三相電壓源型逆變器單傳感器相電流重構(gòu)故障診斷策略

摘 要：為了解決三相電壓源型逆變器采用單電流傳感器進(jìn)行故障診斷的可行性及診斷時(shí)間問(wèn)題，通過(guò)調(diào)整互補(bǔ)非零矢量補(bǔ)償零矢量作用時(shí)間，確保載波周期內(nèi)電流采樣時(shí)間大于最小采樣時(shí)間，并在一個(gè)載波周期內(nèi)互補(bǔ)非零矢量作用時(shí)進(jìn)行兩次電流采樣，重構(gòu)出故障下的三相電流。通過(guò)將功率開(kāi)關(guān)管開(kāi)路故障類(lèi)型進(jìn)行區(qū)分，分析功率開(kāi)關(guān)管在各類(lèi)開(kāi)路故障下的電流流向以及故障后電壓矢量的合成機(jī)理，構(gòu)建以電流矢量相角、平均電流矢量模值及相角為判據(jù)的故障診斷方法，提出基于單傳感器相電流重構(gòu)的故障診斷策略，實(shí)現(xiàn)單傳感器相電流重構(gòu)下的開(kāi)關(guān)管開(kāi)路故障診斷。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該診斷策略的可行性，并得出當(dāng)故障診斷時(shí)間為0.5 ms，可有效且快速對(duì)故障功率開(kāi)關(guān)管定位。

關(guān)鍵詞：直流母線；單電流傳感器；互補(bǔ)非零矢量；最小采樣時(shí)間；相電流重構(gòu)；開(kāi)路故障；故障診斷

DOI：10.15938/j.emc.2024.10.013

中圖分類(lèi)號(hào)：TM341

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1007-449X（2024）10-0135-12

收稿日期： 2023-04-21

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金（62273313）；河南省重點(diǎn)研發(fā)專(zhuān)項(xiàng)（241111242300）；河南省高?？萍紕?chuàng)新人才支持計(jì)劃（24HASTIT046）；河南省高?？萍紕?chuàng)新團(tuán)隊(duì)支持計(jì)劃（22IRTSTHN017）

作者簡(jiǎn)介：申永鵬（1985—），男，博士，副教授，研究方向?yàn)殡妱?dòng)汽車(chē)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)能量管理、控制與優(yōu)化；

馬梓洋（1999—），男，碩士研究生，研究方向?yàn)榻涣麟姍C(jī)控制及逆變器故障診斷；

金 楠（1982—），男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)樾履茉措娔茏儞Q技術(shù)；

郭磊磊（1987—），男，博士，副教授，研究方向?yàn)槟孀兤骷敖涣麟姍C(jī)的模型預(yù)測(cè)控制；

齊文雷（1985—），男，碩士，工程師，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)安全、交流電機(jī)控制。

通信作者：金 楠

Fault diagnosis strategy for three-phase voltage source inverter based on single sensor phase current reconstruction

SHEN Yongpeng¹， MA Ziyang¹， JIN Nan¹， GUO Leilei¹， QI Wenlei²

（1. College of Electrical and Information Engineering， Zhengzhou University of Light Industry， Zhengzhou 450002， China;2. State Grid Yili Yihe Power Supply Co.， Ltd.，Yining 835000， China）

Abstract：In view of feasibility and diagnosis time of fault diagnosis of three-phase voltage source inverter with single current sensor， the zero vector action time is compensated by adjusting the complementary nonzero vector to ensure that the current sampling time is greater than the minimum sampling time in the carrier period， and the fault phase current was reconstructed by sampling twice under the complementary nonzero vector action during a carrier period. By distinguishing the open-circuit fault types of power switch tubes， the current flow direction of power switch tube under various open-circuit faults and the synthesis mechanism of voltage vectors after faults were analyzed， and a fault diagnosis method based on the phase angle of the current vector， the average current vector amplitude， and the phase angle was constructed to realize open-circuit fault diagnosis under single sensor phase current reconstruction. A fault diagnosis strategy based on single-sensor phase current reconstruction was proposed， and the open-circuit fault diagnosis under single sensor phase current reconstruction was realized. The experimental results verify feasibility of the diagnosis strategy， and the fault diagnosis time is 0.5 ms， which can effectively and quickly locate the fault power switch tube.

