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(shù)的發(fā)展，電力電子裝置系統(tǒng)的效率變得越來越高。但隨之而來也產(chǎn)生很多問題，如結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功率器件繁多等，這些都是導(dǎo)致系統(tǒng)可靠性降低的因素。研究表明：逆變器的功率開關(guān)管是電力電子裝置系統(tǒng)最薄弱環(huán)節(jié)之一[1]。由此可見，要保證系統(tǒng)正常運行，關(guān)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(fā)現(xiàn)，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(jù)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(tài)下對應(yīng)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(cè)電流頻譜分析法[6]、Hilbert變換法[7]和人工智能系統(tǒng)[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(fā)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(jù)這些電壓偏差就可診斷故障，但只應(yīng)用于了開環(huán)控制下的單管故障；文獻[13-15]提出了基于開關(guān)函數(shù)模型及運行模式分析的診斷法，根據(jù)正常和故障狀態(tài)下功率開關(guān)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(tǒng)閉環(huán)控制的影響較大，當負載突增或突減時，易出現(xiàn)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(huán)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?qū)Ω鞣N單管和雙管IGBT開路故障進行準確定位，又不受閉環(huán)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(tài)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(guān)信號得到三相電壓及殘差，根據(jù)這些電壓殘差間的關(guān)系進行各種單管及雙管開路故障識別，仿真結(jié)果表明，該方法不受負載突變及閉環(huán)控制的影響，能夠?qū)崟r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(jié)構(gòu)包含6個IGBT開關(guān)管T1～T6，以及6個并聯(lián)二極管D1～D6，直流側(cè)母線電容電壓 Udc。令 a、b、c 相橋臂的功率管開關(guān)信號分別為sa、sb、sc，并且同相橋臂的兩個功率管的開關(guān)信號互補，即sa、sb、sc為1時橋臂上管開通，下管關(guān)斷；sa、sb、sc為 0 時橋臂上管關(guān)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(jié)構(gòu)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(guān)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(guān)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(jù)三相電壓的正負可將一個基波周期內(nèi)的三相電壓波形分為6個區(qū)間，各區(qū)間內(nèi)具體導(dǎo)通的功率管如表1所示。

表1 各區(qū)間內(nèi)導(dǎo)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。考慮到電路的對稱性，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(guān)信號sa不能為1，而b和c相橋臂的功率管開關(guān)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(xù)的標幺化，此處不需要濾除開關(guān)紋波。由于端電壓偏差Δuao存在的，在區(qū)間1～3內(nèi)逆變器三相電壓表現(xiàn)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(guān)系為

同理，其他功率管開路故障時，也有類似的結(jié)論。則單個功率管開路時三相電壓殘差間的關(guān)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(guān)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(cè)的2個功率管開路故障，如T1和T4；相鄰相橋臂同側(cè)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(tài)下，T1和T2交替導(dǎo)通。T1和T2同時開路故障后，在區(qū)間1～3內(nèi)，三相電壓表現(xiàn)出T1開路故障特征，而在區(qū)間4～6內(nèi)，表現(xiàn)出T2開路故障特征。

（2）相鄰相橋臂異側(cè)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(qū)間3內(nèi)僅表現(xiàn)出T1開路故障特征，在區(qū)間6內(nèi)僅表現(xiàn)出T4開路故障特征，在區(qū)間1和2內(nèi)同時表現(xiàn)T1和T4開路故障，其他區(qū)間正常。

（3）相鄰相橋臂同側(cè)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(qū)間1和2內(nèi)僅表現(xiàn)出T1開路故障特征，在區(qū)間4和5內(nèi)僅表現(xiàn)出T2開路故障特征，在區(qū)間3內(nèi)同時表現(xiàn)T1和T3開路故障，其他區(qū)間正常。

綜上分析，當單個功率管開路故障時，可依據(jù)表2 中三相電壓殘差間的關(guān)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(xiàn)2個功率管開路故障的區(qū)間內(nèi)，三相電壓殘差并未有類似如式（5）的關(guān)系，因此需要在不同的區(qū)間內(nèi)，結(jié)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(guān)信號sa、sb、sc獲取對應(yīng)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(yīng)用于新能源發(fā)電、電機變頻調(diào)速等領(lǐng)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(guān)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(guān)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(fā)生，其取值與三相電壓殘差有關(guān)。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(nèi)，三相電壓殘差中的最大絕對值可分別設(shè)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(xiàn)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(jié)果分析

在Matlab/Simulink中，搭建閉環(huán)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(shù)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(yīng)驅(qū)動信號來實現(xiàn)，而反并聯(lián)續(xù)流二極管完好。通過對各單管開路故障的仿真測試，這里設(shè)定殘差閾值kf=0.2。

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

4.1 正常狀態(tài)

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(xiàn)誤診斷。故診斷方法不受負載突變及閉環(huán)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(fā)生開路故障，可以看出，實際的三相電壓波形出現(xiàn)一定的畸變，但不影響區(qū)間的判斷。故障發(fā)生時刻，三相電壓波形處于區(qū)間1內(nèi)，T1開路故障立即表現(xiàn)，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(qū)間1內(nèi)，T1開路故障首先表現(xiàn)，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(qū)間4內(nèi)，T2開路故障才開始表現(xiàn)，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(qū)間1內(nèi)，T1和T4的開路故障同時表現(xiàn)，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(guān)系，故不能檢測出故障的功率管。三相電壓波形處于區(qū)間3內(nèi)，僅T1開路故障表現(xiàn)，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(qū)間6內(nèi)，僅T4開路故障表現(xiàn)，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(jié)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(tài)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(jié)果表明，該方法是切實可行的，并具有以下優(yōu)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。

[1]Yang S Y,Bryant A,Mawby P,et al.An industry-based survey of reliability in power electronic converters[J].IEEE Transactions on Industry Applications,2011,47（3）：1441-1451.

