一種三相全橋逆變器的靜態故障診斷的電路及診斷方法
【技術領域】
[0001] 本發明設及電力電子學中逆變電路的故障診斷領域，具體設及一種Ξ相全橋逆變 器的靜態診斷的電路及診斷方法。
【背景技術】
[0002] 自1957年通用電氣公司研制出第一個晶閩管W來，隨之發明出的各種新型器件不 斷促進著電力電子學的發展，逆變電路作為電力電子學中重要的組成部分之一，也有著蓬 勃的發展，逆變電路根據直流側電源性質的不同可W分為兩種：電壓源型逆變電路和電流 源型逆變電路，Ξ相全橋逆變器是一種典型的電壓源型逆變器(VSI)，被廣泛的應用于電機 系統和電源功率變換系統中。據統計，38%的電機驅動系統故障都是由功率器件引起的，見 文南犬：F . W . Fuchs ,''Some diagnosis methods for voltage source inverters invariable speed drives with induction machines-A survey,''in Proc . IEEE Ind.Electron. Conf.，2003，pp. 1378-1385.。所W對逆變器故障的檢測與定位，對于提高系 統的安全性和可維修性是一個至關重要的問題，見文獻：W . S 1 e S Z y η S k i a η d J.Nieznanski,"Open-transistor fault diagnostics involtage-source inverters by analyzing the load currents IEEE Inter. Sympos .on Power Electronics and 化ives，2007，pp. 70-73.。因此在最近的15年，研究出了很多故障檢測的方法。
[0003] 逆變器的故障都是由功率器件的損傷導致的，通常分為開路故障(SC)和短路故障 兩類故障(0C)。現有的針對逆變器的故障診斷方法通常分為兩大類:基于電流的檢測方法 和基于電壓的檢測方法。
[0004] 與短路故障診斷相比，在開路故障診斷運個領域的研究更多。并且基于電流的檢 測方法更多的設計用于運行中的電機系統或功率變換裝置。
[0005] 在不知道Ξ相全橋逆變器狀態的情況下，冒然啟動系統，具有很大的危險性，如果 逆變橋上半橋臂與下半橋臂各有一個功率器件發生短路故障，就相當于將電網短路，產生 很大的短路電流，會瞬間燒毀逆變器，甚至拉低電網或燒毀供電電源;如果有單個功率器件 發生短路故障或開路故障，則會導致電機負載工作于缺相狀態，相電流會大于正常工作情 況下的電流，而且發熱嚴重，長期工作會對電機帶來損傷。基于W上問題，能夠在系統啟動 前就得知系統故障狀態，W保證系統不在帶著故障情況下安全啟動。
【發明內容】
[0006] 要解決的技術問題
[0007] 本發明提出了一種Ξ相全橋逆變器的靜態故障診斷方法。
[000引技術方案
[0009] 一種Ξ相全橋逆變器的靜態故障診斷電路，其特征在于：在Ξ相全橋逆變器的基 本拓撲上添加了四個并聯的電阻分壓網絡和一個母線電流采樣電阻，每一個電阻分壓網絡 由Ξ個電阻Rxi、Rx2與Rx3組成，其中X = l，2,3,4;并且每一組電阻分壓網路的同一相應位置 處的電阻阻值相同，其中Ξ個電阻分壓網絡分別與逆變器的Ξ相并聯，還有一路并聯于母 線兩端。
[0010] -種利用所述的電路進行靜態Ξ相全橋逆變器短路故障診斷的方法，其特征步驟 如下：
