CN109782105B - 一种变频调速系统三相逆变器功率管故障实时检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种变频调速系统三相逆变器功率管故障实时检测方法，通过对dq轴电流进行小波分解，利用细节分量完成功率开关管的开路故障诊断，利用近似分量完成故障类型的区分，不需要过多的计算，大大降低了系统的计算复杂度。利用电流之间的协方差实现单管与双管故障的故障定位，以协方差作为特征量具有很高的辨识度，鲁棒性好，抗干扰能力强，电机启动、变速、突加或者突减负载等动态过程不会对本发明的故障诊断结果产生消极影响；且对电机内部参数不敏感，抗噪声能力强。通过利用均值极性判断上下管故障，实现功率开关管单管以及双管开路故障的检测与定位，检测精度高，速度快，实时性高，能够实时准确的检测变频器中任意功率开关管开路故障。

Description

一种变频调速系统三相逆变器功率管故障实时检测方法

技术领域

本发明属于在线检测技术领域，更具体地，涉及一种变频调速系统三相逆变器功率管故障实时检测方法。

背景技术

在工业制造、航空航天、交通运输等领域，功率变换器驱动的变频调速系统以其能量密度大，能效高等优点得到了广泛应用。随着这些系统对安全性和可靠性的要求越来越高，对系统各部件，尤其是最容易发生故障的功率变换器部分，进行故障检测和定位显得尤其重要。针对逆变器功率开关管的开路故障提出实时有效的检测、定位和隔离的方法，提供实时有效的信息给后续的容错控制策略，对提高电机驱动系统的可靠性具有重要的工程应用价值。

现有的交流变频调速系统功率变换器开路故障诊断方法主要分为两种：一是基于硬件的诊断方法，通过增加传感器，直接检测功率变换器的导通压降或者测量功率变换器的温度，这种方法能够快速对系统故障进行定位，但需要增加额外的传感器等硬件，增加了系统的开销；二是基于软件的方法，利用现有的传感器资源，通过比较故障后相关特征信号与正常情况下的偏差值进行故障诊断和定位。在第二种方式中，目前常用的有基于智能分类的故障诊断方法，但是这种方法容易出现误判，其应用场合有限，且模型复杂，需要大量的故障数据支持；其次是利用欧氏距离、矢量角余弦和豪斯多夫距离等算法进行故障诊断时，这些方法在计算上稍显复杂，而且在诊断多管故障时，故障特征并不是很明显，在工作环境突变的情况下，很可能引起故障的误判。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于解决现有技术变频调速系统三相逆变器功率管故障检测精度不高、容易误判的技术问题。

