基于三相電流殘差的功率管多管開路故障診斷

王亞飛，田子思，葛興來

（西南交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院，成都市610031）

基于三相電流殘差的功率管多管開路故障診斷

王亞飛，田子思，葛興來

（西南交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院，成都市610031）

牽引逆變器是電力牽引交流傳動系統(tǒng)的重要組成部分，它的可靠性直接影響著機(jī)車的安全穩(wěn)定運(yùn)行，其主電路功率管（IGBT）是最易發(fā)生故障的部分。針對IGBT的多管開路故障，提出了一種基于三相電流殘差的多管開路故障快速在線診斷方法；通過分析牽引逆變器在正常條件和各開路故障類型下的三相電流，得出了發(fā)生多管開路故障情況下的三相電流殘差特征；利用控制系統(tǒng)中的電流給定信號重構(gòu)參考三相電流與實測電流進(jìn)行運(yùn)算，并根據(jù)三相電流殘差特征進(jìn)行故障定位。最后給出了半實物實驗結(jié)果，驗證了該診斷方法能夠快速實現(xiàn)IGBT單管及雙管開路故障診斷，且不受閉環(huán)控制和負(fù)載擾動影響。

功率管開路故障；電流殘差；多管故障

引言

隨著我國鐵路的迅速發(fā)展，電力牽引交流傳動系統(tǒng)得到廣泛應(yīng)用。電力傳動系統(tǒng)的核心是電力電子變流器，這是一個復(fù)雜的電子系統(tǒng),容易發(fā)生故障，進(jìn)而影響系統(tǒng)性能。研究表明，功率管是電力電子裝置系統(tǒng)的最脆弱的結(jié)構(gòu)［1］。由此，要保證電力牽引交流傳動系統(tǒng)的正常運(yùn)行，關(guān)鍵是要保證功率管的正常工作。通常功率管（常用IGBT）故障可以分為開路故障和短路故障兩大類。短路故障包括開關(guān)管短路故障、反并聯(lián)二極管短路故障以及由反并聯(lián)二極管開路引發(fā)的功率管擊穿短路故障（電感電流失去續(xù)流回路，產(chǎn)生瞬間高壓擊穿開關(guān)管）［2］，因其通常會導(dǎo)致瞬時過電流現(xiàn)象，從而可被IGBT驅(qū)動電路上已有保護(hù)方案，如串聯(lián)熔斷器等，及時動作，將故障切除。而開路故障，由于其造成的效果是IGBT不再導(dǎo)通，因此故障特征不明顯，不易及時被發(fā)現(xiàn)，很可能在長時間運(yùn)行后形成二次故障。

目前對IGBT開路故障的研究已有很多，根據(jù)選取的診斷變量可以分為如下兩大類：（1）基于電流的診斷方法。文獻(xiàn)［3］提出了對故障后的定子電流進(jìn)行傅里葉變換，并根據(jù)定子電流歸一化后的基波分量大小定位故障，但該方法只能適用于單個功率管開路的情況；文獻(xiàn)［4］在正常和故障狀態(tài)通過分析逆變器三相電流正負(fù)周期下對應(yīng)的功率，進(jìn)而達(dá)到故障診斷，但空載情況易出現(xiàn)誤診斷；其他方法如：電流矢量瞬時頻率方法［5］、負(fù)載電流分析法［6］、直流側(cè)電流頻譜分析法［7］、Hilbert變換法［8］、人工智能診斷系統(tǒng)［9-12］等。（2）基于電壓的診斷方法。文獻(xiàn)［13］提出了一種基于逆變器開關(guān)函數(shù)模型的開路故障診斷方法，該方法通過對比逆變器在正常和功率管開路故障時，輸出三相電壓、端電壓以及線電壓的變化，利用這些電壓出現(xiàn)的偏差進(jìn)行故障診斷，但只應(yīng)用了開環(huán)控制下的單管故障；文獻(xiàn)［14-16］提出了基于開關(guān)函數(shù)模型及運(yùn)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(jìn)行單管和單橋臂的開路診斷。現(xiàn)有的文獻(xiàn)中，很少有診斷方法關(guān)注實現(xiàn)多個IGBT開路故障定位，但是對于三相逆變器系統(tǒng)，由于IGBT數(shù)量比較多，對于雙管故障的診斷也不可忽視。