Keywords：DC-link; single current sensor; complementary nonzero vector; minimum sampling time; phase current reconstruction; open-circuit fault; fault diagnosis

0 引 言

單傳感器三相電壓源型逆變器可降低系統(tǒng)成本、減小體積，同時(shí)還可消除多電流傳感器參數(shù)差異對(duì)控制系統(tǒng)性能造成的影響，但其核心器件功率開(kāi)關(guān)管工作在高壓大電流狀態(tài)時(shí)，由于過(guò)電壓或過(guò)電流作用下受熱效應(yīng)影響發(fā)生管腳內(nèi)部引絲斷裂，引發(fā)開(kāi)路故障^［1-3］。開(kāi)展基于單傳感器相電流重構(gòu)的逆變器故障診斷研究，實(shí)現(xiàn)故障的快速診斷及定位，對(duì)提升逆變器可靠性具有重要意義^［4］。

三相電流信息是逆變器故障診斷的重要參數(shù)。單傳感器相電流重構(gòu)的核心問(wèn)題是消除電流不可觀測(cè)區(qū)域的影響^［5-6］。目前已有的研究方法包括矢量脈沖插入法^［7-9］、移相法^［10］、互補(bǔ)非零矢量法^［11-13］等。文獻(xiàn)［7-9］提出混合脈沖寬度調(diào)制方法，確保重構(gòu)電流穩(wěn)定跟隨實(shí)際電流，改善電流畸變問(wèn)題。文獻(xiàn)［10］采用移相法增加非零電壓矢量下的采樣時(shí)間，但不可觀測(cè)區(qū)域內(nèi)脈沖寬度調(diào)制（pulse width modulation，PWM）波形不對(duì)稱(chēng)將導(dǎo)致電流畸變。文獻(xiàn)［11-13］提出非零電壓矢量與傳統(tǒng)空間電壓矢量脈沖寬度調(diào)制（space vector pulse width modulation，SVPWM）混合調(diào)制方法，在減少電流失真的同時(shí)擴(kuò)大重構(gòu)范圍。文獻(xiàn)［14］提出具有誤差自校正功能的混合脈沖寬度調(diào)制方法，在消除電流不可觀測(cè)區(qū)域的同時(shí)，還實(shí)現(xiàn)了電流零點(diǎn)漂移量的自檢測(cè)和自校正。文獻(xiàn)［15］提出基于自適應(yīng)觀測(cè)器的單電流傳感器矢量控制策略，減小電流總諧波和轉(zhuǎn)矩誤差，但增加了處理單元的運(yùn)算負(fù)擔(dān)。文獻(xiàn)［16］針對(duì)電流紋波對(duì)重構(gòu)精度的影響，提出中點(diǎn)值隨機(jī)空間矢量脈沖寬度調(diào)制相電流重構(gòu)策略，該方法不需要插入冗余電壓矢量和大量計(jì)算，提高電流重構(gòu)精度。

