伍珣，李凱迪，田睿，于天劍

(1.中南大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院，湖南 長沙，410075；2.深圳地鐵集團(tuán)，廣東 深圳，518040；3.國網(wǎng)湖南超高壓變電公司，湖南 長沙，410004)

為了降低輸電線路用材，節(jié)約運(yùn)營成本，鐵路接觸網(wǎng)采用單相交流電的形式為電力機(jī)車以及動(dòng)車組等列車進(jìn)行供電。作為列車的電能變換裝置，單相四象限整流器在能量傳遞中起著重要作用。

整流器通常采用電力電子器件(如IGBT)與反并聯(lián)二極管構(gòu)成單相橋式整流電路，具有能量雙向流動(dòng)、恒定輸出直流電壓、低諧波網(wǎng)側(cè)輸入電流、濾波器容量小以及高功率因數(shù)等優(yōu)良性能。然而，由于電力電子器件控制的復(fù)雜性、操作失誤、器件老化、環(huán)境干擾以及機(jī)械振動(dòng)等原因，整流器不可避免地會(huì)出現(xiàn)各種故障，如IGBT內(nèi)部模塊燒損、IGBT 模塊振裂以及線路松動(dòng)和接觸不良等。這些故障主要表現(xiàn)為開路故障。對于整流器而言，IGBT 開路故障將導(dǎo)致直流側(cè)電壓幅值降低、脈動(dòng)增大、功率因數(shù)下降，以及網(wǎng)側(cè)輸入電流畸變。對于整個(gè)變流系統(tǒng)而言，IGBT 開路故障會(huì)造成網(wǎng)側(cè)諧波含量上升，同時(shí)嚴(yán)重影響直流側(cè)負(fù)載的正常工作，給整個(gè)系統(tǒng)帶來極大的安全隱患。在整流器發(fā)生開路故障后，需要盡早采取相應(yīng)的應(yīng)急措施，以避免二次故障的發(fā)生，減少不必要的損失。因此，實(shí)時(shí)的開路故障診斷顯得至關(guān)重要。

目前，學(xué)者們針對不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的整流器開路故障診斷進(jìn)行了研究。針對單相四象限整流器開路故障，GOU等[1-2]提出一種基于混合邏輯動(dòng)態(tài)模型和殘差的診斷方法，該方法診斷速度較快，但是需要從控制系統(tǒng)中獲取開關(guān)狀態(tài)以及相關(guān)測量參數(shù)。此外，茍斌等[3]對整流器傳感器故障以及容錯(cuò)控制方法也進(jìn)行了研究。BEN YOUSSEF 等[4]通過電流觀測值與測量值的殘差以及自適應(yīng)閾值實(shí)現(xiàn)對單相四象限脈沖整流器開路故障的診斷，同樣地，該方法也需要獲取控制信號才能完成診斷。XIA等[5]提出了一種基于滑模觀測器的診斷方法，該方法可以對由傳感器故障導(dǎo)致的器件控制問題進(jìn)行診斷。POON等[6]采用基于模型的狀態(tài)估計(jì)方法對四象限整流器的故障進(jìn)行了分類。XIE等[7-8]提出一種基于狀態(tài)估計(jì)和歸一化檢測變量的故障診斷方法，該方法通過控制信號來計(jì)算電壓與電流的殘差，從而實(shí)現(xiàn)故障定位。歐健[9]采用小波變換對四象限整流器輸出電壓進(jìn)行特征提取，并利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)完成對故障的分類。夏金輝[10]采用滑模觀測器監(jiān)測電流與電壓的殘差，對四象限整流器的故障進(jìn)行分類并提出了容錯(cuò)控制方法。蒲俊楷[11]針對四象限整流器開路故障提出了一種基于混合邏輯動(dòng)態(tài)模型的診斷方法，相似地，該方法同樣基于網(wǎng)側(cè)電流殘差的分析且需要獲取系統(tǒng)控制信號。