为实现上述目的，第一方面，本发明实施例提供了一种变频调速系统三相逆变器功率管故障实时检测方法，该方法包括以下步骤：

步骤S1.采集变频调速系统中电机转速和电机定子电流，根据电机定子电流计算dq轴电流，根据电机转速计算采样点数；

步骤S2.对dq轴电流分别进行j次小波分解，获得分解之后的近似分量与细节分量；

步骤S3.根据d轴电流的细节分量来判断故障是否发生，若发生故障，进入步骤S4，否则，返回步骤S1，进入下一次故障检测；

步骤S4.根据dq轴电流的近似分量和采样点数，区分故障类型，若为单管故障，进入步骤S5；若为同桥臂双管故障，进入步骤S6；若为不同桥臂双管故障，进入步骤S7；

步骤S5.定位单管故障中发生故障的功率管；

步骤S6.定位同桥臂双管中发生故障的功率管；

步骤S7.定位不同桥臂双管中发生故障的功率管。

具体地，所述三相逆变器为两电平三相逆变器。

具体地，根据电机定子电流i_a,i_b,i_c，计算dq轴电流，计算公式如下：

根据电机转速v，计算采样点数L，计算公式如下：

其中，np为电机的极对数，T_s为采样周期。

具体地，步骤S2具体为：

其中，c_m[k]表示近似分量，d_m.j[k]表示细节分量，f_m(t)是d轴电流i_d或q轴电流i_q，

是haar小波基函数，ψ(t)是haar小波函数，k表示平移尺度因子，取值范围为[1,L]，t表示时间，j表示缩放尺度因子，取值范围为[2,6]。

具体地，当d轴电流的细节分量d_d.j[k]＞h₁时，则故障发生，其中，h₁＝k₁×f+b₁，h₁为故障判断阈值，k₁与b₁为阈值的调整因子，f为电机转动频率，k表示平移尺度因子，取值范围为[1,L]，j表示缩放尺度因子，取值范围为[2,6]。

具体地，步骤S4具体为：

(1)根据dq轴电流的近似分量，计算零区计数COUNT，具体如下：

(2)根据采样点数L，计算各协方差比例系数

其中，m,n∈{a,b,c},m≠n；

i_a(k)+i_b(k)+i_c(k)＝0k＝1,2,…,L

(3)判断是否满足COUNT＞T/20，若是，则为不同桥臂双管故障，否则，继续判断是否满足任一K_m,n＞h₂，m,n∈{a,b,c},m≠n，若是，则为同桥臂双管故障，否则，为单管故障；

其中，

为变频调速系统电流周期，np为电机的极对数，v为电机转速，h₂为同桥臂双管故障判断阈值，取值范围为(0,1)，i_a,i_b,i_c为电机定子电流。

具体地，步骤S5包括以下步骤：

步骤S501.定位单管故障中发生故障的桥臂，具体如下：

比较三相电流两两之间的协方差值Cov(i_a,i_b)、Cov(i_b,i_c)、Cov(i_c,i_a)的大小，若Cov(i_b,i_c)最小，则a桥臂故障；若Cov(i_c,i_a)最小，则b桥臂故障；若Cov(i_a,i_b)最小，则c桥臂故障；

步骤S502.定位发生故障的桥臂中的功率管，具体如下：

若x桥臂故障，通过电流均值判别故障桥臂的上管还是下管发生故障：

具体地，步骤S6具体为：

比较三相电流两两之间的协方差值Cov(i_a,i_b)、Cov(i_b,i_c)、Cov(i_c,i_a)的大小，若Cov(i_b,i_c)最小，则a桥臂故障；若Cov(i_c,i_a)最小，则b桥臂故障；若Cov(i_a,i_b)最小，则c桥臂故障。

具体地，步骤S7包括以下步骤：

步骤S701.定位不同桥臂双管中发生故障的桥臂，具体如下：

若为双管故障，比较三相电流两两之间的协方差值Cov(i_a,i_b)、Cov(i_b,i_c)、Cov(i_c,i_a)，若Cov(i_a,i_b)最大，则a、b桥臂故障；若Cov(i_b,i_c)最大，则b、c桥臂故障；若Cov(i_c,i_a)最大，则c、a桥臂故障；

步骤S702.定位发生故障的桥臂中的功率管，具体如下：

若x桥臂故障，通过电流均值判别故障桥臂的上管还是下管发生故障：

第二方面，本发明实施例提供了一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现上述第一方面所述的三相逆变器功率管故障实时检测方法。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

1.本发明通过对dq轴电流进行小波分解，取其多次分解的细节分量与近似分量，利用细节分量完成功率开关管的开路故障诊断，利用近似分量完成单桥臂故障与不同桥臂双管故障的区分，不需要过多的计算，大大降低了系统的计算复杂度。

2.本发明通过对三相电流之间的相关性分析，利用电流之间的协方差实现单管与双管故障的故障定位，以协方差作为特征量具有很高的辨识度，鲁棒性好，抗干扰能力强，电机启动、变速、突加或者突减负载等动态过程不会对本发明的故障诊断结果产生消极影响；且该方案对电机内部参数不敏感，抗噪声能力强。

