基于Matlab的變頻器開(kāi)路故障診斷方法*

張 琳， 劉宇亮， 朱軍偉

(中國(guó)空空導(dǎo)彈研究院， 河南 洛陽(yáng) 471009)

0 引 言

變頻器作為交流傳動(dòng)系統(tǒng)重要組成部分， 應(yīng)用需求越來(lái)越廣泛， 而常規(guī)的故障診斷技術(shù)已經(jīng)逐漸不能滿足極端環(huán)境下的應(yīng)用需求[1]， 因此變頻器故障診斷及其快速定位的課題也得到了越來(lái)越多的關(guān)注.

在變頻器運(yùn)行過(guò)程中， 過(guò)流、 過(guò)壓、 元器件過(guò)熱等情況造成的故障居多， 其主要元器件——功率管工作在高頻狀態(tài)， 損耗大， 發(fā)熱嚴(yán)重， 發(fā)生故障的概率最大， 通常表現(xiàn)為短路或開(kāi)路. 短路往往伴隨著瞬間損毀性大電流， 現(xiàn)有的變頻器一般設(shè)有過(guò)流檢測(cè)電路， 一旦出現(xiàn)過(guò)流會(huì)在微秒級(jí)別切除供電， 進(jìn)行故障排除. 對(duì)于開(kāi)路故障， 通過(guò)對(duì)輸出電壓或電流進(jìn)行復(fù)雜的數(shù)學(xué)計(jì)算來(lái)得到故障功率管定位是目前主流的一種研究成果[2-5]， 但難以應(yīng)用到實(shí)際系統(tǒng)中； 部分論文[6-7]提出了基于輸出電感電流的診斷方法， 但存在診斷時(shí)間延遲受負(fù)載突變干擾的問(wèn)題[8]. 本文重點(diǎn)研究了功率管開(kāi)路故障診斷問(wèn)題， 以尋求一種故障定位準(zhǔn)確迅速、 工程應(yīng)用性強(qiáng)的診斷方法.

1 變頻器開(kāi)路故障分析

變頻器包括整流器、 直流電路、 逆變器以及控制電路4部分[9]， 圖 1 為其典型拓?fù)潆娐穲D. 其中 6只晶閘管構(gòu)成不可控整流橋； 6只晶體管IGBT構(gòu)成可控全橋逆變電路.

圖 1 變頻器基本組成與工作原理框圖Fig.1 Diagram of the basic unit and working principle for converter

為簡(jiǎn)化變頻器的故障分析，先分為整流橋與逆變電路兩部分來(lái)解析其工作狀態(tài)及對(duì)應(yīng)開(kāi)路故障問(wèn)題.

1.1 整流橋電路開(kāi)路故障模式

不可控整流橋在正常工作狀態(tài)下， 任意時(shí)刻輸出電壓為三相相電壓中的最大值與最小值之差， 根據(jù)該原理， 把每個(gè)工頻周期劃分為如圖 2 所示的6個(gè)工作區(qū)間， 對(duì)應(yīng)6種工作回路.

圖 2 三相不可控整流橋的工作區(qū)間Fig.2 Working sections of three-phase rectifier

定義各相的上下工作區(qū)間： 其相電壓在該區(qū)間內(nèi)最大， 則稱(chēng)為上工作區(qū)間， 相電壓最小則為其下工作區(qū)間； 以R相為例， ①②為上工作區(qū)間， ④⑤為下工作區(qū)間.

整流橋在正常工作時(shí)， 按①～⑥ 6種狀態(tài)依次變換， 輸出6脈動(dòng)直流電. 通過(guò)分析各功率管故障時(shí)的輸出電壓變化情況， 建立故障位置與直流側(cè)波形的對(duì)應(yīng)關(guān)系.

整流橋有6只開(kāi)關(guān)管， 其開(kāi)路故障組合方式眾多， 不可能枚舉每一種情況. 根據(jù)實(shí)用需求， 做出以下的簡(jiǎn)化： 在某時(shí)刻， 最多只有兩只開(kāi)關(guān)管發(fā)生故障， 3只及其以上故障等小概率事件不予考慮.

表 1 統(tǒng)計(jì)了5種主要的故障模式， 即不考慮整流橋后級(jí)電路時(shí)， 單管開(kāi)路、 兩管開(kāi)路(同相上下橋臂、 兩相上橋臂、 一相上臂一相下臂)的整流橋輸出電壓的變化. 由表 1 可知， 整流橋?qū)﹂_(kāi)路故障的容錯(cuò)能力相對(duì)較大， 各種功率管開(kāi)路故障模式會(huì)導(dǎo)致直流側(cè)波形不同程度的畸變， 表 2 歸納了整流橋開(kāi)路故障特征， 建立起波形畸變特征與故障定位的直觀聯(lián)系.

