一種逆變器功率管開路故障的診斷方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種逆變器功率管開路故障的診斷方法，先定義逆變器的故障線電壓的包絡線函數(shù)；獲取逆變器的輸出線電壓；對所述輸出線電壓進行預處理，獲得有效故障信息；根據(jù)所述有效故障信息并結合線電壓包絡線函數(shù)，得出開路故障引起的電壓畸變特征；根據(jù)所述電壓畸變特征，定位故障橋臂。本發(fā)明公開的逆變器功率管開路故障的診斷方法，無需獲取系統(tǒng)控制信號，一般可在一個載波周期內定位故障，診斷過程與逆變器控制方式以及負載均無關，具有良好的魯棒性，診斷電路結構非常簡單，也可用于其他三相逆變電路的橋臂開路故障診斷。
【專利說明】
一種逆變器功率管開路故障的診斷方法
技術領域
[0001] 本發(fā)明涉及基于PWM技術的逆變器領域，特別是指一種逆變器功率管開路故障的 診斷方法。
【背景技術】
[0002] 基于PWM技術的逆變器在工業(yè)領域中應用極其廣泛，其可靠性至關重要，但變流系 統(tǒng)的故障目前不可能被完全消除，因此，面向變流系統(tǒng)的故障診斷技術近年來成為研究的 熱點。工業(yè)變流系統(tǒng)故障主要由電容器故障、半導體功率管及其驅動電路故障組成。
[0003] 從故障診斷的對象入手，可將故障診斷成果分為兩類，第一類成果針對元器件故 障進行診斷，這類故障診斷需對電容器及功率半導體器件的物理特性、結構有深入了解，當 前存在故障模型精度不高，故障特征難以提取等問題。
[0004] 第二類成果針對元器件故障引起的電路結構故障進行診斷，電路結構故障主要包 含橋臂短路和開路兩種，其中，短路故障破壞性大，需通過保護電路瞬間關閉系統(tǒng)從而保護 剩余器件;開路故障不一定引起系統(tǒng)瞬間崩潰，但可能引起其他器件的二次損傷，最終導致 系統(tǒng)失效。這類方法需采集變流器觸發(fā)脈沖作為診斷變量，或需將診斷方法整合入控制系 統(tǒng)，這對已服役的變流系統(tǒng)難以實現(xiàn);部分方法還需增加傳感器獲取特定變量，或者采用受 負載影響較大的輸出電流作為診斷依據(jù);此外，部分方法計算量較大，需增加復雜的診斷電 路。這些缺點使目前的故障診斷方法在推廣應用上存在一定困難。

【發(fā)明內容】

[0005] 有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提出一種簡單易推廣的逆變器功率管開路故障的診 斷方法。
[0006] 基于上述目的本發(fā)明提供的一種逆變器功率管開路故障的診斷方法，1. 一種逆變 器功率管開路故障的診斷方法，其特征在于，包括：
[0007] 定義逆變器的故障線電壓的包絡線函數(shù)；
[0008] 實時獲取逆變器的輸出線電壓；
[0009] 對所述輸出線電壓進行預處理，獲得有效故障信息；
[0010] 根據(jù)所述有效故障信息并結合所述故障線電壓包絡線函數(shù)，得出開路故障引起的 電壓畸變特征；
[0011] 根據(jù)所述電壓畸變特征，定位故障橋臂。
[0012] 進一步的，在所述逆變器故障線電壓包絡線函數(shù)的定義式為：
[0013]
[0014]
[0015] 其中％Ζοηβ?為時間區(qū)間，η = ，2，3，所述逆變器輸出線電壓包絡線函數(shù)的定義 式定義的六條包絡線分別為逆變器晶體管開路故障的故障線電壓包絡線。
[0016] 進一步的，對所述輸出線電壓進行預處理，獲得有效故障信息的過程包括：
[0017] 根據(jù)故障特征變量預處理方程對狀態(tài)信息進行處理，去除不包含故障信息的部 分，故障特征變量預處理方程為：
[0018]
[0019]
[0020] m= 1，2，3 ;n = 1，2，3
[0021] 其中，11"在11=1，2,3時分別代表1^，1^和1^，14???^〇)和14胃「（〇分別代表三 相上管和下管開路的故障特征變量，I uTH I〈udc，是一個常量。
[0022] 進一步的，根據(jù)所述有效故障信息并結合所述故障線電壓包絡線函數(shù)，得出開路 故障引起的電壓畸變特征的步驟包括：
[0023] 根據(jù)所述有效故障信息判斷是否發(fā)生故障，所述故障診斷函數(shù)為：
[0024]
[0025]
