π,2kπ+π)时，A相电流仍处于正半周期，V1依然处于开路状态，而B相电流进入正半周期，但V3也处于开路状态无法正常工作，则此时有ia(t)＝0，ib(t)＝0，则根据三相电流平衡有ic(t)＝0，故该阶段输出电流ia(t)，ib(t)和ic(t)可以表示为
Figure GDA0002737602730000115
当ωt∈[2kπ+π,2kπ+5/3π)时，A相电流进入负半周期，V2正常工作，而B相电流仍处于正半周期，V3依然在故障状态，所以仅有ib(t)＝0，此时分析过程同仅有A相故障时一致，具体原理参考公式(14)～(18)，则该阶段输出电流ia(t)，ib(t)和ic(t)可以表示为
Figure GDA0002737602730000121
当ωt∈[2kπ+5/3π,2kπ+2π)时，A、B相电流均处于负半周期，V2、V4均正常工作，则A，B和C相均处在正常工作周期，故该阶段输出电流ia(t)，ib(t)和ic(t)可以由公式(1)表示。
根据上述分析得到对应阶段的畸变的空间轨迹表达式为
Figure GDA0002737602730000122
(0,0,0)ωt∈[2kπ+2/3π,2kπ+π) (27)
Figure GDA0002737602730000123
Figure GDA0002737602730000124
式(26)、(27)、(28)和(29)即为A、B两相发生两管V1、V3开路故障情况下的A、B、C三相输出电流的时间表达式转换为空间直角坐标系下的空间轨迹表达式。
进一步的，A、B两相发生两管V1、V3开路故障情况下的三相输出电流的时间表达式为：
Figure GDA0002737602730000125
Figure GDA0002737602730000126
Figure GDA0002737602730000131
Figure GDA0002737602730000132
A、B两相发生两管V1、V3开路故障情况下的空间轨迹表达式为：
Figure GDA0002737602730000133
(0,0,0)ωt∈[2kπ+2/3π,2kπ+π)，
Figure GDA0002737602730000134
Figure GDA0002737602730000135
步骤3，依据空间轨迹表达式绘制空间轨迹图。
式(13)方程组为：中心在原点的椭圆柱面与过原点的一平面的交线的一般方程，即所绘空间曲线为一个椭圆环，如图2所示，为非故障情况下的三相输出电流的空间轨迹图。
以此类推，依据式(19)和(20)，可绘制出A相发生单管V1开路故障情况下的空间轨迹图，参考图3中的线段L4L5L6L7L10所围成的图形。
依据式(22)，可绘制出A相发生两管V1、V2开路故障情况下的空间轨迹图，参考图3中的线段L7L10L10L7所围成的图形。
依据式(26)、(27)、(28)和(29)，可绘制出A、B两相发生两管V1、V3开路故障情况下的空间轨迹图，参考图3中的线段L4L10L11所围成的图形。
其他故障类型的空间轨迹图也依据上述方法，结合其空间轨迹表达式绘制出，参考图3。
步骤4，使用空间轨迹图在既有故障空间轨迹图集合中进行检索，若检索到与空间轨迹图所匹配的既有故障空间轨迹图集合中的集合项，则将检索到的集合项对应的故障类型输出为诊断结果。
在不同的开路故障情况下各相电流会发生相应的变化，从而基于三相输出电流绘制椭圆环也会产生形变，即每一种开路故障情况都会有一个对应的空间轨迹图，通过上述方法，可以预先将每一种开路故障情况所具有的空间轨迹图绘制出来，形成既有故障空间轨迹图集合，然后将当前故障下绘制出的空间轨迹图作为对照图，在既有故障空间轨迹图集合中找与对照图匹配的集合项，该集合项所代表的故障类型即为诊断结果。
既有故障空间轨迹图集合可分为单管故障，同相两管故障及异相两管故障三类，根据各类的故障情况的空间轨迹规律，列出了单管开路故障空间轨迹表、两管开路故障空间轨迹表，如表1和表2所示。
表中所示L1、L2、L3……表示空间轨迹图中的对应的线段，参见图3。
表1单管开路故障空间轨迹表
故障序号 故障元件 轨迹
1 V<sub>1</sub> L<sub>4</sub>L<sub>5</sub>L<sub>6</sub>L<sub>7</sub>L<sub>10</sub>
2 V<sub>2</sub> L<sub>1</sub>L<sub>2</sub>L<sub>3</sub>L<sub>10</sub>L<sub>7</sub>
