交流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)逆變器開路故障診斷

楊 梟

(北京礦冶科技集團(tuán)有限公司，北京 100160)

0 引言

逆變器故障是交流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)典型的故障，其發(fā)生概率高達(dá)38%[1]，其主要分布于功率開關(guān)管的短路和開路。短路現(xiàn)在基本采用硬件電路保護(hù)，將快速熔絲與開關(guān)管串聯(lián)，將短路轉(zhuǎn)換為開路[2]。因此，必須有可靠的方法對逆變器開關(guān)管開路故障進(jìn)行檢測。

交流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)逆變器開關(guān)管開路故障檢測方法研究已經(jīng)取得了很多豐碩的成果[3-6]。文獻(xiàn)[3-4]通過對直流側(cè)電流進(jìn)行采樣，并濾除其高頻成分，再做快速傅里葉變換(FFT)分析，得到與故障相關(guān)的低頻部分的頻譜圖，簡化了診斷系統(tǒng)尺寸，但是載波比無窮大是理想條件，其故障特征的辨識度會隨著載波比的下降而降低，另外在非同步調(diào)制時，由于載波比不斷變化，故障特征的判斷閾值也難以確定。文獻(xiàn)[5-6]中通過對功率管的開關(guān)信號進(jìn)行采樣，得到功率管的開關(guān)函數(shù)，再通過檢測功率開關(guān)管的電壓，經(jīng)過一系列邏輯模擬電路運(yùn)算后，輸出故障指示信號，對于一些特定的故障發(fā)生時刻，可以快速的檢測出故障及位置。同時，采用閾值比較和脈寬限制的方法消除了開關(guān)延時和測量噪聲帶來的誤差電壓。但是這種診斷的快速性只適用于少數(shù)特定的情況，而且需要電流傳感器，還要在3相均附加邏輯電路，較為繁瑣。因此，進(jìn)一步研究逆變器開路故障具有必要性。

本文研究交流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)逆變器開路故障診斷問題，提出了一種基于平均電流Park矢量法的逆變器開關(guān)管開路故障診斷策略。

1 逆變器輸出三相電流模型描述

從圖1可以看出，在交流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中逆變器輸出的三相電流就是交流電機(jī)定子三相電流，所以逆變器三相電流數(shù)學(xué)模型可以根據(jù)交流電機(jī)三相電流數(shù)學(xué)模型建立。

圖1 交流拖動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

逆變器輸出的三相電流的瞬時值可描述為：

iUs=IMcos(ωst+Φ)

(1)

iVs=IMcos(ωst+Φ-2π/3)

(2)

iWs=IMcos(ωst+Φ+2π/3)

(3)

式(1)、(2)、(3)中，iUs、iVs、iWs分別為逆變器輸出的三相電流瞬時值，IM為輸出電流峰值，ωs為輸出電流頻率，t為時間，Φ為初始相位角。

交流電機(jī)傳動系統(tǒng)的調(diào)速方式為變頻調(diào)速，設(shè)定的速度不同，逆變器輸出電壓的頻率不同，逆變器輸出電流的周期也不同，故設(shè)任意參數(shù)變量T為輸出電流的周期。

通過積分取平均，即可得到逆變器輸出三相平均電流的數(shù)學(xué)模型。

(4)

(5)

(6)

2 逆變器開關(guān)管開路故障分析

2.1 逆變器開關(guān)管開路故障分析

交流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中逆變器正常工作時，逆變器輸出的三相電流為相位角誤差120度的正弦波，且直流分量為0，電流波形如圖2所示。

圖2 正常情況逆變器輸出三相電流波形

當(dāng)某一開關(guān)管開路后，調(diào)速系統(tǒng)將會自動達(dá)到一個新的平衡狀態(tài)。由于逆變器控制方式在故障前后是相同的，假設(shè)磁場為線性并且轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量無限大，并且忽略交流電機(jī)定子電阻，那么施加在電機(jī)上的電壓將由漏電感和磁化電感提供。因此，在故障后的穩(wěn)定狀態(tài)下，電機(jī)不會承受任何的直流電壓分量。當(dāng)逆變器某一任意相開關(guān)管發(fā)生開路故障，其他正常的兩相開關(guān)管是不會向電機(jī)施加任何直流電壓分量的。對于開路故障相橋臂，如果相電流的極性是正的，相電壓將會被嵌位為負(fù)。如果相電流的極性是負(fù)的，當(dāng)該橋臂的下開關(guān)管導(dǎo)通時相電壓將為負(fù)，當(dāng)下開關(guān)管關(guān)斷并且上開關(guān)管導(dǎo)通時，相電壓將為正。由于在故障前后正弦PWM調(diào)制的相電壓是正弦平衡的，所以在故障后相電流也正弦平衡，并且伴有直流偏移量[7]，原理示意圖如圖3所示。

圖3 單管開路時逆變器輸出三相電流波形

從圖3中可以看出，逆變器某一相開關(guān)管發(fā)生開路故障后，逆變器輸出的三相電流存在不同的直流分量，這將導(dǎo)致交流電動機(jī)的三相電流不平衡，除使電動機(jī)額外發(fā)熱外，還會造成三相旋轉(zhuǎn)磁場不平衡，使電動機(jī)發(fā)出特殊的低沉聲音，同時電動機(jī)也會因此而振動，不利于電機(jī)的正常運(yùn)行。

