基于電壓殘差的逆變器實時開路故障診斷

王亞飛，葛興來

（西南交通大學電氣工程學院，成都 610031）

引言

隨著電力電子元器件及其控制技術的發展，電力電子裝置系統的效率變得越來越高。但隨之而來也產生很多問題，如結構復雜、功率器件繁多等，這些都是導致系統可靠性降低的因素。研究表明：逆變器的功率開關管是電力電子裝置系統最薄弱環節之一[1]。由此可見，要保證系統正常運行，關鍵是要保證功率器件的正常。通常逆變器故障分為IGBT開路故障和IGBT短路故障。IGBT短路故障由于其存在時間很短，危害很大，在硬件電路上已有成熟的解決方案；而IGBT開路故障由于其不易及時被發現，很可能形成二次故障，造成更大的損失。

目前IGBT開路故障的研究已有很多，可從檢測變量的角度分為兩大類：（1）基于電流的診斷方法；（2）基于電壓的診斷方法。文獻[2]提出了基于傅里葉變換的歸一化方法，即根據定子電流歸一化后的基波分量大小定位開路故障的功率管，但僅限于單個功率管的診斷；文獻[3]提出了通過比較逆變器各相電流正、負半波在正常和故障狀態下對應的功率，進而達到故障診斷，但其不適用于空載情況；基于電流的診斷方法還有電流向量瞬時頻率方法[4]、負載電流分析法[5]、直流側電流頻譜分析法[6]、Hilbert變換法[7]和人工智能系統[8-11]等。 文獻[12]提出了基于電壓解析模型的開路故障快速診斷法，即當逆變器功率器件發生開路故障時，逆變器相電壓、電機線電壓等與正常時相比均存在偏差，根據這些電壓偏差就可診斷故障，但只應用于了開環控制下的單管故障；文獻[13-15]提出了基于開關函數模型及運行模式分析的診斷法，根據正常和故障狀態下功率開關管承受電壓的不同，采用高速光耦等硬件電路進行單管和單橋臂的開路診斷。

通?；陔娏鞯脑\斷方法受系統閉環控制的影響較大，當負載突增或突減時，易出現誤診斷，而且診斷時間也至少需要一個基波周期。而基于電壓的診斷方法可不受閉環控制策略及負載擾動的影響，且診斷時間較短[16]。

目前，既能夠對各種單管和雙管IGBT開路故障進行準確定位，又不受閉環控制和負載擾動影響的診斷方法很少。本文通過分析對比逆變器在正常與開路故障狀態下的三相電壓，提出一種以線電壓為檢測變量的簡易實時診斷方法，利用實際的線電壓和開關信號得到三相電壓及殘差，根據這些電壓殘差間的關系進行各種單管及雙管開路故障識別，仿真結果表明，該方法不受負載突變及閉環控制的影響，能夠實時在線進行故障診斷。

1 逆變器工作模式分析

逆變器常見主電路如圖1所示，其拓撲結構包含6個IGBT開關管T1～T6，以及6個并聯二極管D1～D6，直流側母線電容電壓 Udc。令 a、b、c 相橋臂的功率管開關信號分別為sa、sb、sc，并且同相橋臂的兩個功率管的開關信號互補，即sa、sb、sc為1時橋臂上管開通，下管關斷；sa、sb、sc為 0 時橋臂上管關斷，下管開通。 a、b、c 三相的電壓分別為 uan、ubn、ucn，線電壓分別為 uab、ubc、uca，端電壓分別為 uao、ubo、uco，其中o為母線端參考點，n為負載中性點。

圖1 逆變器電路拓撲結構Fig.1 Inverter circuit topology structure

當逆變器正常工作時，三相電壓可以表示為

由式（1）可知，當a相橋臂的功率管開關信號sa=1，即逆變器的工作模式為100、101、110和111時，a相電壓uan≥0；而當a相橋臂的功率管開關信號sa=0，即逆變器的工作模式為000、001、010和011時，a相電壓uan≤0。b、c相橋臂類似。因此，根據三相電壓的正負可將一個基波周期內的三相電壓波形分為6個區間，各區間內具體導通的功率管如表1所示。

表1 各區間內導通的功率管Tab.1 Each interval conduction of power tube

逆變器的三相電壓波形如圖2所示。

圖2 逆變器的三相電壓波形Fig.2 Three-phase voltage waveforms of inverter

2 逆變器開路故障診斷原理

2.1 單個功率管開路故障

逆變器主電路中有6個IGBT功率管，故共6種單個功率管開路故障?？紤]到電路的對稱性，下面只分析單個功率管T1開路故障情況。當T1開路故障時，逆變器a相橋臂的功率管開關信號sa不能為1，而b和c相橋臂的功率管開關信號sb和sc不受影響，則逆變器常見的4種工作模式（100、101、110和111）失效，a相橋臂端電壓uao將存在電壓偏差 Δuao，即

