專利名稱：移相全橋變換器斷路故障實時診斷方法
技術領域：
本發明涉及系統故障診斷領域，具體涉及一種針對移相全橋變換器斷路故障實時 診斷方法。
背景技術：
在電力電子裝置中主功率變換器功率器件是最容易發生故障的薄弱環節，近年來 功率器件運行的可靠性雖然有所提高，但未能滿足功率變換器的要求。統計資料表明，斷路 是功率器件最常見的故障之一，移相全橋變換器(如圖1)功率管的斷路故障可分為單管斷 路和雙管斷路兩種類型。目前，針對功率變換器故障診斷所采用的技術可以分為基于數學 模型和不依賴數學模型兩大類。基于數學模型的故障診斷方法可分為狀態估計法和參數辨 識法，基于數學模型的電力電子故障診斷方法物理意義十分明了，公式推導簡單，但由于電 力電子變換器是非線型系統，實際工作中變換器模型總是不夠精確的，而且很多變換器拓 撲甚至連數學模型都很難建立，所以該方法很少在工程上應用。不依賴數學模型的故障診 斷方法主要包括直接測量法、信號處理法、模式識別、專家系統、神經網絡和遺傳算法等等。 直接測量法可分為檢測功率器件變量和檢測電路其它相關變量兩類，該方法簡單直觀，實 時性強，但無法對電路故障精確定位。信號處理法、模式識別、專家系統、神經網絡等方法由 于涉及到復雜的算法，程序處理時間長，很難滿足運行頻率越來越高的電力電子變換器的 要求。
總的來說，不依賴數學模型的電力電子變換器故障診斷方法有以下不足(1)直 接測量法不能對故障進行精確定位；(2)信號處理法、模式識別等涉及人工智能的故障診 斷法的算法復雜很難在工程上應用。發明內容
本發明的目的在于提出一種移相全橋變換器斷路故障實時診斷方法，能快速準確 判定故障類別并定位故障。
本發明的另一個目的在于通過實現上述方法的系統。
本發明的第一個目的可通過以下的技術措施來實現一種移相全橋變換器斷路故 障實時診斷方法，其特征在于通過采樣測量全橋變換器直流母線電流，獲取直流母線電流 峰值與其積分值的比率，以峰值與積分值的比率作為移相全橋變換器斷路故障特征信號， 與正常參考狀態下移相全橋變換器直流母線電流峰值與積分值的比率進行比較，當測得的 比率小于正常參考狀態時的比率，則確定移相全橋變換器發生斷路故障。
為了保證判斷的正確性，進一步確認變換器是否發生故障并對發生斷路故障的功 率開關管進行定位，利用移相全橋變換器直流母線電流峰值和積分值比率初步確定變換器 發生斷路故障情況后，根據不同位置功率管發生斷路故障時移相全橋變換器功率電路對應 不同的續流回路，還通過采樣獲取變換器發生斷路故障時功率管反并聯二極管的續流電流 信號，依據發生斷路故障時功率管反并聯二極管續流電流信號的通用邏輯關系，對發生斷路故障的功率開關管進行定位。
本發明的另一個目的通過以下技術措施實現一種移相全橋變換器斷路故障實時 診斷系統，包括置于全橋變換器的直流母線上的電流傳感器、直流母線電流采樣信號調理 電路、直流母線電流峰值檢測電路、直流母線電流積分電路、模數轉換電路、DSP控制器；所 述電流傳感器的輸出端接直流母線電流采樣信號調理電路輸入端；所述的直流母線電流峰 值檢測電路輸入端接直流母線電流采樣信號調理電路輸出端；所述的直流母線電流積分電 路輸入端接直流母線電流采樣信號調理電路輸出端；所述的模/數轉換電路的輸入端分別 接直流母線電流峰值檢測電路輸出端、直流母線電流積分電路輸出端；所述的DSP控制器 I/O 口接模/數轉換電路輸出端；采樣值分別通過峰值檢測電路和積分電路得到直流母線 電流的峰值和積分值，直流母線電流峰值和積分值通過數模轉換電路后被送至DSP控制器 處理；DSP控制器通過運算得出直流母線電流峰值與積分值的比率。
以峰值與積分值的比率作為移相全橋變換器斷路故障特征信號，與正常狀態下移 相全橋變換器直流母線電流峰值與積分值的比率進行比較，確定移相全橋變換器是否發生 斷路故障。
本發明系統還包括放置于移相全橋變換器兩個下橋臂上的霍爾電流傳感器、續流 電流采樣信號調理電路，霍爾電流傳感器的輸出端接續流電流采樣信號調理電路的輸入 端；續流電流采樣信號調理電路的輸出端接所述模/數轉換電路的輸入端；通過采樣獲取 變換器發生斷路故障時功率管反并聯二極管的續流電流信號，對發生斷路故障的功率開關 管進行定位。