[0011] 步驟1:將Ξ相全橋逆變器的六個功率器件的驅動信號全部置為無效狀態，確保功 率器件可靠關斷后，母線電壓再上電；
[0012] 步驟2:當母線電壓Ud上電后，進行全橋故障檢測，實時檢測母線電流采樣電阻兩 端的電壓值，當檢測到的電壓值化US值大于設定限定值Vth的Kg倍W上時，則認為Ξ相全橋逆 變器的上半橋臂與下半橋臂中同時至少有一個功率器件發生短路故障，結束故障檢測;反 之則認為Ξ相全橋逆變器的上半橋臂與下半橋臂中沒有同時出現功率器件發生短路故障；
[0013] 步驟3:當沒有檢測到Ξ相全橋逆變器的上半橋臂與下半橋臂中沒有同時出現功 率器件發生短路故障時，則接著檢測是否發生了單純的上半橋臂或下半橋臂短路故障:實 時采樣四路電阻分壓網路的輸出，當四路分壓網絡的輸出值都相同時，即Vl = V2 = V3 = Vref =(R43/(R"+R42+R43)Ud)時，則認為逆變器橋的六個功率器件都沒有發生短路故障，當四路 分壓網路的輸出中Ξ路和Ξ個橋臂并聯的分壓網絡輸出與母線并聯的網絡輸出不同時，貝U 上半橋臂或下半橋臂可能發生了短路故障；如果Vl = V2 = V3 = 0,而Vref=(R43/(R"+R42+R43) Ud )時，則說明下半橋臂功率管發生了短路故障，如果Vl = V2 = V3 = ( R43/ ( R42+R43 ) Ud )，而Vref = (R43/(R"+R42+R43)Ud)時，則說明上半橋臂功率管發生了短路故障，如下表所示：
[0014] 半橋臂短路故障診斷條件
[0015]
[0016] 表中表示運里在判定時不關注其值的大小，代表，實際測量值在此附 近，相對于Vref沒有明顯差異。
[0017] -種利用所述的電路進行靜態Ξ相全橋逆變器開路故障診斷的方法，其特征在于 步驟如下：
[0018] 步驟1:當確定沒有發生任何模式的短路故障時，將Ξ相全橋逆變器的六個功率器 件的驅動信號置為無效狀態，確保功率管可靠關斷狀態后，母線電壓再上電；
[0019] 步驟2:當母線電壓Ud上電，對每個功率器件進行開路故障診斷：首先確保待檢測 的功率器件的驅動信號為可靠關斷狀態，實時檢測Ξ個與Ξ相橋臂并聯的電阻分壓網絡的 輸出，根據開路故障診斷條件，針對待檢功率器件給予相應驅動信號，使其處于導通狀態； 如果驅動信號調整前Vl，V2，V3，Vref的輸出為Vl = V2 = V3 = Vref = (1?43八R41+R42+R43 ) Ud )，而調 整后Vl、V2W及V3的輸出發生變化，說明該功率管發生了開路故障；如果待檢功率器件處于 上半橋臂時，故障情況下的Vl、V2W及V3的輸出等于(R43/(R42+R43)Ud);如果待檢功率器件處 于下半橋臂時，故障情況下的Vi、V2W及V3的輸出等于0,具體的診斷條件和相應的驅動信號 的調整如下表所示，
[0020] 開路故障診斷條件
[0021]
[0022] 表中："一"表示運里在判定時不關注其值的大小，"S "代表，實際測量值在此附 近，相對于Vref沒有明顯差異。
[0023] 有益效果
[0024] 本發明提出的一種Ξ相全橋逆變器的靜態故障診斷的電路及診斷方法，設計了一 種用于Ξ相全橋逆變器的靜態故障診斷電路，只需要四個簡單的電阻分壓網絡W及一個直 接連接的采樣電阻，通過將分壓網路的輸出電壓與參考電壓進行比較，根據一些特殊的判 定規則，可W實現開路故障與短路故障的檢測與定位。利用該故障診斷電路的檢測方法適 用于系統開始運行之前。在該方法中，可W有效、可靠的在系統運行前就診斷出Ξ相全橋逆 變器中是否存在開路故障和短路故障，確保在系統啟動前就可W確定系統的故障狀態，當 檢測到發生故障，停機下電進行檢測，如果系統有針對Ξ相全橋逆變器的多余度設計，則可 W先進行余度切換，保證無故障啟動，同時也為之后的檢修提供的一定的參考，增強了系統 的安全性和維修性。