[0026] 進一步的，當發(fā)生故障時，所述診斷函數(shù)的值為非零值。
[0027] 進一步的，當發(fā)生故障時，若發(fā)生故障的橋臂為上管時，所述有效故障信息為所述 上管的負半周期的輸出線電壓;若發(fā)生故障的橋臂為下管時，所述有效故障信息為所述上 管的正半周期的輸出線電壓。
[0028] 從上面所述可以看出，本發(fā)明提供的一種逆變器功率管開路故障的診斷方法，先 定義逆變器的故障線電壓的包絡線函數(shù);獲取逆變器的輸出線電壓;對所述輸出線電壓進 行預處理，獲得有效故障信息;根據(jù)所述有效故障信息并結合線電壓包絡線函數(shù)，得出開路 故障引起的電壓畸變特征;根據(jù)所述電壓畸變特征，定位故障橋臂。無需獲取系統(tǒng)控制信 號，一般可在一個載波周期內定位故障，診斷過程與逆變器控制方式以及負載均無關，具有 良好的魯棒性，診斷電路結構非常簡單，也可用于其他三相逆變電路的橋臂開路故障診斷。
【附圖說明】
[0029] 圖1為本發(fā)明實施例的逆變器功率管開路故障的診斷方法的流程圖；
[0030] 圖2為本發(fā)明中涉及的逆變器的工作原理圖。
【具體實施方式】
[0031] 為使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照 附圖，對本發(fā)明進一步詳細說明。
[0032] 如圖1所示，為本發(fā)明一種逆變器功率管開路故障的診斷方法的一個實施例的示 意圖，在本實施例中，包括以下步驟：
[0033]步驟101:定義逆變器的故障線電壓的包絡線函數(shù)。
[0034]步驟102:獲取逆變器的輸出線電壓。
[0035]步驟103:對所述輸出線電壓進行預處理，獲得有效故障信息。
[0036] 步驟104:根據(jù)所述有效故障信息并結合線電壓包絡線函數(shù)，得出開路故障引起的 電壓畸變特征。
[0037] 步驟105:根據(jù)所述電壓畸變特征，定位故障橋臂。
[0038] 本發(fā)明公開的逆變器功率管開路故障的診斷方法，無需獲取系統(tǒng)控制信號，一般 可在一個載波周期內定位故障，診斷過程與逆變器控制方式以及負載均無關，具有良好的 魯棒性，診斷電路結構非常簡單，也可用于其他三相逆變電路的橋臂開路故障診斷。
[0039] 作為本發(fā)明的一個實施例，在所述獲取逆變器的輸出線電壓之前，還包括：
[0040] 定義逆變器輸出線電壓包絡線函數(shù)，所述逆變器輸出線電壓包絡線函數(shù)的定義式 為：
[0041]
[0042]
[0043] 其中bZonei為時間區(qū)間，n = 1，2,3,所述逆變器輸出線電壓包絡線函數(shù)的定義 式定義的六條包絡線分別為逆變器晶體管開路故障的故障線電壓包絡線。
[0044] 作為本發(fā)明的另一個實施例，對所述輸出線電壓進行預處理，獲得有效故障信息 的過程包括：
[0045]根據(jù)故障特征變量預處理方程對狀態(tài)信息進行處理，去除不包含故障信息的部 分，故障特征變量預處理方程為：
[0046]
[0047]
[0048] m= 1，2，3 ;n = 1，2，3
[0049] 其中，11"在11 = 1，2,3時分別代表11必，1^和1^，14!^"（〇和14;1^(〇分別代表三 相上管和下管開路的故障特征變量，I uTH I〈udc，是一個常量。
[0050] 作為本發(fā)明的又一個實施例，在所述對所述輸出線電壓進行預處理，獲得有效故 障信息之后，還包括：
[0051 ]根據(jù)所述有效故障信息判斷是否發(fā)生故障，所述故障診斷函數(shù)為：
[0052]
[0053]
[0054]在本發(fā)明的一些實施例中，當發(fā)生故障時，所述診斷函數(shù)的值為非零值。
[0055]在本發(fā)明的另一些實施例中，當發(fā)生故障時，若發(fā)生故障的橋臂為上管時，所述有 效故障信息為所述上管的負半周期的輸出線電壓;若發(fā)生故障的橋臂為下管時，所述有效 故障信息為所述上管的正半周期的輸出線電壓。
[0056] 如圖2所示，為本發(fā)明中涉及的逆變器的原理示意圖。其中：T1~T6為IGBT，D1~D6 為其反并聯(lián)二極管;Cl 1~C14，Rl 1~R14共同組成支撐電容環(huán)節(jié)，為逆變提供穩(wěn)定的直流輸 入電壓;KM2和R10組成預充電電路，用于限制開機輸入電流;KM3和R15組成放電支路，用于 停機后泄放支撐電容的電量;L1為輸入平波電抗器;La~Lc為輸出濾波電感;Ca~Cc為無感 電容。逆變器輸入電壓為直流600V，輸出電壓為三相380V/50HZ;逆變器采用SPWM控制。
