三電平逆變器的開關管開路故障診斷方法與流程

本發明涉及電力電子器件故障診斷技術，特別是涉及一種多電平逆變器的開路故障診斷方法。

背景技術：

與傳統的兩電平逆變器相比，以二極管中點鉗位型(NPC)結構為代表的三電平逆變器輸出電壓波形諧波含量低，電磁干擾小、電壓容量高、電壓跳變率低，已被廣泛應用于牽引驅動系統。但是，NPC三電平逆變電路的開關器件數目較多，導致其故障率高、可靠性低，任何一個器件故障都可能導致整個電路停止工作，造成不可估量的經濟損失。因此，如何快速實現電路的故障診斷對于提高NPC三電平逆變器的工作可靠性具有重大意義。

目前，國內外針對NPC三電平逆變器的故障診斷問題研究出很多方法。如利用快速傅里葉變換、小波變換和主成分分析等信號處理方法提取故障特征信號，再利用神經網絡、支持向量機和關聯向量機等智能方法進行故障診斷。但這類方法需要對大量的故障信號進行訓練，算法復雜、工作量很大。此外，還有針對NPC三電平逆變器單管開路故障，對橋臂電壓波形進行實時分析得出故障診斷依據，進行逆變器的開路故障診斷。但是，這些方法只考慮單個器件開路的故障模式，可靠性較低。因此，為了提高NPC三電平逆變器開路故障診斷的可靠性，減少故障診斷的工作量，本發明選取開關狀態、負載相電流的極性和橋臂相電壓作為故障特征，進行NPC三電平逆變器的開關管開路故障診斷。它不僅能夠診斷出單管開路故障，也能有效實現雙管開路故障診斷，此外還具有診斷迅速、可靠性高等優點。

技術實現要素：

為了克服上述現有技術的不足，本發明提供了一種三電平逆變器的開關管開路故障診斷方法。該診斷方法邏輯簡單、易于實現，診斷速度快，可靠性高。

本發明所采用的技術方案是：一種三電平逆變器的開關管開路故障診斷方法，具體包括如下步驟：

(1)選取二極管中點鉗位型(NPC)三電平逆變電路的開關狀態、負載相電流的極性及橋臂相電壓作為故障特征。NPC三電平逆變器每相由4個IGBT開關器件串聯組成，每個開關器件反并聯1個續流二極管，三相橋臂并聯接直流電源U_d，每相中間兩個串聯的IGBT開關器件與兩個串聯的二極管并聯連接，兩個串聯的二極管的中間點接直流電源U_d的中性點(O)，即U_d/2電壓處，每相4個串聯的IGBT開關器件的中間點(A、B、C)輸出接對應的三相負載，所述的負載相電流是流入負載端的電流，所述的橋臂相電壓是每相的中間點(A、B、C)與直流電源U_d的中性點(O)之間的電壓，所述的開關狀態是控制4個串聯的IGBT開關器件導通與關斷的驅動信號，NPC三電平逆變器共有三種開關狀態，分別是P、O、N。所述的P狀態是控制每相上面2個IGBT開關器件導通、下面2個IGBT開關器件關斷的驅動信號，所述的O狀態是控制每相中間2個IGBT開關器件導通、另外2個IGBT開關器件關斷的驅動信號，所述的N狀態是控制每相下面2個IGBT開關器件導通、上面2個IGBT開關器件關斷的驅動信號。

(2)建立NPC三電平逆變電路的模型，根據實際運行的單管和雙管開路故障進行故障分類，共五類79種故障。

1)第一類：正常運行，無開關器件發生開路故障。

2)第二類：只有一個開關器件發生開路故障，即每相橋臂4個串聯的IGBT開關器件(Qi1-Qi4，i＝A、B、C)中任一開關管發生開路故障，共12種情況。

3)第三類：單相橋臂上下半橋各有一個開關管發生開路故障，共12種情況。

4)第四類：單相橋臂上半橋或下半橋兩個開關管發生開路故障，共6種情況。

5)第五類：交叉橋臂兩個開關管發生開路故障，共48種情況。

(3)鑒于電路的對稱性，以A相橋臂為例，對工作在P、O狀態下的NPC三電平逆變電路，進行步驟(2)中第二類的單管開路故障特征分析，得到單管開路故障診斷依據，輸入到單管開路故障診斷模塊進行診斷，能夠診斷出NPC三電平逆變器的第一類、第二類故障，共13種情況。