3 V<sub>3</sub> L<sub>2</sub>L<sub>3</sub>L<sub>4</sub>L<sub>11</sub>L<sub>8</sub>
4 V<sub>4</sub> L<sub>5</sub>L<sub>6</sub>L<sub>1</sub>L<sub>8</sub>L<sub>11</sub>
5 V<sub>5</sub> L<sub>6</sub>L<sub>1</sub>L<sub>2</sub>L<sub>9</sub>L<sub>12</sub>
6 V<sub>6</sub> L<sub>3</sub>L<sub>4</sub>L<sub>5</sub>L<sub>12</sub>L<sub>9</sub>
表2两管开路故障空间轨迹表
Figure GDA0002737602730000141
Figure GDA0002737602730000151
进一步的，判断空间轨迹图的故障类型的方法还包括：
基于质心标准公式和三相输出电流的时间表达式，获得空间轨迹图的质心坐标；
判断质心坐标是否为(0,0,0)，若否，则为单管故障或异相两管故障；
若是，对质心坐标为(0,0,0，)的空间轨迹图进行斜率判断，获得诊断结果；对单管故障或异相两管故障的空间轨迹图进行质心坐标的判断，获得诊断结果。
进一步的，对质心坐标为(0,0,0，)的空间轨迹图进行斜率判断包括：
取空间轨迹图中的任意两点，获得两点所确定的直线的斜率；
判断斜率与x、y、z轴中任意一个的斜率匹配，得到对应的诊断结果。
进一步的，对单管故障或异相两管故障的空间轨迹图进行质心坐标的判断包括：
获得空间轨迹图的质心坐标；
使用质心坐标与至少一个预设的故障质心坐标进行对比，若存在与质心坐标相匹配的预设的故障质心坐标，则将相匹配的预设的故障质心坐标对应的故障类型输出为诊断结果。
进一步的，质心标准公式为：
Figure GDA0002737602730000152
其中，mi-非故障情况下的空间轨迹图中的i质点的质量，xi-非故障情况下的空间轨迹图中的i质点的x轴坐标值。
具体的，以质心坐标、斜率判断为基础的故障定位方法分析如下：
由上述可以知道当功率管发生开路故障时，空间轨迹图中的椭圆环会发生形变，将空间轨迹图的形变视为故障特征，将该特征根据不同的形变方式进一步的处理并得到故障定位信息，具体定位方法如下：
物质系统上质量集中的一个假想点称为质量的中心，即质心，其质心标准公式为：
Figure GDA0002737602730000161
设空间轨迹图上每一点质量均相等，则由公式(30)与(1)可得到非故障情况下的空间轨迹图的质心坐标如下：
Figure GDA0002737602730000162
在正常状况下，所绘空间轨迹图的质心坐标应该在原点处，即(0,0,0)，这也是由空间轨迹相对于原点的对称性所决定的。
将故障类型分为单管故障、同相两管故障和异相两管故障；
1、单管故障：
以V1发生开路故障为例，由公式(18)与(1)可分别知道三相电流ia(t)，ib(t)和ic(t)在ωt∈[2kπ,2kπ+π)与[2kπ+π,2kπ+2π)区间的表达式，则根据公式(18)和(1)将三相电流分别在ωt∈[2kπ,2kπ+2π)区间内积分并求平均值可得到质心坐标(Xv1，Yv1，Zv1)，以质心为中心设置一个半径5％幅值的故障判定区域，从而根据不同的区域去判断故障发生的具体位置。
Figure GDA0002737602730000163
整理后有
Figure GDA0002737602730000171
发生单管V1开路故障情况下的质心坐标为公式(33)所示。
2、同相两管故障：
以V1、V2发生开路故障为例，在该种情况下，空间轨迹图将变为空间中的一条直线段，从图3所示轨迹中可知当A相的上下两管均发生开路故障时空间轨迹将与X轴重合，B相的上下两管均发生开路故障时空间轨迹将与Y轴重合，C相的上下两管均发生开路故障时空间轨迹将与Z轴重合。任意取线段上三点，两两作差，得到的斜率应相等且与轴斜率一致，则采用上述方法可快速判断是哪一相发生两管开路故障。
3、异相两管故障：
对该类故障特征的处理方法与单管故障一致，以V1、V,3发生开路故障为例，分别对三相电流在公式(23)～(25)、(1)所对应的四个区间内进行积分求平均值后得到质心坐标
Figure GDA0002737602730000172