[2]于泳,蔣生成,楊榮峰,等.變頻器IGBT開路故障診斷方法[J].中國電機工程學報,2011,31（9）：30-35.Yu Yong,Jiang Shengcheng,Yang Rongfeng,et al.IGBT open circuit fault diagnosis method for inverter[J].Proceedings of the CSEE,2011,31（9）：30-35（in Chinese）.

[3]賞吳俊,何正友,胡海濤,等.基于IGBT輸出功率的逆變器開路故障診斷方法[J].電網(wǎng)技術(shù),2013,37（4）：1140-1145.Shang Wujun,He Zhengyou,Hu Haitao.An IGBT output power-based diagnosis of open-circuit fault in inverter[J].Power System Technology,2013,37（4）：1140-1145（in Chinese）.

[4]Peuget R,Courtine S,Rognon J P.Fault detection and isolation on a pwm inverter by knowledge-based model[J].IEEE Transactions on Industry Applications,1998,34（6）：1318-1326.

[5]Sleszynski W,Nieznanski J,Cichowski A.Open-transistor fault diagnostics in voltage-source inverters by analyzing the load currents[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,2009,56（11）：4681-4688.

[6]楊忠林,吳正國,李輝.基于直流側(cè)電流檢測的逆變器開路故障診斷方法[J].中國電機工程學報,2008,28（27）：18-22.Yang Zhonglin,Wu Zhengguo,Li Hui.The open-circuit fault diagnosis method based on the dc sids current inverter[J].Proceedings of the CSEE,2008,28（27）：18-22（in Chinese）.

[7]陳棟,劉振興,張曉菲.SVPWM整流器IGBT模塊的故障診斷技術(shù)研究[J].華北電力大學學報,2012,39（4）：72-76.Chen Dong,Liu Zhenxing,Zhang Xiao fei.Fault diagnosis of IGBT modules for SVPWM rcctifier[J].Journal of North China Electric Power University,2012,39（4）：72-76（in Chinese）.

[8]梅櫻,孫大南,韋中利.一種基于矢量控制的變流器故障診斷方法[J].電工技術(shù)學報,2010,25（3）：177-182.Mei Ying,Sun Danan,Wei Zhongli.An inverter fault diagnosis method based on vector contro[J].Transactions of China Electrotechnical Society,2010,25（3）：177-182（in Chinese）.

[9]Awadallah M A,Morcos M M.Automatic diagnosis and location of open-switch fault in brushless DC motor drives using wavelets and neuro-fuzzy systems[J].IEEE Transactions on Energy Conversion,2006,21（1）：104-111.

[10]Zidani F,Diallo D,Benbouzid M E H,et al.A fuzzy-based approach for the diagnosis of fault modes in a voltage-fed PWM inverter induction motor drive[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,2008,55（2）：586-593.

[11]孫丹,孟濬,管宇凡.基于相空間重構(gòu)和模糊聚類的永磁同步電機直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)逆變器故障診斷[J].中國電機工程學報,2007,27（6）：49-53.Sun Dan,Meng Jun,Guan Yufan.Inverter faults diagnosis in PMSM DTC drive using reconstructive phase space and fuzzy clustering[J].Proceedings of the CSEE,2007,27（6）：49-53（in Chinese）.

[12]Ribeiro R L A,Jacobina C B,Silva E R C,et al.Fault detection of open-switch damage in voltage fed pwm motor drive systems[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2003,18（2）：587-593.

[13]An Q T,Sun L Z,Zhao K,et al.Switching function model-based fast-diagnostic method of open-switch faults in inverters without sensors[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2011,26（1）：119-126.

[14]安群濤,孫力,趙克.基于開關(guān)函數(shù)模型的逆變器開路故障診斷方法[J].中國電機工程學報,2010,30（6）：1-6.An Quntao,Sun Li,Zhao Ke.Based on the switching function model of inverter open-fault diagnosis method[J].Proceedings of the CSEE,2010,30（16）：1-6（in Chinese）.

[15]姜保軍,安群濤.基于運行模式分析的逆變器功率管開路故障診斷方法[J].中國電機工程學報,2012,32（24）：30-37.Jiang Baojun,An Quntao.A novel diagnostic technique for open-circuit fault of inverters based on operating mode analysis[J].Proceedings of the CSEE,2012,32（24）：30-37（in Chinese）.

[16]安群濤,孫力,孫立志,等.三相逆變器開關(guān)管故障診斷方法研究進展[J].電工技術(shù)學報,2011,26（4）：135-144.An Quntao,Sun Li,Sun Lizhi,et al.Recent developments of fault diagnosis methods for switch in three-phase inverters[J].Transactions of China Electrotechnical Society,2011,26（4）：135-144（in Chinese）.