開路故障論文：逆變器故障診斷方式研討

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本文作者：賞吳俊、何正友、胡海濤、母秀清、林建輝 單位：西南交通大學(xué)

電壓檢測(cè)法主要是通過比較故障前后電機(jī)相電壓、線電壓、中性點(diǎn)電壓或者逆變器功率管兩端電壓的不同來對(duì)故障進(jìn)行識(shí)別和診斷。文獻(xiàn)[9]中的電壓檢測(cè)法只能用于開環(huán)系統(tǒng)；文獻(xiàn)[10]中的方法雖然診斷時(shí)間短，但需要增加一些額外的電子元器件；文獻(xiàn)[11-13]中嘗試采用智能算法對(duì)故障進(jìn)行診斷，但也只針對(duì)單個(gè)IGBT開路故障進(jìn)行診斷。上述功率管開路診斷方法一般只能對(duì)單管或者部分雙管IGBT開路故障進(jìn)行診斷，不利于對(duì)同時(shí)發(fā)生2只功率管開路故障情況下的正確診斷。根據(jù)某IGBT開路故障后將不能通過其輸出正功率的情況，文章提出了通過檢測(cè)各相電流正負(fù)半波部分對(duì)應(yīng)的功率，進(jìn)而反映各IGBT的工作狀況的故障診斷方法。在Matlab/Simulink中搭建了異步電機(jī)供電的三相電壓源逆變器的模型，通過模擬各種IGBT開路故障測(cè)試所提出方法的有效性。

IGBT開路故障診斷原理

單個(gè)IGBT發(fā)生開路故障的情形導(dǎo)致IGBT功率管開路故障的原因主要有器件破裂、綁定線斷裂或焊接脫落、驅(qū)動(dòng)信號(hào)丟失或電路失效[3]，或者任由IGBT短路也可導(dǎo)致IGBT燒毀而形成開路故障[14]。IGBT開路后將導(dǎo)致其不能正常導(dǎo)通，在IGBT不是因燒毀而開路的情況下，還可以通過其反并聯(lián)的二極管向直流側(cè)回流。列車上的輔助逆變器的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1中：CT(currenttransformer)為電流互感器，PT(potentialtransformer)為電壓互感器，共有6只IGBT功率管(T1—T6)，這里假定最多有2只功率管同時(shí)發(fā)生開路故障。在該假定下，我們可將IGBT開路故障大致分為單管故障和2管故障。下面就將對(duì)這2種故障后的電流流向和做功情況進(jìn)行詳細(xì)分析，以找出能夠明確區(qū)分正常和故障的特征，實(shí)現(xiàn)對(duì)IGBT開路故障的識(shí)別和定位。A相上側(cè)IGBT開路后電流途徑如圖2所示，i代表流過A相橋臂的電流。假如逆變器在正常運(yùn)行情況下，A相剛好流過正半波的電流(簡(jiǎn)稱正電流)，這時(shí)電流將通過T1和T2的反并聯(lián)二極管流通。但當(dāng)T1發(fā)生開路故障后，電流將只能通過T2上的反并聯(lián)二極管向直流側(cè)電源反送電流，如圖2中的箭頭線所示，此后，故障相的電流將會(huì)很快衰減為零。如果流過的是負(fù)半波電流，則在電流過零點(diǎn)之前故障對(duì)逆變器工作沒有影響。此后，逆變器的A相將不能通過T1流出正半波電流，其對(duì)應(yīng)的功率將為0。如果在另外兩相的作用下有正半波電流出現(xiàn)的話，也將是通過下側(cè)IGBT的反并聯(lián)二極管從負(fù)極流出，形成向直流側(cè)充電的情形，則此時(shí)正半波電流對(duì)應(yīng)的功率將為負(fù)值。同理可以得出，當(dāng)T2開路時(shí)，電流負(fù)半波部分(簡(jiǎn)稱負(fù)電流)對(duì)應(yīng)的功率也將為0或者為負(fù)。根據(jù)以上分析，可以得出：如果上側(cè)IGBT發(fā)生故障，則正半波電流對(duì)應(yīng)的功率將為0或者為負(fù)；如果下側(cè)IGBT發(fā)生開路故障，負(fù)半波電流對(duì)應(yīng)的功率將會(huì)為0或者為負(fù)。但對(duì)于正常的IGBT，反應(yīng)其輸出功率情況的正負(fù)半波電流功率都為正。