以质心为中心设置一个半径5％幅值的故障判定区域，从而根据不同的区域去判断故障发生的具体位置。
Figure GDA0002737602730000173
整理后有
Figure GDA0002737602730000174
A、B两相发生两管V1、V3开路故障情况下的质心坐标为公式(35)所示。
进一步的，针对本发明所提供的故障诊断方法进行实验验证。
通过dSPACE实验平台对其进行验证。图5所示为实验平台硬件实物整体图，整个系统由三个部分组成：dSPACE系统主机、软件部分和配套的硬件电路。dSPACE系统包括DS1007主处理器、DS2002高精度A-D采样板和DS4004高速I/O板。DS1007是计算处理核心，系统通过A-D板和I/O板与外界进行通信。软件部分为Control Desk在线调试软件。故障诊断算法通过验证后修改成适用于dSPACE系统的在线诊断模型，在Control Desk中可以实时地监测采集信号并进行参数调节。硬件部分主要包括可调直流电源、主变流器、直流侧中间电容模块、负载以及传感器箱。
表3关键实验参数表
Figure GDA0002737602730000181
1、模型验证
在负载达到额定功率的条件下，得到的空间轨迹图实际测量值与通过模型分析得到的计算值如图6所示。两者的轨迹基本一致，没有明显的差别。因此，本发明的方法提出的模型是有效、准确的。
2、负载变化对空间轨迹的影响
前面已经通过数学方法证明正常情况下负载不影响椭圆的倾角和离心率，只影响椭圆的大小。为了进一步验证分析的正确性，分别测量相电流有效值在11.9A、9.5A、7.1A情况下的空间轨迹数据。图7为这三种负载情况下的空间轨迹，可以看出，负载从额定状态到轻载状态，椭圆环按比例逐渐缩小，而倾角和离心率并没有发生明显的改变。因此，椭圆的倾角和离心率不随负载的变化而发生改变，而椭圆环的大小随负载呈比例变化。在识别之前将电流归一化或通过识别轨迹形状的方法可以消除负载对故障定位的影响。
3、单管开路的故障诊断
分别以V1和V2故障为例，绘制空间轨迹如图8所示，可以看到单管开路故障实际的空间轨迹与理论推导的空间轨迹基本一致，实际采集相电流数据绘制的空间轨迹质心与理论推导的质心基本一致，如表4所示。经实验验证，本发明提出的诊断方法对于单个功率管的开路故障是有效的。计算质心时所采用电流幅值为17.9A，可得计算数据如表4,5所示。
表4单管质心(centre of mass)
故障序号 故障元件 理论值 质心坐标
1 V<sub>1</sub> (-5.6977，2.8488，2.8488) (-6.0499，2.8968，3.1532)
2 V<sub>2</sub> (5.6977，-2.8488，-2.8488) (5.6732，-2.9533，-2.7199)
3 V<sub>3</sub> (2.8488，-5.6977，2.8488) (2.8757，-5.8687，2.9930)
4 V<sub>4</sub> (-2.8488，--5.6977，-2.8488) (-3.0559，5.9609，-2.9050)
5 V<sub>5</sub> (2.8488，2.8488，-5.6977) (2.8769，2.8378，-5.7146)
6 V<sub>6</sub> (-2.8488，-2.8488，5.6977) (-2.9432，-3.1021，6.0453)
由于传感器采集误差的存在以及采集数据个数对精度影响，故质心的实验坐标与理论值有一定的偏差，故在香农采样定理的原则上，设置了5％幅值的范围，由表4可以看出，实验得出的质心坐标完全在理论值可接受的变动的范围内，可以准确完成故障定位。对表5同理。
4、同相两管开路的故障诊断
当逆变器中同相的两个功率管发生开路故障时，意味着某一相已经完全不能工作，具有明显的故障特征。图9给出了任意同相两个功率管发生开路故障后对应的空间轨迹。可以看出，图9中通过椭圆环形变后得到的直线段符合理论推导。本发明所提诊断方法对同相两管有效。
5、异相两管开路的故障诊断
当逆变器中异相的两个功率管发生开路故障时，某两相的输出波形已经发生畸变，此时以V1、V3和V1、V4发生开路故障为例的畸变空间轨迹如图10所示，从图可知异相两管开路故障实际的畸变空间轨迹与理论推导基本一致，实际采集相电流数据绘制的空间轨迹质心与理论推导的质心基本一致，如表5所示。经实验验证，本发明提出的诊断方法对于异相两管的开路故障是有效的。