(4)基于單管開路故障診斷，可得到雙管開路故障診斷依據，輸入到雙管故障診斷模塊進行診斷，能夠診斷出NPC三電平逆變器的第三類、第五類故障，共60種情況。

(5)對步驟(2)中NPC三電平逆變器的第四類故障，進行開關管開路故障診斷。

與現有技術相比，本發明的有益效果是：本發明利用開關狀態、橋臂相電壓及負載相電流的極性實現了NPC三電平逆變器的開關管開路故障診斷。相比于基于信號的故障診斷方法，該診斷方法不需要對故障特征信號進行信號處理，直接根據所選取信號的特征識別出開路故障。相比于基于知識的故障診斷方法，它不僅能夠實現在線診斷，且不需要對大量的故障數據進行學習和訓練，大大減少了工作量。此外，該診斷方法不需要進行復雜的算法運算，邏輯診斷思路簡單，診斷速度快、可靠性高。

附圖說明

圖1為本發明NPC三電平逆變電路A相橋臂等效圖；

圖2為本發明NPC三電平逆變電路的開關狀態結構圖；

圖3為本發明P狀態下，開路故障后的電流流通路徑變化圖；

圖4為本發明O狀態下，開路故障后的電流流通路徑變化圖；

圖5單管開路故障診斷流程圖；

圖6雙管開路故障診斷邏輯圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明進一步說明。

以圖1所示的NPC三電平逆變電路的A相橋臂為例，分析NPC三電平逆變電路的工作情況。P狀態(QA1QA2導通，QA3QA4關斷)：如圖1(a)所示，負載相電流為正時(圖中實線方向)，電流流過QA1、QA2(忽略管壓降)，此時U_AO＝+1/2U_d；負載相電流為負時(圖中虛線方向)，電流流過與QA1、QA2并聯的續流二極管D1、D2，同理U_AO＝+1/2U_d；O狀態(QA2QA3導通，QA1QA4關斷):如圖1(b)所示，負載相電流為正時，電流流過D5和QA2，此時U_AO＝0；負載相電流為負時，電流流過QA3和D6，同理U_AO＝0；N狀態(QA3QA4導通，QA1QA2關斷):如圖1(c)所示，負載相電流為正時，電流流過與QA3、QA4并聯的續流二極管D3、D4，此時U_AO＝-1/2U_d；負載相電流為負時，電流流過QA3、QA4(忽略管壓降)，同理U_AO＝-1/2U_d。上述分析可知A相橋臂存在三種開關狀態，因此NPC三電平逆變器共有27種開關狀態，本發明選用的NPC三電平逆變器的開關狀態如圖2所示。

分別提取NPC三電平逆變器的開關狀態、橋臂相電壓及負載相電流的極性作為故障特征，基于電流流通路徑法進行不同開關狀態下開路故障特征的分析。鑒于電路的對稱性，以A相橋臂為例，分析P、O狀態下的單管開路故障特征。

