成庶，趙俊棟 ，李凱迪，于天劍，伍珣，張志龍

一種基于相電流軌跡的逆變器開路故障診斷方法

成庶1，趙俊棟1，李凱迪1，于天劍1，伍珣2，張志龍3

(1. 中南大學 交通運輸工程學院，湖南 長沙 410075；2. 中南大學 信息科學與工程學院，湖南 長沙 410083；3. 中國中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東 青島 266111)

提出一種非侵入式的針對逆變器功率器件開路故障的診斷方法。針對開路故障前后的相電流軌跡進行基于數(shù)學模型的分析；根據(jù)相電流軌跡的分析數(shù)據(jù)進行故障特征的提取并結(jié)合積分算法對故障進行定位；基于dSPACE半實物仿真平臺對本文所提故障定位方法的有效性與可靠性進行實驗的驗證。研究結(jié)果表明：所提方法可以很好的應(yīng)用于逆變器開路故障診斷。

逆變器；開路故障；故障診斷；積分算法

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，電力電子裝置在工業(yè)中的地位日益增加，應(yīng)用越來越廣泛，同時對電力電子設(shè)備的安全性和可靠性要求也變得更高，因為一旦其中某個局部發(fā)生故障將會影響整個系統(tǒng)的正常運行。根據(jù)資料統(tǒng)計，有電力電子電路中器件故障的分布[1]如圖1所示，可以看出其中半導(dǎo)體功率器件的故障率(包括半導(dǎo)體器件與焊接點失效)占到了34%。而半導(dǎo)體功率器件的故障又可進一步分為短路故障和開路故障[2?3]。其中短路故障所產(chǎn)生的過電流會在瞬間對系統(tǒng)造成巨大破壞，導(dǎo)致系統(tǒng)癱瘓，危害甚大，故針對該類故障的研究已經(jīng)相當成熟，如今已有各種成套且完備的硬件保護措施，例如現(xiàn)有的變頻電路的設(shè)備中都會有過電流的檢測裝置和保護裝置，包括保險絲熔斷及空氣開關(guān)等，以確保系統(tǒng)中一旦發(fā)生短路故障能立即對其進行切斷隔離保證系統(tǒng)安全。同時需要注意，短路故障在一定條件下會轉(zhuǎn)化為開路故障，因為當三相電路中的某一處功率管發(fā)生短路故障后，與此故障管同一橋臂上的另一功率管若此時導(dǎo)通，就相當于直流側(cè)的電源通過故障相形成了短路，過電流會直接擊穿故障相上的功率管，從而導(dǎo)致功率管過熱燒毀，這樣就從短路故障轉(zhuǎn)為了開路故障。而開路故障與短路故障相比，系統(tǒng)故障響應(yīng)較慢，故系統(tǒng)在發(fā)生開路故障情況下，由于其瞬時破壞較小，系統(tǒng)往往還可在故障下繼續(xù)畸形運行，但隨著時間積累，開路故障仍會導(dǎo)致系統(tǒng)癱瘓。綜上原因，本文主要針對開路故障進行研究?，F(xiàn)有的針對半導(dǎo)體功率器件開路故障的診斷技術(shù)根據(jù)手段的不同，可分為基于智能算法診斷法、基于參數(shù)模型法以及基于數(shù)據(jù)處理法三大類。

