一種三相全橋逆變器的靜態(tài)故障診斷的電路及診斷方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及電力電子學(xué)中逆變電路的故障診斷領(lǐng)域，具體設(shè)及一種Ξ相全橋逆變 器的靜態(tài)診斷的電路及診斷方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 自1957年通用電氣公司研制出第一個(gè)晶閩管W來，隨之發(fā)明出的各種新型器件不 斷促進(jìn)著電力電子學(xué)的發(fā)展，逆變電路作為電力電子學(xué)中重要的組成部分之一，也有著蓬 勃的發(fā)展，逆變電路根據(jù)直流側(cè)電源性質(zhì)的不同可W分為兩種：電壓源型逆變電路和電流 源型逆變電路，Ξ相全橋逆變器是一種典型的電壓源型逆變器(VSI)，被廣泛的應(yīng)用于電機(jī) 系統(tǒng)和電源功率變換系統(tǒng)中。據(jù)統(tǒng)計(jì)，38%的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)故障都是由功率器件引起的，見 文南犬：F . W . Fuchs ,''Some diagnosis methods for voltage source inverters invariable speed drives with induction machines-A survey,''in Proc . IEEE Ind.Electron. Conf.，2003，pp. 1378-1385.。所W對(duì)逆變器故障的檢測與定位，對(duì)于提高系 統(tǒng)的安全性和可維修性是一個(gè)至關(guān)重要的問題，見文獻(xiàn)：W . S 1 e S Z y η S k i a η d J.Nieznanski,"Open-transistor fault diagnostics involtage-source inverters by analyzing the load currents IEEE Inter. Sympos .on Power Electronics and 化ives，2007，pp. 70-73.。因此在最近的15年，研究出了很多故障檢測的方法。
[0003] 逆變器的故障都是由功率器件的損傷導(dǎo)致的，通常分為開路故障(SC)和短路故障 兩類故障(0C)?，F(xiàn)有的針對(duì)逆變器的故障診斷方法通常分為兩大類:基于電流的檢測方法 和基于電壓的檢測方法。
[0004] 與短路故障診斷相比，在開路故障診斷運(yùn)個(gè)領(lǐng)域的研究更多。并且基于電流的檢 測方法更多的設(shè)計(jì)用于運(yùn)行中的電機(jī)系統(tǒng)或功率變換裝置。
[0005] 在不知道Ξ相全橋逆變器狀態(tài)的情況下，冒然啟動(dòng)系統(tǒng)，具有很大的危險(xiǎn)性，如果 逆變橋上半橋臂與下半橋臂各有一個(gè)功率器件發(fā)生短路故障，就相當(dāng)于將電網(wǎng)短路，產(chǎn)生 很大的短路電流，會(huì)瞬間燒毀逆變器，甚至拉低電網(wǎng)或燒毀供電電源;如果有單個(gè)功率器件 發(fā)生短路故障或開路故障，則會(huì)導(dǎo)致電機(jī)負(fù)載工作于缺相狀態(tài)，相電流會(huì)大于正常工作情 況下的電流，而且發(fā)熱嚴(yán)重，長期工作會(huì)對(duì)電機(jī)帶來損傷?；赪上問題，能夠在系統(tǒng)啟動(dòng) 前就得知系統(tǒng)故障狀態(tài)，W保證系統(tǒng)不在帶著故障情況下安全啟動(dòng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 要解決的技術(shù)問題