傳統(tǒng)的三相電流平均值法可以通過調(diào)整閾值實現(xiàn)對雙管開路故障的診斷，但是診斷的靈敏程度要依賴于所設(shè)置的閾值,在閾值設(shè)置較小時,診斷會受變流器工作狀況影響,在突加負(fù)載和突減負(fù)載時造成誤診斷。而增大閾值則會導(dǎo)致診斷系統(tǒng)反應(yīng)不靈敏，對于輕載或空載狀況下的故障可能不動作，所以基于電流的故障故障診斷方法通常診斷時間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(fù)載擾動的影響，但是需要在電路上額外增加傳感器［17］。

本文通過分析對比逆變器在正常與開路故障狀態(tài)下的三相電流，提取出單管開路故障時的三相電流殘差特征量和多管故障時的三相電流絕對值均值特征量，在此基礎(chǔ)上提出一種基于三相電流殘差的逆變器IGBT開路故障診斷方法。通過半實物實驗，證明了該方法能夠快速實時在線故障診斷，兼顧了對各種單管和雙管IGBT開路故障進(jìn)行準(zhǔn)確定位，同時又不受閉環(huán)控制和負(fù)載擾動影響。

1 逆變器單管開路故障特征分析

牽引逆變器常見主電路如圖1所示，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包含6個IGBT開關(guān)管T1～T6和6個并聯(lián)二極管D1～D6，直流側(cè)母線電容電壓Udc。

圖1 牽引逆變器電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 Topology of traction inverter circuit

以功率管T1為例，當(dāng)T1發(fā)生開路故障時，主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 T1開路故障時主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.2 Topology of traction inverter circuit when T1is open-circuit

逆變器正常和T1開路故障時a相電流的流通路徑如圖3所示。定義三相電流流入異步電機(jī)繞組方向為正，反之為負(fù)，當(dāng)電流由a點(diǎn)流向n點(diǎn)時，ia＞0；當(dāng)電流由n點(diǎn)流向a點(diǎn)時，ia≤0。圖中s1為開關(guān)管T1的開關(guān)狀態(tài)，s1=1表示T1開通，s1=0表示 T1關(guān)斷，s2～s6以此類推。T1發(fā)生開路故障后，它的驅(qū)動信號s1就始終為0，不能為1；而T2功率管以及b相和c相橋臂功率管的驅(qū)動信號均不受影響。

由圖3可見，當(dāng)ia＜0時，a相電流的流通路徑包含T2或D1，其中T2為主要的流通路徑，D1為續(xù)流路徑。由于T2可正常開通，D1也可正常續(xù)流，故此時a相電流負(fù)半周期不受影響；當(dāng)ia＞0時，a相電流的流通路徑包含T1或D2，其中T1為主要的流通路徑，D2為電流換向時的續(xù)流路徑，但是由于T1開路故障，不能導(dǎo)通，盡管D2可正常續(xù)流，a相電流依然受到影響，不能正向增大，即此時a相電流正半周期基本為0，沒有跟隨控制系統(tǒng)的給定。

圖3 正常和T1故障狀態(tài)時a相電流的流通路徑Fig.3 Path of phase-a current under normal condition and fault condition

圖4是T1開路故障時牽引逆變器系統(tǒng)的三相電流波形，當(dāng)t=3.48 s左右時，T1發(fā)生開路故障，a相電流沒有正向流通路徑，導(dǎo)致其正半周期基本為0，且這段時間內(nèi)的b相和c相電流發(fā)生畸變，諧波增大。而a相電流的負(fù)向流通路徑不受T1開路故障影響，故此時的三相電流正常?？梢姲l(fā)生IGBT單管故障后，在半個基波周期內(nèi)三相電流將出現(xiàn)不平衡，與理論分析結(jié)論相同。

圖4 T1開路故障時三相電流波形Fig.4 Waveforms of three-phase current when T1is open-circuit

對于這一現(xiàn)象，可以利用控制系統(tǒng)中dq軸指令電流生成三相參考電流，與測量的三相電流進(jìn)行對比，得到三相電流殘差en，來指示故障的發(fā)生。

對于控制系統(tǒng)，有dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系到abc三相坐標(biāo)系的變換為

定義相電流殘差en為

則此時a相電流殘差ea取值取決于s1、s2和ia的方向，情況如表1所示。

表1 a相電壓殘差與開關(guān)狀態(tài)的關(guān)系Tab.1 Relationship between the voltage residual and the switch state in phase A