針對三相PWM 整流器開路故障，WU 等[12-14]提出一種基于電流相似分析的故障診斷方法，該方法通過對三相電流以及基波頻率進(jìn)行特征分析，可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)IGBT的故障診斷。王磊[15-17]對三相電壓型脈沖寬度調(diào)制(PWM)整流器的開路故障特征進(jìn)行了分析，并提出了基于標(biāo)幺化均值的故障診斷方法。SHI等[18]提出一種基于三相瞬時(shí)電流畸變的開路故障診斷方法，該方法在負(fù)載變動(dòng)過程中具有一定的魯棒性。MOOSAVI等[19]針對混合動(dòng)力電動(dòng)汽車中的三相整流器，提出一種基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的故障診斷方法，該方法結(jié)合快速傅里葉變換(FFT)與模式識(shí)別實(shí)現(xiàn)故障的分類，在診斷之前需要大量樣本來對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練。XU等[20]通過基于稀疏自編碼的深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了對三相整流器的故障診斷，同樣地，該方法采用大量樣本對模型進(jìn)行訓(xùn)練，需要較高性能的處理器完成計(jì)算。TIAN等[21]提出一種基于電流核密度估計(jì)的故障診斷方法，能夠有效對三相整流器故障進(jìn)行分類。宋佩云等[22-23]針對航空三相PWM整流器分別提出了不同的基于模型分析的開路故障診斷方法。其他學(xué)者也對三相整流器的開路故障診斷方法進(jìn)行了探討[24-28]。

此外，CASEIRO 等[29]針對三電平中點(diǎn)鉗位型整流器提出了基于瞬時(shí)電壓誤差的開路故障診斷方法，該方法對于診斷變量要求較多，需要同時(shí)獲取三相電壓與電流、直流側(cè)電壓以及控制信號，實(shí)用性較低。PENG等[30]則提出了一種統(tǒng)一建模的方法，該方法可以描述三電平中點(diǎn)鉗位型整流器正?；蚬收蠒r(shí)的模型，能夠?qū)崿F(xiàn)開關(guān)管的故障診斷。王沈晟[31]針對三電平中點(diǎn)鉗位型整流器提出了一種基于電流路徑的開路故障診斷方法，該方法需要在直流側(cè)注入電流，并結(jié)合控制信號完成診斷。CHENG 等[32-33]采用輸入與輸出電壓作為診斷變量對三段橋式整流器開路故障進(jìn)行診斷，并提出了相應(yīng)的容錯(cuò)控制方法。王飛月[34]針對單相半控橋式整流電路提出了一種基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的故障診斷方法。LEE等[35]對T型整流器開路故障進(jìn)行了研究，并提出了一種基于空間向量的診斷方法，該方法需要同時(shí)獲取網(wǎng)側(cè)三相電壓與電流來進(jìn)行特征提取。此后，LEE 等[36]將該方法在VIENNA整流器的故障診斷中進(jìn)行了拓展。

從已有的研究來看，學(xué)者們大都是在觀測變量較多的條件下開展故障診斷研究。實(shí)際上，列車整流器的可觀測變量有限：輸入端僅一個(gè)電流傳感器用于測量網(wǎng)側(cè)電流，輸出端僅一個(gè)電壓傳感器用于測量支撐電容器電壓，而考慮到系統(tǒng)穩(wěn)定性與可靠性問題，控制信號通常不對外開放。在這種條件下，多數(shù)故障診斷方法在應(yīng)用中可能面臨診斷變量缺失的問題。同時(shí)，與列車整流器IGBT 反并聯(lián)的二極管同樣存在開路故障的可能，且反并聯(lián)二極管的開路故障與IGBT開路故障極為相似，給系統(tǒng)安全運(yùn)行帶來嚴(yán)重影響。然而，這兩類故障的聯(lián)合診斷還未受到人們的重視。因此，本文作者結(jié)合列車整流器的實(shí)際情況開展開路故障診斷研究，在僅采用一個(gè)電流傳感器的條件下，實(shí)現(xiàn)IGBT與反并聯(lián)二極管的開路故障準(zhǔn)確識(shí)別與定位，并通過dSPACE實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對方法的有效性進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 工作原理與故障分析

