CN110749842B - 基于共模电压的电压源型逆变器开关开路故障诊断方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于共模电压的电压源型逆变器开关开路故障诊断方法，包括：电压源型逆变器驱动异步电机正常工作，建立共模电压与电压源型逆变器各相输出电压的开关平均模型；根据所述开关平均模型，获取共模电压的计算模型和不同故障情况下不同共模电压计算值之间的对应关系；利用一阶鲁棒微分器，获得精确的电流微分值；建立静止坐标系下的异步电机反电动势的动态方程，通过滑膜观测器获取异步电机反电动势的值；定义三个残差，设定第一阈值，通过主动共模电压注入，扩大残差之间的差异值，同时设定第二个阈值用来判断开关故障；通过对不同残差跟所述第二阈值对比，获取不同开路故障与残差之间关系的对应表，通过查表来判断具体故障开关位置。

Description

基于共模电压的电压源型逆变器开关开路故障诊断方法

技术领域

本发明涉及开关开路故障诊断领域，特别涉及一种基于共模电压的电压源型逆变器开关开路故障诊断方法，特别适合应用于电动叉车电机驱动装置中基于电压源型逆变器的控制器中。

背景技术

电压源型逆变器(voltage source based inverter,VSI)在电机驱动系统中得到了广泛的应用。然而，电压源型逆变器的电气故障严重威胁电机驱动系统的安全运行。因此，快速、可靠的故障诊断对于提高系统可靠性，避免电气运行事故的发生具有重要意义。据统计，交流传动系统中38％的电气故障是功率电路故障。其中大部分是半导体器件故障，如开路和短路故障。近年来，开路故障引起了人们的广泛关注，人们提出了许多方法来检测和隔离逆变器中的开路故障。

根据测量的不同可将这些方法分为两类:电流法和电压法。在电流测量的方法中常用的有平均电流法、斜率法和基于电流观测器的方法。此外，还提出了基于小波变换的方法来检测电压源型逆变器开关开路故障的方法。与电流法相比，早期，许多的基于电压测量的方法通常需要增加额外的电压传感器。

近年来基于误差电压的故障诊断方法较为常见，它从系统分析模型中估计实际的线电压，利用参考值与估计值之间的残差来检测和定位故障开关。这两种方法都高度依赖于模型参数，影响诊断系统的鲁棒性。

发明内容

本发明提供了一种基于共模电压的电压源型逆变器开关开路故障诊断方法，其目的是为了提高诊断系统灵敏度和可靠性。

为了达到上述目的，本发明的实施例提供了一种基于共模电压的电压源型逆变器开关开路故障诊断方法，包括：

步骤1，电压源型逆变器驱动异步电机正常工作，建立共模电压与电压源型逆变器各相输出电压的开关平均模型；

步骤2，根据所述开关平均模型，获取共模电压的计算模型和不同故障情况下不同共模电压计算值之间的对应关系；

步骤3，利用一阶鲁棒微分器，获得精确的电流微分值；

步骤4，建立静止坐标系下的异步电机反电动势的动态方程，通过滑模观测器获取异步电机反电动势的值；

步骤5，定义三个残差，设定第一阈值，通过主动共模电压注入(ACMVI)，扩大残差之间的差异值，同时设定第二个阈值用来判断开关故障；

步骤6，通过对不同残差跟所述第二阈值对比，获取不同开关故障与残差之间关系的对应表，通过查表来判断具体故障开关位置。

其中，所述共模电压与电压源型逆变器各相输出电压的开关平均模型为：

式中，u_ao，u_bo，u_co为平均输出相电压；u_no为平均共模电压；i_a，i_b，i_c为定子电流；e_a，e_b，e_c反电动势；R_s为定子电阻；L_σ为定子漏电感。

其中，所述步骤2具体包括：

所述共模电压的计算模型为：

其中，

是u_ao，u_bo，u_co的参考值；

在正常运行时，共模电压满足此关系：u_{no_a}＝u_{no_b}＝u_{no_c}(3)