圖1 器件故障分布圖

基于智能診斷算法診斷的核心在于應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及相應(yīng)智能算法來提高診斷效率。QIANG[4]使用模擬結(jié)果離線訓(xùn)練徑向基函數(shù)(RBF)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，并利用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來識別和定位故障。付玲等[5]針對自組織特征映射神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(SOM)具備的結(jié)構(gòu)簡單、無需指導(dǎo)的自學習特點將其應(yīng)用到逆變器故障診斷的領(lǐng)域中。于生寶等[6]以變換器輸出電壓為原始信號，利用變采樣頻率的小波包分析方法提取特征向量，然后利用核主成分分析對特征向量進行降維，最后采用概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立故障分類器，來提高診斷方法的魯棒性。李小波等[7]提出了一種基于支持向量機(SVM)的逆變器故障診斷方法，其以Clark變換與空間矢量模值計算為基礎(chǔ)并結(jié)合支持向量機，利用空間矢量模值的畸變位置為特征信號，從而對故障特征向量進行分類，能夠?qū)崿F(xiàn)多管故障的診斷。CAI等[8]提出了一種基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的三相逆變器數(shù)據(jù)驅(qū)動故障診斷方法。測量不同故障模式的2個輸出線電壓，使用快速傅立葉變換提取信號特征，并使用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)檢測和診斷故障。這些方法都是基于不同的智能算法，每種智能方法的結(jié)構(gòu)都不相同，且普遍計算量較大，精度無法確定?；趨?shù)模型的診斷方法的重點在于建立一個精準的模型，再通過該模型的診斷參數(shù)來實現(xiàn)故障診斷。Choi等[9]介紹了一種用于并網(wǎng)中性點鉗位(NPC)逆變器系統(tǒng)的開路故障檢測方法，并提出了一種容錯控制方法。所提出的故障檢測方法能識別故障開關(guān)的位置和NPC逆變器的故障鉗位二極管，而無需任何額外的硬件或復(fù)雜的計算。萬曉鳳等[10]提出了一種基于電流殘差的故障診斷方法，通過比較仿真模型與實際輸出得到殘差，能夠?qū)崿F(xiàn)對故障開關(guān)的準確定位。AN等[11]分析了正常工作與故障狀態(tài)下的開關(guān)模型，從觸發(fā)信號中提取故障特征，實現(xiàn)了快速的故障診斷。李寧等[12]建立了電力電子電路混合邏輯動態(tài)模型，并在電路混合邏輯動態(tài)模型的基礎(chǔ)上，基于故障事件識別向量，研究了電力電子電路故障診斷方法。但是這種基于參數(shù)模型的方法對模型的依賴性很大，有些模型很容易受到外界噪聲的干擾，而且有的對整個系統(tǒng)改動較大，有的則是要求模型與事實的符合程度很高才可行，還有一些模型參數(shù)變化會導(dǎo)致魯棒性變差。基于數(shù)據(jù)處理的方法主要通過獲取關(guān)鍵數(shù)據(jù)來反映故障特征，從而實現(xiàn)故障診斷。郭立煒等[13]針對電流信號作為診斷信號容易干擾，從而出現(xiàn)失誤的故障診斷信號，提出了將脈沖信號和三相橋臂的中點電壓信號相結(jié)合，并進行邏輯分析找出其邏輯關(guān)系的表達式，從而實現(xiàn)診斷。但是此方法需要額外的控制信號，增加了電路復(fù)雜性。Mohsen等[14]提出了一種通過綜合分析輸出側(cè)極電壓與電流可對三電平中性點鉗位逆變器上進行故障診斷的方法，能夠?qū)崿F(xiàn)多個功率管和鉗位二極管的故障檢測和定位，且能夠?qū)崿F(xiàn)在線診斷適用范圍較廣，但對額外傳感器需要一定需求。Jorge等[15]以三相電流平均絕對值作為故障特征量進行分析，提出了針對電壓型逆變器的診斷方法，但是合適的閾值的選擇是一個問題。Im等[16]通過考慮空間矢量PWM的開關(guān)模式和故障相電流的方向來分析6個開關(guān)元件的故障情況，并提出一種新的容錯方法。但是其每一個器件的閾值都需要進行單獨設(shè)置。CHENG等[17]針對電壓型逆變器提出了一種新穎的基于電壓包絡(luò)線的診斷與定位方法。但是當故障發(fā)生時，電壓信號會產(chǎn)生一定比例的部分衰減或信號的成分含量有一定的變化。這種方法不適用于光伏系統(tǒng)，適用范圍就有一定局限性。HE等[18]提出了一種在線監(jiān)測直流母線中性點電流、瞬時開關(guān)狀態(tài)及相電流的異常狀態(tài)的逆變器故障快速診斷方法，且不受電壓波動及負載變化的影響，但是仍然需要增加額外的傳感器來測量直流母線中性點電流。Bae等[19]提出了一種新的三相PWM逆變器多個IGBT開路故障在線診斷方法。該故障檢測基于監(jiān)視α-β靜止參考系的每個扇區(qū)中的當前矢量的停留時間，識別過程基于相電流信息。但計算過程需要用到坐標變化，精準度會受到影響。如今逆變器的發(fā)展趨勢是小型化、高集成化以及高效化，而不少診斷方法所需添加的額外傳感器或復(fù)雜算法都是有悖于未來發(fā)展趨勢的。而非侵入式的設(shè)計則可以很好地順應(yīng)了發(fā)展趨勢，具有無需增加額外的傳感器，無需修改系統(tǒng)結(jié)構(gòu)故不會破壞系統(tǒng)的原拓撲，以及降低診斷系統(tǒng)成本等優(yōu)勢。故本文提出一種簡單易行的基于相電流軌跡法的非侵入式故障診斷方法，可以很好的適應(yīng)如今工業(yè)的需求。本文首先利用相電流軌跡趨勢，即相電流隨時間推移的變化趨勢，進行數(shù)學分析，然后根據(jù)分析所得數(shù)據(jù)進行了故障特征的提取，提出一種結(jié)合數(shù)學積分算法的故障診斷方法。最后，基于dSPACE半實物仿真平臺對本文所提故障定位方法的有效性與可靠性進行了實驗上的驗證，結(jié)果表明所提方法可以很好的應(yīng)用于逆變器開路故障診斷。