單相電壓型兩電平單相四象限脈沖整流器的主電路拓?fù)淙鐖D1所示。其中，T1，T2，T3以及T4為單相四象限脈沖整流器IGBT器件；D1，D2，D3以及D4為反并聯(lián)二極管；LN為網(wǎng)側(cè)電感，RN為網(wǎng)側(cè)電阻；LS為二次濾波電感；CS為二次濾波電容；Cd為直流側(cè)支撐電容，常采用多個(gè)電容器串、并聯(lián)的形式；R為負(fù)載電阻；L為負(fù)載電感；uN為網(wǎng)側(cè)輸入電壓；iN為網(wǎng)側(cè)輸入電流；uUV為交流側(cè)輸入電壓；is為流過二次濾波電路的電流；iR為流過負(fù)載的電流；iC為流過直流側(cè)電容的電流；Ud為直流側(cè)電容電壓；id為直流側(cè)電流。

圖1 單相四象限脈沖整流器主電路Fig.1 Main circuit of single-phase four quadrant rectifier

定義單相四象限脈沖整流器U 相與V 相的開關(guān)函數(shù)SU和SV如下：

1.1 IGBT開路故障分析

正常工況下，單相四象限整流器(下面簡稱整流器)的直流側(cè)電壓輸出恒定在某一電壓范圍，網(wǎng)側(cè)輸入電流的相位與網(wǎng)側(cè)電壓的相位基本一致，呈正弦波周期性變化。由于載波頻率影響，網(wǎng)側(cè)輸入電流存在一定諧波，諧波含量與載波頻率的高低有關(guān)。

當(dāng)T1發(fā)生開路故障時(shí)，可能受影響的控制狀態(tài)有SU=1，SV=1 與SU=1，SV=0。其中，網(wǎng)側(cè)輸入電流iN受故障的影響最為明顯。

當(dāng)SU=1，SV=1 時(shí)，VT1開路故障下的整流器等效電路如圖2所示。由于VT1發(fā)生故障，原本經(jīng)T1和D3形成的電流回路變?yōu)榻?jīng)D3、直流側(cè)電容以及D2的電流回路。此時(shí)，網(wǎng)側(cè)電壓和電感LN向直流側(cè)電容和負(fù)載釋放能量，電流幅值相比正常工況時(shí)減小。

圖2 T1故障時(shí)的整流器等效電路Fig.2 Equivalent circuit of single-phase four quadrant rectifier when T1 fails

當(dāng)SU=1，SV=0 時(shí)，由于VT1發(fā)生故障，原本經(jīng)T1和T4形成的電流回路變?yōu)榻?jīng)T4和D2的電流回路，直流側(cè)電容與負(fù)載形成電流回路。此時(shí)，網(wǎng)側(cè)電壓直接加在電感LN兩端，對電感進(jìn)行充電，電流幅值減小。

由以上分析可以看出，在T1開路故障時(shí)，網(wǎng)側(cè)輸入電流iN在負(fù)半周的電流幅值相對正常工況時(shí)有所減小。

當(dāng)T2發(fā)生開路故障時(shí)，可能受影響的控制狀態(tài)有SU=0，SV=1 與SU=0，SV=0。同樣地，網(wǎng)側(cè)輸入電流iN受到較大影響。

當(dāng)SU=0，SV=1 時(shí)，T2開路故障下的整流器等效電路如圖3 所示。由于T2發(fā)生故障，原本經(jīng)T2和T3形成的電流回路變?yōu)榻?jīng)D1和T3形成電流回路。此時(shí)，直流側(cè)電容與負(fù)載形成電流回路，僅由網(wǎng)側(cè)電壓對電感LN充能，電流iN的充能速率明顯降低。

圖3 T2故障時(shí)的整流器等效電路Fig.3 Equivalent circuit of single-phase four quadrant rectifier when T2 fails