3.本发明通过利用均值极性判断上下管故障，实现功率开关管单管以及双管开路故障的检测与定位，检测精度高，速度快，实时性高，能够实时准确的检测变频器中任意功率开关管开路故障。

附图说明

图1为本发明实施例提供的带故障诊断模块的电机驱动系统三相逆变器的拓扑结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种变频调速系统三相逆变器功率管故障实时检测方法流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，变频调速系统由功率管(S_A1,S_A2,S_B1,S_B2,S_C1,S_C2)、续流二极管(D_A1,D_A2,D_B1,D_B2,D_C1,D_C2)、三相交流异步电机(IM)和滤波电容(C1,C2)构成。其中，U_d为直流母线电压，v为异步电机的转速，i_a,i_b,i_c为异步电机定子电流，产生驱动信号控制功率管开通关断。图1中异步电机可替换为同步电机，v相应地变为同步电机的转速，i_a,i_b,i_c变为同步电机定子电流。

如图2所示，一种变频调速系统三相逆变器功率管故障实时检测方法，该方法包括以下步骤：

步骤S1.采集变频调速系统中电机转速和电机定子电流，根据电机定子电流计算dq轴电流，根据电机转速计算采样点数；

步骤S2.对dq轴电流分别进行j次小波分解，获得分解之后的近似分量与细节分量；

步骤S3.根据d轴电流的细节分量来判断故障是否发生，若发生故障，进入步骤S4，否则，返回步骤S1，进入下一次故障检测；

步骤S4.根据dq轴电流的近似分量和采样点数，区分故障类型，若为单管故障，进入步骤S5；若为同桥臂双管故障，进入步骤S6；若为不同桥臂双管故障，进入步骤S7；

步骤S5.定位单管故障中发生故障的功率管；

步骤S6.定位同桥臂双管中发生故障的功率管；

步骤S7.定位不同桥臂双管中发生故障的功率管。

步骤S1.采集变频调速系统中电机转速和电机定子电流，根据电机定子电流计算dq轴电流，根据电机转速计算采样点数。

根据电机定子电流i_a,i_b,i_c，计算dq轴电流，计算公式如下：

根据电机转速v，计算采样点数L，计算公式如下：

其中，np为电机的极对数，T_s为采样周期。

步骤S2.对dq轴电流分别进行j次小波分解，获得分解之后的近似分量与细节分量。

其中，c_m[k]表示近似分量，d_m.j[k]表示细节分量，f_m(t)是d轴电流i_d或q轴电流i_q，

是haar小波基函数，ψ(t)是haar小波函数，k表示平移尺度因子，取值范围为[1,L]，t表示时间，j表示缩放尺度因子，取值范围为[2,6]，本发明优选j＝2。

与ψ(t)函数如下所示：

步骤S3.根据d轴电流的细节分量来判断故障是否发生，若发生故障，进入步骤S4，否则，返回步骤S1，进入下一次故障检测。

当d轴电流的细节分量d_d.j[k]＞h₁时，则故障发生，其中，h₁＝k₁×f+b₁，h₁为故障判断阈值，k₁与b₁为阈值的调整因子，不同的变频调速系统中，k₁与b₁取值也是不同的，f为电机转动频率，其中，

步骤S4.根据dq轴电流的近似分量和采样点数，区分故障类型，若为单管故障，进入步骤S5；若为同桥臂双管故障，进入步骤S6；若为不同桥臂双管故障，进入步骤S7。

根据dq轴电流的近似分量，计算零区计数COUNT，具体如下：

根据采样点数L，计算各协方差比例系数

其中，m,n∈{a,b,c},m≠n。

i_a(k)+i_b(k)+i_c(k)＝0 k＝1,2,…,L

判断是否满足COUNT＞T/20，若是，则为不同桥臂双管故障，否则，继续判断是否满足任一K_m,n＞h₂，m,n∈{a,b,c},m≠n，若是，则为同桥臂双管故障，否则，为单管故障。其中，T为变频调速系统电流周期

h₂为同桥臂双管故障判断阈值，取值范围为(0,1)。当h₂取值越小时，故障诊断速度越快，但同时其故障诊断鲁棒性相应就越差，抗干扰能力越弱，本发明优选h₂＝0.85，具有良好的故障检测速度的同时抗干扰能力强。

