CN113030684B - 一种基于三相电流法的igbt开路测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于三相电流法的IGBT开路测试方法，包括：通过计算IGBT开关管的三相电流各自在单周期内的平均值，并对平均值取绝对值得到各相位电流的直流分量；计算三相电流直流分量的总平均值，当所述总平均值超过预设电流故障阈值时判定IGBT开关管发生开路故障；计算任意两相电流直流分量的差值，并根据所述差值判定开关管两相位同时开路时的具体开路相位；设置各相位电流直流分量的故障验证阈值，根据所述故障验证阈值验证开关管是否为两相位同时开路。本发明对三相平均电流法进行改进，能有效检测出两个开关管同时开路的问题，并提供了准确的定位故障信息，经验证本方法可行。

Description

一种基于三相电流法的IGBT开路测试方法

技术领域

本发明属于变频器技术领域，具体涉及一种基于三相电流法的IGBT开路测试方法。

背景技术

变频器为通过改变电机工作电源频率方式来控制交流电动机的电力控制设备,与绝大多数的电力电子设备一样，在外部干扰或者人为误操作的情况下易发生各种故障。从20世纪中期开始,人们开始利用故障诊断技术检测运行中机械或设备的异常状态，分析异常状态的根源并最终能够预测设备未来的运行状态,变频器也不例外。

IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor,绝缘栅双极型开关管，以下简称开关管)作为变频器的核心器件,用于将直流电转换为交流电供电动机使用。变频器IGBT开路故障诊断方法很多，尤其对单个IGBT的检测。

(1)现象对比法。系统专家法首先对故障经验总结，尽可能把可能发生的故障都列举出来，建立故障库。故障库含有不同类型故障对应的不同故障现象，发生故障后，对比故障现象与故障库，可确定故障类型。然而，故障类型千变万化，建立一个完备的包含所有故障类型的数据库不太容易，在某些故障情况下电机故障并不明显，容易出现漏诊。

(2)电压检测法。根据电压传感器测得电机电压，由于故障时和正常运行时的电压并不一样，根据该差值即可诊断出故障。该方法快速有效，不到半个周期就可完成诊断，但是经济适用性差，很少有厂家的变频器安有电压传感器。

(3)电流检测法。相比于电压检测方法，电流检测法只需要算法就可实现，单电流传感器法只需要一个电流传感器就可完成IGBT开路故障，但是应用场合较少。Mendes用Park矢量法来检测和定位开关管的故障，该方法是在坐标系下，通过比较电流矢量在一个周期内的平均值和相位与阈值的关系定位故障。平均电流Park矢量法的缺点在于其对负载敏感，不同的系统有不同的故障阈值，因此选取繁琐，适用性不佳。Peuget教授提出了电流斜率法来检测开关管故障，通过计算定子电流在坐标系下斜率值大小确定故障相，然后通过斯密特触发器来确定是上开关管故障还是下开关管故障。由于定子电流在开关管故障时会有大的直流偏置，因此电流斜率法也存在阈值选取大小不当的问题，极易受到干扰而导致误判。电流检测方法虽然简单易行，但是诊断较慢，基于小波变换和状态观测器的方法能较好的缩短诊断时间，但这些方法运算复杂，在软件平台上实现相对较难，在现实中应用很少。

上面的方法都是针对一个开关管故障的情况，而对于两个开关管故障诊断，已有改进的电流斜率法，但是还是没有解决这种方法存在的抗干扰差的问题，而且在两个开关管同时故障的情况下，定子电流直流偏置更明显，用电流斜率法误诊断的概率也更大，因此需要一种方法有效检测出两个开关管同时故障的问题。