2 多管開路故障特征分析

2.1 同相的兩個功率管同時故障

當(dāng)T1、T2同時發(fā)生開路故障時，主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖5所示。此時a相電流既沒有正向流通路徑，也沒有負(fù)向流通路徑，而僅存在續(xù)流通路，故a相電流基本為0，即a相繞組斷開，僅b、c相繞組為電機(jī)供電。逆變器的常見8種工作模式均運(yùn)行在故障狀態(tài)，不能合成參考電壓矢量，此時電機(jī)的空間旋轉(zhuǎn)磁場將受到更嚴(yán)重的影響，進(jìn)而嚴(yán)重影響電磁轉(zhuǎn)矩。

圖5 T1、T2開路故障時主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.5 Topology of traction inverter circuit when T1& T2are open-circuit

圖6 是T1、T2同時開路故障時，牽引逆變器系統(tǒng)的三相電流波形。當(dāng)t=3.48 s左右時，T1、T2同時發(fā)生開路故障，a相電流在故障后一直為0，b相和c相電流發(fā)生明顯畸變。此時，式（2）中定義的電流殘差en等于相電流給定值，無法表征故障情況，需要新的診斷量。

圖6 T1、T2同時開路故障時三相電流波形Fig.6 Waveforms of three-phase current when T1&T2are open-circuit

令N為一個周期內(nèi)采樣點(diǎn)數(shù)，ωs為角頻率，定義動窗均值法為

對于同相2個IGBT同時故障的逆變器來說，因故障相電流一直為0，故其相電流絕對值的均值也為0，即

而對于正常工作的逆變器來說，相電流基本是標(biāo)準(zhǔn)正弦信號，記I為相電流幅值，相電流可以表示為Isin（ωst），所以相電流絕對值的均值可由分段積分得到，即

故當(dāng)檢測到某相的＜|in|＞=0時，意味著該相橋臂的上下管均發(fā)生了開路故障。

2.2 不同相的兩個功率管同時故障

當(dāng)T1、T4同時發(fā)生開路故障時，主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖7所示。此時a相電流只有負(fù)向流通路徑，b相電流只有正向流通路徑，故a相電流在正半周期將變?yōu)?，b相電流則在負(fù)半周期變?yōu)?。

圖7 T1、T4同時開路故障時主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.7 Topology of traction inverter circuit when T1& T4are open-circuit

圖8 是T1、T4同時開路故障時，牽引逆變器系統(tǒng)的三相電流波形。當(dāng)t=3.48 s左右時，T1、T4同時發(fā)生開路故障，a相電流的正半周期基本為0，b相電流的負(fù)半周期基本為0，三相電流出現(xiàn)較大畸變，在3/4個基波周期內(nèi)三相電流不平衡，與理論分析相同。此時的故障可以認(rèn)為是T1故障與T4故障的疊加，使用前面定義的電流殘差ea與eb可以分別判斷出T1與T4故障。

圖8 T1、T4同時開路故障時三相電流波形Fig.8 Waveform of three-phase current when T1&T4are open-circuit

2.3 多個功率管同時故障

多個功率管同時開路故障指3個或3個以上功率管開路故障，發(fā)生的概率遠(yuǎn)小于雙管故障。其中，由于6個開關(guān)管中的4個及以上同時發(fā)生開路故障的情況很難發(fā)生，因此僅對3個功率開關(guān)管同時開路故障的情況進(jìn)行分析。3個功率開關(guān)管同時故障時有下列3種情況。

2.3.1 3個故障開關(guān)管分別位于三相橋臂相同位置

此類故障例如T1、T3、T5同時故障。在這種情況下，直流母線電流無法流入牽引逆變器，牽引電機(jī)三相定子電流均為0。因此T1、T3、T5三管同時故障時，無法基于電流信號進(jìn)行故障診斷。

2.3.2 3個故障開關(guān)管分別位于三相橋臂不同位置

此類故障例如T1、T3、T6同時故障。在這種情況下，直流母線電流只能從c相經(jīng)T5流入牽引電機(jī)，從a相的T2、b相的T4流出，與T6管無關(guān)，此時與T1、T3管同時故障時的電流通路完全相同。因此a、b相電流只能為非正，c相電流只能為非負(fù)。由此可見其故障特征和故障影響與T1、T3管同時故障時相同，將這種故障模式記作T1T3+T6，意味T6的故障沒有產(chǎn)生額外的效果。此時的故障可以認(rèn)為是T1故障與T3故障的疊加，如第2.2節(jié)的分析。