P狀態下，負載相電流(I_a)的分析：由圖1(a)可見，NPC三電平逆變電路工作在P狀態，QA3、QA4開關管斷開，僅進行QA1、QA2開關管開路故障特征分析。由逆變電路的工作原理知，當逆變電路工作在P狀態且正常工作時，I_a可正可負，且I_a由負到正會出現瞬時值為零的情況；由圖3可見，I_a＜0時(圖中1號虛線)，QA1、QA2開關管開路故障對該狀態無影響，I_a依然可以形成負向通路；I_a＞0時(圖中2號實線)，QA1開關管開路故障，I_a無法經過QA1、QA2流向負載，只能經過D5和QA2流向負載(圖中3號虛線)，電路工作狀態變為O狀態，I_a依然可以形成正向通路，由圖2可見，仍存在部分開關狀態無法轉變為O狀態，如PPN、PON、PNN等，這些開關狀態下的I_a只能為零；I_a＞0時(圖中2號實線)，QA2開關管開路故障，電路斷開，I_a＝0。綜上所述：P狀態下正常工作時，NPC三電平逆變器的I_a可大于小于等于零，QA1開關管開路故障下的I_a可大于小于等于零，QA2開關管開路故障下的I_a不可能大于零，因此P狀態下利用I_a的極性可識別出QA2開關管開路故障，無法對QA1開關管開路故障和正常狀態加以區分。因此，選取橋臂相電壓作為另一故障特征，實現QA1開關管的開路故障診斷。

P狀態下，橋臂相電壓(U_AO)的分析：由逆變電路的工作原理知，當逆變電路工作在P狀態且正常工作時，U_AO＝+1/2U_d；QA1開關管開路故障，由圖3可見，若I_a＜0(圖中2號虛線)，電流流過與QA1、QA2并聯的續流二極管D1、D2，QA1開關管開路故障對該狀態無影響，U_AO＝+1/2U_d；若I_a＞0(圖中1號實線)，QA1開關管開路故障，電流流過D5和QA2(圖中3號虛線)，電路工作狀態變為O狀態，U_AO＝0；若I_a＝0，A相橋臂不工作，此時，U_AO取決于B、C相的工作狀態。由圖2可知B、C相工作狀態有OP/PO、ON/NO、NP/PN、OO、NN等，若B、C相工作在OP狀態時，所對應的相電壓U_BO、U_CO分別為0、+1/2U_d，因此，N點點位為+1/4U_d。阻感性負載的電流滯后于電壓，因此，I_a＝0，U_AN≠0。若U_AN＞0，則A點電位大于N點點位大于+1/4U_d，直到電感放電完畢，電壓穩定在+1/4U_d，若U_AN＜0，則A點電位小于N點點位小于+1/4U_d，直到電感充電完畢，電壓穩定在+1/4U_d；若在I_a＝0之前，U_AN已經變為零，即A點點位等于N點點位。若B、C相工作在NP狀態時，所對應的相電壓U_BO、U_CO分別為-1/2U_d、+1/2U_d，因此，N點點位為零，由U_AN＝0推出A點點位為零，即U_AO＝0；同理可推出其他工作狀態下的橋臂相電壓U_AO＜+1/2U_d。綜上所述，P狀態下QA1開關管開路故障，存在橋臂相電壓U_AO＜+1/2U_d，P狀態下正常工作時，橋臂相電壓U_AO＝+1/2U_d，因此利用橋臂相電壓可識別出QA1開關管開路故障。同理可推出QA2開關管開路故障下，存在橋臂相電壓U_AO＜+1/2U_d。

O狀態下，負載相電流(I_a)的分析：由圖1(b)可見，當逆變器工作在O狀態下，QA1、QA4開關管斷開，僅進行QA2、QA3開關管開路故障特征分析。由逆變電路的工作原理知，當逆變電路工作在O狀態且正常工作時，I_a可正可負，且I_a由負到正會出現瞬時值為零的情況；由圖4可見，I_a＜0時(圖中虛線)，QA2開關管開路故障對該狀態無影響，I_a依然可以形成負向通路，I_a＜0時QA3開關管開路故障，電路斷開，I_a＝0；I_a＞0(圖中實線)，QA2開關管開路故障，電流無法經過D5和QA2流向負載，電路斷開，I_a＝0，QA3開關管開路故障對該狀態無影響，I_a依然可以形成正向通路；綜上所述：O狀態下，QA2開關管開路故障下的I_a恒小于等于零，QA3故障下的I_a恒大于等于零，因此僅通過I_a的極性可識別出QA2、QA3開關管開路故障，無需進行橋臂相電壓的分析。