2個(gè)IGBT同時(shí)發(fā)生開路故障的情形2個(gè)IGBT開路故障的情形又可以分為3類：同一橋臂的上下2個(gè)IGBT故障(如T1、T2)、2個(gè)橋臂的異側(cè)2個(gè)IGBT故障(如T1、T4)、2個(gè)橋臂的同側(cè)2個(gè)IGBT故障(如T1、T3)。對(duì)于前2種故障類型，故障后每個(gè)IGBT的表現(xiàn)和單個(gè)IGBT故障后的表現(xiàn)類似，即發(fā)生開路的IGBT對(duì)應(yīng)半波電流功率為0或者為負(fù)。而對(duì)于第3種情況，即其中2個(gè)橋臂的同側(cè)2個(gè)IGBT發(fā)生故障，因?yàn)槿鄬?duì)稱調(diào)制的緣故，第3相的2個(gè)IGBT即使是正常的，它們當(dāng)中與故障IGBT對(duì)側(cè)的IGBT也將不會(huì)流過電流。如功率管T1、T3同時(shí)發(fā)生開路故障，則功率管T6中將沒有負(fù)半波的電流。因?yàn)槿绻须娏鞯脑?，此電流也將是通過T2和T4中的反并聯(lián)二極管流通，這樣將會(huì)造成A、B、C相同時(shí)和直流側(cè)的負(fù)極接通，這樣將無法繼續(xù)形成電流，所以C相的負(fù)半波電流對(duì)應(yīng)的功率也將為0。

通過以上的分析，可以得出以下結(jié)論：1）每相電流的正、負(fù)半波部分對(duì)應(yīng)的功率分別反映了該相橋臂的上下側(cè)IGBT的工作狀況。當(dāng)某相橋臂的上側(cè)IGBT發(fā)生開路故障將會(huì)導(dǎo)致該相的正半波電流對(duì)應(yīng)的功率為0或者為負(fù)，下側(cè)IGBT開路故障將會(huì)造成負(fù)半波電流對(duì)應(yīng)的功率為0或者為負(fù)。對(duì)于正常的IGBT，反映其輸出功率情況的正負(fù)半波電流功率都為正。2）在2個(gè)IGBT發(fā)生開路故障的情形中有1個(gè)特例，即2個(gè)橋臂的同側(cè)2個(gè)IGBT同時(shí)開路時(shí)，第3相中對(duì)側(cè)的IGBT也將會(huì)表現(xiàn)出和開路功率管一樣的特征，即其對(duì)應(yīng)的半波電流的功率將為0。由以上分析可知，可以通過檢測(cè)每相正負(fù)半波電流對(duì)應(yīng)的功率來對(duì)IGBT開路故障進(jìn)行診斷。若某相一個(gè)周期的正半波電流對(duì)應(yīng)功率小于閥值S，則說明上管發(fā)生故障，一個(gè)周期負(fù)半波電流對(duì)應(yīng)功率小于閥值S，就說明下管發(fā)生故障。對(duì)于上面提到的特例，可以明確地判斷出同側(cè)的2個(gè)IGBT發(fā)生了開路故障，第3相中也將會(huì)有1個(gè)IGBT被判為故障，應(yīng)該將其剔除。因此，可以通過下面的步驟來對(duì)IGBT開路故障進(jìn)行診斷和定位。1）選用6個(gè)變量Plm(la、b、c；m、)，用來分別記錄當(dāng)前周期三相6個(gè)正負(fù)半波電流對(duì)應(yīng)的功率，這里可通過下面的數(shù)值方法計(jì)算得到Plm[15]。2）將步驟1）得出的6個(gè)功率值Plm與閥值S進(jìn)行比較，如果Pl<S，則說明l相的上側(cè)IGBT發(fā)生開路故障；如果Pl<S，則說明這一相的下側(cè)IGBT發(fā)生開路故障。如果判斷出有2個(gè)橋臂的同側(cè)2個(gè)IGBT出現(xiàn)開路故障，第3個(gè)橋臂中也被判為故障的IGBT應(yīng)該被剔除，因?yàn)檫@里假定最多只有2個(gè)IGBT同時(shí)發(fā)生開路故障。

利用以上方法對(duì)逆變器的IGBT開路故障進(jìn)行診斷，將不受負(fù)荷波動(dòng)和調(diào)制方式的影響，適合于各種恒壓恒頻(constantvoltageandconstantfrequency，CVCF)的逆變電源做功率管開路故障診斷；并且因?yàn)槭抢霉β首鳛榕袚?jù)來檢測(cè)故障，所以需要在帶有負(fù)荷的情況下發(fā)生故障才能進(jìn)行診斷。如果在空載情況下發(fā)生故障，也能夠反映并檢測(cè)到故障；但該情況下故障特征不明顯，容易造成正常功率管的誤診段，此后如果加入負(fù)載，待穩(wěn)定后也能給出正確的診斷結(jié)果。因此本方法非常適合于列車輔助逆變器這類在工作時(shí)一直帶有負(fù)荷的逆變器做開路診斷使用。另外，根據(jù)檢測(cè)的原理可知，用該方法檢測(cè)故障的時(shí)間在1個(gè)周期以內(nèi)。

仿真驗(yàn)證

試驗(yàn)條件。在Matlab/Simulink里搭建了一個(gè)閉環(huán)控制的SPWM調(diào)制三相逆變器模型，接上一臺(tái)SimPowerSystems工具箱里面預(yù)制的異步電機(jī)，對(duì)各種單管/雙管IGBT開路故障進(jìn)行模擬，根據(jù)得到的數(shù)據(jù)利用本文所提出的方法進(jìn)行診斷。這里所有的IGBT開路故障都是通過移除其對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)來實(shí)現(xiàn)，其反并聯(lián)的二極管仍然是連通的。仿真所用的三相電壓型逆變器輸出的線電壓為380V，頻率為50Hz，電壓和電流的采樣頻率為1600Hz。