當(dāng)SU=0，SV=0 時(shí)，由于T2發(fā)生故障，原本經(jīng)T2和D4形成的電流回路變?yōu)榻?jīng)D1、直流側(cè)電容以及D4的電流回路。此時(shí)，網(wǎng)側(cè)和電感LN向直流側(cè)電容和負(fù)載釋放能量，電流幅值相比正常工況時(shí)減小。

由此可知，當(dāng)T2發(fā)生開路故障時(shí)，網(wǎng)側(cè)電感的能量在充能階段減少甚至釋放，進(jìn)而導(dǎo)致網(wǎng)側(cè)輸入電流在正半周的幅值總體呈減小趨勢。

類似地，可以推導(dǎo)出T3開路故障與T2開路故障具有相似的特征，T4開路故障與T1開路故障具有相似的特征。

1.2 反并聯(lián)二極管開路故障分析

當(dāng)D1發(fā)生開路故障時(shí)，整流器等效電路如圖4所示。若電流方向?yàn)樨?fù)，即電流流經(jīng)T1或D2，則此時(shí)D1開路不會(huì)對四象限整流器的正常運(yùn)行產(chǎn)生影響。若電流方向?yàn)檎襎2導(dǎo)通，則電流會(huì)經(jīng)過T2流入整流器，D1開路故障同樣不會(huì)影響整流器的正常運(yùn)行。當(dāng)電流方向?yàn)檎襎2不導(dǎo)通時(shí)，電流無法經(jīng)整流器形成回路。此時(shí)，電流iN接近于0 A，同時(shí)在網(wǎng)側(cè)會(huì)伴隨有較高的脈沖電壓，對整流器其他IGBT會(huì)產(chǎn)生極大的沖擊。因此，D1開路故障會(huì)導(dǎo)致電流iN在正半周的電流幅值大幅降低。

圖4 D1故障時(shí)的整流器等效電路Fig.4 Equivalent circuit of single-phase four quadrant rectifier when D1 fails

當(dāng)D2發(fā)生開路故障時(shí)，整流器等效電路如圖5所示。若電流方向?yàn)檎?，即電流流?jīng)D1或T2，則此時(shí)D2開路不會(huì)對四象限整流器的正常運(yùn)行產(chǎn)生影響。若電流方向?yàn)樨?fù)且T1導(dǎo)通，則電流會(huì)經(jīng)過T1流入網(wǎng)側(cè)，D2開路故障同樣不會(huì)影響整流器的正常運(yùn)行。當(dāng)電流方向?yàn)樨?fù)且T1不導(dǎo)通時(shí)，電流無法經(jīng)整流器形成回路，電流iN接近于0 A，在網(wǎng)側(cè)產(chǎn)生較高的脈沖電壓。因此，D2開路故障會(huì)導(dǎo)致電流iN在負(fù)半周的電流幅值大幅降低。

圖5 D2故障時(shí)的整流器等效電路Fig.5 Equivalent circuit of single-phase four quadrant rectifier when D2 fails

類似地，可以推導(dǎo)出D3開路故障與D2開路故障具有相似的特征，D4開路故障與D1開路故障具有相似的特征。

2 基于電流半波差異的開路故障診斷方法

通過理論分析可知，網(wǎng)側(cè)輸入電流在開路故障情況下存在半個(gè)周期的時(shí)間，這段時(shí)間內(nèi)電流幅值會(huì)發(fā)生不同程度的降低。根據(jù)網(wǎng)側(cè)輸入電流的畸變區(qū)間以及電流幅值的降低程度即可對四象限整流器IGBT開路故障以及反并聯(lián)二極管開路故障進(jìn)行診斷。因此，本文提出一種基于網(wǎng)側(cè)輸入電流半波差異的單相四象限整流器開路故障診斷方法，該方法通過對比網(wǎng)側(cè)輸入電流畸變區(qū)間來區(qū)分1 號位(或4 號位)與2 號位(或3 號位)的開路故障，通過網(wǎng)側(cè)輸入電流幅值降低程度來辨別IGBT開路故障與反并聯(lián)二極管開路故障，能夠?qū)崟r(shí)、快速、有效地對表1中的四類故障進(jìn)行診斷。

