鄧文浪，唐亞輝，李彬艷，吳金鳳，嚴(yán)煜坤

（湘潭大學(xué) 信息工程學(xué)院，湖南 湘潭 411105）

0 引言

矩陣變換器MC（Matrix Converter）具有功率因數(shù)可調(diào)、輸入輸出性能優(yōu)良、能量雙向流動及結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)，在電力系統(tǒng)、電力傳動等領(lǐng)域有較大的應(yīng)用前景［1-4］。MC拓?fù)浒ǔＲ?guī)矩陣變換器CMC（Conventional Matrix Converter）和雙級矩陣變換器TSMC（Two-Stage Matrix Converter）兩大類型。這 2 種拓?fù)涠加蓴?shù)量較多的IGBT作為開關(guān)器件，IGBT工作在高溫、高頻狀態(tài)是電力電子系統(tǒng)中易發(fā)生故障的薄弱環(huán)節(jié)，功率開關(guān)故障會導(dǎo)致系統(tǒng)的性能下降甚至崩潰，因此對MC進(jìn)行功率開關(guān)故障的在線診斷并采取合適的容錯(cuò)控制［5-10］具有重要的意義。

開路故障和短路故障是功率管最為常見的故障，短路故障一般由硬件電路（熔斷器等）做保護(hù)處理，因此，對功率管的故障診斷主要為開路故障。目前根據(jù)故障提取量的不同，CMC的故障診斷方法可分為電流法和電壓法。

電流法主要根據(jù)CMC輸出電流、箝位電流的故障特征和開關(guān)狀態(tài)定位故障開關(guān)［11-12］。電流法診斷成本低，但實(shí)現(xiàn)起來復(fù)雜，診斷時(shí)間長，容易受負(fù)載運(yùn)行狀態(tài)影響。

MC的功率開關(guān)故障會直接影響其輸出電壓，因此根據(jù)輸出電壓故障特征來診斷開關(guān)，具有診斷速度快、準(zhǔn)確度高、實(shí)現(xiàn)簡單等優(yōu)點(diǎn)［13-18］。文獻(xiàn)［13-18］提出了根據(jù)計(jì)算CMC的9個(gè)調(diào)制誤差電壓定位故障開關(guān)的診斷方法，該方法獨(dú)立于CMC調(diào)制策略且不受負(fù)載的影響，診斷快速且準(zhǔn)確率高，但該方法僅針對CMC拓?fù)?。由于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、箝位電路上的差異，CMC的診斷方法不適用于TSMC。文獻(xiàn)［19-20］提出了TSMC的電壓法故障診斷方法，但都需要利用直流側(cè)的電壓故障特征去定位故障開關(guān)，這使診斷過程更加復(fù)雜，并需要增加電壓傳感器來檢測直流側(cè)電壓，增加了診斷成本。

本文對典型的TSMC拓?fù)洹?8開關(guān)TSMC的功率開關(guān)故障診斷策略進(jìn)行研究，分別針對整流級和逆變級功率開關(guān)故障，研究TSMC在故障情況下的運(yùn)行模式，分析了TSMC三相輸出端相電壓的故障特征；在此基礎(chǔ)上，結(jié)合TSMC空間矢量調(diào)制的特點(diǎn)，提出了基于開關(guān)組誤差電壓的故障診斷方法，即根據(jù)TSMC輸出相電壓誤差、開關(guān)信號來判斷TSMC故障開關(guān)組并定位故障開關(guān)。所提診斷策略具有診斷速度快（少于一個(gè)開關(guān)周期）、無需引入直流電壓、診斷準(zhǔn)確、算法簡單、不受負(fù)載運(yùn)行狀態(tài)影響等優(yōu)點(diǎn)。建立了TSMC故障診斷系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)平臺，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了理論分析的正確性和所提診斷方法的可行性。

1 TSMC調(diào)制策略

1.1 TSMC的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

帶箝位電路的TSMC結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 帶箝位電路的TSMC結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structural diagram of TSMC with clamp circuits