類似地，此類故障模式還有：T1T5+T4、T3T5+T2、T2T4+T5、T2T6+T3和T4T6+T1管同時開路故障。

2.3.3 3個故障開關(guān)管中2個位于同一橋臂

此類故障例如T1、T2、T3同時故障。在這種情況下，a相相當(dāng)于直接切除，逆變器變?yōu)閱蜗噙\(yùn)行。直流母線電流只能從c相的T5流入牽引電機(jī)，b相的T4流出，此時a相電流為0，b相電流為非正，c相電流為非負(fù)。電流通路與T6管無關(guān)，因此無論T6管是否發(fā)生開路故障,故障特征均不發(fā)生改變。相應(yīng)地，當(dāng)T1、T2、T6同時故障，電流通路也與T3管無關(guān)，無論T3管是否發(fā)生開路故障,故障特征均不發(fā)生改變。即T3、T6對管造成的故障效果相同，將這種故障模式記做T1T2（T3|T6），意味著T1T2T3故障和T1T2T6故障是同類故障，用電流信號無法進(jìn)行更進(jìn)一步的故障定位。

類似地，此類故障模式還有：T1T2（T5+T4）、T3T4（T1+T6）、T3T4（T2+T5）、T5T6（T1+T4）和T5T6（T2+T3）管同時開路故障。

分析可知，三管同時故障的情況較為復(fù)雜，且由于電流信號的限制導(dǎo)致部分故障無法進(jìn)行診斷。

3 基于電流殘差的故障診斷算法設(shè)計

通過對故障情況下的電流特征進(jìn)行分析，可知當(dāng)IGBT發(fā)生開路故障后，主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)改變，對應(yīng)相電流的流通路徑發(fā)生變化，導(dǎo)致相電流出現(xiàn)半周期截止現(xiàn)象，故用此故障特征進(jìn)行故障管定位。

前述定義了2個診斷量，電流殘差en與相電流絕對值的均值＜|in|＞，均為未標(biāo)幺化的電流量，容易受到負(fù)載變化的影響產(chǎn)生波動，不利于診斷，因此引入標(biāo)幺量，以減輕診斷變量受電機(jī)轉(zhuǎn)速及負(fù)載的影響。定義診斷變量Dn和An分別為

具體的電流殘差開路故障診斷算法流程如圖9所示。

圖9 電流殘差開路故障診斷算法流程Fig.9 Flow chart of the open-circuit fault diagnosis method with the current residual

首先利用控制系統(tǒng)中dq軸指令電流生成三相參考電流，與測量的三相電流進(jìn)行對比，得到三相電流殘差en，并對其求動窗均值得到三相電流殘差均值＜en＞；其次，對三相電流的絕對值|in|求動態(tài)均值，得到三相電流均值＜|in|＞；最后利用計算得到6個診斷變量Dn和An進(jìn)行故障定位。

3.1 正常工作狀態(tài)

當(dāng)沒有IGBT發(fā)生故障時，忽略高頻噪聲影響，參考電流與測量三相電流基本一致，即

那么三相電流殘差接近于0，診斷變量Dn為

診斷變量An為

3.2 單個功率管開路故障

以T1開路故障為例進(jìn)行分析。當(dāng)T1發(fā)生開路故障時，a相電流的正半周期為0，理想情況下負(fù)半周期基本不受影響。此時，a相電流為

a相參考電流不受影響，其值為那么在正半周期內(nèi)a相電流殘差不再為0，則診斷變量Da為

則診斷變量An（n=a,b,c）為

3.3 同相橋臂2個功率管開路故障

以a相橋臂的T1和T2為例，當(dāng)T1和T2同時發(fā)生開路故障時，a相電流基本為0，此時的a相電流為

而a相參考電流也不受影響，那么在一個基波周期內(nèi)a相電流殘差不再為0，診斷變量Da為

則診斷變量An為

3.4 不同相橋臂異側(cè)的兩個功率管開路故障

以a、b相橋臂的T1和T4同時開路為例，a相電流的正半周為0，而b相電流的負(fù)半周為0，此時a相電流為

b相電流為

診斷變量Dn為

診斷變量An為

3.5 不同相橋臂同側(cè)的2個功率管開路故障

以a、b相橋臂的T1和T3同時開路故障，則a、b相電流的正半周期均為0，雖然c相橋臂的2個功率管正常，但是c相電流的負(fù)半周期將受a、b相的影響變?yōu)?。此時a相電流為