表5异相两管质心表
Figure GDA0002737602730000191
Figure GDA0002737602730000201
另一方面，本发明实施例提供了一种三相逆变器开路故障的诊断装置。参考图12，为本发明实施例的装置结构示意图，包括：
获取模块，通过电流互感器获得A、B、C三相输出电流数据，列出三相输出电流的时间表达式；
转换模块，将三相输出电流的时间表达式转换为空间直角坐标系下的空间轨迹表达式；
画图模块，依据空间轨迹表达式绘制空间轨迹图；
诊断模块，使用空间轨迹图在既有故障空间轨迹图集合中进行检索，空间轨迹图所匹配的既有故障空间轨迹图集合中的集合项对应的故障类型即为诊断结果。
上述实施例的装置用于实现前述实施例中相应的方法，并且具有相应的方法实施例的有益效果，在此不再赘述。
又一方面，本发明提供了一种三相逆变器开路故障的诊断方法的电子设备，包括：
存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，处理器执行程序时实现上述实施例中所述的三相逆变器开路故障的诊断方法。
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 (8)

1.一种三相逆变器开路故障的诊断方法，其特征在于，包括：
通过电流互感器获得A、B、C三相输出电流数据，列出三相输出电流的时间表达式；
将所述三相输出电流的时间表达式转换为空间直角坐标系下的空间轨迹表达式；
依据所述空间轨迹表达式绘制空间轨迹图；
使用所述空间轨迹图在既有故障空间轨迹图集合中进行检索，若检索到与所述空间轨迹图所匹配的所述既有故障空间轨迹图集合中的集合项，则将检索到的所述集合项对应的故障类型输出为诊断结果；
所述三相输出电流与所述空间直角坐标的对应关系为：
x＝ia(t)，y＝ib(t)，z＝ic(t)，
其中，ia(t)、ib(t)、ic(t)分别为随时间t变化的A、B、C三相输出电流；x，y，z分别为所述空间直角坐标系的三个坐标轴；
判断所述空间轨迹图的所述故障类型的方法还包括：
基于质心标准公式和所述三相输出电流的时间表达式，获得所述空间轨迹图的质心坐标；
判断所述质心坐标是否为(0,0,0)，若否，则为单管故障或异相两管故障；
若是，对质心坐标为(0,0,0，)的所述空间轨迹图进行斜率判断，获得所述诊断结果；对所述单管故障或异相两管故障的所述空间轨迹图进行所述质心坐标的判断，获得所述诊断结果；
所述对质心坐标为(0,0,0，)的所述空间轨迹图进行斜率判断包括：
取所述空间轨迹图中的任意两点，获得所述两点所确定的直线的斜率；
判断所述斜率与x、y、z轴中任意一个的斜率匹配，得到对应的所述诊断结果；
所述对所述单管故障或异相两管故障的所述空间轨迹图进行所述质心坐标的判断包括：
获得所述空间轨迹图的所述质心坐标；
使用所述质心坐标与至少一个预设的故障质心坐标进行对比，若存在与所述质心坐标相匹配的所述预设的故障质心坐标，则将相匹配的所述预设的故障质心坐标对应的故障类型输出为所述诊断结果。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述质心标准公式为：
Figure FDA0002737602720000021
其中，mi-非故障情况下的所述空间轨迹图中的i质点的质量，xi-非故障情况下的所述空间轨迹图中的i质点的x轴坐标值，yi-非故障情况下的所述空间轨迹图中的i质点的y轴坐标值，zi-非故障情况下的所述空间轨迹图中的i质点的z轴坐标值，Xm-质心m在X轴上的坐标值，Ym-质心m在Y轴上的坐标值，Zm-质心m在Z轴上的坐标值。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，非故障情况下的A、B、C所述三相输出电流的时间表达式为：
Figure FDA0002737602720000022
其中，Iam、Ibm、Icm分别为A、B、C三相输出电流的幅值；ω为电流角频率；
Figure FDA0002737602720000026
为两相电流之间的相位差；
所述非故障情况下的A、B、C所述三相输出电流的时间表达式转换为所述空间轨迹表达式为：
Figure FDA0002737602720000023
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，A相发生单管V1开路故障情况下的所述三相输出电流的时间表达式为：