單個(gè)IGBT開路故障。圖4是在A相上側(cè)IGBT發(fā)生開路故障情況下仿真得到的三相電流波形，圖5為各相電流正負(fù)半波部分各自對(duì)應(yīng)的功率。t0.2s時(shí)帶上負(fù)載；t0.28s時(shí)，A相橋臂上側(cè)IGBT引入開路故障。由圖4可以看出，故障發(fā)生后，A相基本上沒有正半波電流流出，只出現(xiàn)負(fù)半波電流。由圖5可明顯看到，故障后，A相正半波電流對(duì)應(yīng)的功率不斷減小，直至近似為0，當(dāng)其小于所設(shè)置的閥值S后，就能被立即被檢測(cè)出來。除了A相正半波電流對(duì)應(yīng)的功率近似于0之外，其他半波電流對(duì)應(yīng)的功率都大于0，因此可以明確地識(shí)別出故障，由前面的理論分析可判斷出是A相橋臂的上側(cè)IGBT出現(xiàn)開路故障。由圖5可知，從故障發(fā)生到其對(duì)應(yīng)的功率減為0的時(shí)間小于半個(gè)周期，也即檢出故障的時(shí)間在1個(gè)周期之內(nèi)。

同一橋臂的上下2個(gè)IGBT發(fā)生開路故障。同樣在0.2s開始加入負(fù)載，但在0.28s時(shí)在A相橋臂的上下2個(gè)IGBT上都引入開路故障。T1、T2同時(shí)開路的三相電流波形、各相電流正負(fù)半波部分對(duì)應(yīng)的功率分別如圖6、7所示。由圖6可知，故障發(fā)生后，A相的正負(fù)半波電流都存在，而且其值還較大，與此同時(shí)另外兩相的電流也增大了很多。因此只可能是這樣的情形，即A相橋臂上下2個(gè)IGBT中的反并聯(lián)二極管作為另外兩相電流的回流通道，向直流側(cè)回送電流，因?yàn)槭且韵蛑绷鱾?cè)充電的形式回流，所以另外兩相的電流也必須增大以補(bǔ)充這個(gè)回送功率。由圖7可知，在故障發(fā)生后的不到1個(gè)周期內(nèi)，A相的正負(fù)半波電流所對(duì)應(yīng)的功率都從正開始減小至0，接著往下變?yōu)樨?fù)值。故障后不到半個(gè)周期T1故障即被檢測(cè)到，T2故障也在1個(gè)周期的時(shí)間內(nèi)被檢測(cè)到。

不同橋臂上的2個(gè)IGBT發(fā)生開路故障。如圖8所示，t0.2s時(shí)，異步電機(jī)加上負(fù)載，t0.3s時(shí)移除了T1和T3的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，這種情況對(duì)應(yīng)的就是上面提到的那個(gè)特例，即在2個(gè)橋臂的同側(cè)2個(gè)IGBT發(fā)生開路故障的情形。由圖8可知，故障發(fā)生后三相電流的波形都出現(xiàn)很大的畸變，并且幅值增大到跟啟動(dòng)電流差不多大小的程度，此種情況需要能及時(shí)檢測(cè)故障的發(fā)生，否則將會(huì)引起過流過熱等危害正常IGBT和電機(jī)的情況發(fā)生。T1、T3開路時(shí)各相電流正負(fù)半波部分對(duì)應(yīng)的功率如圖9所示。由圖9可知，在故障發(fā)生后的1個(gè)周期內(nèi)，A、B相的正半波電流對(duì)應(yīng)的功率都逐漸減小至近似為0，T6雖然沒有出現(xiàn)故障，但C相的負(fù)半波電流的功率也隨著減小為0，跟前面的理論分析結(jié)果一致。圖中T1、T3故障檢測(cè)的時(shí)間都小于1個(gè)周期。其他各種單個(gè)/2個(gè)IGBT的開路故障也被測(cè)試過，其結(jié)果都與理論分析一致。這些故障也都能夠在1個(gè)周期內(nèi)被檢測(cè)和定位到。

結(jié)論

針對(duì)逆變器中IGBT功率管存在的開路故障，提出了基于IGBT輸出功率的逆變器IGBT開路故障診斷方法。通過詳細(xì)分析，得出了每相正負(fù)半波電流對(duì)應(yīng)的功率反映了各IGBT的輸出功率的結(jié)論，基于此可以通過檢測(cè)各相電流正負(fù)半波部分對(duì)應(yīng)的功率來對(duì)IGBT開路故障進(jìn)行正確診斷。該方法具有以下優(yōu)點(diǎn)：1）能夠?qū)Ω鞣N單管/雙管IGBT開路故障進(jìn)行檢測(cè)，并能準(zhǔn)確定位發(fā)生開路故障的IGBT。2）由于采用各個(gè)IGBT的輸出功率作為故障判據(jù)，本方法適用于各種調(diào)制方式的逆變器，并且可靠性高。3）故障發(fā)生后的一個(gè)周期內(nèi)就能做出準(zhǔn)確診斷，因此可以做到在線診斷。