b相電流為

c相電流為

診斷變量Dn為

診斷變量An為

3.6 診斷規(guī)則

為了使診斷方法更加直觀規(guī)則化，可定義變量FDn和FAn，其中變量FAn主要是用來診斷同相橋臂的2個功率管開路故障，具體表述為

式中：kd和ka為診斷閾值，其選定與Dn和An有關(guān)。在正常條件下，Dn趨近于0，An趨近于1；在非同相橋臂2個功率管的開路故障下，對應(yīng)相的Dn趨近于1或-1；在同相橋臂2個功率管開路故障下，對應(yīng)相的An趨近于0。則2個診斷閾值的取值范圍為

考慮到開路故障后閉環(huán)控制的調(diào)節(jié)影響，診斷閾值還需要一定的裕量，具體取值需要根據(jù)實際系統(tǒng)具體實驗結(jié)果進(jìn)行設(shè)計。詳細(xì)的診斷規(guī)則如表2所示，利用其就可以對IGBT故障進(jìn)行診斷定位。

4 半實物實驗

本文搭建了以TMS320F28335控制器和RTLAB實時仿真器為核心的半實物實驗平臺，具體實驗參數(shù)如表3所示。

通過對各類單個功率管或2個功率管開路故障進(jìn)行測試，這里設(shè)定殘差閾值kd=0.8和ka=0.2，其值大小可根據(jù)實際診斷需要自行設(shè)定。

表2 診斷規(guī)則Tab.2 Diagnosis rules

表3 模型參數(shù)Tab.3 Parameters of the model

4.1 正常狀態(tài)

圖10為牽引逆變器在正常條件下，負(fù)載突變時的a相電流以及診斷變量的波形。在負(fù)載突變過程中，診斷變量Dabc基本保持0不變，而診斷變量Aabc基本保持為1不變，基本不受負(fù)載突變影響，均未超過閾值，故診斷方法受負(fù)載突變的影響很小，不會出現(xiàn)誤診斷現(xiàn)象。

圖10 負(fù)載突變過程時a相電流以及診斷變量波形Fig.10 Phase-a current and voltage residual on motor start-up and abrupt load variation

4.2 單個功率管開路故障

圖11為T1開路故障時，牽引逆變器的a相電流以及診斷變量的波形。在T1發(fā)生開路故障后，一方面診斷變量Da開始正向迅速增大，超過閾值kd，Db和Dc負(fù)向緩慢增大，但未超過閾值。另一方面雖然診斷變量Aa、Ab和Ac也有波動，但均未超過閾值ka。即滿足診斷規(guī)則表中T1開路故障特征。當(dāng)診斷變量Da超過kd=0.8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1/2基波周期。

圖11 T1開路故障時a相電流以及診斷變量波形Fig.11 Phase-a current and diagnostic quantities when T1 is open-circuit

4.3 同相橋臂的2個功率管同時開路故障

圖12為T1和T2同時開路故障時牽引逆變器的a相電流以及診斷變量的波形。當(dāng)T1和T2同時開路故障時，由于此時a相電流處于正半周期，主要表現(xiàn)為T1開路故障。一方面診斷變量Da開始正向迅速增大，超過閾值kd。另一方面診斷變量Aa開始負(fù)向增大，Ab和Ac正向增大，但均未超過閾值ka。當(dāng)診斷變量Da超過kd=0.8時，T1開路故障被檢測出來。此后診斷變量Aa繼續(xù)負(fù)向增大，當(dāng)Aa超過ka=0.2時，診斷出T2開路故障，診斷所需時間總共約3/4基波周期。

圖12 T1和T2同時開路故障時a相電流以及診斷變量的波形Fig.12 Phase-a current and diagnostic quantities when T1&T2are open-circuit

4.4 不同相橋臂的2個功率管同時開路故障

圖13是T1和T4同時開路故障時牽引逆變器的a相電流以及診斷變量的波形。由圖可見，當(dāng)T1和T4同時開路故障時，先是主要表現(xiàn)為T1開路故障，一方面診斷變量Da開始正向迅速增大，超過閾值kd；另一方面診斷變量Aa、Ab和Ac也開始增大，但均未超過閾值ka。當(dāng)診斷變量Da超過kd=0.8時，T1開路故障被檢測出來。此后診斷變量Db繼續(xù)負(fù)向增大，當(dāng)Db超過-0.8時，診斷出T4開路故障，診斷所需時間總共大約1個基波周期。

