CN111537914A - 一种三相逆变器功率管开路故障检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开电机驱的动系统故障检测领域中的一种三相逆变器功率管开路故障检测方法，首先在实验用永磁同步电机中采集得到三相逆变器正常与故障运行时的相电压，获取正常与故障情况下的相电压数据，构建6种故障状态函数，然后使用相同方法求得待测电机的故障状态函数，每个故障状态函数中都列出对应划分的6个扇区内的零值和非零值，最后判断待测电机故障状态函数中的6个扇区内的状态值，若全为非零值，则检测出三相逆变器无故障，反将待测电机的故障状态函数与6种故障状态函数依次一一对比，若状态值对应相等，则检测出相应管发生开路故障；本发明将正常工况与故障工况下的相电压作为故障诊断特征值，具有良好的鲁棒性与较高的准确性。

Description

一种三相逆变器功率管开路故障检测方法

技术领域

本发明涉及电机驱的动系统故障检测领域，尤其涉及一种电机驱动系统中三相电压源型逆变器中的功率器件的开路故障检测方法。

背景技术

电机驱动系统是调速系统的重要组成部分，其可靠性对调速系统的安全运行至关重要。由于电力电子器件的脆弱性及其控制的复杂性，逆变器是电机驱动系统中比较容易发生故障的部分。电机驱动系统中的逆变器故障主要分为短路故障和开路故障，开路故障比短路故障具有更隐蔽、更容易忽视的危害，因此目前的研究主要集中对在逆变器功率管的开路故障上。如：中国专利公开号为CN 109032011 A的文献提出的一种基于相电压柱状图的多电平逆变器的开路故障诊断方法，先分别获取在电机驱动系统正常工况和加入各种功率管开路故障情况下的三个相电压的一个周期内的电压波形，然后分别获得各相电压的柱状图，通过对比分析实际电路工作时的故障诊断特征值与健康状态参考值来确定当前电路中发生开路故障的器件，但是在具体实施过程中由于电机的动态运行且电流频率的不断变化，使得求取故障诊断特征值与一个周期内的波形图中总的采样点数变得困难且确信度不高。又如中国专利公开号为CN 108303611 A的文献提出的一种基于线电压的压升与压降的逆变器开路故障诊断方法，其首先针对正常和故障工况下线电压的可能值进行分析，根据正常工况下线电压正负值出现的概率相同，推到得到每种故障及对应两个线电压的故障特征关系表，通过采集当前逆变器的线电压的特征信息并分析确定当前逆变器的故障位置信息，但是由于负载的改变会引起线电压的波动，正上升沿和负下降沿的数量也会发生改变，使得故障诊断特诊值会有所变化从而影响到诊断结果，且在理论上如果载波频率很小会使调制得到的波形变得不规则，也会导致该方法出现误诊断。再如：苗贝贝、沈艳霞等人在《电源学报》2019年05期发表的论文《NPC三电平逆变器的开关管开路故障诊断》中提出了一种逆变器功率管开路故障诊断方法，其选取开关状态、负载相电流的极性及桥臂相电压作为故障特征，在不同的电流流通路径下进行开路故障特征分析以实现故障功率管的准确定位，但是该方法需要选取的故障特征种类较多，实际实现时的诊断成本高，诊断系统比较复杂。

发明内容

本发明基于以上问题，提出一种电机驱动系统中三相逆变器功率管开路故障检测方法，采用相电压检测法，仅选取电机相电压作为故障诊断特征值进行电机驱动系统的逆变器功率管的开路故障检测，能够快速有效地实现逆变器功率器件的开路故障检测，而且硬件成本低、计算量小、准确率高、受电机运行状态的影响小。

本发明一种三相逆变器功率管开路故障检测方法采用的技术方案是：上位机通过控制板获得永磁同步电机转速并计算得到固定电流频率ω，三相逆变器与控制板之间通过开关s1、s2、...s6分别对应控制A、B、C三相桥臂的6个功率管T1、T2、...T6，还包括以下步骤：

步骤1：对一台实验用永磁同步电机中，采集三相逆变器正常运行时三相桥臂中点a、b、c与负载中性点n之间的三相电压u_an、u_bn、u_cn并传送给上位机，上位机将每一相电压划分为6个扇区并得到6个扇区的电压幅值u_{kn 1}、u_{kn 2}、u_{kn 3}、u_{kn 4}、u_{kn 5}、u_{kn 6}，k＝a、b、c；

步骤2：将打开开关s1，使三相逆变器的T1管开路故障；

步骤3：采集T1管开路故障时的三相电压u¹ _an、u¹ _bn、u¹ _cn并传送到上位机，上位机得到T1管开路故障时的6个扇区的电压幅值u¹ _{kn 1}、u¹ _{kn 2}、u¹ _{kn 3}、u¹ _kn4、u¹ _{kn 5}、u¹ _{kn 6}；