在开路故障情况下，假定开关管T1出现开路故障，并且i_a＞0，u_ao等于-u_dc/2，且小于其基准值

根据共模电压的计算模型，所述共模电压将满足以下关系：

u_{no_a}＞u_{no_b}＝u_{no_c}(4)

其中，所述鲁棒微分器模型为：

其中，x为观测电流，u为微分器输出，f(t)为采样电流；

为了保证观察器的动态误差收敛到零，参数α，λ应满足以下充分条件：

其中，m为信号f(t)的Lipschitz常数。

其中，所述静止坐标系下的异步电机反电动势的动态方程为：

其中，L_σ＝σL_s，

分别为泄漏电感和泄漏系数；i_i，ψ_ri，e_i分别为定子电流、转子磁通和反电动势；

为三次谐波注入前的定子参考电压；R_s为定子电阻；R_r为转子电阻；L_m励磁电感；L_s定子电感；L_r转子电感；

基于公式(7)，根据三相电压的不同设计三个滑模观测器得到：

其中，

为观测变量，k为滑模观测器的增益，k＞0；τ为低通滤波器的时间常数；其中，

为观测变量，k为滑模观测器的增益，k＞0；τ为低通滤波器的时间常数；sgn()是符号函数，其中符号函数可表示为：

其中，所述步骤5具体包括：

步骤501，基于所述鲁棒微分器和所述滑模观测器，所述共模电压可以表示为：

其中，

为共模电压的估计值；

是鲁棒微分器的输出。

为滑模观测器的输出；

步骤502，为了识别故障和故障开关位置，定义了三个残差：

步骤503，根据公式(3)和公式(4)，三个残差在正常工作状态下为零；

在异常情况下，假设开关管T1发生开路故障，i_a＞0，得到所述共模电压的确定值，则为u_ao＝-u_dc/2，因此公式(2)为：

其中，

根据公式(10)，将公式(11)修改为：

通过比较正常和异常情况下的残差，

判断开路故障。

其中，所述步骤5还包括：

由于参数变化和测量噪声的影响，在共模电压中总是存在一些计算误差，将公式(14)所示的故障识别准则修改为：

其中，ε₀为阈值。

其中，所述步骤6具体包括：

由于ε_ab对于

具有一定的自由度，由于

且

不影响正常运行时的输出电流，使用最优的

来扩大ε_ab和ε₀之间的差异，得到最优解的过程等价于求解如下优化问题：

其中

公式(16)中提到的

约束条件是线性调制的前提条件；

由于主动共模电压注入(ACMVI)方法的存在，使得开路故障中最大残差的绝对值增大，使用较大的阈值来检测故障；

因为ε₁＞ε₀，由于噪声和参数的不确定性引起的误报会减少。在所有可能的异常运行情况下，阈值ε₁选择为略小于三个残差的绝对值的最小值。

本发明的上述方案有如下的有益效果：

本发明的基于共模电压的电压源型逆变器开关开路故障诊断方法基于异步电机系统开关平均模型，只需要测量电流值，通过计算得到对应相共模电压的值，不需要增加额外的电压传感器，在正常工作情况下，三个共模电压是相等的，而当发生开路故障时，它们则不相等，利用该特征来进行逆变器故障开关的定位和检测，提高系统运行的稳定性。