[0057] 由于逆變器故障通常表現(xiàn)為橋臂開路故障，因此針對逆變器故障問題，只需要定 位故障橋臂。
[0058]逆變器采用SPWM控制，其本質是通過對比參考信號和載波信號的大小，產(chǎn)生用于 控制T1-T6的觸發(fā)信號。這里定義參考信號如式（1)，其中ur為參考信號幅值，fr為參考信號 頻率，Tr = 1 /f r為載波周期，θφ對ABC三相分別為0，-2 V3，2 V3。
[0059]
(1)
[0060]三相共用的載波信號定義為：
[0061]
[0062]其中，k為自然數(shù)，uc為載波幅值，Tc為載波周期，f c = Ι/Te為載波頻率。由以上參 考信號和載波信號的定義，可推出逆變器的開關信號方程如式(3):
[0063](3) V ' ψ V
y l v y
[0064] 其中，φ為ABC三相；trq>(t)=l代表φ相上管導通，下管關斷，trq>(t)=0則代表φ相下 管導通，上管關斷。由此可得各開關管在正常狀態(tài)下承受的電壓如式(4)所示：
[0065]
[0066]由基爾霍夫定理并結合式(4)可得逆變器輸出線電壓uab(t)、ubc(t)和uca(t)如 下式(6):
[0069]結合上述分析，以A相為例，提出推論1:
[0067]
[0068]
[0070] v v 丄厶厶/t/
\ 1L·· 厶η 乂
[0071] 證明：由式⑶可得：
[0072]
[0073]由式(8)可以得出：
[0074]
[0075]
[0076]
[0077]
[0078]
[0079]
[0080]
[0081] 可見，uab(t)以和rq)(t):相同的周期在大于等于零和小于等于零之間切換。同理， ubc(t)和uca(t)也滿足同樣推論。為方便起見，定義兩個時間區(qū)間如下：
[0082]
[0083] 其中，Φ代表ABC三相。由推論1得出正常時uab(t)，ubc(t)及uca(t)的值及其他參 數(shù)如表1所示：
[0084] 表1正常工況下線電壓
[0085] Table.ILine to line voltage under normal conditions
[0086]
[0087] 單管開路對輸出線電壓的影響明顯，可為定位故障提供足夠信息。以A相ΤΙ管為 例，分析單管開路故障時系統(tǒng)的工作特征。由于當Τ1開路且tr A(t)=0時，系統(tǒng)工作狀態(tài)與 正常狀態(tài)一致。因此僅需討論trA(t) = 1時的情況，因此，trA(t)-trB(t)彡0,即前面所定義 的tAZonei區(qū)間。由式(6)可得此時u ab⑴與trB⑴也有關，可為四種情況進行分析：
[0088] ia(t)>0，trB(t) = l
[0089] 當ia>0時，ia只能通過D2流通，uan(t) = 0;又因 trB(t) = l，因此，ubn(t) =udc，uab (t) =uan(t)_ubn(t) =_udc〇
[0090] ia(t)〈0，trB(t) = l
[0091 ]當ia〈0 時，ia 只能通過D1流通，uan(t) = udc;又因 trB(t) = 1，ubn(t) =udc，uab(t) = uan(t)_ubn(t) =0〇
[0092] ia(t)>0，trB(t)=0
[0093] 當ia>0時，uan(t) = 0;因 trB(t) = 0，ubn(t) = 0，uab(t) = uan(t)_ubn(t) = 0。
[0094] ia(t)〈0，trB(t)=0
[0095] 當 ia〈0 時，uan(t) = udc; trB(t) = 0，ubn(t) = 0，uab(t) = uan(t)_ubn(t) = udc〇
[0096] 表2故障狀態(tài)下的線電壓特征
[0097] Tahl r . 21,1 rifi to linpivnltae-R ffiatnrpi
[0098]
[0099] 同理，T2開路情況也可以用相似方法分析，從而獲得表2,表2列出了 T1和T2分別開 路時，與正常工況下不同的狀態(tài)。任意單管開路的情況下uab(t)，ub。⑴和 Uc；a⑴的情況都可 以用上述方法進行分析，T3/T4和T5/T6情況與之相似，僅在時間區(qū)間上存在的區(qū)別。