對(duì)于三相電壓源型逆變器，直流母線處的單電流傳感器可反映任意功率開(kāi)關(guān)管故障下的相電流。傳統(tǒng)逆變器故障診斷的方法以相電流故障特征值的提取為主^［17］。文獻(xiàn)［18］提出基于電流矢量軌跡斜率的故障診斷方法，該方法通過(guò)電流矢量軌跡的李薩育圖，提取矢量相角特征，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)故障功率管的定位，但所檢測(cè)的故障類(lèi)型較少且存在誤診斷風(fēng)險(xiǎn)。文獻(xiàn)［19］提出基于傅里葉變換的歸一化逆變器開(kāi)路故障診斷方法，采用傅里葉變換分離出單相電流的直流分量以及奇次諧波，并依據(jù)歸一化直流分量來(lái)定位故障器件，但不適用于雙功率管開(kāi)路故障診斷。文獻(xiàn)［20］提出電流誤差與相電流基波周期平均值結(jié)合的歸一化法，并通過(guò)設(shè)定經(jīng)驗(yàn)閾值實(shí)現(xiàn)故障功率管的定位，但診斷時(shí)間需要兩個(gè)以上的基波周期。文獻(xiàn)［21］根據(jù)Park變換后電流矢量相角特征，當(dāng)某功率開(kāi)關(guān)管故障時(shí)，故障所在扇區(qū)的掃描時(shí)間將會(huì)發(fā)生變化，從而實(shí)現(xiàn)不同故障位置的定位。文獻(xiàn)［22］提出基于非線性觀測(cè)器的故障診斷方法，利用非線性觀測(cè)器所得定子電流和殘差進(jìn)行故障檢測(cè)和定位，但診斷精度受殘差影響較大。文獻(xiàn)［23］通過(guò)對(duì)直流側(cè)電流進(jìn)行雙傅里葉變換頻譜分析，實(shí)現(xiàn)單管開(kāi)路故障以及單相開(kāi)路故障的診斷，但診斷結(jié)果受噪聲擾動(dòng)的影響。文獻(xiàn)［24］基于譜估計(jì)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)確定故障開(kāi)關(guān)元件及其故障性質(zhì)，但計(jì)算量較大，實(shí)時(shí)性差。文獻(xiàn)［25］通過(guò)滑模觀測(cè)器對(duì)正常狀態(tài)下的電流值進(jìn)行估計(jì)，并依據(jù)實(shí)際系統(tǒng)和觀測(cè)器的殘差進(jìn)行故障定位，提高系統(tǒng)魯棒性，但對(duì)殘差參數(shù)較敏感。

針對(duì)單傳感器相電流重構(gòu)的三相電壓源型逆變器開(kāi)路故障診斷的可行性及診斷時(shí)間問(wèn)題，提出基于單傳感器相電流重構(gòu)的故障診斷策略。首先，分析直流母線單傳感器電流不可觀測(cè)區(qū)域的存在機(jī)理，以及單管開(kāi)路、異相同側(cè)雙管開(kāi)路、異相異側(cè)雙管開(kāi)路、同相雙管開(kāi)路四類(lèi)故障下的電壓矢量合成機(jī)制；然后，由兩個(gè)互補(bǔ)有效電壓矢量代替零矢量，實(shí)現(xiàn)電流不可觀測(cè)區(qū)域內(nèi)的故障相電流可靠重構(gòu)；進(jìn)一步地，構(gòu)建由電流矢量相角、平均電流矢量模值及相角3種診斷判據(jù)組成的逆變器故障診斷方法，實(shí)現(xiàn)單電流傳感器下的三相電壓源型逆變器的故障診斷。論文創(chuàng)新在于實(shí)現(xiàn)單傳感器下故障三相電流的重構(gòu)，并實(shí)現(xiàn)多類(lèi)型開(kāi)路故障的快速診斷，提高三相電壓源型逆變器的可靠性。

1 直流母線相電流重構(gòu)與故障分析

1.1 直流母線單電流傳感器相電流重構(gòu)原理

直流母線單電流傳感器相電流重構(gòu)系統(tǒng)通過(guò)在一個(gè)載波周期內(nèi)對(duì)各電壓矢量作用時(shí)所對(duì)應(yīng)的直流母線電流信息進(jìn)行分時(shí)采集，進(jìn)而重構(gòu)出三相電流，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