附图说明

图1为本发明的故障诊断方法的流程示意图；

图2为本发明的主动共模电压注入算法诊断故障的流程图；

图3为本发明的电压源型逆变器驱动异步电机的正常运行情况下的仿真得到的三相负载电流、共模电压值、残差值、电磁转矩、异步电机的转速；

图4为本发明的使用主动共模电压注入法和不使用此法的三相负载电流测量值、共模电压值、残差值的结果对比；

图5为本发明的电压源型逆变驱动异步电机系统在单开关分别开路故障下的三相负载电流、共模电压、三个残差的仿真值；

图6是本发明的基于电压逆变器的异步电机系统的简化模型。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

如图1所示，本发明的实施例提供了一种基于共模电压的电压源型逆变器开关开路故障诊断方法，包括：

步骤1，电压源型逆变器驱动异步电机正常工作，建立共模电压与电压源型逆变器各相输出电压的开关平均模型；

步骤2，根据所述开关平均模型，获取共模电压的计算模型和不同故障情况下不同共模电压计算值之间的对应关系；

步骤3，利用一阶鲁棒微分器，获得精确的电流微分值；

步骤4，建立静止坐标系下的异步电机反电动势的动态方程，通过滑模观测器获取异步电机反电动势的值；

步骤5，定义三个残差，设定第一阈值，通过主动共模电压注入，扩大残差之间的差异值，同时设定第二个阈值用来判断开关故障；

步骤6，通过对不同残差跟所述第二阈值对比，获取不同开关故障与残差之间关系的对应表，通过查表来判断具体故障开关位置。

本发明的上述实施例所述的基于共模电压的电压源型逆变器开关开路故障诊断方法在电压源型逆变器驱动异步电机正常工作的情况下，建立共模电压与电压源型逆变器各相输出电压的开关平均模型，基于开关平均模型，给出共模电压的计算模型，列出不同故障情况下不同共模电压计算值之间的对应关系，为了获得电流微分值，提出了一种实用的一阶鲁棒微分器，以减弱潜在噪声的影响，获得较为精确的电流微分值，为获得电机反电动势的值，建立静止坐标系下的异步电机反电动势的动态方程，设计滑模观测器以得到反电动势的值；为了识别和判断故障开关位置，定义三个残差，实际过程中由于考虑到参数变化和测量噪声的影响，设定第一阈值，为了提高诊断算法的灵敏性和鲁棒性，提出主动共模电压注入的方法，用来扩大残差之间的差异值，设定第二阈值作为最终判断开关故障的条件，通过对不同残差对阈值对比，列出不同开关故障与残差之间关系的对应表，通过查表来判断具体故障开关位置；本发明的故障诊断方法考虑参数变化和噪声的影响，采用两个阈值来降低误报率，为提高系统灵敏性和鲁棒性，进一步提出主动共摸电压注入的方法，它利用调制过程中一定的自由度，使开路的故障信息更为明显，提高诊断系统的可靠性。这些方法的应用可以有效保障系统免疫误报的能力和对开路故障额高灵敏性。本发明可以及时诊断出开路故障的位置，保障系统可靠运行。

其中，所述共模电压与电压源型逆变器各相输出电压的开关平均模型为：

式中，u_ao，u_bo，u_co为平均输出相电压；u_no为平均共模电压；i_a，i_b，i_c为定子电流；e_a，e_b，e_c反电动势；R_s为定子电阻；L_σ为定子漏电感。

图6为基于电压源逆变器的异步电机系统简化模型。其中三相电压分别为a,b,c三点与o点的电势差，相电流为流过等效异步电机模型三相的电流i_a，i_b，i_c，共模电压是两个中性点n,o两点之间的电势差。

其中，所述步骤2具体包括：

所述共模电压的计算模型为：

其中，

是u_ao，u_bo，u_co的参考值；

在正常运行时，共模电压满足此关系：u_{no_a}＝u_{no_b}＝u_{no_c}(3)

在开路故障情况下，假定开关管T1出现开路故障，并且i_a＞0，u_ao等于-u_dc/2，且小于其基准值

根据共模电压的计算模型，所述共模电压将满足以下关系：u_{no_a}＞u_{no_b}＝u_{no_c} (4)

