CN113866675B - 一种h桥逆变器短路故障推理方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电力故障诊断技术领域，公开了一种H桥逆变器短路故障推理方法，通过故障分类收集故障信息，由故障信息构建故障诊断表，并由最简诊断变量组确定逻辑函数，从而建立逻辑函数，由逻辑函数推断出单相桥逆变器开关管短路故障的位置。本方法对比基于数据或知识的故障推理方法，需要较少的故障信息数据，且更符合故障诊断准确性和快速性的要求，能够应对各种复杂短路环境下的短路故障。本发明可以准确快速推理出H桥逆变器中单一开关管短路故障并结合逻辑函数判断出故障发生的位置及其开关短路情况，表现出在少量故障数据的情况下对短路故障具有较强的推理能力，具有很强的实际操作意义。

Description

一种H桥逆变器短路故障推理方法

技术领域

本发明涉及电力故障诊断技术领域，尤其涉及一种H桥逆变器短路故障推理方法。

背景技术

现有的H桥逆变器故障推理方法主要有四类：一是基于信号处理的故障诊断方法，其应用多种数据分析的方法，例如：将时域转化为频域信号的频谱分析法，区分信号突变和噪声的小波分析法，以及从信息源获取信息和数据分析多个传感器信息数据之间关系的信息融合法。二是基于模型的故障诊断方法，在H桥逆变器中的主要应用为状态空间平均法即选取合适的状态变量，考虑开关器件的导通和关断状态通过基尔霍夫定律对逆变器进行分析。三是基于统计的故障诊断法，主要应用多指标复杂的数据归结为能够反映信息特征的成分分析法，利用贝叶斯公式计算故障发生的概率，从而实现对故障的快速诊断。四是基于知识的故障诊断主要包含建立知识库，通过观察故障的现象查询知识库来判断故障类型的专家系统；采用逻辑的方法通过故障逻辑图进行故障诊断；以及通过复杂映射实现系统故障诊断的神经网络的方法。上述方法中，一、二需要复杂的数学模型或者信号处理算法，三、四需要完备的故障信息和故障数据。因此难以满足实际中数据量少，诊断快速准确的要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种H桥逆变器短路故障推理方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种H桥逆变器短路故障推理方法，所述H桥逆变器包括S1、S2、S3、S4四个桥臂，其中S1和S4为一对桥臂，S2和S3为一对桥臂，其中S1和S3为上桥臂，S2和S4为下桥臂；四个桥臂分别设有一个开关管；

H桥逆变器四个桥臂上的开关管的短路故障推理方法包括以下步骤：

步骤一、设置短路故障模式，获取H桥开关运行数据；

1.1，定义单开关管短路故障类别，包括如下五类：

S1开关管发生短路故障；

S2开关管发生短路故障；

S3开关管发生短路故障；

S4开关管发生短路故障；

无开关器件发生短路故障；

1.2，在H桥逆变器主回路串联一个限流电阻R_lin，开关管短路电流i_SC满足如下关系：

其中R₀为开关管短路时的电路等效电阻；U_d为直流侧的电源电压；I_n为负载正常工作时流经开关管的电流值；I_cm为开关管的额定电流值；

1.3，为每个开关管设置2个短路周期，对应1.1中单开关管短路的五类故障类别共分5种故障模式；定义H桥逆变器开关周期T_s和数据采样周期T，其中m＝1,2,3…：

在故障模式下每类变量平均采集8m个数据，对于每个开关管电压导通状态v_g1～v_g4和桥臂电流i₁～i₄，共计64m个变量数据；

定义

为电流平均变量和电压平均变量，其中N表示开关管的开关编号：

N＝1,2,3,4

t_n＝t₁,t₂,t₃,t₄…t₈

其中t_n为采样时间，n＝1,2,3…8；

k表示数据采样的次序：

步骤二、对冗余数据约简，确定最简变量组；

当检测单个开关管上电流瞬时值i满足：

i>I_a

瞬时电流i为短路电流且记作i_SC否则为I_n，其中I_a＝(1.2～1.6)I_n，按照四种电路短路模态下的电压和电流建立故障数据库；

2.1，根据上述8个平均变量5种故障类型，可得到以t₁到t₈8个采样时间为行，以v_g1～v_g4 i₁～i₄8个平均变量为列的数据表格，得到原始故障数据表；其中α₁、α₂、α₃、α₄分别为i₁～i₄以采样时间排布的电流列向量；

