張 琳， 劉宇亮， 朱軍偉

(中國空空導彈研究院， 河南 洛陽 471009)

0 引 言

變頻器作為交流傳動系統(tǒng)重要組成部分， 應(yīng)用需求越來越廣泛， 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越多的關(guān)注.

在變頻器運行過程中， 過流、 過壓、 元器件過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)熱嚴重， 發(fā)生故障的概率最大， 通常表現(xiàn)為短路或開路. 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)有過流檢測電路， 一旦出現(xiàn)過流會在微秒級別切除供電， 進行故障排除. 對于開路故障， 通過對輸出電壓或電流進行復雜的數(shù)學計算來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， 但存在診斷時間延遲受負載突變干擾的問題[8]. 本文重點研究了功率管開路故障診斷問題， 以尋求一種故障定位準確迅速、 工程應(yīng)用性強的診斷方法.

1 變頻器開路故障分析

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 為其典型拓撲電路圖. 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

為簡化變頻器的故障分析，先分為整流橋與逆變電路兩部分來解析其工作狀態(tài)及對應(yīng)開路故障問題.

1.1 整流橋電路開路故障模式

不可控整流橋在正常工作狀態(tài)下， 任意時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， 把每個工頻周期劃分為如圖 2 所示的6個工作區(qū)間， 對應(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， 按①～⑥ 6種狀態(tài)依次變換， 輸出6脈動直流電. 通過分析各功率管故障時的輸出電壓變化情況， 建立故障位置與直流側(cè)波形的對應(yīng)關(guān)系.

整流橋有6只開關(guān)管， 其開路故障組合方式眾多， 不可能枚舉每一種情況. 根據(jù)實用需求， 做出以下的簡化： 在某時刻， 最多只有兩只開關(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)計了5種主要的故障模式， 即不考慮整流橋后級電路時， 單管開路、 兩管開路(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)﹂_路故障的容錯能力相對較大， 各種功率管開路故障模式會導致直流側(cè)波形不同程度的畸變， 表 2 歸納了整流橋開路故障特征， 建立起波形畸變特征與故障定位的直觀聯(lián)系.

表 1 整流橋開路故障狀態(tài)表

表 2 整流橋開路故障分析總結(jié)表

1.2 逆變電路開路故障模式

構(gòu)成三相全橋逆變電路的6只IGBT受控通斷， 有較大的導通損耗與開關(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： 每個逆變工作周期被劃分為6個區(qū)間， 即6個60°扇形區(qū)間. 由于一次只能改變一個功率管的通斷， 每個工作區(qū)間內(nèi)相鄰的兩個工作狀態(tài)以及無效工作狀態(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種主要的開路故障模式， 計算各模式下逆變電路輸出三相相電壓的變化情況. 為了簡化計算， 暫時不考慮后級濾波電感的作用.

由表 3 的計算結(jié)果可知： 對于功率管開路組合故障， 對應(yīng)相輸出波形會出現(xiàn)不同特征的畸變， 表 4 總結(jié)了逆變電路開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備.

表 3 逆變電路開路故障狀態(tài)表

表 4 變頻器逆變電路開路故障分析總結(jié)表

2 變頻器故障仿真驗證以及綜合分析

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

首先對整流橋故障模式進行Matlab仿真， 結(jié)果如圖 5 所示， 圖5(a)驗證了表2的分析結(jié)果， 即斷開整流橋后級時故障波形特征； 圖5(b)的仿真考慮了濾波電容以及后級電路的作用， 輸出波形說明直流側(cè)電壓在135V上下浮動， 且調(diào)整電容值能進一步減小紋波； 圖5(c)， (d)分別是變頻器電感濾波前后的輸出波形， 結(jié)果驗證整流橋晶閘管開路故障造成的直流電壓紋波并沒有使變頻器輸出端三相交流電產(chǎn)生明顯的畸變.

其次對逆變電路開路故障進行仿真， 表3的故障模式計算結(jié)果簡化了濾波電感的作用， 仿真模型綜合了電感及其后級負載的影響， 并給出了電感能量對地泄放回路. 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的能量需要一段時間才能泄放完， 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際上存在微型饅頭狀PWM波峰， 具體波形見圖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際波形有一定的小幅震蕩， 見圖6(a)； 局部放大圖6(b)是對圖6(a)畫圈處的細節(jié)展示. 仿真結(jié)果表明， 通過仿真波形可以快速有效地判斷故障功率管的位置.

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

3 變頻器開路故障診斷法

綜合以上理論分析與仿真驗證， 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)的變頻器開路故障診斷規(guī)則表， 見表 5.

表 5 變頻器開路故障診斷規(guī)則表

圖 8 不對稱三相負載及負載突變時仿真波形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)電壓和功率管開關(guān)邏輯相關(guān)， 因此該診斷方法對于功率管開路故障可以在幾個工作周期時間內(nèi)快速判斷， 而且電壓波形理論上不受后級負載突變的影響， 為了驗證不同的負載類型或者負載突變時該診斷依據(jù)仍然適用， 在圖 4 所示的Matlab模型中， 設(shè)置三相不對稱負載， 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處負載突變點， 其中，t1處A相負載突然斷路，t2處B相負載斷路，t3處C相負載斷路， 進行仿真驗證， 電感濾波前變頻器輸出的三相相電壓波形見圖 8.

通過仿真波形， 圖 8 可得以下結(jié)論： 變頻器帶有不對稱負載時， 依然可以依據(jù)故障診斷表(表5)， 通過三相相電壓波形特征對開路故障進行定位， 且在t1，t2和t3負載突變處， 波形特征沒有顯著的變化， 因此， 該故障診斷法適用于負載突變的情況.

4 結(jié) 論

本文重點研究了變頻器功率管開路故障， 結(jié)合理論分析與仿真驗證結(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， 并不受負載變化的影響. 相對于基于電感電流的故障診斷法， 有著定位迅速靈敏、 抗負載突變干擾性強等優(yōu)點. 如何進一步優(yōu)化變頻器故障診斷法并將其轉(zhuǎn)化為工程應(yīng)用成果、 從而進一步應(yīng)用于變頻器的故障智能識別， 將是后續(xù)的研究重點.

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