[0007] 本發(fā)明提出了一種Ξ相全橋逆變器的靜態(tài)故障診斷方法。
[000引技術(shù)方案
[0009] 一種Ξ相全橋逆變器的靜態(tài)故障診斷電路，其特征在于：在Ξ相全橋逆變器的基 本拓?fù)渖咸砑恿怂膫€(gè)并聯(lián)的電阻分壓網(wǎng)絡(luò)和一個(gè)母線電流采樣電阻，每一個(gè)電阻分壓網(wǎng)絡(luò) 由Ξ個(gè)電阻Rxi、Rx2與Rx3組成，其中X = l，2,3,4;并且每一組電阻分壓網(wǎng)路的同一相應(yīng)位置 處的電阻阻值相同，其中Ξ個(gè)電阻分壓網(wǎng)絡(luò)分別與逆變器的Ξ相并聯(lián)，還有一路并聯(lián)于母 線兩端。
[0010] -種利用所述的電路進(jìn)行靜態(tài)Ξ相全橋逆變器短路故障診斷的方法，其特征步驟 如下：
[0011] 步驟1:將Ξ相全橋逆變器的六個(gè)功率器件的驅(qū)動(dòng)信號(hào)全部置為無效狀態(tài)，確保功 率器件可靠關(guān)斷后，母線電壓再上電；
[0012] 步驟2:當(dāng)母線電壓Ud上電后，進(jìn)行全橋故障檢測，實(shí)時(shí)檢測母線電流采樣電阻兩 端的電壓值，當(dāng)檢測到的電壓值化US值大于設(shè)定限定值Vth的Kg倍W上時(shí)，則認(rèn)為Ξ相全橋逆 變器的上半橋臂與下半橋臂中同時(shí)至少有一個(gè)功率器件發(fā)生短路故障，結(jié)束故障檢測;反 之則認(rèn)為Ξ相全橋逆變器的上半橋臂與下半橋臂中沒有同時(shí)出現(xiàn)功率器件發(fā)生短路故障；
[0013] 步驟3:當(dāng)沒有檢測到Ξ相全橋逆變器的上半橋臂與下半橋臂中沒有同時(shí)出現(xiàn)功 率器件發(fā)生短路故障時(shí)，則接著檢測是否發(fā)生了單純的上半橋臂或下半橋臂短路故障:實(shí) 時(shí)采樣四路電阻分壓網(wǎng)路的輸出，當(dāng)四路分壓網(wǎng)絡(luò)的輸出值都相同時(shí)，即Vl = V2 = V3 = Vref =(R43/(R"+R42+R43)Ud)時(shí)，則認(rèn)為逆變器橋的六個(gè)功率器件都沒有發(fā)生短路故障，當(dāng)四路 分壓網(wǎng)路的輸出中Ξ路和Ξ個(gè)橋臂并聯(lián)的分壓網(wǎng)絡(luò)輸出與母線并聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)輸出不同時(shí)，貝U 上半橋臂或下半橋臂可能發(fā)生了短路故障；如果Vl = V2 = V3 = 0,而Vref=(R43/(R"+R42+R43) Ud )時(shí)，則說明下半橋臂功率管發(fā)生了短路故障，如果Vl = V2 = V3 = ( R43/ ( R42+R43 ) Ud )，而Vref = (R43/(R"+R42+R43)Ud)時(shí)，則說明上半橋臂功率管發(fā)生了短路故障，如下表所示：
[0014] 半橋臂短路故障診斷條件
[0015]
[0016] 表中表示運(yùn)里在判定時(shí)不關(guān)注其值的大小，代表，實(shí)際測量值在此附 近，相對(duì)于Vref沒有明顯差異。
[0017] -種利用所述的電路進(jìn)行靜態(tài)Ξ相全橋逆變器開路故障診斷的方法，其特征在于 步驟如下：
[0018] 步驟1:當(dāng)確定沒有發(fā)生任何模式的短路故障時(shí)，將Ξ相全橋逆變器的六個(gè)功率器 件的驅(qū)動(dòng)信號(hào)置為無效狀態(tài)，確保功率管可靠關(guān)斷狀態(tài)后，母線電壓再上電；