发明内容

针对现有技术的上述不足，本发明提供一种基于三相电流法的IGBT管开路测试方法，能有效检测出两个开关管同时故障的问题。

本发明提供一种基于三相电流法的IGBT开路测试方法，包括：

通过计算IGBT开关管的三相电流各自在单周期内的平均值，并对平均值取绝对值得到各相位电流的直流分量；

计算三相电流直流分量的总平均值，当所述总平均值超过预设电流故障阈值时判定IGBT开关管发生开路故障；

计算任意两相电流直流分量的差值，并根据所述差值判定开关管两相位同时开路时的具体开路相位；

设置各相位电流直流分量的故障验证阈值，根据所述故障验证阈值验证开关管是否为两相位同时开路。

进一步的，所述计算三相电流直流分量的总平均值，当所述总平均值超过预设电流故障阈值时判定IGBT开关管发生开路故障，包括：

三相电流直流分量的总平均值的计算公式为：

F＝(|μ_a|+|μ_b|+|μ_c|)/3，F为直流分量的总平均值，μ_a，μ_b、μ_c分别为a、b、c三相电流的平均值，|μ_a|、|μ_b|、|μ_c|分别为a、b、c三相电流的直流分量；

设定电流故障阈值，当F超过预设电流故障阈值则判定开关管发生开路故障。

进一步的，

任意两相电流直流分量的差值的计算公式为：

F₁＝||μ_a|-|μ_b||，F₁为a相电流直流分量和b相电流直流分量差值的绝对值；

F₂＝||μ_c|-|μ_b||，F₂为c相电流直流分量和b相电流直流分量差值的绝对值；

F₃＝||μ_c|-|μ_a||，F₃为a相电流直流分量和c相电流直流分量差值的绝对值。

进一步的，所述根据所述差值判定开关管两相位同时开路时的具体开路相位，包括：

设置第一阈值和第二阈值；

当F₁小于第一阈值并且F₂和F₃大于第二阈值时，则判定a相和b相的IGBT开路；

当F₂小于第一阈值并且F₁和F₃大于第二阈值时，则判定b相和c相的开关管开路；

当F₃小于第一阈值并且F₁和F₂大于第二阈值时，则判定a相和c相的开关管开路。

进一步的，所述方法还包括：

通过比较开路开关管的各相位的电流的平均值与0的大小，判断当前相位开路的上下管：

若电流的平均值均大于0，则判定当前相位开路为下开关管开路；

若电流的平均值均小于0，则判定当前相位开路为上开关管开路。

进一步的，所述设置各相位电流直流分量的故障验证阈值，根据所述故障验证阈值验证开关管是否为两相位同时开路，包括：

设置开关管同时开路的两相为故障双相，三相中除故障双相之外的一相设为故障单相；

将故障双相其中一相的电流的直流分量设为验证数值；

设置故障单相的电流直流分量的故障验证阈值，判断验证数值是否大于所述故障验证阈值：

若是，则验证开关管两相位同时开路的判定结果正确。

若否，则验证开关管两相位同时开路的判定结果错误，且改判为开关管单相开路。

进一步的，所述方法还包括：

若三相电流的平均值均为0，则变频器正常运行。

进一步的，所述方法还包括：

经过试验设定第一阈值为0.4，设定第二阈值为1.2，选定故障验证阈值为0.8。

本发明的有益效果在于，

本发明提供的一种基于三相电流法的IGBT开路测试方法，对三相平均电流法进行改进，能有效检测出两个开关管同时开路的问题，并提供了准确的定位故障信息，同时能够判定上管故障还是下管故障，将只有单相相位的开关管开路的情况和两相开关管同时故障的情况进行区分，提高了故障诊断的准确度，有利于变频器的稳定性；并提供了验证本测试方法确实可行的仿真验证方法，保证本方法实施的稳定性。

此外，本发明设计原理可靠，结构简单，具有非常广泛的应用前景。

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，对于本领域普通技术人员而言，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为本申请实施例的方法的流程示意图。