TSMC輸入、輸出電壓的變換關(guān)系為：

其中，ui為三相輸入端相電壓，i?｛a，b，c｝；ux為三相輸出端相電壓，x?｛A，B，C｝；Sxw、Siw分別為連接輸入端i相和輸出端 x 相的功率開關(guān)組狀態(tài)，w?｛p，n｝。

1.2 雙空間矢量調(diào)制策略

1.2.1 整流級空間矢量調(diào)制

整流級6個(gè)雙向功率開關(guān)可合成6個(gè)輸入電流有效空間矢量（I1—I6），如圖2（a）所示。圖2（a）中括號里的數(shù)字從左至右分別代表a、b、c三相橋臂上下開關(guān)通斷狀態(tài)，1表示所在相上橋臂開關(guān)導(dǎo)通，0表示所在相下橋臂開關(guān)導(dǎo)通，X表示所在相上下橋臂開關(guān)全部處于斷開狀態(tài)。當(dāng)某一相橋臂上下開關(guān)導(dǎo)通、另兩相橋臂開關(guān)全關(guān)斷時(shí)，輸入電流矢量為零矢量，整流級輸出直流電壓為0。

1.2.2 逆變級空間矢量調(diào)制

逆變級6個(gè)功率開關(guān)可合成6個(gè)線電壓有效空間矢量（U1—U6）和 2 個(gè)零矢量，如圖2（b）所示。圖2（b）中括號里的數(shù)字從左至右分別代表A、B、C三相橋臂上下開關(guān)通斷狀態(tài)，1表示所在相上橋臂開關(guān)導(dǎo)通，0表示所在相下橋臂開關(guān)導(dǎo)通。

圖2 雙空間矢量調(diào)制Fig.2 Dual space vector modulation

1.2.3 整流級和逆變級兩級開關(guān)協(xié)調(diào)控制

一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)整流級和逆變級開關(guān)協(xié)調(diào)控制如圖3所示，其中，Ts為開關(guān)周期。圖3中：①為整流級輸出的兩級直流電壓，設(shè)要合成的參考輸入電流矢量處于第1扇區(qū)，其相鄰的I1和I6對應(yīng)的開關(guān)狀態(tài)合成瞬時(shí)整流輸出電壓分別為輸入線電壓uac和uab，在零矢量作用下輸出零電壓，tab、tac分別為I6、I1在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)的作用時(shí)間；②為逆變級開關(guān)矢量分配，在整流級零電壓作用期間輸出零矢量，而在兩級線電壓下分別進(jìn)行一次空間矢量調(diào)制。設(shè)要合成的參考輸出線電壓處于第2扇區(qū)，其相鄰2個(gè)有效空間矢量為U1和U2。整流級直流側(cè)輸出電壓為uab期間，逆變級有3個(gè)空間矢量與之對應(yīng)，分別為逆變級第2扇區(qū)對應(yīng)的2個(gè)有效空間矢量U1、U2和零矢量U0，d0、d1、d2分別為U0、U1、U2的占空比。

圖3 雙空間矢量調(diào)制法的兩級開關(guān)協(xié)調(diào)控制Fig.3 Coordinated control between two switch levels of dual space vector modulation

2 功率開關(guān)故障下TSMC運(yùn)行模式及故障特征

2.1 整流級功率開關(guān)故障下TSMC運(yùn)行模式及輸出相電壓故障特征

設(shè)整流級開關(guān)信號狀態(tài)為10X（導(dǎo)通開關(guān)為Sap、Sbn），逆變級開關(guān)信號狀態(tài)為110（導(dǎo)通開關(guān)為SAp、SBp、SCn）。直流側(cè)電流idc以圖1中所示流向?yàn)閰⒖挤较颉?/p>