[0019] 步驟2:當(dāng)母線電壓Ud上電，對(duì)每個(gè)功率器件進(jìn)行開路故障診斷：首先確保待檢測 的功率器件的驅(qū)動(dòng)信號(hào)為可靠關(guān)斷狀態(tài)，實(shí)時(shí)檢測Ξ個(gè)與Ξ相橋臂并聯(lián)的電阻分壓網(wǎng)絡(luò)的 輸出，根據(jù)開路故障診斷條件，針對(duì)待檢功率器件給予相應(yīng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)，使其處于導(dǎo)通狀態(tài)； 如果驅(qū)動(dòng)信號(hào)調(diào)整前Vl，V2，V3，Vref的輸出為Vl = V2 = V3 = Vref = (1?43八R41+R42+R43 ) Ud )，而調(diào) 整后Vl、V2W及V3的輸出發(fā)生變化，說明該功率管發(fā)生了開路故障；如果待檢功率器件處于 上半橋臂時(shí)，故障情況下的Vl、V2W及V3的輸出等于(R43/(R42+R43)Ud);如果待檢功率器件處 于下半橋臂時(shí)，故障情況下的Vi、V2W及V3的輸出等于0,具體的診斷條件和相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)信號(hào) 的調(diào)整如下表所示，
[0020] 開路故障診斷條件
[0021]
[0022] 表中："一"表示運(yùn)里在判定時(shí)不關(guān)注其值的大小，"S "代表，實(shí)際測量值在此附 近，相對(duì)于Vref沒有明顯差異。
[0023] 有益效果
[0024] 本發(fā)明提出的一種Ξ相全橋逆變器的靜態(tài)故障診斷的電路及診斷方法，設(shè)計(jì)了一 種用于Ξ相全橋逆變器的靜態(tài)故障診斷電路，只需要四個(gè)簡單的電阻分壓網(wǎng)絡(luò)W及一個(gè)直 接連接的采樣電阻，通過將分壓網(wǎng)路的輸出電壓與參考電壓進(jìn)行比較，根據(jù)一些特殊的判 定規(guī)則，可W實(shí)現(xiàn)開路故障與短路故障的檢測與定位。利用該故障診斷電路的檢測方法適 用于系統(tǒng)開始運(yùn)行之前。在該方法中，可W有效、可靠的在系統(tǒng)運(yùn)行前就診斷出Ξ相全橋逆 變器中是否存在開路故障和短路故障，確保在系統(tǒng)啟動(dòng)前就可W確定系統(tǒng)的故障狀態(tài)，當(dāng) 檢測到發(fā)生故障，停機(jī)下電進(jìn)行檢測，如果系統(tǒng)有針對(duì)Ξ相全橋逆變器的多余度設(shè)計(jì)，則可 W先進(jìn)行余度切換，保證無故障啟動(dòng)，同時(shí)也為之后的檢修提供的一定的參考，增強(qiáng)了系統(tǒng) 的安全性和維修性。
[0025] 本發(fā)明設(shè)及常用于工業(yè)中驅(qū)動(dòng)的Ξ相全橋逆變電路的短路故障與開路故障的檢 測與定位，如可用于各種Ξ相負(fù)載對(duì)稱并阻抗小的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)中，具體設(shè)及用于無刷 直流電機(jī)或永磁同步電機(jī)的短路故障與開路故障的靜態(tài)檢測。本發(fā)明的故障檢測裝置由電 阻分壓網(wǎng)絡(luò)和母線電流采樣電阻組成，將電阻分壓網(wǎng)路與母線電流電阻的輸出送入信號(hào)處 理電路，信號(hào)處理電路的設(shè)計(jì)根據(jù)靜態(tài)Ξ相全橋逆變器短路故障診斷（1)和靜態(tài)Ξ相全橋 逆變器開路故障診斷（2)中的診斷邏輯進(jìn)行設(shè)計(jì)。本發(fā)明的故障診斷方案可W實(shí)現(xiàn)在系統(tǒng) 運(yùn)行前，對(duì)Ξ相全橋逆變器進(jìn)行短路與開路故障的檢測，能夠在系統(tǒng)啟動(dòng)前就得知系統(tǒng)的 故障狀態(tài)，當(dāng)檢測到系統(tǒng)處于故障模態(tài)時(shí)，可W采用禁止系統(tǒng)啟動(dòng)，或者如果系統(tǒng)有針對(duì)Ξ 相全橋逆變器的多余度設(shè)計(jì)，則可W進(jìn)行余度切換，W保證系統(tǒng)無故障啟動(dòng)。