步骤4：上位机根据固定电流频率ω、电压幅值u_{kn 1}、u_{kn 2}、u_{kn 3}、u_{kn 4}、u_{kn 5}、u_{kn 6}、u¹ _kn1、u¹ _{kn 2}、u¹ _{kn 3}、u¹ _{kn 4}、u¹ _{kn 5}、u¹ _{kn 6}构建出三相逆变器的T1管开路故障运行时的故障状态函数Env¹ _{fault k}，故障状态函数Env¹ _{fault k}中列出对应的6个扇区内的零值和非零值两种状态值；

步骤5：分别依次断开开关s2、s3、s4、s5、s6中的其中1个开关，其余5个保持关闭，每断开1个开关都重复步骤3-4，上位机获得三相逆变器所有功率管T1、T2、T3、T4、T5、T6分别发生开路故障时的6种故障状态函数Env¹ _{fault k}、Env² _{fault k}、Env³ _{fault k}、Env⁴ _{fault k}、Env⁵ _{fault k}、Env⁶ _{fault k}，每个故障状态函数中都列出对应划分的6个扇区内的零值和非零值；

步骤6：将6路开关s1、s2、...s6均闭合，改变电流频率为任意电流频率ω_x，采集三相逆变器正常运行时的三相电压

上位机获得任意电流频率ω_x、三相逆变器正常运行时6个扇区的电压幅值

步骤7：针对任意电流频率ω_x的待测电机，上位机得出6个扇区的电压幅值u^x _kn1、u^x _{kn 2}、u^x _{kn 3}、u^x _{kn 4}、u^x _{kn 5}、u^x _{kn 6}和相应的故障状态函数Env^x _faultk，故障状态函数Env^x _faultk中列出了对应的6个扇区内的状态值；

步骤8：上位机判断故障状态函数Env^x _{fault k}中的6个扇区内的状态值，若全为非零值，则检测出三相逆变器无故障；反之，上位机将待测电机的故障状态函数Env^x _{fault k}与所述的6种故障状态函数Env¹ _{fault k}、Env² _{fault k}、Env³ _{fault k}、Env⁴ _{fault k}、Env⁵ _{fault k}、Env⁶ _{fault k}依次一一对比，若故障状态函数Env^x _{fault k}中的6个扇区内的状态值与其中故障状态函数Env¹ _{fault k}、Env² _{fault k}、Env³ _{fault k}、Env⁴ _{fault k}、Env⁵ _{fault k}、Env⁶ _{fault k}的状态值对应相等，则检测出相应管发生开路故障，检测过程结束。

本发明与已有方法和技术相比，具有如下优点：

1、本发明采集电机驱动系统正常工况与故障工况下的相电压做为故障诊断特征值，在实现时只需要增加三个电压传感器，省去了传统故障诊断方法中所需的大量电压、电流传感器和较为复杂的算法，降低了故障诊断成本。

2、本发明不受电机工作状态(如调速或变负载)的影响，具有良好的鲁棒性与较高的准确性。

3、电机驱动系统的三相电压与逆变器三相桥臂一一对应，相电压波形的正负又与逆变器功率器件的上下管有着一一对应的关系，因此本发明通过比较正常工况与故障工况下处理过的相电压波形可以快速准确的定位故障开关，不仅故障诊断准确率高而且减少了因开路故障带来的损失，提高了电压源逆变器的工作可靠性。

4、本发明利用暂态分析的方法构建电机驱动系统中三相逆变器发生单管开路故障时的等效电路以及暂态分析发生单管开路故障时电机电感的反电动势对相电压的影响，得到三相逆变器单管开路故障时相电压的相应扇区内的电压波形会出现畸变最终形成马鞍波，根据各扇区内相电压的大小来确定故障诊断函数变得更加准确。

附图说明

图1为实现本发明所述的一种三相逆变器功率管开路故障检测方法的检测装置的整体结构示意图；

图2为图1中电机驱动系统三相逆变器的拓扑结构图；

图3为图1中三相逆变器的开关管组态为s_a,b,c＝100时的简化拓扑结构图；

图4为图1中永磁同步电机矢量控制中所用的SVPWM电压空间矢量图；

图5为图4中合成电压矢量位于Ⅰ扇区时各开关管的动作状态图；

图6为图1中三相逆变器的T1管开路故障时A相电压暂态波形图；

附图中各部件的序号和名称：1、永磁同步电机；2、三相逆变器；3、控制板；4、整流器；5、相电压采集板；6、上位机。

具体实施方式

参见图1，实现本发明所述的一种三相逆变器功率管开路故障检测方法的检测装置包括控制板3、整流器4、相电压采集板5以及上位机6。整流器4将220V交流电经过整流后输入电机驱动系统中的三相逆变器2，将220V交流电转换成100V直流电u_dc用于驱动逆三相变器2。控制板3与上位机6双向连接实现互相通信，并进行电机驱动的有关算法处理。控制板3还与三相逆变器2双向连接，三相逆变器2的输出端连接永磁同步电机1，控制板3发出的开关管控制信号用于驱动永磁同步电机1。分别从三相逆变器2的三相桥臂中点a、b、c与永磁同步电机1负载的中点n引出导线，连接到相电压采集板5的三路信号输入端，相电压采集板5的输出端通过RS232串口与上位机6实现通信。