[0025] 本發明設及常用于工業中驅動的Ξ相全橋逆變電路的短路故障與開路故障的檢 測與定位，如可用于各種Ξ相負載對稱并阻抗小的電機驅動器系統中，具體設及用于無刷 直流電機或永磁同步電機的短路故障與開路故障的靜態檢測。本發明的故障檢測裝置由電 阻分壓網絡和母線電流采樣電阻組成，將電阻分壓網路與母線電流電阻的輸出送入信號處 理電路，信號處理電路的設計根據靜態Ξ相全橋逆變器短路故障診斷（1)和靜態Ξ相全橋 逆變器開路故障診斷（2)中的診斷邏輯進行設計。本發明的故障診斷方案可W實現在系統 運行前，對Ξ相全橋逆變器進行短路與開路故障的檢測，能夠在系統啟動前就得知系統的 故障狀態，當檢測到系統處于故障模態時，可W采用禁止系統啟動，或者如果系統有針對Ξ 相全橋逆變器的多余度設計，則可W進行余度切換，W保證系統無故障啟動。
【附圖說明】
[0026] 圖1Ξ相全橋逆變器靜態故障診斷的檢測電路
[0027] 圖2開路短路故障診斷電路
[0028] 圖3Ξ相全橋逆變器的靜態故障診斷方法流程圖
【具體實施方式】
[0029] 現結合實施范例、附圖對本發明作進一步描述：
[0030] 為了對Ξ相全橋逆變器的靜態故障診斷方法進行驗證，需要在原有的基礎硬件電 路上添加必要的檢測電路，如圖1所示。
[0031] 硬件檢測電路由檢測電路和信號調理電路組成，檢測電路就是在Ξ相全橋逆變器 的基本拓撲上添加了四個電阻分壓網絡和一個母線電流采樣電阻化US，每一個電阻分壓網 絡由Ξ個電阻組成(Rxi、Rx2與Rx3,其中義=1，2,3,4)，并且每一組電阻分壓網路的相應位置 其對應電阻阻值相同，具體事例中母線電壓為28V，考慮到后級運放電路的供電，通常采用 ±15V，因此可W選取Rxi = 5k、Rx2 = 10k、Rx3 = 5k，運里x=l，2,3,4,其中；個電阻分壓網絡 分別與逆變器的Ξ相并聯，還有一路并聯于母線兩端，檢測電路一共有五個信號輸出Vi，V2， V3，VrefW及Vbus，將五路信號送入開路短路故障檢測電路進行故障診斷。
[0032] 開路短路故障檢測電路通常有兩種具體實現方法:采用純模擬電路搭建和數字模 擬混合電路搭建。數字模擬混合電路，如圖1所示。采用運放搭建跟隨器、濾波器W及放大 器，將5路信號進行濾波，除去PWM斬波頻率對信號的影響，再對信號進行等比例縮放，W適 合于后級數字處理器中的AD采樣量程，在數字處理器內采用程序方式進行故障檢測與判 定。而純模擬電路，如圖2所示，采用運放搭建跟隨器、濾波器W及比較器，將5路信號進行濾 波，除去PWM斬波頻率對信號的影響，再分別將Vl，V2，V3，與Vref送入比較器進行比較，同時將 Vbus與Kg*Vth在比較器中作比較，將四路比較結果送入邏輯口陣列，進行故障檢測與判定。
[0033] Ξ相全橋逆變器的靜態故障診斷方法的流程圖如圖3所示：
[0034] 靜態Ξ相全橋逆變器短路故障診斷：
[0035] 步驟1:將Ξ相全橋逆變器的六個功率器件的驅動信號全部置為無效狀態，確保功 率器件可靠關斷后，母線電壓再上電；
[0036] 步驟2:當母線電壓Ud上電后，進行全橋故障檢測，實時檢測母線電流采樣電阻兩 端的電壓值，當檢測到的電壓值化