表1 不同開路故障情況下的輸入電流特征Table 1 Current features under different open-circuit faults

令網(wǎng)側(cè)輸入電流每個(gè)周期的采樣點(diǎn)個(gè)數(shù)為n(n大于零且為偶數(shù))，則網(wǎng)側(cè)輸入電流正半周與負(fù)半周的采樣點(diǎn)個(gè)數(shù)均為n/2。考慮到網(wǎng)側(cè)輸入電流的幅值受負(fù)載影響，在進(jìn)行開路故障診斷之前，首先對網(wǎng)側(cè)輸入電流進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理：

其中：iN_S為標(biāo)準(zhǔn)化處理后的網(wǎng)側(cè)輸入電流；iN_RMS為網(wǎng)側(cè)輸入電流的均方根有效值。iN_RMS的具體計(jì)算公式可以寫為

其中：t為時(shí)間；T為網(wǎng)側(cè)輸入電流基波周期。式(4)在離散形式下的表達(dá)式為

其中：iN(k)為第k個(gè)采樣點(diǎn)的網(wǎng)側(cè)輸入電流。

當(dāng)網(wǎng)側(cè)輸入電流完成標(biāo)準(zhǔn)化處理后，其電流幅值受負(fù)載等因素的影響將大幅降低。即使負(fù)載在診斷過程中發(fā)生變化，iN_S基本上不會(huì)出現(xiàn)明顯的異常，從而便于后續(xù)診斷的開展。

通常，標(biāo)準(zhǔn)化后的網(wǎng)側(cè)輸入電流的正半周與負(fù)半周在同一個(gè)周期內(nèi)是關(guān)于電流過零點(diǎn)對稱的。因此，對于每一個(gè)采樣點(diǎn)，可以得到：

其中：ek為取值較小(基本趨近于0)的誤差，在后續(xù)診斷中可以忽略不計(jì)，k=1，2，…，n/2。

當(dāng)某一開路故障發(fā)生時(shí)，網(wǎng)側(cè)輸入電流在負(fù)半周(或正半周)的電流幅值下降，而在正半周(或負(fù)半周)的電流幅值仍然保持正常。此時(shí)，式(6)可以寫為

其中：Dk為由于網(wǎng)側(cè)輸入電流發(fā)生畸變而引起的差值。根據(jù)Dk的取值分布可以大致判定開路故障的類型。但網(wǎng)側(cè)輸入電流畸變?nèi)匀痪哂幸欢ǖ碾S機(jī)性，導(dǎo)致在同一半波不同時(shí)刻的Dk存在較大差值。為了得到更好的故障特征，令

此時(shí)，通過DRMS可以更容易地了解某一開路故障情況下Dk的平均水平。當(dāng)IGBT 發(fā)生開路故障時(shí)，電流幅值在畸變部分降低，DRMS會(huì)從零上升并超過一個(gè)較小的量綱一參數(shù)Dth_low；而當(dāng)反并聯(lián)二極管發(fā)生開路故障時(shí)，電流幅值在畸變部分大幅降低，DRMS會(huì)從零上升并超過一個(gè)較大的量綱一參數(shù)Dth_high。由此可以很快區(qū)分IGBT 開路故障與反并聯(lián)二極管開路故障。

由于DRMS恒為非負(fù)，僅憑式(8)只能辨識(shí)出IGBT 開路故障與反并聯(lián)二極管開路故障，需要通過Dk的正負(fù)才能進(jìn)一步確定其中的故障類型?？紤]到噪聲以及干擾的影響，本文采用Dk的平均值即DAVE來代替Dk進(jìn)行判斷。令

當(dāng)Dk的平均值大于等于零時(shí)，DAVE取值為1，表明網(wǎng)側(cè)輸入電流負(fù)半周發(fā)生畸變，電流幅值減小；當(dāng)Dk的平均值小于零時(shí)，DAVE取值為-1，表明網(wǎng)側(cè)輸入電流正半周發(fā)生畸變，電流幅值減小。