参见图2所示的三相逆变器2的拓扑结构，n’为三相逆变器2直流侧中点，T1、T2、T3、T4、T5、T6为三相桥臂中的6个功率管，D1、D2、D3、D4、D5、D6分别为6个功率管的续流二极管，R_a、R_b、R_c、L_a、L_b、L_c分别为永磁同步电机1的三相电阻与电感。三相逆变器2的功率管的工作方式为：

开关量s_a、s_b、s_c分别表示逆变器A、B、C三相桥臂上下功率管的开关状态，式中的phase＝a、b、c分别代表电机三相，则所有开关量s_a,b,c的全部可能组合共有八个，包括6个非零矢量U1(001)、U2(010)、U3(011)、U4(100)、U5(101)、U6(110)和两个零矢量U0(000)、U7(111)。

参见图3所示的三相逆变器2在A相桥臂上管T1导通、下管T2关断、BC两相桥臂上管T3与T5关断、下管T4与T6导通，即开关量为s_a,b,c＝100时的简化电路图，由已知技术可知，此时

其中u_an、u_bn、u_cn分别表示电机系统三相相电压，即分别为三相逆变器2的三相桥臂中点a、b、c与永磁同步电机1负载中性点n之间的电压，u_dc为经整流器4转换之后用于驱动逆变器2的直流电压。当发生T1开路故障时，A相相电压u_an在s_a＝1的半个周期内，由于A相绕组线圈做切割磁场线运动产生反电动势并不会为零。A相相电压方程为

e_a＝k*p*ncosωt，其中e_a为A相反电动势，R_a为电机A相绕组的电阻，L_a为电机A相绕组线圈的电感，p为电机的极对数，n为电机转速(

其中f为电流频率，ω为电角速度)，k为反电动势系数(单位v/(rad/sec))。

参见图4，为永磁同步电机1控制算法中的电压空间矢量图。SVPWM算法的理论基础是平均值等效原理，即在一个开关周期T_s内通过基本电压矢量加以组合使其平均值与合成电压矢量U_out相等。在某个时刻，合成电压矢量U_out旋转到某个区域中，可由组成该区域的两个相邻的非零矢量和零矢量在时间上的不同组合得到。以扇区Ⅰ为例，合成空间矢量U_out由非零矢量U₄、U₆和零矢量U₇合成。由平均值等效原理可得：U_outT_s＝U₄T₄+U₆T₆，其中T_x为电压矢量U_x作用时间(x＝1、2、3、4、5、6)。在αβ两相静止坐标系中有：

其中θ为U_out与U₄之间的夹角。在αβ两相坐标系下各矢量的幅值为

即

则可以得到第Ⅰ扇区各电压矢量作用时间为：

其中m为SVPWM的调制系数，

当合成电压矢量U_out位于Ⅰ扇区时，在一个PWM周期内由U₄(100)和U₆(110)两个基本非零矢量合成，五段式开关动作切换的顺序为U₄(100)→U₆(110)→U₇(111)→U₆(110)→U₄(100)，此时三相开关管情况如图5所示。因此，系统正常运行时U₄(100)和U₆(110)两个电压矢量的开关组态中第一位都是1，第三位都是0，只有中间位不同，既可以使A相电压为恒高，也可以使C相电压为恒低。由上述基本非零矢量作用时间公式可以计算出T₄与T₆，则零矢量作用时间为

选取C相电压在一个PWM周期内恒低，计算出了T₄、T₆、T₇即可得到A相、B相、C相的占空比：

其中DC_n(n＝A、B、C)分别代表三相占空比，

当合成电压矢量U_out位于第Ⅰ扇区且开关动作变化，就会由初始状态开始每次增加一个小增量,即每次输出一个新的电压值。开关动作方式由s_a,b,c＝100向下一组开关动作方式s_a,b,c＝110切换时，A相桥臂上管即T1开路故障此时A相桥臂悬空相当于电感线圈两端断开，然而开关管断开并不是一瞬间就能完成的会存在一个时间Δt，此时电流不会突变，还是会维持原来的电流逐渐减小，所以此时会有一个暂态过程。由电路的暂态过程设A相电感初始电流i_La(0₊)＝i_La(0_-)＝I₀，其中i_La(0₊)、i_La(0-)分别表示开关管断开前后时刻的电感电流，I₀表示开关管关断的前一状态时的初始电流值大小。记i_La(Δt)＝I₁(其中I₁＜I₀)，可得此时A相电压为