【附圖說明】
[0026] 圖1Ξ相全橋逆變器靜態(tài)故障診斷的檢測電路
[0027] 圖2開路短路故障診斷電路
[0028] 圖3Ξ相全橋逆變器的靜態(tài)故障診斷方法流程圖
【具體實(shí)施方式】
[0029] 現(xiàn)結(jié)合實(shí)施范例、附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述：
[0030] 為了對(duì)Ξ相全橋逆變器的靜態(tài)故障診斷方法進(jìn)行驗(yàn)證，需要在原有的基礎(chǔ)硬件電 路上添加必要的檢測電路，如圖1所示。
[0031] 硬件檢測電路由檢測電路和信號(hào)調(diào)理電路組成，檢測電路就是在Ξ相全橋逆變器 的基本拓?fù)渖咸砑恿怂膫€(gè)電阻分壓網(wǎng)絡(luò)和一個(gè)母線電流采樣電阻化US，每一個(gè)電阻分壓網(wǎng) 絡(luò)由Ξ個(gè)電阻組成(Rxi、Rx2與Rx3,其中義=1，2,3,4)，并且每一組電阻分壓網(wǎng)路的相應(yīng)位置 其對(duì)應(yīng)電阻阻值相同，具體事例中母線電壓為28V，考慮到后級(jí)運(yùn)放電路的供電，通常采用 ±15V，因此可W選取Rxi = 5k、Rx2 = 10k、Rx3 = 5k，運(yùn)里x=l，2,3,4,其中；個(gè)電阻分壓網(wǎng)絡(luò) 分別與逆變器的Ξ相并聯(lián)，還有一路并聯(lián)于母線兩端，檢測電路一共有五個(gè)信號(hào)輸出Vi，V2， V3，VrefW及Vbus，將五路信號(hào)送入開路短路故障檢測電路進(jìn)行故障診斷。
[0032] 開路短路故障檢測電路通常有兩種具體實(shí)現(xiàn)方法:采用純模擬電路搭建和數(shù)字模 擬混合電路搭建。數(shù)字模擬混合電路，如圖1所示。采用運(yùn)放搭建跟隨器、濾波器W及放大 器，將5路信號(hào)進(jìn)行濾波，除去PWM斬波頻率對(duì)信號(hào)的影響，再對(duì)信號(hào)進(jìn)行等比例縮放，W適 合于后級(jí)數(shù)字處理器中的AD采樣量程，在數(shù)字處理器內(nèi)采用程序方式進(jìn)行故障檢測與判 定。而純模擬電路，如圖2所示，采用運(yùn)放搭建跟隨器、濾波器W及比較器，將5路信號(hào)進(jìn)行濾 波，除去PWM斬波頻率對(duì)信號(hào)的影響，再分別將Vl，V2，V3，與Vref送入比較器進(jìn)行比較，同時(shí)將 Vbus與Kg*Vth在比較器中作比較，將四路比較結(jié)果送入邏輯口陣列，進(jìn)行故障檢測與判定。
[0033] Ξ相全橋逆變器的靜態(tài)故障診斷方法的流程圖如圖3所示：
[0034] 靜態(tài)Ξ相全橋逆變器短路故障診斷：
[0035] 步驟1:將Ξ相全橋逆變器的六個(gè)功率器件的驅(qū)動(dòng)信號(hào)全部置為無效狀態(tài)，確保功 率器件可靠關(guān)斷后，母線電壓再上電；
[0036] 步驟2:當(dāng)母線電壓Ud上電后，進(jìn)行全橋故障檢測，實(shí)時(shí)檢測母線電流采樣電阻兩 端的電壓值，當(dāng)檢測到的電壓值化