結(jié)合式(8)和式(9)可以對表1 中所示四種開路故障進(jìn)行準(zhǔn)確辨識(shí)。令診斷信號輸出值S為

則診斷信號輸出值S與四象限整流器開路故障的對應(yīng)關(guān)系如表2 所示。閾值參數(shù)Dth_low和Dth_high根據(jù)四象限整流器實(shí)際工作情況進(jìn)行調(diào)節(jié)。

表2 單相四象限整流器開路故障診斷Table 2 Open-circuit faults diagnosis of single-phase four quadrant rectifier

圖6所示為單相四象限整流器開路故障的整個(gè)診斷流程。從故障發(fā)生到故障診斷，整個(gè)過程最長只需一個(gè)基波周期。

圖6 故障診斷流程Fig.6 Fault diagnosis process

需要說明的是，對于類似于T1和T4的開路故障診斷，由于故障后的網(wǎng)側(cè)電壓與電流以及直流側(cè)電壓的故障特征基本不存在明顯差異，只能通過控制信號或加裝額外傳感器的方式才能實(shí)現(xiàn)兩個(gè)開關(guān)管的故障辨識(shí)。然而，對系統(tǒng)進(jìn)行改動(dòng)在實(shí)際中會(huì)產(chǎn)生一系列難以有效處理的責(zé)任劃分問題。因此，本文作者認(rèn)為通過控制信號或加裝額外傳感器來進(jìn)行診斷的方式并不是一種行之有效的解決方法，故不再對其進(jìn)行探討。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

本文通過dSPACE 平臺(tái)(如圖7 所示)模擬整流器IGBT開路故障與反并聯(lián)二極管開路故障來對診斷方法進(jìn)行驗(yàn)證。主要實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表3所示。在實(shí)驗(yàn)中，通過關(guān)閉控制信號來模擬IGBT 開路故障，在反并聯(lián)二極管一側(cè)串聯(lián)可控開關(guān)并控制開關(guān)關(guān)斷來模擬反并聯(lián)二極管的開路故障。通過模擬不同情況下的開路故障來對以下假設(shè)進(jìn)行驗(yàn)證：

表3 主要實(shí)驗(yàn)參數(shù)Table 3 Key experimental parameters

圖7 dSPACE實(shí)驗(yàn)平臺(tái)示意圖Fig.7 Diagram of dSPACE platform

1) 開路故障診斷方法能夠有效診斷T1(或T4)開路故障、T2(或T3)開路故障、D1(或D4)開路故障以及D2(或D3)開路故障；

2) 開路故障診斷方法對于負(fù)載波動(dòng)具有較好的魯棒性，診斷結(jié)果不受負(fù)載變化的影響；

3) 開路故障診斷方法對于網(wǎng)側(cè)電壓波動(dòng)具有較好的魯棒性，診斷結(jié)果不受網(wǎng)側(cè)電壓變化的影響；

4) 開路故障診斷方法對于載波變化具有較好的魯棒性，診斷結(jié)果不受載波變化的影響。

3.1 故障診斷方法有效性驗(yàn)證

當(dāng)T1發(fā)生開路故障時(shí)，整流器的診斷過程如圖8所示。由圖8可見，T1開路故障發(fā)生在tA時(shí)刻。在開路故障發(fā)生前，診斷信號輸出值S基本呈不規(guī)則的方波變化，其幅值約為0.2左右。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是由于正常情況下網(wǎng)側(cè)輸入電流的半波差異較小，使得DAVE的取值也在1和-1之間變化，從而導(dǎo)致診斷信號輸出值S呈不規(guī)則的方波變化。當(dāng)T1開路故障發(fā)生后，網(wǎng)側(cè)輸入電流在負(fù)半周的幅值相比正常情況時(shí)有所減小，在正半周的幅值基本不變；直流側(cè)輸出電壓呈下降趨勢。此時(shí)，可以明顯觀察到，S逐步上升，且經(jīng)過大約一個(gè)基波周期后，S最終趨于一個(gè)穩(wěn)定值(約為0.8)。根據(jù)表2可知，T1(或T4)發(fā)生開路故障。