2.2，特征矩阵初等变换及属性约简：

定义电流系数特征矩阵P：

P＝[α₁ α₂ α₃ α₄]

进行有限次初等行变换

其中i、j分别表示P矩阵的第i、j行，最后得到最简行阶梯矩阵Q并与初始矩阵P行等价即：

矩阵P的秩可以表示为：

r(P)＝r(Q)

2.3，确定最简变量组

定义矩阵P的秩为R：

R＝r(P)

秩R表示了电流变量组的最简电流数目，其变量组组数可以表示为：

x表示电压或电流的总变量数目，对于H桥x取4；

选择一种电流变量组作为特征提取的电流诊断变量，再和电压变量组合构成完备的最简诊断变量组合，得到最简故障诊断表；

步骤三、基于智能逻辑的短路故障诊断和推理；

定义r个最小电流变量组的数字诊断特征量A₁～A_r，其中

表示A₁～A_r对应的模拟电流变量，其值取自各开关管的/>

定义r个最小电压变量组的数字诊断特征量B₁～B_r，其中

表示B₁～B_r对应的模拟电压变量，其值取自各开关管的/>

将电流量i_SC和电压量v_g的模拟信号转化为数字信号，得到A₁～A_r和B₁～B_r数字诊断特征量并将其引入最简故障诊断表并对短路故障简化。令ABCD分别对应电流和电压变量组合内的数字变量，得到逻辑诊断函数δ：

δ＝f(A,B,C,D)

定义a₁～a_r和b₁～b_r都为逻辑函数的输入变量：

将采集到的数字信号转化为逻辑函数的输入变量a₁～a_r和b₁～b_r，根据逻辑函数输出波形判断开关的故障状态。

本发明的有益效果在于：由故障信息构建故障诊断表，并由最简诊断变量组确定逻辑函数，从而建立逻辑函数，由逻辑函数推断出单相桥逆变器开关管短路故障的位置。本方法对比基于数据或知识的故障推理方法，需要较少的故障信息数据，且更符合故障诊断准确性和快速性的要求，能够应对各种复杂短路环境下的短路故障。

附图说明

图1为本发明实施例1的方法流程图。

图2为本发明实施例1的H桥逆变器电路基本模型。

图3为本发明实施例1的H桥逆变器正常运行的电流电压脉冲波形图。

图4为本发明实施例1的H桥逆变器S1桥臂短路时的电流电压脉冲波形图。

图5为本发明实施例1的H桥逆变器S2桥臂短路时的电流电压脉冲波形图。

图6为本发明实施例1的H桥逆变器S3桥臂短路时的电流电压脉冲波形图。

图7为本发明实施例1的H桥逆变器S4桥臂短路时的电流电压脉冲波形图。

图8为本发明实施例1的数字逻辑函数。

图9为本发明实施例1的无开关器件发生短路故障下的逻辑诊断诊断输出波形。

图10为本发明实施例1的S1开关管发生短路故障下的逻辑诊断诊断输出波形。

图11为本发明实施例1的S2开关管发生短路故障下的逻辑诊断诊断输出波形。

图12为本发明实施例1的S3开关管发生短路故障下的逻辑诊断诊断输出波形。

图13为本发明实施例1的S4开关管发生短路故障下的逻辑诊断诊断输出波形。

具体实施方式

下面对照附图，通过对实施例的描述，对本发明作进一步详细说明，目的是帮助本领域的技术人员对本发明的构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解，并有助于其实施。

实施例1

如图1-图13所示，一种H桥逆变器短路故障推理的方法，包括以下步骤：

首先建立如图2所示的H桥逆变器电路的基本模型，其中H桥逆变器包括S1、S2、S3、S4四个桥臂和负载，其中S1和S4为一对桥臂，S2和S3为一对桥臂，其中S1和S3为上桥臂，而S2和S4为下桥臂；四个桥臂上分别设有一个IGBT开关管，每一个桥臂由IGBT和并联的续流二极管组成。在每个开关管以及负载处设置电压传感器，每个电阻和IGBT连接处设置电流传感器，对流经四个开关管的电流值进行检测。主回路串联一个限流电阻R_lin，防止因短路电流过大损坏电路；其中，R₁-R₄为S1-S4的栅极通态电阻；R_a-R_d为四个开关管下的等效电阻；D1-D4为栅极等效二极管；D5-D8为IGBT反并联的二极管；P1中的G1-G4四个接口分别对应开关管S1-S4的栅极信号；P2中的VCC接口对应直流电源电压U_d，GND接口对应的地线；P5-P8为检测流过开关管S1-S4的发射极电流；P9-P12为检测流过开关管S1-S4的集射极电压。