在SVPWM調(diào)制方式下，各相橋臂開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)關(guān)狀態(tài)可由變量S_p（p∈{a，b，c}）表示，上橋臂導(dǎo)通時(shí)用S_p=1表示，下橋臂導(dǎo)通時(shí)用S_p=0來(lái)表示。空間電壓矢量及各區(qū)域分布圖如圖2所示，空間電壓矢量u_i（S_a，S_b，S_c），i∈{0，1，2，3，4，5，6，7}表示8個(gè)不同的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，包含6個(gè)有效電壓矢量與2個(gè)零電壓矢量。可將整個(gè)工作區(qū)域劃分為6個(gè)扇區(qū)，每個(gè)扇區(qū)內(nèi)包含正常區(qū)域、扇區(qū)邊界和低調(diào)制區(qū)域，其中正常區(qū)域?qū)儆诳捎^測(cè)區(qū)域，扇區(qū)邊界與低調(diào)制區(qū)域?qū)儆诓豢捎^測(cè)區(qū)域。

設(shè)載波周期為T(mén)_s，以I扇區(qū)為例，正常區(qū)域內(nèi)，參考電壓矢量u_ref可由有效電壓矢量u₁、u₂以及零電壓矢量u₀、u₇合成。正常區(qū)域相電流采樣及重構(gòu)原理如圖3所示，根據(jù)有效電壓矢量u₁、u₂作用時(shí)間，分別對(duì)T_sam1和T_sam2處直流母線電流i_dc進(jìn)行采樣，可得兩相電流i_{re_a}和-i_{re_c}，第三相電流i_{re_b}可由基爾霍夫電流定律得出。

根據(jù)上述方法，對(duì)各扇區(qū)不同電壓矢量作用下的直流母線電流進(jìn)行采樣，可得到如表1所示的采樣結(jié)果，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)相電流重構(gòu)。

而在實(shí)際電路中，由于開(kāi)關(guān)器件導(dǎo)通時(shí)間T_on、PWM死區(qū)時(shí)間T_db的存在，直流母線在矢量作用時(shí)并不能立即出現(xiàn)相電流。同時(shí)，受AD轉(zhuǎn)換時(shí)間T_con、采樣電路電流上升時(shí)間T_rise、運(yùn)算放大器電壓擺率T_sr限制，母線電流采樣結(jié)果通常需要一定時(shí)間才能穩(wěn)定。因此，定義能夠準(zhǔn)確完成直流母線電流采集所需的最短時(shí)間為最小采樣時(shí)間T_min^［11-13］，表達(dá)式為

T_min=T_on+T_db+T_rise+T_sr+T_con。（1）

在扇區(qū)邊界、低調(diào)制區(qū)域等電流不可觀測(cè)區(qū)域內(nèi)，存在至少一個(gè)有效電壓矢量不滿(mǎn)足T_min，無(wú)法準(zhǔn)確進(jìn)行電流采樣。因此，單傳感器相電流重構(gòu)的關(guān)鍵是確保各載波周期內(nèi)均存在2個(gè)或以上符合T_min的不同有效電壓矢量。

1.2 逆變器故障下的電壓矢量分析

三相電壓源型逆變器常見(jiàn)開(kāi)路故障包括單管開(kāi)路故障、異相同側(cè)雙管開(kāi)路故障、異相異側(cè)雙管開(kāi)路故障和同相雙管開(kāi)路故障，共4類(lèi)21種故障狀態(tài)^［26］，如表2所示。

1）單管開(kāi)路故障。

以S₂開(kāi)路故障為例，此時(shí)b相分壓為U_dc/2，c相分壓為-U_dc/2。特定負(fù)載時(shí)，故障狀態(tài)下電流流向如圖4（a）、圖4（b）所示。此時(shí)，u₁、u₂、u₆、u₀和u₇不受影響；等幅值變換下，u₃（010）變?yōu)閡_3S2（010）=33U_dce^π2，如圖4（c）所示；u₅（001）變?yōu)閡_5S2（001）=33U_dce^－π2，如圖4（d）所示；u₄（011）變?yōu)榱闶噶俊Ｔ摴收蠣顟B(tài)下，僅可由u₁、u₂、u₆、u_3S2和u_5S2合成目標(biāo)矢量，如圖4（e）所示。