圖8 T1開路故障診斷Fig.8 Open-circuit fault diagnosis of T1

當(dāng)T2發(fā)生開路故障時(shí)，整流器的診斷過程如圖9所示。相似地，在T2發(fā)生開路故障之前，S呈不規(guī)則的方波變化；在T2發(fā)生開路故障之后，直流側(cè)電壓降低，S發(fā)生變化并于一個(gè)基波周期后趨于一個(gè)穩(wěn)定的值。與T1開路故障不同的是，網(wǎng)側(cè)輸入電流在正半周發(fā)生畸變，電流幅值減小，而在負(fù)半周保持正常；S趨于穩(wěn)定后的值正好與T1開路故障情況下的值相反(約為-0.8)。由表2 可知，T2(或T3)發(fā)生開路故障。

圖9 T2開路故障診斷Fig.9 Open-circuit fault diagnosis of T2

圖10和圖11所示分別為D1開路故障以及D2開路故障時(shí)整流器的診斷過程?？梢钥闯?，在tA時(shí)刻以后，網(wǎng)側(cè)輸入電流由于反并聯(lián)二極管開路故障在正半周(或負(fù)半周)發(fā)生明顯畸變。相比于IGBT開路故障，反并聯(lián)二極管開路故障使得網(wǎng)側(cè)輸入電流在正半周(或負(fù)半周)缺失更加嚴(yán)重，直流側(cè)電壓下降幅度更高。相應(yīng)地，網(wǎng)側(cè)輸入電流的半波差異更加明顯，DRMS也相對更高。

圖10 D1開路故障診斷Fig.10 Open-circuit fault diagnosis of D1

圖11 D2開路故障診斷Fig.11 Open-circuit fault diagnosis of D2

3.2 故障診斷方法在負(fù)載波動(dòng)時(shí)的魯棒性驗(yàn)證

當(dāng)直流側(cè)負(fù)載發(fā)生變化且T1發(fā)生開路故障時(shí)，整流器的診斷過程如圖12 所示。在tA時(shí)刻，負(fù)載變化引起了直流側(cè)電壓小幅上升，對網(wǎng)側(cè)輸入電流影響甚微。從S來看，其值在正常工況下穩(wěn)定在±0.2以內(nèi)，即正常工況下負(fù)載變化不會(huì)引起任何誤診斷。在負(fù)載變化后的暫態(tài)過程中，即直流側(cè)電壓還沒有達(dá)到穩(wěn)定之前，設(shè)置T1開路故障?？梢钥闯?，由于故障，在tB時(shí)刻以后，網(wǎng)側(cè)輸入電流負(fù)半周發(fā)生畸變，而正半周保持正常；直流側(cè)電壓開始下降。S逐漸上升并在tB時(shí)刻以后穩(wěn)定在0.8左右，可以診斷為T1(或T4)開路故障。

圖12 負(fù)載波動(dòng)時(shí)的T1開路故障診斷Fig.12 Open-circuit fault diagnosis of T1 when load changes

當(dāng)直流側(cè)負(fù)載發(fā)生變化且D1發(fā)生開路故障時(shí)，整流器的診斷過程如圖13 所示。類似地，正常情況下的負(fù)載變化并不會(huì)引起誤診斷。當(dāng)反并聯(lián)二極管開路故障發(fā)生在負(fù)載變化后不久時(shí)，本文提出的診斷方法仍然能夠準(zhǔn)確做出響應(yīng)。

圖13 負(fù)載波動(dòng)時(shí)的D1開路故障診斷Fig.13 Open-circuit fault diagnosis of D1 when load changes

