一種PWM整流器IGBT開路故障診斷方法

（天津理工大學(xué)天津市復(fù)雜系統(tǒng)控制理論及應(yīng)用重點實驗室，天津 300384）

1 引言

作為電力電子裝置中能量變換的主體部分，整流電路易受到電磁環(huán)境的影響而發(fā)生損壞，會在功率器件上產(chǎn)生潛在的故障［1］。功率器件的短路故障已有成熟的方案，即通過硬件電路檢測IGBT的D-S壓降，可以準確判別故障管［2］。而IGBT的開路故障，一方面是由于過流燒毀，導(dǎo)致開路；另一方面是由于接線不良、驅(qū)動斷線等原因?qū)е碌尿?qū)動信號開路。開路故障發(fā)生后往往整流系統(tǒng)還能夠繼續(xù)運行，由于其通常情況下不會引發(fā)大幅過電流或過電壓、欠電壓現(xiàn)象，所以不易被發(fā)現(xiàn)，但其危害較大，易發(fā)生過流故障。因此需要對其進行故障診斷，并使用診斷的結(jié)果去觸發(fā)保護動作、實現(xiàn)故障的隔離［3-5］。

在功率器件開路故障診斷方法上，主要有電流檢測法和電壓檢測法兩類。電壓檢測法［6］通過考察變頻器故障時電機相電壓、線電壓或中性點電壓與正常時的偏差來診斷故障。只需要四分之一基波周期便能檢測出故障，大大縮短了診斷時間。電流檢測法最為常用，其又派生出平均電流Park矢量法［7-8］、單電流傳感器法［9］和電流斜率法［10］等。

綜上所述，本文從比較整流器在正常和故障工作模式下不同的工作特征出發(fā)，分析功率器件門極信號和三相交流側(cè)線電壓的不同組合關(guān)系，來建立故障特征向量，繼而提出一種PWM整流器功率器件故障診斷策略，以此來達到故障器件定位的目的。

2 整流器正常工作模式分析

本文以三相電壓型PWM整流器為研究對象，圖1為整流器拓撲結(jié)構(gòu)。

圖1 三相電壓型PWM整流電路拓撲結(jié)構(gòu)Fig.1 Topology of three-phase voltage source PWM rectifier

圖2 不同相電流方向下的4種開關(guān)模式的線電壓等級Fig.2 The four switching mode of line voltage level under different phase current

表1 正常工作方式下的開關(guān)模式和線電壓Tab.1 The switch mode and line voltage under normal mode

如圖1所示，三相PWM整流器包含3個整流橋臂（A，B，C），每個橋臂由2個功率器件IGBT（VTi，i=1，2，3，…，6）及與其反并聯(lián)的續(xù)流二極管（VDi，i=1，2，3，…，6）組成。整流橋臂由二值門極信號（Si，i=1，2，3，…，6）控制功率器件的通斷，當Si=1時，IGBT導(dǎo)通，而Si=0時，IGBT關(guān)斷。為便于說明，只考慮2個橋臂的工作情況。

在整流器正常工作時，研究A，B 2個橋臂的電流流通情況和線電壓關(guān)系。由于單個橋臂中2個功率開關(guān)管工作在互補的方式下，所以只需考慮門極信號S1和S3，因此2個橋臂共有4種開關(guān)模式，又由于相電流ia，ib的流向，故每個橋臂共有16種工作模式。在不考慮死區(qū)時間的情況下，通過不同的開關(guān)組合可以在整流器的交流側(cè)上產(chǎn)生3種線電壓等級（+Vdc，0，-Vdc）。為了便于說明，這里只繪出其中4種典型的工作模式，如圖2所示，電流方向以流入整流橋臂為正。表1所示為16種工作模式下的線電壓等級。