2）異相同側(cè)雙管開(kāi)路故障。

以S₁S₃開(kāi)路故障為例，特定負(fù)載時(shí)，故障狀態(tài)下電流流向如圖5（a）、圖5（b）所示。此時(shí)，u₅、u₀和u₇不受影響；同理，u₄（011）變?yōu)閡_4S13（011）=33U_dce^－5π6，如圖5（c）所示；u₆（101）變?yōu)閡_6S13（101）=33U_dce^－π2，如圖5（d）所示；u₁（100）、u₂（110）、u₃（010）變?yōu)榱闶噶?。該故障狀態(tài)下，僅可由u₅、u_4S13和u_6S13合成目標(biāo)矢量，如圖5（e）所示。

3）異相異側(cè)雙管開(kāi)路故障。

以S₁S₄開(kāi)路故障為例，特定負(fù)載時(shí)，故障狀態(tài)下電流流向如圖6（a）、圖6（b）所示。此時(shí)，u₃、u₄、u₀和u₇不受影響；同理，u₂（110）變?yōu)閡_2S14（110）=33U_dce^π2，如圖6（c）所示；u₅（001）變?yōu)閡_5S14（001）=33U_dce^－5π6，如圖6（d）所示；u₁（100）、u₆（101）變?yōu)榱闶噶?。該故障狀態(tài)下，僅可由u₃、u₄、u_2S14和u_5S14合成目標(biāo)矢量，如圖6（e）所示。

4）同相雙管開(kāi)路故障。

以S₁S₂開(kāi)路故障為例，特定負(fù)載時(shí)，故障狀態(tài)下電流流向如圖7（a）、圖7（b）和圖8（a）、圖8（b）所示。此時(shí)，u₀和u₇不受影響；同理，u₂（110）變?yōu)閡_2S1amp;2（110）=33U_dce^π2，如圖7（c）所示；u₃（010）變?yōu)閡_3S1amp;2（010）=33U_dce^π2，如圖7（d）所示；u₅（001）變?yōu)閡_5S1amp;2（001）=33U_dce^－π2，如圖8（c）所示；u₆（101）變?yōu)閡_6S1amp;2（101）=33U_dce^－π2，如圖8（d）所示。該故障狀態(tài)下，僅可由u_2S12、u_3S12、u_5S12和u_6S12合成目標(biāo)矢量，如圖7（e）和圖8（e）所示。

由上述分析可知，當(dāng)發(fā)生開(kāi)路故障時(shí)，目標(biāo)矢量的相角范圍θ如表3所示，同時(shí)電流矢量的相角范圍φ與θ相同。由表3可知，不同開(kāi)路故障的電流矢量相角范圍存在重疊。因此，僅以相角范圍作為故障診斷判據(jù)不可行。

2 互補(bǔ)非零矢量補(bǔ)償及故障診斷原理

2.1 互補(bǔ)非零矢量補(bǔ)償

當(dāng)u_ref位于可觀測(cè)區(qū)域時(shí)，以I扇區(qū)為例，如圖9（a）所示，其中有效電壓矢量u₁、u₂和零矢量作用時(shí)間T₁、T₂和T₀分別為：

T₁=T_s（1－2Msinθ）；

T₂=T_s［2Msin（π3+θ）－1］；

T₀=T_s［1－2Msin（π3－θ）］。 （2）

M=|u_ref|2πU_dc。（3）

式中：T_s為載波周期；θ為電壓矢量相角；M為調(diào)制度，線性調(diào)制下當(dāng)|u_ref|=U_dc/3時(shí)，M的最大值M_max=π/23≈0.906，即M∈［0，0.906］^［27］。

當(dāng)參考矢量u_ref位于扇區(qū)邊界、低調(diào)制區(qū)域等電流不可觀測(cè)區(qū)域時(shí)，通過(guò)采用互補(bǔ)非零矢量替換原有零矢量，在載波周期內(nèi)提供兩個(gè)新的滿(mǎn)足T_min的采樣窗口，消除了不可觀測(cè)區(qū)域影響。如圖9（b）所示，通過(guò)將零電壓矢量u₀、u₇代替為互補(bǔ)非零矢量u₃、u₆，其作用時(shí)間為