Figure FDA0002737602720000024
Figure FDA0002737602720000025
其中，Im为所述三相输出电流的幅值，Iam、Ibm、Icm分别为A、B、C三相输出电流的幅值；ω为电流角频率；
Figure FDA0002737602720000038
为两相电流之间的相位差；
所述A相发生单管V1开路故障情况下的所述空间轨迹表达式为：
Figure FDA0002737602720000031
Figure FDA0002737602720000032
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，A相发生两管V1、V2开路故障情况下的所述三相输出电流的时间表达式为：
Figure FDA0002737602720000033
所述A相发生两管V1、V2开路故障情况下的所述空间轨迹表达式为：
Figure FDA0002737602720000034
其中，Iam、Ibm、Icm分别为A、B、C三相输出电流的幅值；ω为电流角频率；
Figure FDA0002737602720000039
为两相电流之间的相位差。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，A、B两相发生两管V1、V3开路故障情况下的所述三相输出电流的时间表达式为：
Figure FDA0002737602720000035
Figure FDA0002737602720000036
Figure FDA0002737602720000037
Figure FDA0002737602720000041
所述A、B两相发生两管V1、V3开路故障情况下的所述空间轨迹表达式为：
Figure FDA0002737602720000042
(0,0,0)ωt∈[2kπ+2/3π,2kπ+π)，
Figure FDA0002737602720000043
Figure FDA0002737602720000044
其中，Iam、Ibm、Icm分别为A、B、C三相输出电流的幅值；ω为电流角频率；
Figure FDA0002737602720000045
为两相电流之间的相位差。
7.一种三相逆变器开路故障的诊断装置，其特征在于，包括：
获取模块，通过电流互感器获得A、B、C三相输出电流数据，列出三相输出电流的时间表达式；所述三相输出电流与所述空间直角坐标的对应关系为：
x＝ia(t)，y＝ib(t)，z＝ic(t)，
其中，ia(t)、ib(t)、ic(t)分别为随时间t变化的A、B、C三相输出电流；x，y，z分别为所述空间直角坐标系的三个坐标轴；
转换模块，将所述三相输出电流的时间表达式转换为空间直角坐标系下的空间轨迹表达式；
画图模块，依据所述空间轨迹表达式绘制空间轨迹图；
诊断模块，使用所述空间轨迹图在既有故障空间轨迹图集合中进行检索，所述空间轨迹图所匹配的所述既有故障空间轨迹图集合中的集合项对应的故障类型即为诊断结果，判断所述空间轨迹图的所述故障类型还包括：
基于质心标准公式和所述三相输出电流的时间表达式，获得所述空间轨迹图的质心坐标；
判断所述质心坐标是否为(0,0,0)，若否，则为单管故障或异相两管故障；
若是，对质心坐标为(0,0,0，)的所述空间轨迹图进行斜率判断，获得所述诊断结果；对所述单管故障或异相两管故障的所述空间轨迹图进行所述质心坐标的判断，获得所述诊断结果；
所述对质心坐标为(0,0,0，)的所述空间轨迹图进行斜率判断包括：
取所述空间轨迹图中的任意两点，获得所述两点所确定的直线的斜率；
判断所述斜率与x、y、z轴中任意一个的斜率匹配，得到对应的所述诊断结果；
所述对所述单管故障或异相两管故障的所述空间轨迹图进行所述质心坐标的判断包括：
获得所述空间轨迹图的所述质心坐标；
使用所述质心坐标与至少一个预设的故障质心坐标进行对比，若存在与所述质心坐标相匹配的所述预设的故障质心坐标，则将相匹配的所述预设的故障质心坐标对应的故障类型输出为所述诊断结果。
8.一种三相逆变器开路故障的诊断方法的电子设备，其特征在于，包括：存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1至6任意一项所述的方法。
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