可以明顯的看出，在整流器正常工作時，無論相電流方向如何，一種開關(guān)組合只對應(yīng)一個線電壓值。

3 整流器故障工作特征

3.1 故障行為特征

3.1.1 VT1管開路時的故障特征

當VT1管開路時，其主要故障特征集中在相電流ia＜0的半個周期內(nèi)，以ia＜0，ib≥0的時間段為例，其故障狀態(tài)下的兩橋臂工作模式見圖3。

圖3 當ia＜0，ib≥0時VT1開路故障工作模式Fig.3 VT1open-circuit fault mode，when ia＜0，ib≥0

圖3中黑體所示為施加驅(qū)動信號的功率開關(guān)管，粗實線器件為電流流過的通道，坐標軸虛線部分為正常工作情況下的線電壓。由圖3可知，在t1和t2時刻內(nèi)由于VT1出現(xiàn)開路故障，電流不能通過VT1流向交流側(cè)，只能通過二極管VD2進行續(xù)流，這樣使得結(jié)點A通過VD2接到了直流側(cè)負極上，則t1時刻內(nèi)S1=1，S3=1，VT3導(dǎo)通時，結(jié)點B通過VD3接到了直流側(cè)正極，此時線電壓由原來的 uab=0 變?yōu)?uab=-Vdc；t2時刻內(nèi) S1=1，S3=0，VT4導(dǎo)通時，節(jié)點B通過VT4接到了直流側(cè)負極，線電壓由uab=Vdc變?yōu)閡ab=0。與正常工作情況相異，且當ia＜0，ib＜0的時候分析情況類似，結(jié)果也相同。

3.1.2 VT4管開路時的故障特征

與分析VT1類似，當VT4管出現(xiàn)開路故障時，ib流入B相橋臂才會在相電流上出現(xiàn)畸變波形。以ia≥0，ib≥0的情況為例，來說明VT4出現(xiàn)開路故障時的工作方式。如圖4所示，當相電流ib流入B相橋臂時，由于VT4管的缺失，使ib不能通過VT4流向直流側(cè)負極，則B結(jié)點只能通過VD3與直流側(cè)的正極相連。所以在t1時間段內(nèi)，開關(guān)信號 S1=1，S3=0時 uab=0或在 t2時刻，S1=0，S3=0時uab=-Vdc，都與正常工作情況下的uab出現(xiàn)偏差。在ia＜0，ib≥0時與上述分析類似，結(jié)果也一樣。

圖4 ia≥0，ib≥0時VT4開路故障工作模式Fig.4 VT4open-circuit fault mode，when ia≥0，ib≥0

3.2 故障特征建立

相同的方法可以用于對VT2，VT3發(fā)生開路時的故障分析，由此可以得出各管發(fā)生開路故障時的故障特征，如表2所示。

其中空白格表示該功率器件沒有參與該相電流在相應(yīng)的電流半周內(nèi)的流通，“—”表示該IGBT沒有導(dǎo)通（即Si=0），這兩種情況下由于開關(guān)管并沒有工作，所以其發(fā)生故障后對于整個系統(tǒng)是沒有影響的，所以不再列舉。

從表2可以看出每個管的故障可以用唯一的門極信號和線電壓關(guān)系來表示，互不沖突。以VT1管故障為例，在門極信號相同的情況下，uab由0變?yōu)?Vdc或者是由+Vdc變?yōu)?，因此可以用S1=1，S3=1并且uab=-Vdc或者是S1=1，S3=0并且uab=0唯一的代表VT1管的故障。由此可以建立以門極信號和線電壓的組合在整流器正常工作和故障工作情況下的不同變化來作為單管開路故障的故障特征向量，從而提出一種故障診斷的方法。從表3中選取4組比較典型的信號組合來代表每個管發(fā)生單管開路故障時的故障特征向量。

表2 各管發(fā)生單管開路故障時的故障特征Tab.2 Single-open circuit fault feature in each tube

故障特征向量建立如表3所示，表3中Ti（i=1，2）代表線電壓uab的變化信號：當uab由0變?yōu)?Vdc時T1=1，否則T1=0；當uab由0變?yōu)?Vdc時T2=1，否則T2=0。為了簡化診斷電路，對于每個管的故障特征向量只選取了一種組合來代表其故障信號。

表3 各管開路故障時的故障特征向量Tab.3 Fault feature vector of each tube during open-circuit fault

通過故障特征向量表得出故障檢測信號可以用下式描述：

式中：FTi（i=1，2，3，4）為第i管故障信號。

3.3 故障診斷拓撲結(jié)構(gòu)

通過上述的分析，若一個開關(guān)管發(fā)生開路故障時，只要采集到門極信號和對應(yīng)線電壓的變化信號Ti（i=1，2）就能實現(xiàn)故障診斷和定位。由故障特征向量表3和式（1）～式（4）可以得到診斷拓撲結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 故障診斷電路拓撲結(jié)構(gòu)Fig.5 Topology of fault diagnosis circuit