T₃=T₆=T₀2。（4）

在原SVPWM載波周期中，有

u_refT_s=u₁T₁+u₂T₂+u₀T₀2+u₇T₀2。（5）

式中T₁、T₂和T₀分別為電壓矢量u₁、u₂和零矢量u₀、u₇作用時(shí)間，而在互補(bǔ)非零矢量補(bǔ)償中，令該扇區(qū)的合成電壓矢量為u^′_ref，則有

u^′_refT_s=u₁T₁+u₂T₂+u₃T₃+u₆T₆。（6）

式中T₃和T₆分別為電壓矢量u₃和u₄作用時(shí)間。又因

u₃=－u₆；

u₀=u₇=0。（7）

則合成矢量u^′_ref滿(mǎn)足

u^′_refT_s=u₁T₁+u₂T₂=u_refT_s。（8）

可見(jiàn)，u^′_ref的大小和方向沒(méi)有改變，符合伏秒平衡原理。

互補(bǔ)非零矢量補(bǔ)償下的PWM波形如圖10所示，有效電壓矢量u₁（100）作用時(shí)間滿(mǎn)足T_min，位于可觀測(cè)區(qū)域，可產(chǎn)生采樣點(diǎn)T_sam1。u₂（110）不滿(mǎn)足T_min，位于不可觀測(cè)區(qū)域。此時(shí)，根據(jù)互補(bǔ)非零矢量補(bǔ)償原理，將零電壓矢量u₀、u₇替換為互補(bǔ)非零矢量u₃、u₆，作用時(shí)間均為T(mén)₀/2，并在u₆作用時(shí)進(jìn)行電流采樣，采樣點(diǎn)為T(mén)_sam2。T_sam1和T_sam2分別獲得A相和C相電流i_{re_a}、-i_{re_b}，從而實(shí)現(xiàn)三相電流重構(gòu)。

2.2 平均電流矢量故障診斷

重構(gòu)三相電流i_{re_a}、i_{re_b}、i_{re_c}通過(guò)Park變換，可獲得αβ坐標(biāo)系下的兩相分量為：

i_α=i_{re_a}e^j0；

i_β=［（i_{re_b}－i_{re_c}）/3］e^jπ2；

i=i_α+i_β。（9）

i_α、i_β在1個(gè)電流周期的內(nèi)平均電流矢量i_v（v=α，β）及平均電流矢量合成公式為：

i_v=1N^*∑N^*n=1i_v（n）；

i=i_α+i_β。（10）

式中：N^*為1個(gè)電流周期內(nèi)的電流采樣點(diǎn)數(shù)；i_α為α軸平均電流分量；i_β為β軸平均電流分量；i為合成后的平均電流矢量。

通過(guò)反三角函數(shù)可得電流矢量相角φ、平均電流矢量模值|i|和平均電流矢量相角φ分別為：

φ=arctan（|i_β|/|i_α|）；

|i|=|i_α|²+|i_β|²；

φ=arctan（|i_β|/|i_α|）。（11）

三相電壓源型逆變器穩(wěn)態(tài)正常工作時(shí)，經(jīng)過(guò)Park變換后的i_α和i_β在兩相坐標(biāo)系下的合成電流矢量i以圓形軌跡轉(zhuǎn)動(dòng)，即φ∈［-180°，180°］，兩相電流i_α和i_β在任一電流周期內(nèi)的平均電流矢量i為0。當(dāng)單個(gè)或兩個(gè)功率開(kāi)關(guān)管發(fā)生開(kāi)路故障時(shí)，因部分有效電壓矢量無(wú)法參與矢量合成，使得電流矢量i的運(yùn)動(dòng)軌跡發(fā)生變化，平均電流矢量i的模值|i|以及相角φ不恒為0。