3.3 故障診斷方法在網(wǎng)側(cè)電壓波動(dòng)時(shí)的魯棒性驗(yàn)證

圖14 所示為整流器網(wǎng)側(cè)電壓波動(dòng)時(shí)T1開路故障的診斷過程。在實(shí)驗(yàn)中，通過調(diào)節(jié)電壓幅值，使網(wǎng)側(cè)電壓逐步減小。在網(wǎng)側(cè)電壓減小的過程中，網(wǎng)側(cè)輸入電流的幅值也隨之緩慢減小。盡管如此，診斷信號并沒有出現(xiàn)誤診斷的現(xiàn)象，S仍然穩(wěn)定在±0.2以內(nèi)。在tA時(shí)刻，T1發(fā)生開路故障。網(wǎng)側(cè)輸入電流負(fù)半周發(fā)生畸變，而正半周保持正常。之后，S逐步上升并最終穩(wěn)定在0.8 左右，診斷結(jié)果為T1(或T4)開路故障。圖15 所示為整流器網(wǎng)側(cè)電壓波動(dòng)時(shí)D1開路故障的診斷過程。同樣地，故障發(fā)生前，網(wǎng)側(cè)電壓波動(dòng)沒有引起誤診斷。當(dāng)D1在tA時(shí)刻發(fā)生開路故障后，網(wǎng)側(cè)輸入電流正半周發(fā)生畸變，在負(fù)半周保持正常，S發(fā)生變化并穩(wěn)定在-1.1左右，診斷結(jié)果為D1(或D4)開路故障。

圖14 網(wǎng)側(cè)電壓波動(dòng)時(shí)的T1開路故障診斷Fig.14 Open-circuit fault diagnosis of T1 when input voltage changes

圖15 網(wǎng)側(cè)電壓波動(dòng)時(shí)的D1開路故障診斷Fig.15 Open-circuit fault diagnosis of D1 when input voltage changes

3.4 故障診斷方法在載波頻率變化時(shí)的魯棒性驗(yàn)證

當(dāng)整流器載波頻率降低時(shí)，網(wǎng)側(cè)輸入電流存在較大紋波，諧波含量相對更高。圖16 所示為整流器載波頻率為500 Hz時(shí)T1開路故障的診斷過程?？梢钥闯觯W(wǎng)側(cè)輸入電流的波形質(zhì)量明顯下降。尤其在開路故障后的負(fù)半周，網(wǎng)側(cè)輸入電流畸變更加嚴(yán)重。即使如此，S在故障前一直保持在±0.2以內(nèi)；直到開路故障發(fā)生后，S才上升并穩(wěn)定在0.8 左右，診斷結(jié)果指示為T1(或T4)開路故障。圖17 所示為整流器載波頻率為2 kHz 時(shí)D1開路故障的診斷過程。載波頻率上升沒有對D1開路故障診斷產(chǎn)生影響，S最終穩(wěn)定在-1.2左右，診斷結(jié)果指示為D1(或D4)開路故障。

圖16 載波頻率為500 Hz時(shí)的T1開路故障診斷Fig.16 Open-circuit fault diagnosis of T1 when carrier frequency is 500 Hz

圖17 載波頻率為2 kHz時(shí)的D1開路故障診斷Fig.17 Open-circuit fault diagnosis of D1 when carrier frequency is 2 kHz

4 結(jié)論

1) 針對單相四象限整流器開路故障，提出了一種基于輸入電流半波差異的開路故障診斷方法；與現(xiàn)有方法相比，該方法僅采用一個(gè)電流傳感器作為診斷變量輸入，通過分析輸出電流相鄰兩個(gè)半波的形變差異來實(shí)現(xiàn)上下橋臂的開路故障定位，利用網(wǎng)側(cè)輸入電流幅值降低程度實(shí)現(xiàn)IGBT開路故障與反并聯(lián)二極管開路故障的診斷。

2) 該方法能夠有效診斷單相四象限整流器開路故障，具有較好的魯棒性，診斷結(jié)果不受負(fù)載、網(wǎng)側(cè)電壓以及載波變化的影響。