其中u₁、e_a1分别表示此种开关组态时合成电压矢量位于第Ⅰ扇区时的A相电压以及反电动势大小，I₁表示开关管断开时间Δt时的电感电流，又由于e_a＝k*p*ncosωt，可知T1管开路故障时此种开关管切换过程中A相电压峰值小于逆变器正常运行s_a,b,c＝100时的相电压

由第Ⅰ扇区内三相占空比公式可知，当输出的合成电压矢量位置移动即θ逐渐增大

时，由于s_a＝1且A相上管T1开路故障则A相缺相运行，此时A相占空比为零；B相占空比随θ的递增逐渐增大；C相占空比恒为0。由于占空比就是功率管导通时间与整个开关周期的比值，如果增大占空比则功率管导通时间就越长，非零矢量作用时间就越长，则输出电压就越大。所以每次开关动作时A相电压逐渐增大。

合成电压矢量U_out以某一角频率ω在矢量空间中旋转，当旋转到第Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ扇区时A相上管T1处于常断状态，所以T1开路故障与否对此时的相电压输出没有影响。当旋转到第Ⅴ扇区时，当A相上管T1开路故障时，由PWM控制原理可知开关动作方式为s_a,b,c＝001向下一组开关动作方式为s_a,b,c＝101切换时，正常情况下向开关组态方式为s_a,b,c＝101切换时A相电压为

由此，开关管关断时会存在一个暂态过程，A相上管T1断开经过一个较长时间t后前一个状态的初始电流值衰减到较小值。该扇区内每次开关组态切换时A相相当于零输入响应，A相电感电流为

其中I₂表示开关组态为s_a、b、c＝101时A相电感电流，τ为RL电路的时间常数。开关管断开动作持续时间为Δt，记此时电感电流为i_La(Δt)＝I₃(I₃＜＜I₂)，此时A相峰值电压为

其中u₅、e_a5分别表示此种开关组态时合成电压矢量位于第Ⅴ扇区时的A相电压以及反电动势大小，I₃表示开关管断开时间Δt时的电感电流，可知T1管开路故障时此种开关管切换过程中A相电压峰值略大于逆变器正常运行s_a,b,c＝101时的相电压

当旋转到第Ⅵ扇区时，基本非零矢量U₄(100)与U₅(101)的作用时间为：

则使B相电压为恒低的三相占空比为：

其中

当A相上管T1开路故障时，由PWM控制原理可知开关动作方式为s_a,b,c＝100向下一组开关动作方式为s_a,b,c＝101切换时，会有一个暂态时间Δt。设开关动作切换至s_a,b,c＝100前电路达到稳定状态时的初始电流为I₄，记i_La(Δt)＝I₅(其中I₅＜I₄)，可得此时A相电压为

可知T1管开路故障时此种开关管切换过程中A相电压峰值小于逆变器正常运行s_a,b,c＝100时的相电压

由上述第Ⅵ扇区内三相占空比公式可知，当输出合成电压矢量位置移动即θ逐渐增大

时，由于s_a＝1且A相上管T1开路故障则A相缺相运行，此时A相占空比为零；B相占空比恒为0；C相占空比随θ单调递减。所以此时A相电压值逐渐减小。

由以上T1开路故障时A相电压可得出A相桥臂上管T1管发生开路故障时输出电压u₁先从

上升至a点处，然后输出电压u₅在

附近调节，最后输出电压u₆从c点处下降至

得到的三相逆变器2中的功率管T1开路故障后的相电压暂态波形如图6所示。

参见图2可知三相逆变器2的相电压与直流中性点之间的关系为：

其中u_an'、u_bn'、u_cn'分别表示三相逆变器2的三相桥臂中点a、b、c与直流侧电源中点n’之间的电压，u_ab、u_bc、u_ca分别表示电机三相线电压。

电机负载中性点n与直流测电源中点n’之间的电压为u_nn'，则各相相电压分别为：

由以上两式可得

由于电机驱动系统中电机三相绕组对称，有u_an+u_bn+u_cn＝0，所以

故可以得到电机驱动系统中逆变器A相电压为

由于u_an'、u_bn'、u_cn'是幅值为u_dc/2的矩形波，且相位依次差120°，由以上线电压、直流侧中性点电压与电机驱动系统中相电压的关系可得相电压输出包含