选取H桥逆变电路中的IGBT开关状态v_g1～v_g4，桥臂电流i₁～i₄作为参考诊断值。

设置短路故障模式，获取H桥逆变器开关运行数据

根据每个开关管运行状态进行故障分类，分为以下五类：

S1开关管发生短路故障；

S2开关管发生短路故障；

S3开关管发生短路故障；

S4开关管发生短路故障；

无开关器件发生短路故障。

设置限流电阻R_lin：直流母线电压U_d＝24V、阻感负载Z＝(20+j100π×50×10^-3)Ω；定义R_a＝R_c＝1ΩR_b＝R_d＝10Ω，即可以表示R₀＝R_a+R_b＝R_c+R_d＝11Ω。鉴于短路故障的相似性，当S1、S2桥臂短路时：设置短路电流阈值I_a＝1.2I_n，根据

得到R_lin＝17.96Ω≈18Ω；同理当S3、S4桥臂短路时，根据/>

得到R_lin＝17.96Ω≈18Ω。

开关管短路时取m＝1，即故障模式下开关电压导通状态v_g1～v_g4和桥臂电流i₁～i₄中每类变量在两个短路周期内平均采集8×1个数据，共计64个变量数据，每个采样点处的电压和电流值为单个采样数据值。

对于电流采样值

N表示开关管的开关编号：

对于电压采样值

N表示开关管的开关编号：

正常运行的电流电压脉冲波形如图3所示；当S1、S2桥臂短路时，通过采集数据得到的波形图如图4图5所示；当S3、S4桥臂短路时，通过采集数据得到的波形图如图6图7所示：

根据上述设置的限流电阻R_lin，当检测到某一开关管的电流瞬时值：

i>0.7727A×1.2

则认为该开关管发生短路故障，其对应的短路电流记作i_SC否则记作I_n。提取出含短路电流量的数据，构建如表1所示的故障数据库(σ表示短路情况)：

表1：故障数据库

t	vg1	vg2	vg3	vg4	i1	i2	i3	i4	σ
										t(3,4),S1	1	0	0	1	iSC	0	iSC	0	S1短路
t(5,6),S2	0	1	1	0	0	iSC	0	iSC	S2短路
										t(5,6),S3	0	1	1	0	iSC	0	iSC	0	S3短路
t(3,4),S4	1	0	0	1	0	iSC	0	iSC	S4短路

t_i,sj表示的是t_i时刻开关Sj发生故障对应的时间点，如t_6,s2表示的是t₆时刻开关S2发生故障。

根据表1可以得到各电流列向量α₁、α₂、α₃、α₄：

得到特征矩阵P为：

/>

进行有限次初等行变换得到行最简行阶梯矩阵，求出矩阵P的秩R＝r(P)＝2。

求解电流变量组组数：

剔除两组重复组合后得到四组电流组合：(i₁,i₂)，(i₁,i₄)，(i₂,i₃)，(i₃,i₄)。选择其中一组电流变量(i₁,i₄)和相应的电压变量(v_g1,v_g4)，构成完备的最简诊断变量组合。建立如表2所示的最简故障诊断表：

表2：最简故障诊断表

t	vg1	vg4	i1	i4	σ
						t(3,4),S1	1	1	iSC	0	S1短路
t(5,6),S2	0	0	0	iSC	S2短路
						t(5,6),S3	0	0	iSC	0	S3短路
t(3,4),S4	1	1	0	iSC	S4短路

使用ADC模块将电流量i_SC和电压量v_g的模拟信号转化为数字特征量：

得到如表3所示的基于数字特征量的最简故障诊断表：

表3：基于数字特征量的最简故障诊断表

定义逻辑函数的输入变量：

通过输入变量推导出故障诊断函数δ对应的表达式：

构建相应的数字逻辑函数如图8所示，将变量输入到数字逻辑函数中，根据逻辑函数输出波形判断开关的故障状态。无开关器件发生短路故障下的逻辑函数诊断输出波形如图9所示，再通过仿真得到，S1-S4开关管分别发生短路故障下的逻辑函数诊断输出波形如图10-13所示。