本發明實現簡單、快速性好，硬件成本低。在軟件實現上，本發明不涉及復雜的算 法，因此本發明比神經網絡、專家系統等故障診斷方法快速性和實時性要優越，且易于在工 程上實現。
圖1是現有技術中軟開關移相全橋變換器的電路拓撲圖； 圖2是本發明中電流傳感器放置位置示意電路圖；圖3是本發明中直流母線電流采樣信號調理電路圖； 圖4是本發明中直流母線電流峰值檢測電路圖； 圖5是本發明中直流母線電流積分電路圖 圖6是本發明中續流電流采樣信號調理電路圖 圖7是本發明中模數轉換電路8是本發明中移相全橋變換器單管斷路故障示意電路圖； 圖9是本發明中移相全橋變換器雙管斷路故障示意電路圖； 圖10是本發明中移相全橋變換器工作狀態下的電流回路示意電路圖； 圖11是本發明中移相全橋變換器續流狀態下的電流回路示意電路圖； 圖12是本發明中移相全橋變換器正常情況下VT1管驅動信號與各電流對應關系圖； 圖13是本發明中移相全橋變換器的VT1管斷路故障狀態下驅動信號與各電流對應關 系圖；圖14是本發明中移相全橋變換器的VT4管斷路故障狀態下驅動信號與各電流對應關系圖；圖15是本發明中移相全橋變換器的VT1和VT4雙管斷路故障狀態下驅動信號與各電流 對應關系圖。
具體實施方式
下面結合實施例及附圖，對本發明的具體實施方式
作進一步說明。
本發明提出的一種移相全橋變換器斷路故障實時診斷方法，現有技術中軟開關移 相全橋變換器的電路拓撲圖如圖1所示，圖2為本發明中電流傳感器放置位置示意電路圖， 將霍爾電流傳感器置于全橋變換器的直流母線上，通過霍爾電流傳感器采樣測量全橋變換 器直流母線電流值，采樣值經過信號調理電路分別送至直流母線峰值檢測電路和積分電路 得到直流母線電流的峰值和積分值，直流母線電流的峰值和積分值經過模數轉換電路并被 送至DSP控制器進行運算，得出直流母線峰值與積分值的比率值K，以K值作為移相全橋變 換器斷路故障特征信號，基于移相全橋變換器在斷路故障狀態下的K值和正常狀態下的K 值的不同表現，確定全橋變換器是否發生斷路故障。
另外通過在移相全橋變換器兩個下橋臂上放置霍爾電流傳感器，霍爾電流傳感器 接到續流電流采樣信號調理電路，續流電流采樣信號調理電路的輸出端接所述模/數轉換 電路的輸入端；移相全橋變換器一個完整開關周期的正半周中，超前下橋臂的傳感器獲取 功率管反并聯二極管續流電流信號；開關周期的負半周中，滯后下橋臂的傳感器獲取功率 管反并聯二極管續流電流信號。通過采樣獲取變換器發生斷路故障時功率管反并聯二極管 的續流電流信號，對發生斷路故障的功率開關管進行定位。
上述直流母線電流采樣信號調理電路(見圖3)，其中二極管D2、D3、電阻R1、R2、電 容Cl、C2組成兩級的濾波電路，電阻R3和二極管Dl組成鉗位電路，可調集成穩壓器LM317、 電阻R4、R5、電容C3、C4和二極管D4組成穩壓電路。
上述直流母線電流峰值檢測電路(見圖4)，其中運算放大器Al、電阻R6和二極管 D5組成電壓跟隨器，電容C5和電阻R7組成濾波環節，運算放大器A2組成電壓跟隨器。
上述母線直流電流積分電路(見圖5)，其中電阻R8和電容C6組成濾波環節，運算 放大器A3、電阻R9、RlO和電容C7組成積分環節。
上述續流電流采樣信號調理電路(見圖7)，其中電感L1、L2和電容C8組成濾波環 節，二極管D6、D7、D8和D9組成全波整流環節，電容C9和電阻Rll組成全波整流輸出濾波 環節，集成穩壓器LM317、電阻R12、R13、電容CIO、C1UC12和二極管DlO組成穩壓環節。
上述數模轉換電路(見圖6)，由A/D轉換芯片MAX156，穩壓電容C13、C14、C15，以 及濾波電容C16、C17和C18組成。
上述DSP控制器采用型號為TSM320M812控制芯片。上述所有組成本發明系統的 電路為其中的一種實施方式，本發明系統還可采用其他等同功能的現有實施電路或芯片來完成，不一一例舉。