（1）正常運(yùn)行情況。

idc為正時(shí)，輸出A、B相相電壓通過開關(guān)SAp、SBp與輸入a相連通，輸出C相相電壓通過開關(guān)SCn與輸入b相連通，以電源中點(diǎn)為參考電位，此時(shí)輸出端相電壓為uA=ua，uB=ua，uC=ub。

idc為負(fù)時(shí)，電流經(jīng)與SAp、SBp反并聯(lián)的續(xù)流二極管VD1、VD3流出負(fù)載，使輸出A、B相相電壓與輸入a相連通，此時(shí)輸出相電壓 uA=ua，uB=ua，uC=ub。

由以上分析可知，正常運(yùn)行時(shí)，TSMC輸出相電壓與某一時(shí)刻整流級導(dǎo)通的輸入相電壓相等。

（2）整流級開關(guān)Sap發(fā)生開路故障。

idc為正時(shí)，由于整流級開關(guān)Sap開路，電流不能通過整流級開關(guān)Sap流向逆變級的A、B相，此時(shí)A、B相電流由續(xù)流二極管VD2、VD4構(gòu)成回路，輸出相電壓 uA≠ua、uB≠ua，TSMC 的輸出 A、B 相相電壓與正常運(yùn)行時(shí)的輸出A、B相相電壓產(chǎn)生偏差。

idc為負(fù)時(shí)，由于整流級開關(guān)Sap開路，整流級不能提供電流流通路徑，A、B相電流經(jīng)續(xù)流二極管VD1、VD3向箝位電路中的電容進(jìn)行充電，此時(shí)的輸出相電壓 uA≠ua、uB≠ua，TSMC 的輸出 A、B 相相電壓與正常運(yùn)行時(shí)的輸出相電壓產(chǎn)生偏差。

同理可得到整流級、逆變級在其他開關(guān)狀態(tài)組合下，整流級功率開關(guān)出現(xiàn)故障時(shí)的TSMC輸出端相電壓的故障特征。分析可得：整流級功率開關(guān)故障會直接影響與之相連的輸出相電壓。

2.2 逆變級功率開關(guān)故障下TSMC運(yùn)行模式及輸出相電壓故障特征分析

設(shè)TSMC開關(guān)狀態(tài)與第2.1節(jié)設(shè)置相同，TSMC輸出電流流向負(fù)載的方向?yàn)檎?，反之則為負(fù)。

（1）TSMC 正常運(yùn)行。

由第2.1節(jié)分析可知，此時(shí)，TSMC輸出相電壓uA=ua，uB=ua，uC=ub。

（2）逆變級開關(guān)SAp發(fā)生開路故障。

A相電流iA為正時(shí)，由于逆變級開關(guān)SAp開路，此時(shí)電流iA不能通過SAp流通，由于帶有感性負(fù)載的電路中電流不能突變，A相電流經(jīng)續(xù)流二極管VD2流向負(fù)載。此時(shí)TSMC輸出相電壓uA≠ua，A相相電壓與正常運(yùn)行時(shí)的輸出A相相電壓產(chǎn)生偏差，而B、C兩相的相電壓仍為正常值。

iA為負(fù)時(shí)，此時(shí)A相電流不經(jīng)過開關(guān)SAp，而是由續(xù)流二極管VD1流出負(fù)載，因此，SAp發(fā)生開路故障對TSMC的輸出相電壓沒有影響，輸出相電壓仍為正常值即 uA=ua，uB=ua，uC=ub。

同理可得到整流級、逆變級在其他開關(guān)狀態(tài)組合下，逆變級功率開關(guān)發(fā)生故障時(shí)的TSMC輸出端相電壓故障特征。分析可得：TSMC逆變級功率開關(guān)發(fā)生故障會使故障開關(guān)所在相的輸出端相電壓產(chǎn)生偏差。