以上结合附图对本发明进行了示例性描述，只要是采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进；或未经改进，将本发明的上述构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种H桥逆变器短路故障推理方法，其特征在于：所述H桥逆变器包括S1、S2、S3、S4四个桥臂，其中S1和S4为一对桥臂，S2和S3为一对桥臂，其中S1和S3为上桥臂，S2和S4为下桥臂；四个桥臂分别设有一个开关管；

H桥逆变器四个桥臂上的开关管的短路故障推理方法包括以下步骤：

步骤一、设置短路故障模式，获取H桥开关运行数据；

1.1，定义单开关管短路故障类别，包括如下五类：

S1开关管发生短路故障；

S2开关管发生短路故障；

S3开关管发生短路故障；

S4开关管发生短路故障；

无开关器件发生短路故障；

1.2，在H桥逆变器主回路串联一个限流电阻R_lin，开关管短路电流i_SC满足如下关系：

其中R₀为开关管短路时的电路等效电阻；U_d为直流侧的电源电压；I_n为负载正常工作时流经开关管的电流值；I_cm为开关管的额定电流值；

1.3，为每个开关管设置2个短路周期，对应1.1中单开关管短路的五类故障类别共分5种故障模式；定义H桥逆变器开关周期T_s和数据采样周期T，其中m＝1,2,3…：

在故障模式下每类变量平均采集8m个数据，对于每个开关管电压导通状态v_g1～v_g4和桥臂电流i₁～i₄，共计64m个变量数据；

定义

为电流平均变量和电压平均变量，其中N表示开关管的开关编号：

N＝1,2,3,4

t_n＝t₁,t₂,t₃,t₄…t₈

其中t_n为采样时间，n＝1,2,3…8；

k表示数据采样的次序：

步骤二、对冗余数据约简，确定最简变量组；

当检测单个开关管上电流瞬时值i满足：

i＞I_a

瞬时电流i为短路电流且记作i_SC否则为I_n，其中I_a＝(1.2～1.6)I_n，按照四种电路短路模态下的电压和电流建立故障数据库；

2.1，根据上述8个平均变量5种故障类型，可得到以t₁到t₈8个采样时间为行、v_g1～v_g4 i₁～i₄8个平均变量为列的原始故障数据表；其中α₁、α₂、α₃、α₄分别为i₁～i₄以采样时间排布的电流列向量；

2.2，特征矩阵初等变换及属性约简：

定义电流系数特征矩阵P：

P＝[α₁ α₂ α₃ α₄]

进行有限次初等行变换

其中i、j分别表示P矩阵的第i、j行，最后得到最简行阶梯矩阵Q并与初始矩阵P行等价即：

矩阵P的秩可以表示为：

r(P)＝r(Q)

2.3，确定最简变量组

定义矩阵P的秩为R：

R＝r(P)

秩R表示了电流变量组的最简电流数目，其变量组组数可以表示为：

x表示电压或电流的总变量数目，对于H桥x取4；

选择一种电流变量组作为特征提取的电流诊断变量，再和电压变量组合构成完备的最简诊断变量组合，得到最简故障诊断表；

步骤三、基于智能逻辑的短路故障诊断和推理；

定义r个最小电流变量组的数字诊断特征量A₁～A_r，其中

表示A₁～A_r对应的模拟电流变量，其值取自各开关管的/>

定义r个最小电压变量组的数字诊断特征量B₁～B_r，其中

表示B₁～B_r对应的模拟电压变量，其值取自各开关管的/>

将电流量i_SC和电压量v_g的模拟信号转化为数字信号，得到A₁～A_r和B₁～B_r数字诊断特征量并将其引入最简故障诊断表并对短路故障简化；令ABCD分别对应电流和电压变量组合内的数字变量，得到逻辑诊断函数δ：

δ＝f(A,B,C,D)

定义a₁～a_r和b₁～b_r都为逻辑函数的输入变量：

将采集到的数字信号转化为逻辑函数的输入变量a₁～a_r和b₁～b_r，根据逻辑函数输出波形判断开关的故障状态。

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