步骤S5.定位单管故障中发生故障的功率管。

步骤S501.定位单管故障中发生故障的桥臂。

比较三相电流两两之间的协方差值Cov(i_a,i_b)、Cov(i_b,i_c)、Cov(i_c,i_a)的大小，若Cov(i_b,i_c)最小，则a桥臂故障；若Cov(i_c,i_a)最小，则b桥臂故障；若Cov(i_a,i_b)最小，则c桥臂故障。

步骤S502.定位发生故障的桥臂中的功率管。

若x桥臂故障，通过电流均值判别故障桥臂的上管还是下管(S_A1,S_B1,S_C1为上管，S_A2,S_B2,S_C2为下管)发生故障：

步骤S6.定位同桥臂双管中发生故障的功率管。

比较三相电流两两之间的协方差值Cov(i_a,i_b)、Cov(i_b,i_c)、Cov(i_c,i_a)的大小，若Cov(i_b,i_c)最小，则a桥臂故障；若Cov(i_c,i_a)最小，则b桥臂故障；若Cov(i_a,i_b)最小，则c桥臂故障。

步骤S7.定位不同桥臂双管中发生故障的功率管。

步骤S701.定位不同桥臂双管中发生故障的桥臂。

若为双管故障，比较三相电流两两之间的协方差值Cov(i_a,i_b)、Cov(i_b,i_c)、Cov(i_c,i_a)，若Cov(i_a,i_b)最大，则a、b桥臂故障；若Cov(i_b,i_c)最大，则b、c桥臂故障；若Cov(i_c,i_a)最大，则c、a桥臂故障。

步骤S702.定位发生故障的桥臂中的功率管。

若x桥臂故障，通过电流均值判别故障桥臂的上管还是下管(S_A1,S_B1,S_C1为上管，S_A2,S_B2,S_C2为下管)发生故障：

综上所述，三相逆变器功率管开路故障检测原理如表1所示。

表1

表1中，N表示不满足，Y表示满足，X表示不相关，a1，a2，b1，b2，c1，c2分别表示六个功率管S_A1,S_A2,S_B1,S_B2,S_C1,S_C2。

本发明适用于矢量控制电机驱动系统中逆变器单桥臂开路故障的诊断，可以诊断单管和双管共21种故障，具有成本低、检测精度高、速度快、实时性高、鲁棒性好以及抗干扰能力强的优点。

以上，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请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申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种变频调速系统三相逆变器功率管故障实时检测方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤S1.采集变频调速系统中电机转速和电机定子电流，根据电机定子电流计算dq轴电流，根据电机转速计算采样点数；