3 基于開關(guān)組誤差電壓的故障診斷策略

根據(jù)第2節(jié)TSMC運(yùn)行模式分析及其輸入、輸出電壓變換關(guān)系，定義TSMC開關(guān)組誤差電壓為：

其中，Sjp、Skp和 Sjn、Skn分別為連接 TSMC 輸出端 j（j=A，B，C）相和輸入端 k（k=a，b，c）相的 2 組開關(guān)組控制信號。理想情況下，當(dāng)開關(guān)組中各開關(guān)控制信號Sjp、Skp或Sjn、Skn為1時(shí)，如果開關(guān)組各開關(guān)正常導(dǎo)通，uj=uk，則εjk=0；如果開關(guān)組某一開關(guān)發(fā)生開路故障，則 uj與 uk不相等，即 uj-uk≠0，此時(shí) εjk≠0。因此，當(dāng)根據(jù)式（2）計(jì)算得到某一εjk大于閾值（考慮功率管壓降、外界擾動等因素設(shè)定閾值）時(shí)，開關(guān)組誤差電壓對應(yīng)的開關(guān)組中存在功率開關(guān)開路故障，本文將此開關(guān)組定義為故障開關(guān)組。

TSMC的故障診斷分析中設(shè)整流級開關(guān)信號為10X，假設(shè)整流級Sap為故障開關(guān)（即Sap=0）。

a.逆變級開關(guān)信號為110時(shí)，由第2節(jié)故障模式分析可知，此時(shí)TSMC輸出端A、B兩相相電壓會出現(xiàn)誤差，即 uA-ua≠0，uB-ua≠0，將開關(guān)信號和誤差電壓代入式（2）得：

此時(shí)，可根據(jù)開關(guān)組誤差電壓εAa和εBa判斷故障開關(guān)組為SAp、Sap和 SBp、Sap，故障開關(guān)為整流級的Sap或逆變級的SAp和SBp。只考慮一個(gè)功率開關(guān)出現(xiàn)故障情況，所以定位故障開關(guān)為Sap。

b.逆變級開關(guān)信號為111時(shí)，由第2節(jié)故障模式分析可知，此時(shí)輸出端A、B、C三相相電壓都會出現(xiàn)誤差，即 uA-ua≠0，uB-ua≠0，uC-ua≠0，將開關(guān)信號和誤差電壓代入式（2）得：

此時(shí)，可以根據(jù)開關(guān)組誤差電壓判斷故障開關(guān)組為SAp、Sap，SBp、Sap和 SCp、Sap，故障開關(guān)為整流級的Sap或逆變級的SAp、SBp、SCp。由于3個(gè)開關(guān)組都包含了整流級開關(guān)Sap，所以定位故障開關(guān)為Sap。

c.逆變級開關(guān)信號為100時(shí)，由第2節(jié)故障模式分析可知，此時(shí)輸出端A相相電壓會受影響，即uA-ua≠0，將開關(guān)信號和誤差電壓代入式（2）得：

此時(shí)，可根據(jù)開關(guān)組誤差電壓判斷故障開關(guān)組為Sap、SAp，故障開關(guān)為整流級的 Sap或逆變級的 SAp。

d.逆變級開關(guān)信號為100時(shí)，設(shè)整流級無故障，逆變級SAp為故障開關(guān)（即SAp=0），由第2節(jié)故障模式分析可知，此時(shí)輸出端A相電壓與輸入a相電壓會出現(xiàn)誤差，即uA-ua≠0，將開關(guān)信號和誤差電壓代入式（2）得：

由情況c（整流級開關(guān)Sap發(fā)生故障，整流級、逆變級的開關(guān)狀態(tài)分別為10X、100）和情況d（逆變級開關(guān)SAp發(fā)生故障，整流級、逆變級的開關(guān)狀態(tài)分別為10X、100）分析知，整流級開關(guān)故障和逆變級開關(guān)故障會產(chǎn)生相同的輸出相電壓誤差特征和開關(guān)組誤差電壓，故不能根據(jù)輸出相電壓誤差特征和開關(guān)組誤差電壓判斷故障開關(guān)所處區(qū)域（處于整流級或逆變級）。