2.2 直流偏移量的計算

交流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)通常采用電壓型，當(dāng)逆變器正常工作時，設(shè)直流母線電流為I，可計算出正常情況下6個工作區(qū)間逆變器輸出的三相電流值如表1所示。

表1 逆變器正常工作時輸出的三相電流值

通過表1可計算出逆變器輸出的三相電流的平均值。

(7)

(8)

(9)

當(dāng)其中某一只開關(guān)管發(fā)生開路故障時，故障持續(xù)的電角度范圍可由0到π，故障對系統(tǒng)的影響也隨持續(xù)電角度范圍的不同而不同，對應(yīng)逆變器輸出電流的直流偏移量也不同。

當(dāng)任意開關(guān)管n發(fā)生開路故障時，并隨機(jī)任取開路故障持續(xù)的電角度為θ1到θ2，則可計算出開路開關(guān)管所在故障相輸出電流的直流偏移量If。

If(n，θ1，θ2)=[(-1)nP+(-1)n+1Q(θ1，θ2)]/2π

(10)

其中：

P=(π/3)(4/3)

(11)

Q(θ1,θ2)=

(12)

(13)

(14)

(15)

同理可計算出其他非故障兩相輸出電流的直流偏移量In。

In(n，θ1，θ2)={(-1)nG+(-1)n+1[H(θ1，θ2)+

J(θ1，θ2)+K(θ1，θ2)+L(θ1，θ2)]}/2π

(16)

其中：

G=(2/3)(π/3)

(17)

(18)

(19)

K(θ1，θ2)=

(20)

L(θ2)=

(21)

在逆變器某一開關(guān)管發(fā)生開路故障后，相電流也正弦平衡，只是伴有直流偏移量，即電流平均值發(fā)生變化，所以逆變器輸出三相電流的平均值可以作為逆變器開關(guān)管開路故障診斷的特征量。

3 平均電流Park矢量故障診斷算法設(shè)計

本故障診斷算法根據(jù)逆變器輸出的三相電流，計算各相電流在一個周期內(nèi)的平均值。然后，通過3相/2相坐標(biāo)變換，計算出平均電流Park矢量。最后，通過Park矢量的模和相位角，確定開路故障的嚴(yán)重程度，以及發(fā)生故障的開關(guān)管。

3.1 平均電流Park矢量的故障診斷算法

在求取平均電流Park矢量過程中，使用到了逆變器輸出的三相平均電流值IUav、IVav、IWav，以及3相/2相坐標(biāo)變換陣。在電機(jī)轉(zhuǎn)子上建立一個坐標(biāo)系，與轉(zhuǎn)子同步轉(zhuǎn)動，取轉(zhuǎn)子磁場方向為D軸，垂直于轉(zhuǎn)子磁場方向為Q軸，將電機(jī)的數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)換到此坐標(biāo)系下，可以得到與交流三相繞組等效的直流電機(jī)模型，從而得到良好控制特性。這里給出由3相U、V、W坐標(biāo)系的變量IUav、IVav、IWav與2相D、Q坐標(biāo)系變量xx、xy之間的Park變換矩陣。

(22)

取D軸為定子U軸，則θUD=0，即得到2相坐標(biāo)系下的平均電流。

(23)

(24)

進(jìn)而可以合成平均電流Park矢量。

(25)

平均電流Park矢量的診斷算法，通過平均電流Park矢量的模，判斷開路故障的嚴(yán)重程度；通過Park矢量的相角，判斷具體發(fā)生開路故障的開關(guān)管。

3.2 平均電流Park矢量診斷決策

在逆變器輸出的三相電流平均值的基礎(chǔ)上，通過式(23)、(24)和(25)，可求出任意開關(guān)管發(fā)生開路故障時對應(yīng)的平均電流Park矢量相角范圍。本文分別計算了6個開關(guān)管單獨(dú)發(fā)生開路故障時對應(yīng)的Park矢量相位角范圍，歸納出平均電流Park矢量相位角與開路故障開關(guān)管的對應(yīng)查詢表。

表2 Park矢量相位角與開路故障開關(guān)管對應(yīng)查詢表

為便于工廠操作人員使用，相位角與開路故障開關(guān)管的對應(yīng)關(guān)系也可用圖4表示。

圖4 Park矢量相位角與開路故障開關(guān)管對應(yīng)查詢圖

4 結(jié)論

本文利用3相/2相坐標(biāo)變換和分量合成方法，求逆變器輸出三相平均電流Park矢量。之后，利用平均電流Park矢量的幅值判斷開路故障的嚴(yán)重程度，通過Park矢量的相角判斷具體發(fā)生開路故障的開關(guān)管。該方法對載波比不敏感，診斷周期穩(wěn)定，可以得到準(zhǔn)確的診斷結(jié)果，具有實際工業(yè)應(yīng)用價值。