當移相全橋變換器工作時，直流母線電流通過相應的功率開關管和功率變壓器進 行功率傳輸，其直流母線電流波形為脈沖序列波形，因此可通過霍爾電流傳感器對直流母 線電流的變化情況進行在線檢測。正常工作狀態下，移相全橋變換器斜對角橋臂功率開關 管同時導通，輸入電壓整流成直流電壓加在主功率變壓器原邊繞組，進行功率傳輸，直流母線電流從較高的峰值線性增大，緩慢升高，在超前橋臂的功率開關管關斷時直流母線電流 達到最大峰值。當發生一個或多個功率開關管斷路故障時，移相全橋變換器進入斷路故障 狀態，使得處于功率傳輸狀態中的移相全橋變換器被強迫進入續流狀態，直流母線電流未 能達到最大峰值，因此在移相全橋變換器發生斷路故障時其直流母線電流的峰值和直流母 線電流的積分值都比正常狀態下的值要小，同理發生斷路故障時的直流母線電流的K值比 正常狀態下的K值要小。因此，采樣發生斷路狀態時的移相全橋變換器的直流母線電流的 峰值及其積分值，以直流母線電流峰值和積分值的比率值K作為移相全橋變換器斷路故障 的特征信號，通過對比分析移相全橋變換器在斷路故障狀態下和正常狀態下的比率值K的 不同表現可確定移相全橋變換器是否發生斷路故障。
設W為移相全橋變換器斷路故障邏輯值，當通過上述方法檢測出移相全橋變換器 發生斷路故障時W值為1，移相全橋變換器正常工作狀態下W值為0。
為了保證判斷的準確性，在確定移相全橋變換器發生斷路故障的情況時，根據不 同位置功率管發生斷路故障時移相全橋變換器功率電路對應不同的續流回路，還可結合續 流電流信號的邏輯關系對發生斷路故障的功率開關管進行故障定位。
下面舉例說明利用續流電流信號邏輯關系進行斷路故障定位過程。以VTl和VT4 導通邏輯狀態為例，其功率管故障包括以下兩種情況，其中單管故障以上管為例，如圖8所 示為單管斷路，圖9所示為雙管斷路。
以移相全橋變換器一個開關周期中的正半周為例，其工作狀態下(即VT1與VT4同 時導通)和續流狀態下(VT1關斷時)的電流情況分別如圖10、圖11所示，把電流傳感器放置 在軟開關移相全橋變換器兩個下橋臂(如圖2所示)，則在正半開關周期的工作狀態下的電 流和續流狀態下的電流都流過滯后橋臂功率管VT4下的傳感器，稱為相電流值ISA，而只有 在續流狀態下電流才流過超前橋臂VT2下的傳感器，稱為續電流值Isa ；在開關周期的負半 周反之，VT2下的傳感器為相電流值Isb ；VT4下的傳感器為續電流值Isb。
以VT1功率管和VT4功率管為例，下面闡述單管斷路故障的定位方法。
正常情況下VT1管驅動信號與各電流對應關系如圖12所示，其中Pvn為VT1功率 管的驅動信號，Isa為相電流值，Isa為續電流值，Ivn為導通時功率管VT1所承受的電流值。 當VT1管發生單管故障，斷路故障邏輯值W為1，相電流Isa下降，由于VT1管已經損壞，相電 流通過VD2管自然續流，如圖13陰影部分所示。此時數字化后的Isa與Isa同為高電平，故 通過兩者的實時相與，當相與結果為高且W值為1則可以判斷此時VT1管發生斷路故障。
當VT4管發生單管斷路故障時，相電流同樣開始下降，但移相全橋變換器此時無法 與供電電源形成回路，相電流將通過VT1管和續流二極管VD3下降至0，故障時相電流傳感 器和續流電流傳感器均無電流流過，如圖14陰影部分所示，由此可以判斷VT4管發生斷路 故障。
采樣同樣的分析方法，當VT1管和VT4管發生雙管斷路故障時，相電流經續流二極 管VD2和VD3，能量直接回饋至母線。此時，只有續電流傳感器有電流流過，如圖15陰影部 分所示。但可以看出，此時同樣滿足VT1管單管斷路故障時的判別條件。
為了保證判斷的準確性，在&數字化的基礎上，同時把該邏輯狀態下的Isa也進行 數字化處理，得出各個斷路故障對應的故障邏輯值表見表1。表1正半開關周期斷路故障類型對應邏輯值
權利要求