和0共五种电平，每个周期内都会有规律的交替变换。

参见图1，本发明首先将检测装置在一实验用永磁同步电机中采集得到三相逆变器2正常与故障运行时的相电压，获取正常与故障情况下的相电压数据，构建故障状态函数。然后使用相同方法求得待测电机的故障状态函数，最后进行三相逆变器2的开路故障的检测。具体实施步骤如下：

步骤1：将图1所示的检测装置应用于一台实验用永磁同步电机1中，将三相逆变器2与控制板3之间的6路PWM驱动信号传输排线设置开关s1、s2、...s6，分别对应控制三相逆变器2中A、B、C三相桥臂中的6个功率管T1、T2、...T6。当断开开关s1、s2、...s6，即相当于分别对应设置三相逆变器2中的A相桥臂上管下管、B相桥臂上管下管、C相桥臂上管下管的开路故障。从三相逆变器2三相桥臂中点a、b、c与永磁同步电机1负载星形连接的中点n引出导线，并接到相电压采集板5的三路信号输入端，相电压采集板5通过RS232串口与上位机6相连接实现通信。

步骤2：将6路开关s1、s2、...s6均闭合，即三相逆变器2中6路功率管T1、T2、...T6管均正常工作，220V交流电经过整流器4转换为直流电后传送到三相逆变器2使之正常运行，控制板3驱动永磁同步电机1工作，上位机6通过控制板3改变三相输出PWM波的占空比，从而改变永磁同步电机1的转速，上位机6获得转速并计算得到固定电流频率ω。

步骤3：相电压采集板5采集三相逆变器2正常运行时三相桥臂中点a、b、c与永磁同步电机1负载中性点n之间的三相电压u_an、u_bn、u_cn，并传送给上位机6，上位机6根据电机控制算法SVPWM的合成电压空间矢量原理将每一相电压划分为循环的6个扇区，分别记录每一相电压中6个扇区的电压幅值为u_{kn 1}、u_{kn 2}、u_{kn 3}、u_{kn 4}、u_{kn 5}、u_{kn 6}，其中k＝a、b、c。上位机6根据固定电流频率ω以及每一相电压中6个扇区的电压幅值为u_{kn 1}、u_{kn 2}、u_{kn 3}、u_{kn 4}、u_kn5、u_{kn 6}得出三相逆变器2正常运行时相电压表达式为：

u_an、u_bn、u_cn分别表示三相逆变器2正常运行时的永磁同步电机1的三相电压。u_{kn 1}、u_{kn 2}、u_{kn 3}、u_{kn 4}、u_{kn 5}、u_{kn 6}分别表示三相逆变器2正常运行时永磁同步电机1第k相电压中6个扇区内的电压幅值，t表示时间。

步骤4：将对应于三相逆变器2的A相桥臂的T1管的开关s1打开，也就是设置电机驱动系统的三相逆变器T1管开路故障。

步骤5：通过相电压采集板5采集到T1管开路故障时的电机驱动系统的三相桥臂中点a、b、c与永磁同步电机1负载中性点n之间的三相电压u¹ _an、u¹ _bn、u¹ _cn，并传送到上位机6，上位机6根据电机控制算法SVPWM的合成电压空间矢量原理将每一相电压划分为循环的6个扇区，分别记录每一相电压中6个扇区的电压幅值为u¹ _{kn 1}、u¹ _{kn 2}、u¹ _{kn 3}、u¹ _{kn 4}、u¹ _{kn 5}、u¹ _{kn 6}，k＝a、b、c。上位机6根据电流频率ω以及电压幅值u¹ _{kn 1}、u¹ _{kn 2}、u¹ _{kn 3}、u¹ _{kn 4}、u¹ _{kn 5}、u¹ _{kn 6}得出此时T1管开路故障时相电压表达式为：

u¹ _an、u¹ _bn、u¹ _cn分别表示三相逆变器2的T1管开路故障运行时永磁同步电机1的三相电压。u¹ _kn1、u¹ _{kn 2}、u¹ _{kn 3}、u¹ _{kn 4}、u¹ _{kn 5}、u¹ _{kn 6}分别表示三相逆变器2的T1管开路故障运行时永磁同步电机1第k相电压中6个扇区内的电压幅值。

步骤6：构建三相逆变器2中T1管开路故障状态函数。上位机6对固定电流频率ω、三相逆变器2正常运行时的第k相电压中6个扇区内的电压幅值u_{kn 1}、u_{kn 2}、u_{kn 3}、u_{kn 4}、u_kn5、u_{kn 6}、三相逆变器T1管开路故障时第k相电压中6个扇区内的电压幅值u¹ _kn1、u¹ _{kn 2}、u¹ _{kn 3}、u¹ _{kn 4}、u¹ _{kn 5}、u¹ _{kn 6}进行处理，构建出三相逆变器2的T1管开路故障运行时的故障状态函数：