由式（2）可知，電壓偏差Δuao為脈寬型PWM電壓波形，為了便于后續的標幺化，此處不需要濾除開關紋波。由于端電壓偏差Δuao存在的，在區間1～3內逆變器三相電壓表現出故障特征，且三相電壓為

由式（1）減去式（3），可得逆變器三相電壓殘差為

由式（4）的三相電壓殘差可以看出，當T1開路故障時，a相電壓殘差為正，而b、c相電壓殘差為負，并且a相電壓殘差絕對值等于b、c相電壓殘差絕對值之和，即三相電壓殘差間的關系為

同理，其他功率管開路故障時，也有類似的結論。則單個功率管開路時三相電壓殘差間的關系如表2所示。

表2 單個功率管開路時三相電壓殘差間的關系Tab.2 Relationship between three phase voltage residuals with single power tube open circuit

2.2 2個功率管同時開路故障

逆變器有2個功率管同時開路故障的情況可以分為三類：單相橋臂的2個功率管開路故障，如T1和T2；相鄰相橋臂異側的2個功率管開路故障，如T1和T4；相鄰相橋臂同側的2個功率管開路故障，如T1和T3。

（1）同相橋臂的兩個功率管開路故障。以a相橋臂的T1和T2為例，在正常狀態下，T1和T2交替導通。T1和T2同時開路故障后，在區間1～3內，三相電壓表現出T1開路故障特征，而在區間4～6內，表現出T2開路故障特征。

（2）相鄰相橋臂異側的2個功率管開路故障。以a、b相橋臂的T1和T4為例，T1和T4同時開路故障后，在區間3內僅表現出T1開路故障特征，在區間6內僅表現出T4開路故障特征，在區間1和2內同時表現T1和T4開路故障，其他區間正常。

（3）相鄰相橋臂同側的2個功率管開路故障。以a、b相橋臂的T1和T3為例，T1和T3同時開路故障后，在區間1和2內僅表現出T1開路故障特征，在區間4和5內僅表現出T2開路故障特征，在區間3內同時表現T1和T3開路故障，其他區間正常。

綜上分析，當單個功率管開路故障時，可依據表2 中三相電壓殘差間的關系進行故障識別。當2個功率管開路故障時，由于在同時表現2個功率管開路故障的區間內，三相電壓殘差并未有類似如式（5）的關系，因此需要在不同的區間內，結合表2逐個識別出故障的功率管。

本文以逆變器的uab和ubc作為實測線電壓，首先，利用開關信號sa、sb、sc獲取對應的參考線電壓，即

3 逆變器開路故障診斷方法

逆變器廣泛應用于新能源發電、電機變頻調速等領域，但是在由逆變器供電的負載中，有些負載的中性點實際上并不存在，如常用的鼠籠型異步電機等，故不能直接測量其三相電壓。為了使診斷方法更加通用，可以通過測量線電壓來間接獲取三相電壓，所利用的關系為

然后，以Udc為基準值對實測線電壓和參考線電壓進行標幺化，再通過截止頻率為100 Hz的低通濾波器以及式（6），消除諧波噪聲，并得到正弦化的三相電壓。最后，將三相電壓比較獲取三相電壓殘差，并利用殘差閾值kf和表2中三相電壓殘差間的關系進行故障識別。具體的開路故障診斷原理框圖如圖3所示。

圖3 開路故障診斷原理框圖Fig.3 Block program of open-circuit fault diagnosis principle

在圖3中，殘差閾值kf是用來判斷開路故障是否發生，其取值與三相電壓殘差有關。一方面，在正常條件下，三相電壓殘差均趨近于零；另一方面，在各單管開路故障后的一個基波周期內，三相電壓殘差中的最大絕對值可分別設為 KT1、KT2、KT3、KT4、KT5、KT6，并且它們均為未知常量，需要通過仿真實驗獲取。為了避免出現漏診斷，kf的取值范圍為

此外，考慮到故障時三相電壓波形畸變以及噪聲等影響，閾值kf的選定還需要一定的安全裕量。

4 仿真結果分析

在Matlab/Simulink中，搭建閉環矢量控制下的仿真模型，逆變器所帶負載為鼠籠型異步電機，具體仿真參數如表3所示。在進行各種類型的開路故障仿真時，開路故障均是通過移除相應驅動信號來實現，而反并聯續流二極管完好。通過對各單管開路故障的仿真測試，這里設定殘差閾值kf=0.2。