如果出现多开关开路故障，也可以通过组合的方式判断出来，由不同开关开路故障可推出以下对应的表I。

表I

不同故障条件下的共模电压

其中，所述鲁棒微分器模型为：

其中，x为观测电流，u为微分器输出，f(t)为采样电流；

为了保证观察器的动态误差收敛到零，参数α，λ应满足以下充分条件：

其中，m为信号f(t)的Lipschitz常数。公式(6)是非常粗略的估计，具体的α，λ数值需要在实际应用中进行调整。

其中，所述静止坐标系下的异步电机反电动势的动态方程为：

其中，L_σ＝σL_s，

分别为泄漏电感和泄漏系数；i_i，ψ_ri，e_i分别为定子电流、转子磁通和反电动势；

为三次谐波注入前的定子参考电压；R_s为定子电阻；R_r为转子电阻；L_m励磁电感；L_s定子电感；L_r转子电感；

基于公式(7)，根据三相电压的不同设计三个滑模观测器得到：

其中，

为观测变量，k为滑模观测器的增益，k＞0；τ为低通滤波器的时间常数；其中，

为观测变量，k为滑模观测器的增益，k＞0；τ为低通滤波器的时间常数；sgn()是符号函数，其中符号函数可表示为：

其中，所述步骤5具体包括：

步骤501，基于所述鲁棒微分器和所述滑模观测器，所述共模电压可以表示为：

其中，

为共模电压的估计值；

是鲁棒微分器的输出。

为滑模观测器的输出；

步骤502，为了识别故障和故障开关位置，定义了三个残差：

步骤503，根据公式(3)和公式(4)，三个残差在正常工作状态下为零；

在异常情况下，假设开关管T1发生开路故障，i_a＞0，得到所述共模电压的确定值，则为u_ao＝-u_dc/2，因此公式(2)为：

其中，

根据公式(10)，将公式(11)修改为：

通过比较正常和异常情况下的残差，

判断开路故障。

然而，在实际应用中，由于参数变化和测量噪声的影响，在共模电压中总是存在一些计算误差；将公式(13)所示的故障识别准则修改为：

其中，ε₀为阈值。显然，阈值决定了故障诊断算法的鲁棒性和灵敏度。阈值偏小可以提高灵敏度但是会降低鲁棒性，阈值偏大可以提高鲁棒性但会降低灵敏度。

基于以上分析,阈值的上界和下界之间的距离较长，可以保证故障诊断算法鲁棒性和灵敏度。为了增大间距，引入主动共模电压注入的方法。

根据公式(13)可以发现，由于ε_ab对于

具有一定的自由度，由于

且

不影响正常运行时的输出电流。我们可以主动地使用最优的

来扩大ε_ab和ε₀之间的差异。得到最优解的过程等价于求解如下优化问题：

其中

公式(15)中提到的

约束条件是线性调制的前提条件。

由于主动共模电压注入(ACMVI)方法的存在，使得开路故障中最大残差的绝对值增大。因此，可以使用较大的阈值来检测故障，如下所示：

因为ε₁＞ε₀，由于噪声和参数的不确定性引起的误报会减少。在所有可能的异常运行情况下，阈值ε₁选择为略小于三个残差的绝对值的最小值。

为了降低阈值过大导致的漏检率和阈值过小导致的误报率，提出了一种双阈值故障诊断算法。第一个较小的阈值ε₀用来作为ACMVI法的触发条件。第二个较大的阈值ε₁作为故障的最终判定条件。如果发生开断故障，残差将超过第一阈值，ACMVI方法将被触发。它通过主动增大残差，使其迅速超过第二阈值。从而检测到开关故障。如果由于测量噪声、参数变化等因素导致残差超过第一阈值，ACMVI方法不会放大残差，可以避免误报。

表II用于定位故障开关位置，①～⑥代表对应的残差条件的六个不同的单开关开路故障。如果多个开关开路故障发生,它们可以通过①～⑥的组合来判断。

表II

正常和故障情况下的残差

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于共模电压的电压源型逆变器开关开路故障诊断方法，其特征在于，包括：

步骤1，电压源型逆变器驱动异步电机正常工作，建立共模电压与电压源型逆变器各相输出电压的开关平均模型，其中，共模电压表示中性点n和中性点o之间的电压；

所述共模电压与电压源型逆变器各相输出电压的开关平均模型为：

式中，u_ao，u_bo，u_co为平均输出相电压；u_no为平均共模电压；i_a，i_b，i_c为定子电流；e_a，e_b，e_c反电动势；R_s为定子电阻；L_σ为定子漏电感；