步骤S2.对dq轴电流分别进行j次小波分解，获得分解之后的近似分量与细节分量；

步骤S3.根据d轴电流的细节分量来判断故障是否发生，若发生故障，进入步骤S4，否则，返回步骤S1，进入下一次故障检测；

步骤S4.根据dq轴电流的近似分量和采样点数，区分故障类型，若为单管故障，进入步骤S5；若为同桥臂双管故障，进入步骤S6；若为不同桥臂双管故障，进入步骤S7；

步骤S5.定位单管故障中发生故障的功率管；

步骤S6.定位同桥臂双管中发生故障的功率管；

步骤S7.定位不同桥臂双管中发生故障的功率管。

2.如权利要求1所述的三相逆变器功率管故障实时检测方法，其特征在于，所述三相逆变器为两电平三相逆变器。

3.如权利要求1所述的三相逆变器功率管故障实时检测方法，其特征在于，根据电机定子电流i_a,i_b,i_c，计算dq轴电流，计算公式如下：

根据电机转速v，计算采样点数L，计算公式如下：

其中，np为电机的极对数，T_s为采样周期。

4.如权利要求1所述的三相逆变器功率管故障实时检测方法，其特征在于，步骤S2具体为：

其中，c_m[k]表示近似分量，d_m.j[k]表示细节分量，f_m(t)是d轴电流i_d或q轴电流i_q，

是haar小波基函数，ψ(t)是haar小波函数，k表示平移尺度因子，取值范围为[1,L]，L表示采样点数，t表示时间，j的取值范围为[2,6]。

5.如权利要求1所述的三相逆变器功率管故障实时检测方法，其特征在于，当d轴电流的细节分量d_d.j[k]＞h₁时，则故障发生，其中，h₁＝k₁×f+b₁，h₁为故障判断阈值，k₁与b₁为阈值的调整因子，f为电机转动频率，k表示平移尺度因子，取值范围为[1,L]，L表示采样点数，j的取值范围为[2,6]。

6.如权利要求1所述的三相逆变器功率管故障实时检测方法，其特征在于，步骤S4具体为：

(1)根据dq轴电流的近似分量，计算零区计数COUNT，具体如下：

其中，c_d[k]表示d轴电流近似分量，c_q[k]表示q轴电流近似分量；

(2)根据采样点数L，计算各协方差比例系数

其中，m,n∈{a,b,c},m≠n；

m＝a,b,c

i_a(k)+i_b(k)+i_c(k)＝0 k＝1,2,…,L

(3)判断是否满足COUNT＞T/20，若是，则为不同桥臂双管故障，否则，继续判断是否满足任一K_m,n＞h₂，m,n∈{a,b,c},m≠n，若是，则为同桥臂双管故障，否则，为单管故障；

其中，

为变频调速系统电流周期，np为电机的极对数，v为电机转速，h₂为同桥臂双管故障判断阈值，取值范围为(0,1)，i_a,i_b,i_c为电机定子电流。

7.如权利要求1所述的三相逆变器功率管故障实时检测方法，其特征在于，步骤S5包括以下步骤：

步骤S501.定位单管故障中发生故障的桥臂，具体如下：

比较三相电流两两之间的协方差值Cov(i_a,i_b)、Cov(i_b,i_c)、Cov(i_c,i_a)的大小，若Cov(i_b,i_c)最小，则a桥臂故障；若Cov(i_c,i_a)最小，则b桥臂故障；若Cov(i_a,i_b)最小，则c桥臂故障；

步骤S502.定位发生故障的桥臂中的功率管，具体如下：

若x桥臂故障，通过电流均值判别故障桥臂的上管还是下管发生故障：

x∈{a,b,c}。

8.如权利要求1所述的三相逆变器功率管故障实时检测方法，其特征在于，步骤S6具体为：

比较三相电流两两之间的协方差值Cov(i_a,i_b)、Cov(i_b,i_c)、Cov(i_c,i_a)的大小，若Cov(i_b,i_c)最小，则a桥臂双管故障；若Cov(i_c,i_a)最小，则b桥臂双管故障；若Cov(i_a,i_b)最小，则c桥臂双管故障。

9.如权利要求1所述的三相逆变器功率管故障实时检测方法，其特征在于，步骤S7包括以下步骤：

步骤S701.定位不同桥臂双管中发生故障的桥臂，具体如下：

若为双管故障，比较三相电流两两之间的协方差值Cov(i_a,i_b)、Cov(i_b,i_c)、Cov(i_c,i_a)，若Cov(i_a,i_b)最大，则a、b桥臂故障；若Cov(i_b,i_c)最大，则b、c桥臂故障；若Cov(i_c,i_a)最大，则c、a桥臂故障；

步骤S702.定位发生故障的桥臂中的功率管，具体如下：

若x桥臂故障，通过电流均值判别故障桥臂的上管还是下管发生故障：

x∈{a,b,c}。

10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至9任一项所述的变频调速系统三相逆变器功率管故障实时检测方法。

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