[0100] 以T1和T2開路為例，對比表1和表2的分析結果不難發(fā)現(xiàn)：T1開路導致uab(t)在 tAZonei區(qū)間出現(xiàn)小于零的情況，T2開路導致ua"t)在tAZone2區(qū)間出現(xiàn)大于零的情況，且開 路后的線電壓仍遵循一定規(guī)律，利用這些特征，可實現(xiàn)診斷和定位。分別定義故障線電壓包 絡線為：
[0101]
[0102]
[0103] 其中n=l，2,3。由式（12)定義的六條包絡線分別為T1-T6開路故障的故障線電壓 包絡線。
[0104] 利用前述的故障線電壓包絡線，與實測線電壓進行比較，即可診斷和定位開路故 障。由逆變器的異常工作狀態(tài)分析可知，當上管發(fā)生開路故障時，線電壓與正常狀態(tài)的區(qū)別 僅在其負半周體現(xiàn)，因此，先對狀態(tài)信息進行處理，去除不包含故障信息的部分，提出故障 特征變量預處理方程如式(13)所示：
[0105]
[0106]
[0107] m= 1，2，3 ;n = 1，2，3
[0108] 其中，un在n=l，2,3時分別代表uab，ubc和uca?！?^^^ (t)和(t)分別代表 三相上管和下管開路的故障特征變量。I uTH |〈udc，是一個常量。
[0109] 定義故障診斷函數(shù)如下：
[0110]
[0111] " ,L … ^ … ,
[0112]當故障診斷函數(shù)（14)和（15)出現(xiàn)非零值，即代表發(fā)生故障。
[0113]以A相的T1開路為例，假設tl時刻T1管開路，分正常和異常兩個時段對所提方法舉 例分析，正常狀態(tài)(t〈tl):
[0114] 對于A相，ΘΑ = 0，T1為上管，因此特征變量和包絡線分別為：
[0115]
[0116]
[0117]
[0118]
[0119]
[0120]
[0121] 把式(17)和(19)代入式(14)可得：
[0122]
[0123] 同理可得F/ower (t) Ξ Q, Vt，正常工況無誤警。
[0124] 故障狀態(tài)(t>tl):
[0125] 由表2可知當發(fā)生故障時：
[0126]
[0127]
[0128]
[0129]
[0130]
[0131] 故障診斷函數(shù)可以準確指示T1開路故障，此時用相同的分析方法分析T2的包絡線 和特征值可得：
[0132]
[0133] 同理可推導并證明對于任意開關管的開路，都可用式（12)~（15)按如上分析過程 進行診斷。
[0134] 負載變化主要影響輸出電流，逆變器輸出線電壓受控制系統(tǒng)實時調整，僅在負載 發(fā)生突變時刻存在一定的波動，當前一般工業(yè)用逆變器的輸出電壓穩(wěn)態(tài)調整率基本能做到 ±5%以內。
[0135] 由于所選用的故障診斷特征變量是由逆變器輸出線電壓提煉的，而輸出電壓是通 過控制pwm的占空比來調整的，負載變化并不影響推論1、表1和表2的結果，因此，負載突變 只要在spwm的調整范圍內，本方法都不會出現(xiàn)誤警或不可預知情況。
[0136] 由于本方法的理論基礎來源于輸出電壓的周期性變化特性，因此，只要是定頻輸 出的逆變器，不論采取何種控制方式，本方法都是有效的，且控制頻率和電壓輸出頻率越 高，診斷速度也隨之提高。診斷準確性不會受控制頻率以及控制方法的影響。
[0137] 故障發(fā)生時刻tl在不同時間區(qū)間對故障診斷的速度存在影響，以T1開路為例，當t e tAZonei時，故障特征會立即體現(xiàn)在uab⑴上，故障可在一個載波周其月內被診斷，當故障發(fā) 生在t e tAZone2時，故障不會馬上體現(xiàn)，需等待最長半個工作周期后，才能被診斷，由于開關 管故障通常發(fā)生在開關高電壓、大電流的時候，因此，T1在trA(t)=0時發(fā)生故障的可能性 較低。其他管開路情況也與此類似。可見，本發(fā)明的逆變器功率管開路故障的診斷方法具有 普遍的適用性，更容易推廣使用。
[0138] 需要說明的是，本發(fā)明實施例中所有使用"第一"和"第二"的表述均是為了區(qū)分兩 個相同名稱非相同的實體或者非相同的參量，可見"第一" "第二"僅為了表述的方便，不應 理解為對本發(fā)明實施例的限定，后續(xù)實施例對此不再一一說明。