表 1 整流橋開(kāi)路故障狀態(tài)表

表 2 整流橋開(kāi)路故障分析總結(jié)表

1.2 逆變電路開(kāi)路故障模式

構(gòu)成三相全橋逆變電路的6只IGBT受控通斷， 有較大的導(dǎo)通損耗與開(kāi)關(guān)損耗， 比不可控整流橋更容易出現(xiàn)功率管故障， 是系統(tǒng)可靠性薄弱環(huán)節(jié)[10].

圖 3 基本電壓空間矢量圖Fig.3 Diagram of fundamental voltage space vector

非故障狀態(tài)下， 按照T1～T66只功率管導(dǎo)通狀態(tài)， 逆變電路可劃分為8種工作狀態(tài)： 即狀態(tài)0(000)、 狀態(tài)1(001)、 狀態(tài)2(010)、 狀態(tài)3(011)、 狀態(tài)4(100)、 狀態(tài)5(101)、 狀態(tài)6(110) 與狀態(tài)7(111)， 其中狀態(tài)0(000)和狀態(tài)7(111)為無(wú)效工作狀態(tài)， 不構(gòu)成回路.

依據(jù)電壓空間矢量脈寬調(diào)制技術(shù)(SVPWM)控制原理， 這6個(gè)有效工作狀態(tài)可以構(gòu)成如圖3所示的基本空間矢量圖： 每個(gè)逆變工作周期被劃分為6個(gè)區(qū)間， 即6個(gè)60°扇形區(qū)間. 由于一次只能改變一個(gè)功率管的通斷， 每個(gè)工作區(qū)間內(nèi)相鄰的兩個(gè)工作狀態(tài)以及無(wú)效工作狀態(tài)交替出現(xiàn)， 如①區(qū)間， 狀態(tài)0、 狀態(tài)4、 狀態(tài)6與狀態(tài)7交替出現(xiàn).

分析逆變電路的故障模式： 由于6只IGBT功率管的開(kāi)路故障組合的數(shù)量龐大， 不考慮小概率事件， 在表3中列出5種主要的開(kāi)路故障模式， 計(jì)算各模式下逆變電路輸出三相相電壓的變化情況. 為了簡(jiǎn)化計(jì)算， 暫時(shí)不考慮后級(jí)濾波電感的作用.

由表 3 的計(jì)算結(jié)果可知： 對(duì)于功率管開(kāi)路組合故障， 對(duì)應(yīng)相輸出波形會(huì)出現(xiàn)不同特征的畸變， 表 4 總結(jié)了逆變電路開(kāi)路故障的輸出波形特征， 為下一步變頻器故障綜合診斷做準(zhǔn)備.

表 3 逆變電路開(kāi)路故障狀態(tài)表

表 4 變頻器逆變電路開(kāi)路故障分析總結(jié)表

2 變頻器故障仿真驗(yàn)證以及綜合分析

在變頻器實(shí)際運(yùn)行中， 整流橋與逆變器相互作用， 其故障模式更復(fù)雜， 建立如圖 4 所示的變頻器的Matlab模型， 并在逆變橋輸出側(cè)接入三相對(duì)地負(fù)載以快速消耗濾波大電感儲(chǔ)存的能量. 其中， 設(shè)置濾波電感L=0.1 h； 三相負(fù)載R=500 Ω， 泄放回路每相電阻1 kΩ.

首先對(duì)整流橋故障模式進(jìn)行Matlab仿真， 結(jié)果如圖 5 所示， 圖5(a)驗(yàn)證了表2的分析結(jié)果， 即斷開(kāi)整流橋后級(jí)時(shí)故障波形特征； 圖5(b)的仿真考慮了濾波電容以及后級(jí)電路的作用， 輸出波形說(shuō)明直流側(cè)電壓在135V上下浮動(dòng)， 且調(diào)整電容值能進(jìn)一步減小紋波； 圖5(c)， (d)分別是變頻器電感濾波前后的輸出波形， 結(jié)果驗(yàn)證整流橋晶閘管開(kāi)路故障造成的直流電壓紋波并沒(méi)有使變頻器輸出端三相交流電產(chǎn)生明顯的畸變.

其次對(duì)逆變電路開(kāi)路故障進(jìn)行仿真， 表3的故障模式計(jì)算結(jié)果簡(jiǎn)化了濾波電感的作用， 仿真模型綜合了電感及其后級(jí)負(fù)載的影響， 并給出了電感能量對(duì)地泄放回路. 圖 6、 圖 7 分別是變頻器各故障模式下電感濾波前、 后的三相交流電輸出波形.