該診斷電路包括3個部分：信號采集、比較環(huán)節(jié)、故障信號生成。信號采集包括兩個方面的采集：一個是線電壓uab的采集，從上述分析可知采集到的線電壓只有3個值：+Vdc，0，-Vdc；另一個是門極信號S1和S3的采集，若采集到的是S1=0，S3=0的信號，則需通過反相器生成的信號再輸入比較環(huán)節(jié)中去。比較環(huán)節(jié)由2個比較器組成：Comp-1和Comp-2。比較器Comp-1是用于檢測VT1和VT4的故障，將采集到的線電壓信號uab與一負值門檻電壓-Vth進行比較，如果發(fā)現(xiàn)uab小于-Vth則輸出為T1=1，否則輸出為T1=0；同理，比較器Comp-2用于檢測VT2和VT3的故障，將線電壓信號uab與一正值門檻電壓+Vth進行比較，如果發(fā)現(xiàn)uab大于+Vth則輸出為T2=1，否則輸出為T2=0。在實際工作中，考慮到線電壓uab受直流側(cè)電壓波動的影響，電壓值不會精確的等于+Vdc，0，-Vdc，因此在實際操作中門檻電壓Vth的選取一定要謹慎。最后將采集和比較后得到的信號輸入到4個邏輯與門中進行處理生成故障信號，實現(xiàn)故障診斷和定位。

4 仿真結(jié)果分析

為了驗證提出的診斷方法的可行性和有效性，本文采用Matlab/Simulink建立仿真模型驗證。仿真過程中模擬整流器正常工作和故障工作狀態(tài)下的情形，以驗證本文所提出方法的可靠性與誤診的情況。仿真時序波形圖如圖6所示。

圖6 故障診斷時序分析圖Fig.6 Sequential analysis chart of fault diagnosis

時序圖分為兩個部分，從0.055 5 s到0.056 s時刻為整流器的正常工作模式，在0.056 5 s的時刻VT1管發(fā)生開路故障，可以看到診斷電路能夠正常工作，快速地產(chǎn)生故障信號FT1，驗證了該方法的可行性。但在沒有故障的時候，當S3處于高電平，會在S1的上升沿時刻產(chǎn)生一個錯誤的故障信號，這樣會導(dǎo)致故障診斷的不準確。對于這個問題，本文通過在門極信號的采集過程中添加延時補償來避免這個現(xiàn)象的出現(xiàn)。總的延遲時間補償可由下式得到：

式中：tdelay-on，tdelay-off為添加在門極信號Si上的延遲時間；ton和toff為IGBT的開通時間和關(guān)斷時間；ts為電壓傳感器的延遲時間；tsk-min為最小脈沖寬度。

在添加延時補償后的仿真波形如圖7～圖9所示。

圖7所示的是當VT1管發(fā)生開路故障的故障仿真圖，依次是交流側(cè)電流畸變波形，線電壓變化波形以及故障信號生成波形。在0.3 s時產(chǎn)生故障，從仿真圖中可以看到，在故障產(chǎn)生后，相電流ia大于零的部分與正常工作時的相同，而小于零的部分跌落為零，由于系統(tǒng)是雙閉環(huán)控制，所以其他相電流也受到影響而發(fā)生畸變。同時在仿真圖中也看到了uab在故障后發(fā)生了明顯的變化。最終在FT1的圖中可以看到故障發(fā)生后會在很短的時間內(nèi)就產(chǎn)生故障信號，并且準確地指示出是VT1發(fā)生了故障。

圖7 VT1開路故障時診斷結(jié)果Fig.7 VT1open-circuit fault diagnosis result

圖8所示的是當VT4管發(fā)生開路故障時的仿真波形，與VT1不同的是：相電流ib小于零的部分與正常工作狀況下的相同，大于零的部分跌落為零，線電壓uab的變化情況相似，同樣也產(chǎn)生了對應(yīng)于VT4的故障信號FT4，診斷正確。

圖9為當VT2和VT3管同時發(fā)生故障時的仿真波形。由于每個管的故障特征向量都是唯一的，并不互相沖突，所以本文提出的方法對于多管故障診斷也是有效的，診斷結(jié)果是正確的。

圖9 VT2，VT3故障時診斷結(jié)果Fig.9 VT2&VT3open-circuit fault diagnosis result

5 結(jié)論

本文提出了一個針對電壓型PWM整流器中IGBT發(fā)生開路故障時的診斷方案。通過比較正常和故障工作方式下門極信號和線電壓的變化情況，建立故障特征向量，由此來提出診斷和定位的方法。仿真結(jié)果顯示，本文提出的方法能夠在故障發(fā)生后的短時間內(nèi)對PWM整流器主回路功率器件的單管開路故障進行可靠診斷，同時對于多管的開路故障也能實現(xiàn)準確的判斷和定位。經(jīng)仿真測試，該方法在空間矢量、傳統(tǒng)滯環(huán)及其改善后的算法中都能達到精準診斷的效果。在本文所提出的方法中，只需采集到門極信號和少數(shù)幾個電壓傳感器就能實現(xiàn)故障診斷電路，使得檢測過程在達到準確診斷的同時還能簡化了診斷系統(tǒng)。

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