同樣地，其他單個功率管或兩個功率管開路故障的實驗結(jié)果診斷所需時間也均不超過1個基波周期。

圖13 T1和T4同時開路故障時a相電流以及診斷變量的波形Fig.13 Phase-a current and diagnostic quantities when T1&T4are open-circuit

5 結(jié)論

本文綜合考慮了牽引逆變器主電路IGBT模塊的多種開路故障情況，通過分析對比逆變器在正常與開路故障狀態(tài)下的三相電流特征，提出一種基于三相電流殘差的診斷方法，半實物實驗結(jié)果表明，該診斷方法是可準(zhǔn)確快速定位故障，并有以下特點(diǎn)：

（1）診斷動作時間不超過一個基波周期，無需增加額外的傳感器等硬件；

（2）受負(fù)載突變影響較小，在閉環(huán)控制下，具有很高的可靠性，不會出現(xiàn)誤診斷和漏診斷現(xiàn)象；

（3）需要對信號進(jìn)行一定的處理，運(yùn)算量略大，但是并不影響實時診斷。

［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(jī)工程學(xué)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］湯清泉,顏世超,盧松升,等.三電平逆變器的功率管開路故障診斷［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報,2008,28（21）:26-32.Tang Qingquan,Yan Shichao,Lu Songsheng,et al.Opencircuit Fault Diagnosis of Transistor in Three-level Inverter［J］,Proceedings of the CSEE,2008,28（21）:26-32（in Chinese）.

［4］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）.

［5］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.

［6］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.

［7］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(jī)工程學(xué)報,2008,28（27）:18-22.Yang Zhonglin,Wu Zhengguo,Li Hui.The open-circuit fault diagnosis method based on the dc side current inverter［J］,Proceedings of the CSEE,2008,28（27）:18-22（in Chinese）.

［8］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(xué)學(xué)報,2012,39（4）:72-76.Chen Dong,Liu Zhenxing,Zhang Xiaofei.Fault diagnosis of IGBT modules for SVPWM rectifier［J］.Journal of NorthChina Electric Power University,2012,39（4）:72-76（in Chinese）.

［9］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(xué)報,2010,25（3）:177-182.Mei Ying,Sun Danan,Wei Zhongli.An inverter fault diagnosis method based on vector control［J］.Transactions of China Electrotechnical Society,2010,25（3）:177-182（in Chinese）.

［10］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.

［11］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.

［12］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(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)逆變器故障診斷［J］.中國電機(jī)工程學(xué)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）.

［13］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.

［14］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.

［15］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(jī)工程學(xué)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（6）:1-6（in Chinese）.

［16］姜保軍,安群濤.基于運(yùn)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(jī)工程學(xué)報,2012,32（24）:30-37.Jang Baojun,An Qun.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）.

［17］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(jìn)展［J］.電工技術(shù)學(xué)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）.

Multiple Open-circuit Faults Diagnosis in Inverter Based on Three-phase Current Residual

WANG Yafei,TIAN Zisi,GE Xinglai
（School of Electrical Engineering,Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031,China）

The inverter plays an important role of traction systems,which directly affects the safety and reliability stable operation on drive system.The IGBT is the most vulnerable part of the inverter.Thus,to detect the open-circuit fault of the IGBT in inverters,an efficient and general diagnostic method with line current residual is proposed.The characteristics of the three-phase current residual of multiple IGBTs open circuit is analyzed by comparing the inverter operation modes of normal and faulty conditions.With the comparison of prescribed current and actual current,threephase current residuals are figured out.And the current residuals is used for fault diagnosis.Experimental results validate the efficiency and accuracy of this method.It is fast to diagnose the single and dual open-circuit faults,which is not affected by the closed loop control and load disturbance.

IGBT open-circuit;current residual;multiple fault

王亞飛

王亞飛（1988-），男，碩士，研究方向：功率變流器故障診斷與容錯控制，Email：wangyafei_swjtu@163.com。

田子思（1992-），男，碩士研究生，研究方向：功率變流器故障診斷與容錯控制,Email：tianabbot@163.com。

葛興來（1979-），男，通信作者，副教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向：電力電子與電力傳動，故障診斷與容錯控制等，Email：xlgee@163.com。

10.13234/j.issn.2095-2805.2016.6.143

TM464

A

2016-08-15