由A相橋臂的單管開路故障特征分析，可推出NPC三電平逆變器的單管開路故障特征表，如表1所示。

表1 單管開路故障特征表

單管開路故障診斷：由表1可得單管開路故障診斷依據，若P狀態下橋臂相電壓小于+1/2U_d且負載相電流極性為正，則為Qi1開關管開路故障，若P、O狀態下負載相電流極性恒為負，則為Qi2開關管開路故障；若0、N狀態下負載相電流極性恒為正，則為Qi3開關管開路故障；若N狀態下，橋臂相電壓大于-1/2U_d且負載相電流極性為負，則為Qi4開關管開路故障。因此可得圖5所示的單管開路故障診斷流程圖。

基于單管開路故障診斷依據，得到圖6所示的雙管開路故障診斷邏輯圖：

(1)針對步驟(2)中第三類故障：基于不同開關狀態下的單管開路故障互不影響，雙管開路故障診斷可看成是兩個開關管單獨開路故障診斷。由單管開路故障診斷依據知，Qi3單管開路故障對P狀態無影響，該狀態下NPC三電平逆變器正常工作，Qi1單管開路故障時，僅對P狀態有影響，因此，若利用單管開路故障診斷依據診斷出Qi1、Qi3開關管都開路故障，則為Qi1Qi3雙管開路故障。同理利用單管故障診斷依據分別診斷Qi1、Qi4或Qi2、Qi4開關管是否開路故障來進行Qi1Qi4或Qi2Qi4雙管開路故障診斷。

(2)針對步驟(2)中第三類故障：基于同一開關狀態下的單管開路故障互相影響，雙管開路故障診斷不可看成是兩個開關管單獨開路故障診斷。由單管開路故障診斷依據可推出，若0狀態下負載相電流恒為零，則為Qi2Qi3雙管開路故障。因此，無法再利用單管開路故障診斷依據分別診斷Qi2、Qi3開關管是否開路故障來進行雙管開路故障診斷，只能依據O狀態下，負載相電流恒為零進行Qi2Qi3雙管開路故障診斷。

(3)針對步驟(2)中第四類故障：基于同一開關狀態下的單管開路故障互相影響，雙管開路故障誤診為單管開路故障。由P狀態下QA1、QA2開關管開路故障特征分析知，P狀態下QA1開關管開路故障，負載相電流可大于小于等于零且橋臂相電壓小于+1/2U_d；P狀態下QA2開關管開路故障，負載相電流小于等于零且橋臂相電壓小于+1/2U_d；可推出若P狀態下負載相電流小于等于零且橋臂相電壓小于+1/2U_d，則為QA1QA2雙管開路故障。由上述分析知，QA1QA2雙管開路故障和QA2單管開路故障的故障特征相同，因此，易將QA1QA2雙管開路故障誤診為QA2單管開路故障。同理易將QA3QA4雙管開路故障誤診為QA3單管開路故障，此類型的故障共有6種。

(4)針對步驟(2)中第五類故障：基于不同橋臂的開路故障特征不同且互不影響，交叉橋臂兩個開關管開路故障可看成是兩個單相橋臂單管單獨開路故障，即利用單管開路故障診斷依據分別診斷兩相橋臂的兩個開關管是否開路故障來進行交叉橋臂兩個開關管開路故障診斷。

對步驟(2)中NPC三電平逆變器的第四類故障，進行開關管開路故障診斷：

(1)由上述分析知，Qi1Qi2/Qi3Qi4雙管開路故障和Qi2/Qi3單管開路故障的故障特征相同，進行NPC三電平逆變器的開關管開路故障診斷時，易將Qi1Qi2/Qi3Qi4雙管開路故障誤診為Qi2/Qi3單管開路故障。但這兩類故障都包含Qi2/Qi3開關管故障，為了對這兩類故障加以區分，可更換Qi2/Qi3故障開關管，再利用Qi1/Qi4單管開路故障診斷依據判斷Qi1/Qi4開關管是否開路故障，若Qi1/Qi4開關管開路故障，則為Qi1Qi2/Qi3Qi4雙管開路故障，否則Qi2/Qi3單管開路故障。此類型的故障共有6種，均按此思路加以區分。