基于磁鏈觀測器的逆變器開路故障實時診斷

王亞飛

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基于磁鏈觀測器的逆變器開路故障實時診斷

王亞飛

逆變器作為電力牽引交流傳動系統(tǒng)的重要組成部分，其可靠性是保證系統(tǒng)正常運行的關(guān)鍵，但其功率模塊故障率較高。本文針對逆變器主電路的IGBT開路故障，提出一種基于磁鏈觀測器的實時診斷方法，經(jīng)仿真驗證該方法不易受負載擾動和閉環(huán)控制影響，診斷可靠性高，且不需增加額外硬件設(shè)備，適用于逆變器開路故障的實時診斷。

逆變器；定子磁鏈殘差；磁鏈觀測器；簡便實時

0 引言

電力牽引交流傳動系統(tǒng)作為高速列車的動力來源，其安全性和可靠性對列車運行具有重要影響。逆變器是決定整個傳動系統(tǒng)能否正常運行的關(guān)鍵器件之一，而逆變器主電路的功率模塊非常容易發(fā)生故障，研究表明，逆變器的功率開關(guān)管是電力電子裝置系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)[1]?？梢?，要保證電力牽引交流傳動系統(tǒng)的正常運行，關(guān)鍵是要保證功率開關(guān)管的正常工作。通常逆變器故障分為IGBT開路故障和IGBT短路故障。由于IGBT短路故障會導致直流側(cè)過電流，危害極大，目前逆變器硬件電路已集成短路保護功能。而IGBT開路故障由于其發(fā)生時電機仍可繼續(xù)運行，但此時三相電流不對稱，產(chǎn)生負序電流，使得電機發(fā)熱增大以致?lián)p毀。

國內(nèi)外針對IGBT開路故障的研究已有很多，根據(jù)診斷變量可分為2大類[2]：（1）基于電流的診斷方法。文獻[3]提出了基于FFT的歸一化方法，利用歸一化后的定子側(cè)三相電流的基波分量判定開路故障功率管；文獻[4]提出了在正常和故障狀態(tài)下，對比逆變器三相電流正負半波的功率定位功率管故障；其他方法還有電流矢量頻率方法[5]、三相負載電流分析法[6]、電流頻譜分析法[7]、Hilbert變換法[8]、人工智能識別法[9～12]等。（2）基于電壓的診斷方法。文獻[13]提出了利用電壓解析模型定位開路故障的方法，當逆變器的開關(guān)管出現(xiàn)開路故障時，逆變器輸出三相相電壓和線電壓均存在一定誤差，利用電壓傳感器測量出電壓誤差進而定位功率管故障；文獻[14～16]提出了基于開關(guān)函數(shù)模型和運行模式分析的診斷方法，通過對比正常情況和故障情況下功率開關(guān)管所承受的不同電壓，并增加高速光耦等硬件電路，實現(xiàn)單個功率開關(guān)管和單相橋臂的開路故障診斷。

當系統(tǒng)采用閉環(huán)控制或負載發(fā)生突變時，基于電流的診斷方法易出現(xiàn)誤診斷，且基于三相電流的人工智能診斷算法計算量通常很大，不利于在線實時診斷；基于電壓的診斷方法雖然可靠性較高，計算量不大，但需增加高速光耦或電壓傳感器等[17]設(shè)備，成本增加。

為了使診斷方法不易受負載擾動及閉環(huán)控制影響，且不增加額外的硬件設(shè)備，本文提出一種基于全階磁鏈觀測器的開路故障診斷方法，根據(jù)各IGBT開路故障時定子磁鏈殘差間的關(guān)系進行故障定位，并對該方法的有效性進行仿真驗證。

1 逆變器開路故障分析

常見的三相逆變器主電路如圖1所示，其拓撲結(jié)構(gòu)包含T1～T6功率開關(guān)管、D1～D6并聯(lián)二極管和Cd直流側(cè)母線電容。若a、b、c相橋臂的功率管開關(guān)信號分別為a、b、c，并且同相橋臂的2個功率管的開關(guān)信號互補，即a、b、c為1時橋臂上側(cè)管導通，下側(cè)管關(guān)斷；a、b、c為0時橋臂上側(cè)管關(guān)斷，下側(cè)管導通。a、b、c相電壓分別為an、bn、cn，端電壓分別為ao、bo、co，其中為直流母線側(cè)參考點，為三相負載中性點。

圖1 三相逆變器主電路

正常情況下，逆變器的三相電壓為

三相逆變器主電路中共有6只功率開關(guān)管，則有6種單管開路故障，由于主電路拓撲結(jié)構(gòu)具有對稱性，只分析T1開關(guān)管開路故障情況。當T1開路故障時，a相橋臂的開關(guān)信號a不能為1，而b、c相橋臂的開關(guān)信號b、c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ao存在的電壓偏差為

由式（2）可知電壓偏差Δao大于零，由于Δao的存在，三相電壓也表現(xiàn)出故障特征，即T1開路故障時的三相電壓為

由式（1）減去式（3），可得三相電壓殘差為

即三相電壓殘差間的關(guān)系為

Dan=-2Dbn=-2Dcn＞0 （5）

通常系統(tǒng)中并不配置測量相電壓或線電壓的電壓傳感器，為了避免增加電壓傳感器等硬件設(shè)備，可考慮三相電壓與定子磁鏈間的關(guān)系。當忽略定子電阻時，三相定子磁鏈大小為