1 三相電壓型逆變電路模型

本文研究目標為兩電平的三相電壓型逆變電路，如圖2所示，采用SPWM控制方法。將通過數(shù)學手段對不同工作情況下的各相電流隨時間的變化趨勢(即電流軌跡)進行分析，具體過程如下。

圖2 電壓源型逆變電路

圖2中點為中性點，u為直流電壓源， VT1~ VT6為IGBT器件，D1~D6為續(xù)流二極管。

在該電路中，用0表示每一相中的上橋臂關(guān)斷，下橋臂導(dǎo)通；用1狀態(tài)表示每一相上橋臂導(dǎo)通，下橋臂關(guān)斷。正常工作時，任一時刻 A，B和C三相橋中每一橋臂有一個IGBT導(dǎo)通、另一個關(guān)斷，反并聯(lián)二極管用于續(xù)流時期構(gòu)成回路。

在此電路中，三相負載均為阻感負載，且三相負載完全一致，

其各相等效的阻抗為：

R為三相輸出端的A，B和C三相中某一相的等效電阻負載，L為三相輸出端的A，B和C三相中某一相的等效電感負載。

正常工作時，三相電壓源逆變電路的各相相電流表達式為：

其中：I為三相輸出相電流的幅值；為電流角頻率，i，i和i為三相相電流的表達式。

三相相電壓表達式為：

u，u和u分別為A，B和C三相的輸出相 電壓。

2 故障狀態(tài)

本文對單管及多管開路故障進行了分類研究。將故障具體分為3類：1) 單個IGBT管開路故障；2) 同一相的雙管同時故障；3) 不同橋臂的雙管同時故障。3種不同故障共計21種情況，見表1。3種故障類型的數(shù)學解析模型的建立過程如表1 所示。