故障状态函数Env¹ _{fault k}中列出了对应的6个扇区内的状态值1，0，为零值和非零值，其中全为非零值代表正常，否则有零值代表有故障。Env¹ _{fault k}表示三相逆变器2中T1管开路故障运行时电机第k相的故障状态函数，u_{kn m}表示三相逆变器2正常运行时电机第k相第m扇区内的相电压大小，u¹ _{kn m}表示三相逆变器2中T1管开路故障运行时电机第k相第m扇区内的相电压大小，k＝a,b,c表示电机三相，m＝1、2、3、4、5、6，表示相电压六个扇区。

步骤7：分别依次断开开关s2、s3、s4、s5、s6中的其中1个开关，其余5个保持关闭，即相当于分别设置三相逆变器2的其中T2、T3、T4、T5、T6管开路故障。每断开1个开关s2、s3、s4、s5、s6都重复步骤5至步骤6，在重复步骤5至步骤6过程中，唯一不同的是步骤5中的相电压采集板5采集的是对应开关s2、s3、s4、s5、s6管开路故障时的三相电压，上位机6得到的是对应开关s2、s3、s4、s5、s6管开路故障时的相电压表达式，由此，对应地便得到了三相逆变器2的T2、T3、T4、T5、T6管分别在开路故障运行时的故障状态函数分别是：Env² _{fault k}、Env³ _{fault k}、Env⁴ _{fault k}、Env⁵ _{fault k}、Env⁶ _{fault k}。至此上位机6获得三相逆变器2所有功率管T1、T2、T3、T4、T5、T6管分别发生开路故障时的6种故障状态函数Env¹ _{fault k}、Env² _{fault k}、Env³ _{fault k}、Env⁴ _{fault k}、Env⁵ _{fault k}、Env⁶ _{fault k}。每个故障状态函数Env¹ _{fault k}、Env² _{fault k}、Env³ _{fault k}、Env⁴ _{fault k}、Env⁵ _{fault k}、Env⁶ _{fault k}中都出了对应划分的6个扇区内的两种状态值1，0，即零值和非零值。

步骤8：将6路开关s1、s2、...s6均闭合，即恢复三相逆变器2中6路功率管T1、T2、...T6管均为正常工作状态，然后，上位机6通过控制板3改变输出PWM波的占空比，从而改变永磁同步电机1的定子电流频率，使定子电流频率为任意电流频率ω_x。此时，相电压采集板5采集得到任意电流频率ω_x、三相逆变器2正常运行时的三相电压

其中

分别表示当永磁同步电机1定子电流频率为ω_x且三相逆变器2正常运行时三相桥臂中点a、b、c与永磁同步电机1负载中性点n之间的电压。上位机6根据电机控制算法SVPWM的合成电压空间矢量原理将每一相电压划分为循环的6个扇区，分别记录每一相电压中6个扇区的电压幅值为

其中k＝a、b、c。将采集到三相电压信号数据暂存于其内部高速RAM中，通过RS232串口将数据传输到上位机6进行保存并处理。上位机6根据获得的任意电流频率ω_x、三相逆变器2正常运行时6个扇区的电压幅值

得出相电压表达式

为：

其中k＝a、b、c，则

分别表示当永磁同步电机1在任意电流频率ω_x且三相逆变器2正常运行时的永磁同步电机1的三相电压。

分别表示当永磁同步电机1定在任意电流频率ω_x且三相逆变器2正常运行时永磁同步电机1第k相电压中6个扇区内的电压幅值。

步骤8：将图1所示的检测装置应用于待测电机中，获取待测电机的故障状态函数。

启动永磁同步电机1，上位机6通过控制板3改变输出PWM波的占空比，从而改变永磁同步电机1的定子电流频率，使定子电流频率为任意电流频率ω_x。相电压采集板5采集待测电机驱动系统中定子电流频率为ω_x时三相逆变器2三相桥臂中点a、b、c与电机负载中性点n之间的三相电压u^x _an、u^x _bn、u^x _cn，上位机6根据电机控制算法SVPWM的合成电压空间矢量原理将每一相电压划分为循环的6个扇区，分别记录每一相电压中6个扇区的电压幅值为u^x _kn1、u^x _{kn 2}、u^x _{kn 3}、u^x _{kn 4}、u^x _{kn 5}、u^x _{kn 6}，其中k＝a、b、c。将采集到三相电压信号数据暂存于其内部高速RAM中，通过RS232串口将数据传输到上位机6进行保存。上位机6根据待测电机的任意电流频率ω_x以及6个扇区的电压幅值u^x _kn1、u^x _{kn 2}、u^x _{kn 3}、u^x _{kn 4}、u^x _{kn 5}、u^x _{kn 6}得出相电压表达式u^x _kn为：