图2为实施例中T1和T2故障时电流波形。

图3为实施例中T1和T2故障时F₁、F₂和F₃波形。

图4为实施例中T1和T2故障时的诊断图。

图5为实施例中T1和T5故障时电流波形。

图6为实施例中T1和T5故障时F₁、F₂和F₃波形。

图7为实施例中T1和T5故障检测波形。

图8为实施例中T3故障时F₁、F₂和F₃波形。

图9为实施例中T1和T5故障检测波形。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，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，所描述的实施例仅仅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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

如图1所示，本申请实施例提供一种基于三相电流法的IGBT开路测试方法，包括：

步骤110，通过计算IGBT开关管的三相电流各自在单周期内的平均值，并对平均值取绝对值得到各相位电流的直流分量；

步骤120，计算三相电流直流分量的总平均值，当所述总平均值超过预设电流故障阈值时判定IGBT开关管发生开路故障；

步骤130，计算任意两相电流直流分量的差值，并根据所述差值判定开关管两相位同时开路时的具体开路相位；

步骤140，设置各相位电流直流分量的故障验证阈值，根据所述故障验证阈值验证开关管是否为两相位同时开路。

(一)为了便于对本发明的理解，在本实施例中，假定a相和b相故障，对本发明提供的一种基于三相电流法的IGBT开路测试方法做进一步的描述。

具体的，所述一种基于三相电流法的IGBT开路测试方法包括：

改进三相平均电流法对多个开关管开路的诊断方法的公式为：

F＝(|μ_a|+|μ_b|+|μ_c|)/3 (1-2)

通常情况下，在变频器正常运行情况下，μ_a，μ_b和μ_c都接近0。当变频器开关管发生开路故障时，μ_a，μ_b和μ_c的值会迅速变大。

首先根据式(3-1)分别计算三相定子电流一个周期内的平均值μ_a，μ_b和μ_c，所述|μ_a|、|μ_b|、|μ_c|即为三相电流直流分量；之后根据式(3-2)可算出三相电流直流分量的总平均值F。设定合适的电流故障阈值，比较F与电流故障阈值的大小，如果F大于电流故障阈值则判定开关管发生开路故障，如果F小于电流故障阈值则判定无开关管发生开路故障。

如果判定出IGBT开路故障，还需要定位故障信息:

F₁＝||μ_a|-|μ_b|| (2-1)

F₂＝||μ_c|-|μ_b|| (2-2)

F₃＝||μ_c|-|μ_a|| (2-3)

当两个开关管同时故障时，可以根据F₁,F₂和F₃的值来判定。假定a相和b相故障，正如前面提到的，|μ_a|和|μ_b|的值迅速变大，而相对的，|μ_c|的值变化较小或者变成|μ_a|和|μ_b|的和。不管哪种情况，F₂和F₃都迅速增加，考虑到故障的相对对称性，|μ_a|和|μ_b|的值相差不大，因此F₁的值相对于F₂和F₃的值很小。选择两个阈值第一阈值M和第二阈值N。

当F₁小于M并且F₂和F₃大于N时，则判定a相和b相的开关管开路；

同理，

当F₂小于M并且F₁和F₃大于N时，则判定b相和c相的开关管开路；

当F₃小于M并且F₁和F₂大于N时，则判定a相和c相的开关管开路。

然而，当只有c相位的开关管开路时，F₁、F₂和F₃值变化趋势同a相和b相相两个开关管同时故障类似，为了区分这两种情况采取以下方法：当a相和b相故障时，|μ_a|相对较小，通过选择合适的阈值M₁，将|μ_a|同M₁比较，如果|μ_a|小于M₁，则判定c相的开关管开路，反之则判定a相和b相开关管开路。同理，只有a相开关管开路时，也用相同方法区分b相和c相的开路情况；只有b相开关管开路时，也用相同方法区分a相和c相的开路情况。

根据前面的方法，可以判定出故障的桥臂(相位)，但是具体是该相位的上开关管故障还是下开关管故障，需要比较该相位的电流平均值与0的大小。如果平均值大于0，则认为该相位的下开关管开路故障，而如果平均值小于0，则认为该相位的上开关管开路故障。在本实施例中，故障相的直流分量的正负符号决定上管故障还是下管故障，如果是正，则故障相的下管开路，反之则是上管发生开路故障。至此，三相平均电流法故障标志标识及其对应含义见表1。