通過(guò)對(duì)每一種故障狀態(tài)下的電流矢量平均值進(jìn)行計(jì)算，可得如表4所示的診斷判據(jù)區(qū)間，并根據(jù)故障位置來(lái)定義故障定位變量F_dio。分析發(fā)現(xiàn)，平均電流矢量i的模值|i|可作為區(qū)分故障類(lèi)型的診斷判據(jù)，同時(shí)其相角φ細(xì)分了故障位置所在區(qū)間。

具體的故障診斷流程如圖11所示。首先，計(jì)算電流矢量i的相角φ，以判斷其運(yùn)動(dòng)軌跡；其次，根據(jù)平均電流矢量i的模值|i|及相角φ定位出故障位置；最后，輸出故障定位變量F_dio得到診斷結(jié)果。其中：φ_sk（k=1，2）為電流矢量相角閾值；|i_s|為平均電流矢量模值閾值；φ_sk（k=1，2）為平均電流矢量相角閾值；下標(biāo)s為故障位置。

3 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖12所示。

實(shí)驗(yàn)中，PWM載波頻率設(shè)置為10 kHz。三相電流重構(gòu)時(shí)，采樣信號(hào)每載波周期進(jìn)行兩次采樣，采樣頻率為20 kHz。單電流傳感器由采樣電阻與信號(hào)處理電路組成，采樣電阻阻值為0.02 Ω、精度為±1%、溫漂為±50 ppm/℃。信號(hào)處理電路采用由OPA2350高速單電源軌至軌運(yùn)算放大器構(gòu)成的同相放大電路，其帶寬為38 MHz、轉(zhuǎn)換速率為22 V/μs、最大輸入失調(diào)電壓為±1 mV。實(shí)驗(yàn)采用三相感應(yīng)電機(jī)MODVK48T17D200K，其參數(shù)如表5所示。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)由CP150電流探頭和MDA805A電驅(qū)動(dòng)分析儀采集，其中探頭測(cè)量精度為±1%、探頭上升時(shí)間小于等于3.5 ns、帶寬為10 MHz。

3.1 故障相電流重構(gòu)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

各扇區(qū)PWM信號(hào)和采樣脈沖如圖13（a）～圖13（f）所示，可見(jiàn)扇區(qū)邊界在不同電壓矢量下，分別進(jìn)行兩次采樣得到不同相電流，且采樣點(diǎn)的位置隨電流觀測(cè)窗口動(dòng)態(tài)變化，同時(shí)，采樣窗口均滿(mǎn)足直流母線處電流采樣時(shí)間大于最小采樣時(shí)間T_min的要求。

為了驗(yàn)證故障后的相電流重構(gòu)效果，在實(shí)驗(yàn)中分別設(shè)置S₂、S₁S₃、S₁S₂開(kāi)路故障。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖14～圖16所示，在互補(bǔ)非零矢量補(bǔ)償電流重構(gòu)方法中，利用單電流傳感器分時(shí)采樣并計(jì)算得到故障相重構(gòu)電流，各窗口上部分為重構(gòu)電流，下部分為實(shí)際電流。可見(jiàn)，故障后的重構(gòu)三相電流仍可準(zhǔn)確追蹤到實(shí)際電流變化，可適用于基于電流信息的故障診斷方法。

3.2 故障診斷實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為更直觀表現(xiàn)電流矢量的相角范圍，兩相坐標(biāo)系下的電流矢量如圖17（a）所示，其中電流矢量i下標(biāo)為故障位置。

將故障后重構(gòu)的三相電流進(jìn)行Park變換得到可發(fā)現(xiàn)電流矢量均在相應(yīng)的相角范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)。圖17（a）中電流矢量以電流周期進(jìn)行平均可得故障后平均電流矢量圖，如圖17（b）所示。

圖18為反三角函數(shù)得到的各故障下矢量相角φ，當(dāng)電流矢量位于坐標(biāo)軸邊界時(shí)，會(huì)導(dǎo)致反三角函數(shù)運(yùn)算出現(xiàn)錯(cuò)誤，即φ僅能作為電流矢量運(yùn)動(dòng)軌跡的診斷判據(jù)。