式中，k＝a,b,c，分别表示电机三相，u^x _kn表示待测电机驱动系统在任意电流频率ω_x下的三相电压。

上位机6根据再结合步骤7中实验用电机在任意电流频率ω_x、三相逆变器2正常运行时6个扇区的的电压幅值

得出的相电压

得到待测电机此时的故障状态函数为：

Env^x _{fault k}表示在任意电流频率ω_x情况下待测电机第k相的故障状态函数，列出了任意电流频率ω_x情况下待测电机6个扇区内的状态值，u_{x kn m}表示实验用电机三相逆变器2正常运行且任意电流频率为ω_x时电机第k相第m扇区内的相电压大小，u^x _{kn m}表示待测电机在任意电流频率ω_x情况下运行时电机第k相第m扇区内的相电压大小，k＝a,b,c，表示电机三相，m＝1、2、3、4、5、6，表示相电压六个扇区。

步骤9：故障检测。在待测电机上获得故障状态函数Env^x _{fault k}后，上位机6判断故障状态函数Env^x _{fault k}表达式中的6个扇区内的状态值，若全为非零值，即：

则检测出三相逆变器2无故障。

若故障状态函数Env^x _{fault k}中6个扇区内的状态值含有零值，上位机6将待测电机的故障状态函数Env^x _{fault k}与步骤6中得到的三相逆变器2的T1、T2、T3、T4、T5、T6管分别发生开路故障时的6种故障状态函数Env¹ _{fault k}、Env² _{fault k}、Env³ _{fault k}、Env⁴ _{fault k}、Env⁵ _{fault k}、Env⁶ _{fault k}一一对比：首先上位机6将待测电机故障状态函数Env^x _{fault k}中6个扇区内的状态值与逆变器T1管开路故障时的故障状态函数Env¹ _{fault k}中6个扇区内的状态值进行比较，若状态值对应相等则表明检测出待测电机的三相逆变器2的T1管开路故障，得到开路故障后则检测过程结束，否则，若T1管开路无故障，则上位机6继续将待测电机的故障状态函数Env^x _{fault k}中6个扇区内的状态值与T2管开路故障时的故障状态函数Env² _{fault k}中6个扇区内的状态值进行比较，若状态值对应相等则表明待测电机的三相逆变器2的T2管开路故障，得到T2管开路故障后检测过程结束，否则，若T12管开路无故障，则上位机6继续将待测电机的故障状态函数Env^x _{fault k}中6个扇区内的状态值与T3管开路故障时的故障状态函数Env³ _{fault k}中6个扇区内的状态值进行比较，如此循环往复地将将待测电机的故障状态函数Env^x _{fault k}中6个扇区内的状态值与T3、T4、T5、T6管开路故障时的故障状态函数Env³ _{fault k}、Env⁴ _{fault k}、Env⁵ _{fault k}、Env⁶ _{fault k}中6个扇区内的状态值进行比较，比较时，若状态值与其中某管开路故障状态函数的状态值对应相等则表明检测出了相应管发生开路故障，检测出开路故障后检测过程结束。经过以上比较后，若上位机6仍未确定具体的开路故障，则上位机6输出无法判断，至此完成对待测电机的三相逆变器的开路故障的检测。例如，若此时待测电机的A、C两相的故障状态函数表达式中的6个扇区内的状态值全为非零值，而B相的故障状态函数为：

此故障状态函数表示待测电机在任意电流频率ω_x的情况下，B相电压的第Ⅰ、Ⅴ、Ⅵ三个扇区内相电压状态异常，Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ三个扇区内相电压状态正常。上位机6将上述故障状态函数通过循环遍历的方式与步骤6中的6种逆变器单管开路故障的状态函数进行比较，最终会得出仅与

三相逆变器2发生T3管开路故障时的B相电压中6个扇区内的状态值一一对应，则此时上位机6检测出T3管开路故障，即表明此时待测电机中的三相逆变器2的B相上管T3发生开路故障。

Claims (7)

1.一种三相逆变器功率管开路故障检测方法，上位机通过控制板获得永磁同步电机转速并计算得到固定电流频率ω，三相逆变器与控制板之间通过开关s1、s2、...s6分别对应控制A、B、C三相桥臂的6个功率管T1、T2、...T6，其特征是还包括以下步骤：

步骤1：对一台实验用永磁同步电机中，采集三相逆变器正常运行时三相桥臂中点a、b、c与负载中性点n之间的三相电压u_an、u_bn、u_cn并传送给上位机，上位机将每一相电压划分为6个扇区并得到6个扇区的电压幅值u_{kn 1}、u_{kn 2}、u_{kn 3}、u_{kn 4}、u_{kn 5}、u_{kn 6}，k＝a、b、c；