1.一種移相全橋變換器斷路故障實時診斷方法，其特征在于通過采樣測量全橋變換 器直流母線電流，獲取直流母線電流峰值與其積分值的比率，以峰值與積分值的比率作為 移相全橋變換器斷路故障特征信號，與正常狀態下移相全橋變換器直流母線電流峰值與積 分值的比率進行比較，當測得的比率小于正常參考狀態時的比率，則確定移相全橋變換器 發生斷路故障。
2.根據權利要求1所述的移相全橋變換器斷路故障實時診斷方法，其特征在于通過 電流傳感器采樣測量全橋變換器直流母線電流值，采樣值分別通過峰值檢測電路和積分電 路得到直流母線電流的峰值和積分值，直流母線電流峰值和積分值通過數模轉換電路后被 送至DSP控制器處理；DSP控制器通過運算得出直流母線電流峰值與積分值的比率。
3.根據權利要求1或2所述的移相全橋變換器斷路故障實時診斷方法，其特征在于 還通過采樣獲取變換器發生斷路故障時功率管反并聯二極管的續流電流信號，依據發生斷 路故障時功率管反并聯二極管續流電流信號的通用邏輯關系，對發生斷路故障的功率開關 管進行定位。
4.根據權利要求3所述的移相全橋變換器斷路故障實時診斷方法，其特征在于通過 在移相全橋變換器兩個下橋臂上放置電流傳感器，移相全橋變換器一個完整開關周期的正 半周中，超前下橋臂的傳感器獲取功率管反并聯二極管續流電流信號；開關周期的負半周 中，滯后下橋臂的傳感器獲取功率管反并聯二極管續流電流信號。
5.根據權利要求4所述的移相全橋變換器斷路故障實時診斷方法，其特征在于所說 的電流傳感器均采用霍爾元件。
6.一種實現權利要求1所述方法的移相全橋變換器斷路故障實時診斷系統，其特征在 于包括置于全橋變換器的直流母線上的電流傳感器、直流母線電流采樣信號調理電路、直 流母線電流峰值檢測電路、直流母線電流積分電路、模數轉換電路、DSP控制器；所述電流 傳感器的輸出端接直流母線電流采樣信號調理電路輸入端；所述的直流母線電流峰值檢測 電路輸入端接直流母線電流采樣信號調理電路輸出端；所述的直流母線電流積分電路輸入 端接直流母線電流采樣信號調理電路輸出端；所述的模/數轉換電路的輸入端分別接直流 母線電流峰值檢測電路輸出端、直流母線電流積分電路輸出端；所述的DSP控制器I/O 口接 模/數轉換電路輸出端；采樣值分別通過峰值檢測電路和積分電路得到直流母線電流的峰值和積分值，直流母 線電流峰值和積分值通過數模轉換電路后被送至DSP控制器處理；DSP控制器通過運算得 出直流母線電流峰值與積分值的比率；以峰值與積分值的比率作為移相全橋變換器斷路故障特征信號，與正常狀態下移相全橋 變換器直流母線電流峰值與積分值的比率進行比較，確定移相全橋變換器是否發生斷路故障。
7.根據權利要求6所述的移相全橋變換器斷路故障實時診斷系統，其特征在于還包 括放置于移相全橋變換器兩個下橋臂上的霍爾電流傳感器、續流電流采樣信號調理電路， 霍爾電流傳感器的輸出端接續流電流采樣信號調理電路的輸入端；續流電流采樣信號調理 電路的輸出端接所述模/數轉換電路的輸入端；通過采樣獲取變換器發生斷路故障時功率 管反并聯二極管的續流電流信號，對發生斷路故障的功率開關管進行定位。
8.根據權利要求7所述的移相全橋變換器斷路故障實時診斷系統，其特征在于還包 括聲光報警及顯示電路，聲光報警及顯示電路分別與所述的DSP控制器上相應I/O 口連接。
全文摘要
本發明公開了一種移相全橋變換器斷路故障實時診斷方法，通過電流傳感器采樣測量全橋變換器直流母線電流，獲取直流母線電流峰值與其積分值的比率，與正常狀態下移相全橋變換器直流母線電流峰值與積分值的比率的歷史數據比較，確定移相全橋變換器是否發生斷路故障；同時通過設于兩橋臂的電流傳感器獲取變換器發生斷路故障時的續流電流信號，依據發生斷路故障時功率管反并聯二極管續流電流信號邏輯關系，對發生斷路故障的功率開關管進行定位。本發明可以快速、準確定位故障并確定故障類別，且實現故障預測。
文檔編號G01R31/02GK102033188SQ20101056210
公開日2011年4月27日 申請日期2010年11月25日 優先權日2010年11月25日
發明者李雄濤, 杜貴平 申請人:中國電器科學研究院, 廣州電器科學研究院