同理可得到其他功率開關(guān)故障情況下TSMC輸出相電壓的故障特征。通過分析可得到如下結(jié)論：當(dāng)逆變級任何一個(gè)功率開關(guān)故障時(shí)，TSMC輸出端只有一相相電壓（故障開關(guān)所在相）出現(xiàn)誤差；當(dāng)整流級發(fā)生功率開關(guān)故障時(shí)，TSMC的輸出相電壓故障特征與逆變級開關(guān)狀態(tài)相關(guān)，整流級故障開關(guān)所處同層橋臂（上橋臂或下橋臂）的逆變級開關(guān)導(dǎo)通數(shù)量等于TSMC輸出端誤差相電壓個(gè)數(shù)。因此，當(dāng)同層逆變級開關(guān)導(dǎo)通數(shù)為1個(gè)時(shí)，如果只有該導(dǎo)通開關(guān)所在相出現(xiàn)相電壓誤差，此時(shí)不能分辨故障開關(guān)所處區(qū)域，必須通過其他方法來進(jìn)一步定位故障開關(guān)?？梢酝ㄟ^分析TSMC直流電壓故障特征來判斷故障開關(guān)所處區(qū)域，但需要增加額外的傳感器檢測直流電壓，增加了診斷的成本，并使診斷過程更加復(fù)雜。本文不采用此方法。

由以上分析可知，對于情況a（整流級開關(guān)Sap發(fā)生故障，整流級、逆變級的開關(guān)狀態(tài)分別為10X、110）和情況b（整流級開關(guān)Sap發(fā)生故障，整流級、逆變級的開關(guān)狀態(tài)分別為10X、111）中TSMC輸出相電壓誤差個(gè)數(shù)大于1的情況，可根據(jù)開關(guān)組誤差電壓準(zhǔn)確地定位故障開關(guān)；針對情況c、d中只有一相相電壓出現(xiàn)誤差的情況，可先不進(jìn)行診斷，而是等到逆變級開關(guān)狀態(tài)變化，與故障開關(guān)同層的逆變級有2個(gè)或3個(gè)開關(guān)導(dǎo)通時(shí)再進(jìn)行診斷，這時(shí)就可以通過出現(xiàn)相電壓誤差的個(gè)數(shù)定位出故障開關(guān)。

由逆變級的空間矢量調(diào)制扇區(qū)圖2（b）可知，逆變級任一扇區(qū)的2個(gè)有效空間矢量代表逆變級的2種開關(guān)狀態(tài)，這2種開關(guān)狀態(tài)使逆變級同層1個(gè)開關(guān)導(dǎo)通和2個(gè)開關(guān)導(dǎo)通的狀態(tài)交替出現(xiàn)。以圖3所示開關(guān)狀態(tài)為例，一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，在整流級開關(guān)狀態(tài)10X下，逆變級開關(guān)狀態(tài)100和110依次出現(xiàn)。當(dāng)TSMC只有一相相電壓誤差時(shí)（假設(shè)此時(shí)整流級開關(guān)狀態(tài)為10X，逆變級開關(guān)狀態(tài)為100），此時(shí)不能判斷是Sap故障還是SAp故障，因而不進(jìn)行診斷，而是等到逆變級開關(guān)狀態(tài)切換為110時(shí)進(jìn)行故障診斷，由空間矢量調(diào)制圖可知該等待時(shí)間少于一個(gè)開關(guān)周期，具體診斷過程如情況a所述。

當(dāng)開關(guān)組誤差電壓的絕對值大于閾值時(shí)，說明有故障開關(guān)存在，用邏輯電平1表示開關(guān)組誤差電壓大于閾值，0表示開關(guān)組誤差電壓小于閾值。則整流級功率開關(guān)發(fā)生開路故障后產(chǎn)生的開關(guān)組誤差電壓如表1所示，逆變級功率開關(guān)發(fā)生故障后產(chǎn)生的開關(guān)組誤差電壓如表2所示。

表1 整流級功率開關(guān)故障下的開關(guān)組誤差電壓Table1 Switch-group error voltages for rectifier-side power-switch faults

表2 逆變級功率開關(guān)故障下的開關(guān)組誤差電壓Table 2 Switch-group error voltages for inverter-side power-switch faults