表1三相平均电流法故障标志表

对于阈值的选取很重要，经过试验选择，M设定为0.4，N设定为1.2，选定M₁为0.8。该阈值选取是根据仿真设定的，而且也适合后面的实验。

根据上述分析归纳，得到改进的三相平均电流法故障定位表，即表2。该表适合单个开关管故障诊断及不同桥臂开关管故障诊断。再结合表2，即可完成多开关管故障诊断。

表2三相平均电流法故障定位表

故本测试方法需要提前预设当前测试的参考阈值，参考阈值包括：三相开关管的各相的故障验证阈值M₁及第一阈值M、第二阈值N，然后测量并计算当前测试测试际参数，测试参数包括：三相电流的平均值μ_a、μ_b和μ_c，以及|μ_a|、|μ_b|、|μ_c|，从而计算F₁、F₂和F₃，并根据表1和表2进行对比，得到三相电流开路的最终的测试结果。

对于阈值的选取很重要，经过试验选择，M的大小设定为0.4，N的大小设定成1.2，选定M₁为0.8。该阈值选取是根据仿真设定的，而且也适合后面的实验。

(二)通过对各种故障标志进行仿真，对一种基于三相电流法的IGBT开路测试方法进行推导验证。

1、两相同时上开关管开路或者同时下开关管开路的情况。

从图2可以看出，T1和T2故障时a相电流和b相电流正序分量都被削去，并且电流的波形形状变化基本一致，因此T1和T2故障的电流平均值的大小相差不大。

μ_a+μ_b+μ_c＝0 (3-1)

在感应电机运行中，三相电流的和为0。把公式(3-1)分别带入(2-1)至(2-3)中，分别得到下式：

F₁＝|μ_a-μ_b| (3-2)

F₂＝|μ_a| (3-3)

F₃＝ μ_b| (3-4)

结合上面式(3-2)-(3-4)及图3，由于a相电流和b相电流大小基本相同，因此F₁相对较小，最大值达到0.25。而F₂和F₃的值分别为a相电流和b相电流的绝对值，因此数值相对较大，且都大于1。

如图4所示，故障发生后半个周期，改进的三相平均电流法就可检测到故障。并且a相电流平均值的绝对值大小超过1，证明是两个开关管故障，这是为了跟后面提到的c相单个开关管故障区别所用。

2、对两相上开关管开路和下开关管分别开路的情况。

图5是T1和T5故障后电流波形图，可以看出，a相电流的正序分量和b相电流的负序分量被削去。

同样进行数学分析，将把公式(3-1)分别带入(2-1)至(2-3)中，分别得到下式：

F₁＝|μ_c| (4-7)

F₂＝|k-μ_b| (4-8)

F₃＝|k+μ_a| (4-9)

其中，k设为常数，代表c相电流平均值的绝对值，根据前面的分析，在该种情况下，k值是接近0的正值。因此，F₁是很小的正数。而F₂和F₃值分别约等于b相电流和a相电流平均值的绝对值，由于a相和b相是故障相，因此数值都比较大。如图6的仿真波形看出，T1和T5故障时F₁小于0.15，稳定在0.08左右。而F₂和F波都大于1.5.仿真进一步验证了数学推导的结果。

从上图7中，当T1和T5故障后半个周期检测到故障。且a相电流平均值的绝对值远大于1，证明是两个开关管而非单个开路故障。

3、单相开关管开路故障检测仿真。

从图8中可以看出，T3故障时F₁、F₂和F₃变化同前面两种故障情况类似，只是变化的幅度相对较小。从图9中可以看出，a相电流平均值的绝对值只有0.6，远远小于两个开关管故障时的数值，根据上述方法区别是单个开关管故障还是两个开关管故障，避免混淆。