圖 5 整流橋開(kāi)路故障的仿真Fig.5 Simulation of the open-circuit faults of rectifier

圖 7 電感濾波后的三相相電壓Fig.7 Three- phase voltage with inductance’s filtering

圖 6 表明， 故障仿真結(jié)果與表4總結(jié)的波形特征基本一致， 但由于濾波電感存儲(chǔ)的能量需要一段時(shí)間才能泄放完， 仿真結(jié)果與理論分析有一定偏差： 即相電壓理論上缺失的半波處實(shí)際上存在微型饅頭狀PWM波峰， 具體波形見(jiàn)圖6(a)， 且泄放回路阻值越小， 其峰值越大； 相電壓輸出理論為零處實(shí)際波形有一定的小幅震蕩， 見(jiàn)圖6(a)； 局部放大圖6(b)是對(duì)圖6(a)畫(huà)圈處的細(xì)節(jié)展示. 仿真結(jié)果表明， 通過(guò)仿真波形可以快速有效地判斷故障功率管的位置.

鑒于整流橋開(kāi)路故障所造成的直流側(cè)電壓紋波對(duì)于變頻器最終輸出的三相相電壓影響并不明顯， 見(jiàn)圖5(b)， (c)， 因而對(duì)于整流橋與逆變電路同時(shí)出現(xiàn)開(kāi)路故障的情形， 可以先依據(jù)逆變電路開(kāi)路故障診斷表進(jìn)行故障定位， 排除逆變電路開(kāi)路故障后再依據(jù)直流側(cè)電壓波形來(lái)考慮故障診斷.

3 變頻器開(kāi)路故障診斷法

綜合以上理論分析與仿真驗(yàn)證， 本文總結(jié)出以變頻器輸出側(cè)電感濾波前的三相相電壓波形為主要依據(jù)的變頻器開(kāi)路故障診斷規(guī)則表， 見(jiàn)表 5.

表 5 變頻器開(kāi)路故障診斷規(guī)則表

圖 8 不對(duì)稱(chēng)三相負(fù)載及負(fù)載突變時(shí)仿真波形Fig.8 Waveform of simulation for asymmetric three-phase load with sudden changes

電感濾波前三相相電壓波形僅與直流側(cè)電壓和功率管開(kāi)關(guān)邏輯相關(guān)， 因此該診斷方法對(duì)于功率管開(kāi)路故障可以在幾個(gè)工作周期時(shí)間內(nèi)快速判斷， 而且電壓波形理論上不受后級(jí)負(fù)載突變的影響， 為了驗(yàn)證不同的負(fù)載類(lèi)型或者負(fù)載突變時(shí)該診斷依據(jù)仍然適用， 在圖 4 所示的Matlab模型中， 設(shè)置三相不對(duì)稱(chēng)負(fù)載， 分別為Ra=500 Ω(純阻性)；Rb=500Ω，Lb=8 mH，Cb=1 nF；Rc=500 Ω，Lc=1 mH，Cc=100 nF； 并任意設(shè)置了3處負(fù)載突變點(diǎn)， 其中，t1處A相負(fù)載突然斷路，t2處B相負(fù)載斷路，t3處C相負(fù)載斷路， 進(jìn)行仿真驗(yàn)證， 電感濾波前變頻器輸出的三相相電壓波形見(jiàn)圖 8.

通過(guò)仿真波形， 圖 8 可得以下結(jié)論： 變頻器帶有不對(duì)稱(chēng)負(fù)載時(shí)， 依然可以依據(jù)故障診斷表(表5)， 通過(guò)三相相電壓波形特征對(duì)開(kāi)路故障進(jìn)行定位， 且在t1，t2和t3負(fù)載突變處， 波形特征沒(méi)有顯著的變化， 因此， 該故障診斷法適用于負(fù)載突變的情況.

4 結(jié) 論

本文重點(diǎn)研究了變頻器功率管開(kāi)路故障， 結(jié)合理論分析與仿真驗(yàn)證結(jié)果， 提出了基于交流輸出側(cè)電感濾波前相電壓波形的變頻器開(kāi)路故障診斷方法， 它可以在1/4的基波周期內(nèi)定位故障， 并不受負(fù)載變化的影響. 相對(duì)于基于電感電流的故障診斷法， 有著定位迅速靈敏、 抗負(fù)載突變干擾性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn). 如何進(jìn)一步優(yōu)化變頻器故障診斷法并將其轉(zhuǎn)化為工程應(yīng)用成果、 從而進(jìn)一步應(yīng)用于變頻器的故障智能識(shí)別， 將是后續(xù)的研究重點(diǎn).

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