步骤2，根据所述开关平均模型，获取共模电压的计算模型，并获取不同故障情况下不同共模电压计算值之间的对应关系；

步骤3，利用一阶鲁棒微分器，获得精确的电流微分值；

步骤4，建立静止坐标系下的异步电机反电动势的动态方程，通过滑模观测器获取异步电机反电动势的值；

步骤5，定义三个残差，设定第一阈值，通过主动共模电压注入(ACMVI)，扩大残差之间的差异值，同时设定第二阈值用来判断开关故障；

步骤6，通过对不同残差跟所述第二阈值对比，获取不同开关故障与残差之间关系的对应表，通过查表来判断具体故障开关位置。

2.根据权利要求1所述的基于共模电压的电压源型逆变器开关开路故障诊断方法，其特征在于，所述步骤2具体包括：

所述共模电压的计算模型为：

其中，

是u_ao，u_bo，u_co的参考值；

在正常运行时，共模电压满足此关系：u_{no_a}＝u_{no_b}＝u_{no_c}(3)

在开路故障情况下，假定开关管T1出现开路故障，并且i_a＞0，u_ao等于-u_dc/2，且小于其基准值

根据共模电压的计算模型，所述共模电压将满足以下关系：u_{no_a}＞u_{no_b}＝u_{no_c}(4)。

3.根据权利要求2所述的基于共模电压的电压源型逆变器开关开路故障诊断方法，其特征在于，所述鲁棒微分器模型为：

其中，x为观测电流，u为微分器输出，f(t)为采样电流；

为了保证观察器的动态误差收敛到零，参数α，λ应满足以下充分条件：

其中，m为信号f(t)的Lipschitz常数。

4.根据权利要求3所述的基于共模电压的电压源型逆变器开关开路故障诊断方法，其特征在于，所述静止坐标系下的异步电机反电动势的动态方程为：

其中，L_σ＝σL_s，

分别为漏电感和漏电感系数；i_i，ψ_ri，e_i分别为定子相电流、转子磁链和反电动势；

为三次谐波注入前的定子参考电压；R_s为定子电阻；L_m励磁电感；L_s定子电感；L_r转子电感；

基于公式(7)，根据三相电压的不同设计三个滑模观测器得到：

其中，

为观测变量，k为滑模观测器的增益，k＞0；τ为低通滤波器的时间常数；sgn()是符号函数，其中符号函数可表示为：

5.根据权利要求4所述的基于共模电压的电压源型逆变器开关开路故障诊断方法，其特征在于，所述步骤5具体包括：

步骤501，基于所述鲁棒微分器和所述滑模观测器，所述共模电压表示为：

其中，

为共模电压的估计值；

是鲁棒微分器的输出；

为滑模观测器的输出；

步骤502，为了识别故障和故障开关位置，定义了三个残差：

步骤503，根据公式(3)和公式(4)，三个残差在正常工作状态下为零；

在异常情况下，假设开关管T1发生开路故障，i_a＞0，得到所述共模电压的确定值，则为u_ao＝-u_dc/2，因此公式(2)为：

其中，

根据公式(10)，将公式(11)修改为：

通过比较正常和异常情况下的残差，

判断开路故障。

6.根据权利要求5所述的基于共模电压的电压源型逆变器开关开路故障诊断方法，其特征在于，所述步骤5还包括：

由于参数变化和测量噪声的影响，在共模电压中总是存在一些计算误差，将公式(14)所示的故障识别准则修改为：

其中，ε₀为阈值。

7.根据权利要求6所述的基于共模电压的电压源型逆变器开关开路故障诊断方法，其特征在于，所述步骤6具体包括：

由于ε_ab对于

具有一定的自由度，由于

且

不影响正常运行时的输出电流，使用最优的

来扩大ε_ab和ε₀之间的差异，得到最优解的过程等价于求解如下优化问题：

其中

公式(16)中提到的

约束条件是线性调制的前提条件；

由于主动共模电压注入(ACMVI)方法的存在，使得开路故障中最大残差的绝对值增大，使用较大的阈值来检测故障；

因为ε₁＞ε₀，由于噪声和参数的不确定性引起的误报会减少，在所有可能的异常运行情况下，阈值ε₁选择为略小于三个残差的绝对值的最小值。

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