TSMC故障開關(guān)的診斷流程如圖4所示（圖中h為閾值電壓）。

圖4 TSMC故障開關(guān)診斷方法流程圖Fig.4 Flowchart of TSMC faulty switch diagnosis

4 TSMC故障診斷系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究

為了驗(yàn)證本文所提診斷方法的正確性，搭建了TSMC故障診斷系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺。實(shí)驗(yàn)采用TMS320F-28335型數(shù)字信號處理器DSP（Digital Signal Processor）、EPM570型復(fù)雜可編程邏輯器件 CPLD（Complex Programmable Logic Device），基于 DSP 和 CPLD的TSMC故障診斷實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖5所示。根據(jù)TSMC的雙空間矢量調(diào)制策略，將三相輸入相電壓、三相輸出相電壓瞬時(shí)值采樣經(jīng)信號調(diào)理電路送入DSP。DSP分析和處理采樣信息，計(jì)算出整流級與逆變級的占空比信息、扇區(qū)信號、TSMC輸出相電壓誤差的邏輯電平信號，并發(fā)送給CPLD（由于DSP的輸出只能為邏輯電平，因此誤差大于閾值電壓時(shí)置為1，誤差低于閾值電壓時(shí)置為0，根據(jù)實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果，本文將閾值電壓設(shè)為20 V）。CPLD根據(jù)輸入的占空比信息、扇區(qū)信號解碼出整流級和逆變級功率開關(guān)的開關(guān)信號，同時(shí)將代表TSMC輸出相電壓誤差的邏輯電平信號與開關(guān)信號進(jìn)行邏輯運(yùn)算，得到對應(yīng)的開關(guān)組誤差電壓（邏輯電平1代表開關(guān)組誤差電壓大于閾值電壓，0代表開關(guān)組誤差電壓小于閾值電壓）。

圖5 基于DSP和CPLD的TSMC故障診斷實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.5 TSMC fault diagnosis system based on DSP and CPLD

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及其分析

實(shí)驗(yàn)參數(shù)如下：三相對稱輸入電壓為50 V（考慮實(shí)驗(yàn)的安全性，頻率為50 Hz，），開關(guān)頻率為5 kHz，三相輸入、輸出相電壓的采樣頻率為50 kHz，TSMC輸出頻率為50 Hz。

由于IGBT導(dǎo)通的延時(shí)以及采樣的離散性，為了避免開關(guān)故障的誤判斷，在給出開關(guān)導(dǎo)通信號后延時(shí)20 μs（延時(shí)一個(gè)采樣周期）再進(jìn)行開關(guān)組誤差計(jì)算。

（1）系統(tǒng)正常運(yùn)行情況。

開關(guān)信號Sap=1、SAp=1、SBp=1且系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，由導(dǎo)通開關(guān)連接的TSMC輸入、輸出相電壓，開關(guān)信號及開關(guān)組誤差電壓εAa、εBa的波形分別如圖6、7 所示。由圖6、7 可知，Sap、SAp、SBp導(dǎo)通時(shí)，Sap、SAp、SBp連接的輸入相電壓與輸出相電壓近似相等，輸出A相和B相誤差電壓近似為0，因而開關(guān)組誤差電壓εAa、εBa近似為0（以邏輯電平 0 表示）。

（2）整流級開關(guān)Sap開路故障（在實(shí)驗(yàn)中去掉Sap的驅(qū)動信號）情況。

開關(guān)信號Sap=1、SAp=1、SBp=1且整流級開關(guān)Sap故障時(shí)，由導(dǎo)通開關(guān)連接的TSMC輸入、輸出端相電壓，開關(guān)信號及開關(guān)組誤差電壓εAa、εBa波形分別如圖8、9 所示。由圖8、9 可知，Sap、SAp、SBp導(dǎo)通時(shí)連接的輸入相電壓與輸出相電壓不相等，即輸出A相和B相電壓出現(xiàn)誤差電壓，開關(guān)組誤差電壓εAa、εBa大于閾值電壓（以邏輯電平1表示）。

圖6 系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)TSMC輸入輸出相電壓、開關(guān)信號和開關(guān)組誤差電壓εAa波形Fig.6 Waveforms of TSMC input and output phase voltages，switch signal and switch-group error voltage εAain normal system operation condition