設(shè)置實(shí)驗(yàn)中各類(lèi)故障發(fā)生時(shí)間t_on=0.067 s，平均電流矢量模值|i|以及相角φ，如圖19、圖20所示，兩者數(shù)值平穩(wěn)，均可響應(yīng)并區(qū)分故障類(lèi)型，可作為診斷判據(jù)，其中平均電流矢量模值|i|以及相角φ下標(biāo)為故障位置。

由診斷判據(jù)及故障診斷流程可得故障診斷結(jié)果，如圖21所示，可見(jiàn)t=0.067 5 s時(shí)系統(tǒng)響應(yīng)了故障，并正確區(qū)分了故障類(lèi)型，其中F_dio=13，即表示S₁S₃處發(fā)生異相同側(cè)雙管開(kāi)路故障，其余故障診斷結(jié)果同理，相比歸一化電流估計(jì)方法，所提出的診斷方法不含有電流估計(jì)的額外計(jì)算量，診斷時(shí)間更短，為5個(gè)載波周期，即0.5 ms^［4］。

4 結(jié) 論

針對(duì)三相電壓源型逆變器單傳感器下逆變器開(kāi)路故障診斷的可行性及診斷時(shí)間問(wèn)題，提出基于互補(bǔ)非零矢量補(bǔ)償和平均電流矢量單傳感器相電流重構(gòu)逆變器故障診斷策略。通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，所提出策略的有效性體現(xiàn)在：

1）采用兩個(gè)互補(bǔ)有效非零矢量來(lái)代替零矢量，確保直流母線處電流采樣時(shí)間大于最小采樣時(shí)間T_min，實(shí)現(xiàn)電流不可觀測(cè)區(qū)域內(nèi)的故障相電流可靠重構(gòu)。

2）以電流矢量相角、平均電流矢量模值及相角為診斷判據(jù)，實(shí)現(xiàn)單傳感器相電流重構(gòu)下的功率開(kāi)關(guān)管開(kāi)路故障快速定位，診斷時(shí)間由檢測(cè)設(shè)備精度、設(shè)備響應(yīng)時(shí)間和診斷算法等參數(shù)決定，當(dāng)載波頻率為10 kHz時(shí)，實(shí)驗(yàn)所得診斷時(shí)間為5個(gè)載波周期，即0.5 ms。與歸一化電流估計(jì)方法相比，實(shí)現(xiàn)了故障功率開(kāi)關(guān)管的快速定位。

論文主要貢獻(xiàn)在于驗(yàn)證了基于單傳感器相電流重構(gòu)進(jìn)行三相電壓源型逆變器開(kāi)路故障診斷的可行性和快速性，具體包括分析單管開(kāi)路、異相同側(cè)雙管開(kāi)路、異相異側(cè)雙管開(kāi)路、同相雙管開(kāi)路四類(lèi)故障下的電壓矢量合成機(jī)制；實(shí)現(xiàn)電流不可觀測(cè)區(qū)域內(nèi)的故障相電流可靠重構(gòu)；構(gòu)建由電流矢量相角、平均電流矢量模值及相角3種診斷判據(jù)組成的故障診斷方法。診斷時(shí)間是逆變器故障診斷策略的重要指標(biāo)，更短的診斷時(shí)間可避免故障的進(jìn)一步擴(kuò)大，因此如何進(jìn)一步縮短診斷響應(yīng)時(shí)間，是下一步的研究工作之一。此外，當(dāng)故障發(fā)生后，如何通過(guò)容錯(cuò)控制確保逆變器的持續(xù)運(yùn)行，對(duì)于高可靠性應(yīng)用場(chǎng)景至關(guān)重要，因此，如何使用單電流傳感器相電流重構(gòu)實(shí)現(xiàn)逆變器容錯(cuò)控制，是下一步的研究工作之二。

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（編輯：邱赫男）