表1 開路故障分類

2.1 單管故障

由于兩電平逆變器在結(jié)構(gòu)及功能上具有對稱性，故本文以VT1發(fā)生開路故障為例進行分析，其余管分析過程與VT1管一致。

VT1故障之后的三相電流變化趨勢如圖3所示，其等效電路如圖4所示。

圖3 單管故障電流波形

圖4 單管故障等效電路

u為B和C相的線電壓。

2.2 單橋臂雙管故障

當單橋臂的上下管都開路故障，以VT1和VT2同時開路故障為例，當VT1，VT2故障時，A相的上下橋臂都無法正常導(dǎo)通，正負半波的電流均無法完成續(xù)流，因此相當于A相斷路，只剩兩相正常工作，因此A相電流一直為0，而B和C相電流則一直保持一定程度的畸變。等效電路和各相電流隨時間變化趨勢的原理分析與單管故障時一致。

2.3 異橋臂雙管故障

異橋臂上有2個IGBT管發(fā)生故障時，還可進一步分為2種情況，第1種是2個橋臂的相同半橋位置的2個IGBT發(fā)生故障，例如VT1和VT3故障，第2種是不同橋臂的不同半橋位置功率管發(fā)生故障，例如VT1和VT4故障。在發(fā)生后一種情況時，每個IGBT的表現(xiàn)和單個IGBT管故障表現(xiàn)一樣，因此重點討論前一種的相同半橋位置的2個IGBT管故障的情況。

當兩橋臂上各有一個相同橋臂位置的IGBT發(fā)生故障時，以VT1和VT3同時故障為例，故障后的各相電流隨時間的變化趨勢和等效電路的分析與單管故障情況原理上一致，在此不贅述。

當VT1和VT3同時故障時，需要分區(qū)段討論：

三相輸出相電流表達式為：

3 故障診斷技術(shù)

由上述分析可知，當電路中發(fā)生開路故障之后，各相電流會發(fā)生畸變。以故障相電流是否為零作為故障特征，當不同功率管發(fā)生故障情況后，對其故障后畸變電流的表達式進行分段積分，其積分符號是不相同的，故本文基于這一原理進行故障定位，具體分析如下。

3.1 單管故障

以VT1故障為例，其電流表達式為式(4)，(5)和(6)，對其進行每半個周期的分段積分：

δ，δ和δ為三相電流表達式的積分結(jié)果，其中I為電流峰值和為電流角頻率，均為正數(shù)。其余單管故障情況如表2所示。

3.2 單橋臂雙管故障

以VT1和VT2同時開路故障為例，其電流表達式如式(7)所示，對其進行分段積分：

其余同橋臂雙管故障情況如表2所示。

表2 故障定位表

3.3 異橋臂雙管故障

以VT1和VT3同時開路故障，電流表達式如式(8)至(11)，進行分段積分：

其余不同故障情況如表2所示。

本文故障診斷技術(shù)方法可以用圖5流程圖概括，首先相電流每半周期進行一次積分，然后作如圖5中所示的判斷，最終得到定位結(jié)果。

圖5 故障診斷流程圖

Fig. 5 Flow diagram of fault diagnosis

4 實驗分析

以dSPACE半實物實驗平臺為依托對本文所提方法進行了實驗驗證，實驗結(jié)構(gòu)如圖6所示。實驗裝置主要包括三相橋式變流器箱、電子負載箱，dSPACE，DS1007，PPC，Processor Board?？刂菩盘栍蒬SPACE產(chǎn)生，經(jīng)I/O接口傳送至逆變器。相關(guān)的傳感器信號由A/D接口進行傳輸。診斷模塊對各相電流進行監(jiān)測，并將數(shù)據(jù)送至計算機進行處理。主要的實驗參數(shù)如表3所示。

4.1 有效性驗證

如圖7~9所示，不同功率管發(fā)生開路故障情況時的電流波形圖0時刻發(fā)生故障，積分值的符號已在圖中標出，圖7中積分符號為(0,?)(+,?)(+,?)，由這3個積分的符號，可在故障表中定位到故障功率管，圖7情況為VT1故障；同理可根據(jù)圖8和圖9中符號進行判斷，圖8則為VT1和VT2同時故障，圖9是VT1和VT3同時故障。這3種情況定位結(jié)果在表2中給出。