步骤2：将打开开关s1，使三相逆变器的T1管开路故障；

步骤3：采集T1管开路故障时的三相电压u¹ _an、u¹ _bn、u¹ _cn并传送到上位机，上位机得到T1管开路故障时的6个扇区的电压幅值u¹ _{kn 1}、u¹ _{kn 2}、u¹ _{kn 3}、u¹ _{kn 4}、u¹ _{kn 5}、u¹ _{kn 6}；

步骤4：上位机根据固定电流频率ω、电压幅值u_{kn 1}、u_{kn 2}、u_{kn 3}、u_{kn 4}、u_{kn 5}、u_{kn 6}、u¹ _{kn 1}、u¹ _{kn 2}、u¹ _{kn 3}、u¹ _{kn 4}、u¹ _{kn 5}、u¹ _{kn 6}构建出三相逆变器的T1管开路故障运行时的故障状态函数Env¹ _{fault k}，故障状态函数Env¹ _{fault k}中列出对应的6个扇区内的零值和非零值两种状态值；

步骤5：分别依次断开开关s2、s3、s4、s5、s6中的其中1个开关，其余5个保持关闭，每断开1个开关都重复步骤3-4，上位机获得三相逆变器所有功率管T1、T2、T3、T4、T5、T6分别发生开路故障时的6种故障状态函数Env¹ _{fault k}、Env² _{fault k}、Env³ _{fault k}、Env⁴ _{fault k}、Env⁵ _{fault k}、Env⁶ _{fault k}，每个故障状态函数中都列出对应划分的6个扇区内的零值和非零值；

步骤6：将6路开关s1、s2、...s6均闭合，改变电流频率为任意电流频率ω_x，采集三相逆变器正常运行时的三相电压

上位机获得任意电流频率ω_x、三相逆变器正常运行时6个扇区的电压幅值

步骤7：针对任意电流频率ω_x的待测电机，上位机得出6个扇区的电压幅值u^x _{kn 1}、u^x _{kn 2}、u^x _{kn 3}、u^x _{kn 4}、u^x _{kn 5}、u^x _{kn 6}和相应的故障状态函数Env^x _{fault k}，故障状态函数Env^x _{fault k}中列出了对应的6个扇区内的状态值；

步骤8：上位机判断故障状态函数Env^x _{fault k}中的6个扇区内的状态值，若全为非零值，则检测出三相逆变器无故障；反之，上位机将待测电机的故障状态函数Env^x _{fault k}与所述的6种故障状态函数Env¹ _{fault k}、Env² _{fault k}、Env³ _{fault k}、Env⁴ _{fault k}、Env⁵ _{fault k}、Env⁶ _{fault k}依次一一对比，若故障状态函数Env^x _{fault k}中的6个扇区内的状态值与其中故障状态函数Env¹ _{fault k}、Env² _{fault k}、Env³ _{fault k}、Env⁴ _{fault k}、Env⁵ _{fault k}、Env⁶ _{fault k}的状态值对应相等，则检测出相应管发生开路故障，检测过程结束。

2.根据权利要求1所述的一种三相逆变器功率管开路故障检测方法，其特征是：步骤1中，上位机6根据固定电流频率ω的电压幅值u_{kn 1}、u_{kn 2}、u_{kn 3}、u_{kn 4}、u_{kn 5}、u_{kn 6}得出三相逆变器2正常运行时相电压表达式为：

t表示时间。

3.根据权利要求2所述的一种三相逆变器功率管开路故障检测方法，其特征是：步骤2中，步骤3中，上位机6根据电流频率ω以及电压幅值u¹ _{kn 1}、u¹ _{kn 2}、u¹ _{kn 3}、u¹ _{kn 4}、u¹ _{kn 5}、u¹ _{kn 6}得出T1管开路故障时相电压表达式为：

4.根据权利要求3所述的一种三相逆变器功率管开路故障检测方法，其特征是：步骤2中，步骤4中，故障状态函数

5.根据权利要求4所述的一种三相逆变器功率管开路故障检测方法，其特征是：步骤2中，步骤6中，上位机根据任意电流频率ω_x、电压幅值

得出相电压表达式为：

6.根据权利要求5所述的一种三相逆变器功率管开路故障检测方法，其特征是：步骤2中，步骤7中，上位机6根据待测电机的任意电流频率ω_x以及电压幅值u^x _{kn 1}、u^x _{kn 2}、u^x _{kn 3}、u^x _{kn 4}、u^x _{kn 5}、u^x _{kn 6}得出相电压表达式：

7.根据权利要求6所述的一种三相逆变器功率管开路故障检测方法，其特征是：步骤2中，步骤7中，上位机根据任意电流频率ω_x、电压幅值

得出待测电机的故障状态函数为：

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