表3 仿真模型參數Tab.3 Parameters of simulation model

4.1 正常狀態

逆變器在正常條件下，負載突變時的電壓電流波形如圖4所示。在t=1 s時刻，負載突然由空載增大至額定負載；在t=1.1 s時刻，負載突然由額定負載減至空載。負載突變過程中，三相電壓殘差基本保持不變，且明顯低于閾值kf，不會出現誤診斷。故診斷方法不受負載突變及閉環控制的影響。

圖4 負載突變時的電壓電流波形Fig.4 Waveforms of voltages and curents when load mutation

4.2 單個功率管開路故障

圖5 是T1開路故障時的電壓波形。在t=1.2 s時刻，T1發生開路故障，可以看出，實際的三相電壓波形出現一定的畸變，但不影響區間的判斷。故障發生時刻，三相電壓波形處于區間1內，T1開路故障立即表現，a相電壓殘差正向迅速增大，b、c相電壓殘差負向增大且基本相等，即三相電壓殘差滿足表2中T1開路故障特征。當a相電壓殘差絕對值超過kf=0.2時，T1開路故障被檢測出來，診斷出T1開路故障所需時間不超過1/6基波周期。

圖5 T1開路故障時的電壓波形Fig.5 Voltages waveforms when T1open circuit fault

4.3 單相橋臂的兩個功率管同時開路故障

圖6 是T1和T2同時開路故障的電壓波形。在t=1.2 s時刻，T1和T2同時開路故障，此時，三相電壓波形處于區間1內，T1開路故障首先表現，a相電壓殘差正向迅速增大，b、c相電壓殘差負向增大且基本相等，即三相電壓殘差滿足表2中T1開路故障特征。當a相電壓殘差絕對值超過kf=0.2時，T1開路故障先被檢測出來。三相電壓波形處于區間4內，T2開路故障才開始表現，a相電壓殘差負向迅速增大，b、c相電壓殘差正向增大且基本相等，即三相電壓殘差滿足表2中T2開路故障特征。當a相電壓殘差絕對值超過kf=0.2時，T2開路故障也被檢測出來。診斷出T1和T2開路故障所需時間約1/2個基波周期。

圖6 T1和T2同時開路故障的電壓波形Fig.6 Voltage waveforms when T1and T2 open circuit fault simultareously

4.4 相鄰相橋臂的兩個功率管同時開路故障

圖7 是T1和T4同時開路故障的電壓波形。在t=1.2 s時刻，T1和T4同時開路故障，此時，三相電壓波形處于區間1內，T1和T4的開路故障同時表現，雖然a、b相電壓殘差絕對值均迅速超過kf=0.2，但是三相電壓殘差并未有類似如式（5）的關系，故不能檢測出故障的功率管。三相電壓波形處于區間3內，僅T1開路故障表現，此時a相電壓殘差為正，b、c相電壓殘差均為負且基本相等，即三相電壓殘差滿足表2中T1開路故障特征，當a相電壓殘差絕對值超過kf=0.2時，T1開路故障先被檢測出來。三相電壓波形處于區間6內，僅T4開路故障表現，此時b相電壓殘差負向迅速增大，a、c相電壓殘差正向增大且基本相等，即三相電壓殘差滿足表2中T4開路故障特征，當b相電壓殘差絕對值超過kf=0.2時，T4開路故障也被檢測出來。診斷出T1和T4開路故障所需時間約5/6個基波周期。

圖7 T1和T4同時開路故障的電壓波形Fig.7 Voltage waveforms when T1and T4 open circuit fault simultaneously

同樣，其他單管或雙管開路故障也進行仿真分析，并與理論分析一致，且診斷時間均不超過1個基波周期。

5 結論

針對逆變器主電路IGBT的開路故障，本文通過分析比較正常和故障狀態下的三相電壓，提出了基于三相電壓殘差的快速簡易故障診斷方法，仿真結果表明，該方法是切實可行的，并具有以下優點：

（1）以線電壓為檢測變量，適用不同的負載類型，且不因負載的突變而影響診斷的可靠性；

（2）不僅可以診斷單管和單相橋臂的開路故障，也可以診斷相鄰相橋臂的雙管開路故障；

（3）診斷速度快，診斷所需時間均不超過1個基波周期；

（4）診斷原理簡單，具有較小的計算負擔，易于進行實時在線故障診斷。

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