尽管通过参考附图并结合优选实施例的方式对本发明进行了详细描述，但本发明并不限于此。在不脱离本发明的精神和实质的前提下，本领域普通技术人员可以对本发明的实施例进行各种等效的修改或替换，而这些修改或替换都应在本发明的涵盖范围内/任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种基于三相电流法的IGBT开路测试方法，其特征在于，包括：

通过计算IGBT开关管的三相电流各自在单周期内的平均值，并对平均值取绝对值得到各相位电流的直流分量；

计算三相电流直流分量的总平均值，当所述总平均值超过预设电流故障阈值时判定IGBT开关管发生开路故障；

计算任意两相电流直流分量的差值，并根据所述差值判定开关管两相位同时开路时的具体开路相位；

设置各相位电流直流分量的故障验证阈值，根据所述故障验证阈值验证开关管是否为两相位同时开路；

任意两相电流直流分量的差值的计算公式为：F₁＝||μ_a|-|μ_b||，F₁为a相电流直流分量和b相电流直流分量差值的绝对值；F₂＝||μ_c|-|μ_b||，F₂为c相电流直流分量和b相电流直流分量差值的绝对值；F₃＝||μ_c|-|μ_a||，F₃为a相电流直流分量和c相电流直流分量差值的绝对值；其中，μ_a、μ_b、μ_c分别为a、b、c三相电流的平均值，|μ_a|、|μ_b|、|μ_c|分别为a、b、c三相电流的直流分量；

所述根据所述差值判定开关管两相位同时开路时的具体开路相位，包括：

设置第一阈值和第二阈值；

当F₁小于第一阈值并且F₂和F₃大于第二阈值时，则判定a相和b相的开关管开路；

当F₂小于第一阈值并且F₁和F₃大于第二阈值时，则判定b相和c相的开关管开路；

当F₃小于第一阈值并且F₁和F₂大于第二阈值时，则判定a相和c相的开关管开路。

2.根据权利要求1所述的一种基于三相电流法的IGBT开路测试方法，其特征在于，所述计算三相电流直流分量的总平均值，当所述总平均值超过预设电流故障阈值时判定IGBT开关管发生开路故障，包括：

三相电流直流分量的总平均值的计算公式为：F＝(|μ_a|+|μ_b|+|μ_c|)/3，F为直流分量的总平均值；

设定电流故障阈值，当F超过预设电流故障阈值则判定开关管发生开路故障。

3.根据权利要求1所述的一种基于三相电流法的IGBT开路测试方法，其特征在于，所述方法还包括：

通过比较开路开关管的各相位的电流的平均值与0的大小，判断当前相位开路的上下管：

若电流的平均值均大于0，则判定当前相位开路为下开关管开路；

若电流的平均值均小于0，则判定当前相位开路为上开关管开路。

4.根据权利要求1所述的一种基于三相电流法的IGBT开路测试方法，其特征在于，所述设置各相位电流直流分量的故障验证阈值，根据所述故障验证阈值验证开关管是否为两相位同时开路，包括：

设置开关管同时开路的两相为故障双相，三相中除故障双相之外的一相设为故障单相；

将故障双相其中一相电流的直流分量设为验证数值；

设置故障单相电流的直流分量的故障验证阈值，判断验证数值是否大于所述故障验证阈值：

若是，则验证开关管两相位同时开路的判定结果正确；

若否，则验证开关管两相位同时开路的判定结果错误，且改判为开关管单相开路。

5.根据权利要求3所述的一种基于三相电流法的IGBT开路测试方法，其特征在于，所述方法还包括：

若三相电流的平均值均为0，则变频器正常运行。

6.根据权利要求1所述的一种基于三相电流法的IGBT开路测试方法，其特征在于，所述方法还包括：

经过试验设定第一阈值为0.4，设定第二阈值为1.2，选定故障验证阈值为0.8。

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