[0139] 所屬領域的普通技術人員應當理解：以上任何實施例的討論僅為示例性的，并非 旨在暗示本公開的范圍（包括權利要求)被限于這些例子;在本發(fā)明的思路下，以上實施例 或者不同實施例中的技術特征之間也可以進行組合，步驟可以以任意順序實現(xiàn)，并存在如 上所述的本發(fā)明的不同方面的許多其它變化，為了簡明它們沒有在細節(jié)中提供。
[0140] 另外，為簡化說明和討論，并且為了不會使本發(fā)明難以理解，在所提供的附圖中可 以示出或可以不示出與集成電路（1C)芯片和其它部件的公知的電源/接地連接。此外，可以 以框圖的形式示出裝置，以便避免使本發(fā)明難以理解，并且這也考慮了以下事實，即關于這 些框圖裝置的實施方式的細節(jié)是高度取決于將要實施本發(fā)明的平臺的（即，這些細節(jié)應當 完全處于本領域技術人員的理解范圍內）。在闡述了具體細節(jié)(例如，電路）以描述本發(fā)明的 示例性實施例的情況下，對本領域技術人員來說顯而易見的是，可以在沒有這些具體細節(jié) 的情況下或者這些具體細節(jié)有變化的情況下實施本發(fā)明。因此，這些描述應被認為是說明 性的而不是限制性的。
[0141] 盡管已經(jīng)結合了本發(fā)明的具體實施例對本發(fā)明進行了描述，但是根據(jù)前面的描 述，這些實施例的很多替換、修改和變型對本領域普通技術人員來說將是顯而易見的。例 如，其它存儲器架構(例如，動態(tài)RAM(DRAM))可以使用所討論的實施例。
[0142] 本發(fā)明的實施例旨在涵蓋落入所附權利要求的寬泛范圍之內的所有這樣的替換、 修改和變型。因此，凡在本發(fā)明的精神和原則之內，所做的任何省略、修改、等同替換、改進 等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。
【主權項】
1. 一種逆變器功率管開路故障的診斷方法，其特征在于，包括： 定義逆變器的故障線電壓的包絡線函數(shù)； 實時獲取逆變器的輸出線電壓； 對所述輸出線電壓進行預處理，獲得有效故障信息； 根據(jù)所述有效故障信息并結合所述故障線電壓包絡線函數(shù)，得出開路故障引起的電壓 崎變特征； 根據(jù)所述電壓崎變特征，定位故障橋臂。2. 根據(jù)權利要求1所述的逆變器功率管開路故障的診斷方法，其特征在于，在所述逆變 器故障線電壓包絡線函數(shù)的定義式為：其中為時間區(qū)間，n = i，2,3,所述逆變器輸出線電壓包絡線函數(shù)的定義式定 義的六條包絡線分別為逆變器晶體管開路故障的故障線電壓包絡線。3. 根據(jù)權利要求1所述的逆變器功率管開路故障的診斷方法，其特征在于，對所述輸出 線電壓進行預處理，獲得有效故障信息的過程包括： 根據(jù)故障特征變量預處理方程對狀態(tài)信息進行處理，去除不包含故障信息的部分，故 障特征變量預處理方程為：其中，Un在n= 1，2，3時分別代表Uab，叫G和山3分別代表立相上 管和下管開路的故障特征變量，I uTH I <udc，是一個常量。4. 根據(jù)權利要求1所述的逆變器功率管開路故障的診斷方法，其特征在于，根據(jù)所述有 效故障信息并結合所述故障線電壓包絡線函數(shù)，得出開路故障引起的電壓崎變特征的步驟 包括： 根據(jù)所述有效故障信息判斷是否發(fā)生故障，所述故障診斷函數(shù)為：5. 根據(jù)權利要求4所述的逆變器功率管開路故障的診斷方法，其特征在于，當發(fā)生故障 時，所述診斷函數(shù)的值為非零值。6. 根據(jù)權利要求4所述的逆變器功率管開路故障的診斷方法，其特征在于，當發(fā)生故障 時，若發(fā)生故障的橋臂為上管時，所述有效故障信息為所述上管的負半周期的輸出線電壓； 若發(fā)生故障的橋臂為下管時，所述有效故障信息為所述上管的正半周期的輸出線電壓。
【文檔編號】G01R31/02GK105974253SQ201610286526
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年5月3日
【發(fā)明人】陶元之, 成庶, 馬穎濤, 向超群, 伍珣
【申請人】北京縱橫機電技術開發(fā)公司, 中南大學, 中國鐵道科學研究院機車車輛研究所