圖6 實驗結(jié)構(gòu)圖

表3 實驗參數(shù)表

圖7 單管故障電流波形

圖8 同一相雙管故障電流

4.2 可靠性驗證

圖10為發(fā)生故障時的電流波形圖，0時刻發(fā)生故障，1時刻負載發(fā)生變化，積分符號已標在圖中。從圖10(a)看出，負載變化前后的積分號都為(0,?)，(+,?)(+,?)，負載并不會影響積分符號的變化，圖10(b)的積分符號同樣沒有變化，因此負載的變化不影響故障診斷技術(shù)的效果。并且根據(jù)積分符號可以定位到故障功率管，定位結(jié)果如表2所示。

圖9 不同橋臂雙管故障

4.3 適用性驗證

使用SPWM控制策略、SVPWM和電流滯環(huán)控制進行對比，在此只討論單管故障時的對比，其他情況類似，以VT1故障為例，3種控制方法下的故障波形如圖11。圖11(a)為使用SPWM控制策略下的故障之后的波形；圖11(b)為使用SVPWM控制策略下的電流波形；而圖11(c)則是使用電流滯環(huán)控制方法得到的電流波形。圖中0時刻為發(fā)生故障的時刻。

由圖11可看出，在3種控制方法情況下，故障相的電流仍可作為故障特征，都會出現(xiàn)為零的區(qū)域，進而對其進行積分，其積分值符號已標注在圖中，與理論結(jié)果相符合，故障定位方法可以正確地對故障功率管進行位置，功率管定位結(jié)果在表2中可找出，均為VT1發(fā)生故障。所以控制方法也不影響診斷技術(shù)的效果。

(a) 單管故障；(b) 雙管故障

(a) SPWM；(b) SVPWM；(c) 電流滯環(huán)

由以上的實驗可以驗證本文所提出的故障診斷技術(shù)具有有效性、可靠性以及適用性。

5 結(jié)論

1) 通過對開路故障前后的相電流建立數(shù)學模型，并進行分析；然后根據(jù)分析所得數(shù)據(jù)進行故障特征的提取，結(jié)合積分算法的故障診斷方法。

2) 最后，基于dSPACE半實物實驗平臺，本文對所提故障定位方法的有效性與可靠性進行了實驗上的驗證，結(jié)果表明所提方法可以很好的應(yīng)用于逆變器開路故障診斷，驗證了有效性、可靠性以及適用性。

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An open-circuit fault diagnosis method for inverter based on phase current trajectory

CHENG Shu1, ZHAO Jundong1, LI Kaidi1, YU Tianjian1, WU Xun2, ZHANG Zhilong3

(1. School of Traffic and Transportation Engineering, Central South University, Changsha 410075, China;2. School of Information Science and Engineering, Central South University, Changsha 410083, China；3. CRRC Qingdao Sifang Co., Ltd, Qingdao 266111, China)

A non-intrusive diagnosis method for power semiconductor switch open-circuit faults of inverters is proposed in this paper. Firstly, the phase currents trajectory before and after open circuit fault were analyzed based on mathematical model. Then, based on the analysis of phase currents trajectory, the fault features were extracted and the fault location was carried out with the integration algorithm.Finally, based on dSPACE hardware-in-the-loop experiment platform, the effectiveness and reliability of the proposed fault location method were verified.

inverter; open-circuit fault; fault diagnosis; integral algorithm

TM464

A

1672 ? 7029(2019)10? 2584 ? 10

10.19713/j.cnki.43?1423/u.2019.10.027

2019?01?16

國家十三五重點研發(fā)計劃資助項目(2017YFB1201201，2017YFB1201302-13)

于天劍(1988?)，男，吉林長春人，講師，博士，從事電力牽引及傳動控制研究；E?mail：250486154@qq.com

(編輯 蔣學東)