由式（5）和式（6）可得定子磁鏈殘差間的關(guān)系為

Da=-2Db=-2Dc＞0 （7）

由式（7）可以看出，T1開路故障時，a相定子磁鏈殘差為正，b、c相定子磁鏈殘差為負，且a相定子磁鏈殘差是b或c相定子磁鏈殘差的?2倍。

其他功率管開路故障時類似，各功率管開路故障時定子磁鏈殘差間的關(guān)系如表1所示。

表1 各功率管開路故障時定子磁鏈殘差間的關(guān)系

2 基于全階磁鏈觀測器的診斷方法

2.1 全階磁鏈觀測器

在兩相靜止參考坐標系下，以定子磁鏈和定子電流作為狀態(tài)變量，則異步電機的狀態(tài)方程為

由此構(gòu)造出以定子磁鏈和定子電流為狀態(tài)變量的全階磁鏈觀測器為

式中，為誤差反饋矩陣，且1= (2? 1)s，2=(? 1)(sr+rs)，3= (1 ?)r；為比例常系數(shù)，且＞1，為保證觀測器穩(wěn)定收斂，取= 1.2。

所構(gòu)造全階磁鏈觀測器如圖2所示。

圖2 全階磁鏈觀測器

2.2 開路故障診斷原理

逆變器開路故障診斷原理如圖3所示。

圖3 開路故障診斷原理框圖

首先，利用開關(guān)信號a、b、c以及直流側(cè)電壓dc，得到兩相靜止坐標下的參考定子電壓為

則相應的參考定子磁鏈大小為

然后將參考定子磁鏈與全階磁鏈觀測器估計的定子磁鏈均通過截止頻率為200 Hz的低通濾波器濾除諧波噪聲等。最后將三相定子磁鏈進行對比，并利用殘差閾值f和表1中定子磁鏈殘差間的關(guān)系式進行故障識別定位。

圖3中，殘差閾值f用于判斷開路故障是否發(fā)生，其取值與三相定子磁鏈殘差有關(guān)。在正常條件下，三相定子磁鏈殘差均趨近于零，為了避免出現(xiàn)誤診斷和漏診斷，閾值f需要一定的安全裕量，實際選定閾值f時可借助仿真實驗。

3 仿真結(jié)果分析

在Matlab/Simulink中搭建閉環(huán)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2所示。功率管開路故障的仿真是通過移除相應驅(qū)動信號來實現(xiàn)，但其并聯(lián)續(xù)流二極管是正常的。通過對各功率管開路故障的仿真測試，設(shè)定殘差閾值f=0.2。

表2 仿真模型參數(shù)

3.1 正常條件

圖4所示為正常條件下負載轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)速變化時的三相電流、定子磁鏈及其殘差波形。

圖4 正常條件下負載變化時的波形

3.2 穩(wěn)態(tài)過程中T1開路故障

圖5所示為穩(wěn)態(tài)過程中T1開路故障時的三相電流、定子磁鏈及其殘差波形。

圖5 穩(wěn)態(tài)過程中T1開路故障時的波形

3.3 負載轉(zhuǎn)矩突變過程中T1開路故障

圖6所示為負載轉(zhuǎn)矩突變過程中T1開路故障時三相電流、電磁轉(zhuǎn)矩及定子磁鏈殘差波形。

圖6 負載轉(zhuǎn)矩突變過程中T1開路故障時的波形

如圖6所示，在= 1 s時刻，系統(tǒng)給定電機轉(zhuǎn)速= 800 r/min保持不變，負載轉(zhuǎn)矩由L= 0突增至N，該暫態(tài)過程中，在= 1.02 s時刻，T1發(fā)生開路故障。故障發(fā)生后三相電流發(fā)生畸變，電磁轉(zhuǎn)矩發(fā)生劇烈抖動，三相定子磁鏈殘差的情況與4.2節(jié)所述類似。

3.4 電機轉(zhuǎn)速變化過程中T1開路故障

圖7所示為電機轉(zhuǎn)速變化過程中T1開路故障時三相電流、電機轉(zhuǎn)速及定子磁鏈殘差波形。

圖7 電機轉(zhuǎn)速變化過程中T1開路故障時的波形

如圖7所示，在= 1 s時刻，系統(tǒng)給定負載轉(zhuǎn)矩L= 0.7N保持不變，電機轉(zhuǎn)速由800 r/min增至1 200 r/min，該暫態(tài)過程中，在= 1.1 s時刻，T1發(fā)生開路故障。故障發(fā)生后三相電流發(fā)生畸變，電機轉(zhuǎn)速開始下降，三相定子磁鏈殘差的情況與4.2節(jié)所述類似。

4 結(jié)語

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)下的三相電壓及其與定子磁鏈的關(guān)系，提出了基于全階磁鏈觀測器的故障診斷方法，仿真結(jié)果驗證了該方法的可行性，并且具有以下優(yōu)點：（1）不受負載擾動及閉環(huán)控制的影響，診斷的可靠性較高；（2）利用全階磁鏈觀測器估計實際的診斷變量，不需要增加額外的硬件設(shè)備；（3）診斷速度快，診斷所需時間均不超過1/2個基波周期；（4）診斷原理簡單，計算量較小，適用于在線故障診斷。

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The inverter is one of the important integral part of electric power traction AC transmission system, its reliability is the key factor to guarantee normal operation of the system; however, the fault rate of its power modules is high. The paper proposes a flux observer based real time diagnosing method with regard to the IGBT open circuit fault of main circuit of inverter, and by simulation and verification, the method is not liable to suffer from the interference of load disturbance or the closed loop control, and the diagnosis reliability is high, without requirements for adding of extra hardware equipment, and is applicable for real time diagnosing of open circuit fault of inverters.

Inverter; residual error of stator flux linkage; flux observer; convenience and real time

10.19587/j.cnki.1007-936x.2018.05.021

U264.3+3

B

1007-936X(2018)05-0081-05

2018-01-11

王亞飛.中鐵電氣化勘測設(shè)計研究院有限公司，助理工程師，研究方向為電力電子與電力傳動。