圖7 系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)TSMC輸入輸出相電壓、開關(guān)信號和開關(guān)組誤差電壓εBa波形Fig.7 Waveforms of TSMC input and output phase voltages，switch signal and switch-group error voltage εBain normal system operation condition

圖8 Sap故障時(shí)TSMC輸入輸出相電壓、開關(guān)信號和開關(guān)組誤差電壓εAa波形Fig.8 Waveforms of TSMC input and output phase voltages，switch signal and switch-group error voltage εAawhen Sapis faulty

圖9 Sap故障時(shí)TSMC輸入輸出相電壓、開關(guān)信號和開關(guān)組誤差電壓εBa波形Fig.9 Waveforms of TSMC input and output phase voltages，switch signal and switch-group error voltage εBawhen Sapis faulty

（3）逆變級開關(guān)SAp故障情況。

開關(guān)信號Sap=1、SAp=1、SBp=1且逆變級開關(guān)SAp故障時(shí)，由導(dǎo)通開關(guān)連接的TSMC輸入、輸出端相電壓，開關(guān)信號及開關(guān)組誤差電壓εAa、εBa波形分別如圖10、11 所示。由圖10、11 可知，Sap、SAp、SBp導(dǎo)通時(shí)連接的輸入相電壓與輸出A相電壓不相等，而輸出B相相電壓沒有出現(xiàn)誤差電壓，因而開關(guān)組誤差電壓εAa大于閾值電壓（以邏輯電平1表示），εBa近似為0（以邏輯電平0表示）。

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知：功率開關(guān)正常運(yùn)行時(shí)，導(dǎo)通功率開關(guān)對應(yīng)的開關(guān)組誤差電壓為低電平（即小于閾值電壓）；整流級開關(guān)Sap發(fā)生故障，當(dāng)逆變級同層橋臂有2個(gè)開關(guān)導(dǎo)通時(shí)，TSMC輸出端A相和B相電壓出現(xiàn)誤差，對應(yīng)的2個(gè)開關(guān)組誤差電壓大于閾值電壓；逆變級開關(guān)SAp發(fā)生故障，當(dāng)逆變級同層橋臂有2個(gè)開關(guān)導(dǎo)通時(shí)，TSMC輸出端只有A相電壓出現(xiàn)誤差，對應(yīng)的1個(gè)開關(guān)組誤差電壓大于閾值電壓。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析一致。

采用不同的負(fù)載（改變負(fù)載參數(shù)、電機(jī)負(fù)載等）對本文所提診斷方法進(jìn)行驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明負(fù)載類型與負(fù)載運(yùn)行狀態(tài)對診斷方法的快速性、準(zhǔn)確性沒有影響。

圖10 SAp故障時(shí)TSMC輸入輸出相電壓、開關(guān)信號和開關(guān)組誤差電壓εAa波形Fig.10 Waveforms of TSMC input and output phase voltages，switch signal and switch-group error voltage εAawhen SApis faulty

圖11 SAp故障時(shí)TSMC輸入輸出相電壓、開關(guān)信號和開關(guān)組誤差電壓εBa波形Fig.11 Waveforms of TSMC input and output phase voltages，switch signal and switch-group error voltage εBawhen SApis faulty

6 結(jié)論

本文分析了正常運(yùn)行和功率開關(guān)故障下TSMC的運(yùn)行模式，分析了功率開關(guān)故障下TSMC輸出端相電壓的故障特征，提出了開關(guān)組誤差電壓概念。在此基礎(chǔ)上，提出了基于開關(guān)組誤差電壓判斷故障開關(guān)組并根據(jù)開關(guān)信號和輸出相電壓誤差定位故障開關(guān)的故障診斷策略。所提方法具有診斷準(zhǔn)確、診斷速度快、不受負(fù)載運(yùn)行狀態(tài)影響等優(yōu)點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了理論分析的正確性以及所提故障診斷策略的可行性。

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