逆變器故障診斷方式研討論文
電壓檢測法主要是通過(guò)比較故障前后電機相電壓、線(xiàn)電壓、中性點(diǎn)電壓或者逆變器功率管兩端電壓的不同來(lái)對故障進(jìn)行識別和診斷。文獻[9]中的電壓檢測法只能用于開(kāi)環(huán)系統；文獻[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[11-13]中嘗試采用智能算法對故障進(jìn)行診斷，但也只針對單個(gè)IGBT開(kāi)路故障進(jìn)行診斷。上述功率管開(kāi)路診斷方法一般只能對單管或者部分雙管IGBT開(kāi)路故障進(jìn)行診斷，不利于對同時(shí)發(fā)生2只功率管開(kāi)路故障情況下的正確診斷。根據某IGBT開(kāi)路故障后將不能通過(guò)其輸出正功率的情況，文章提出了通過(guò)檢測各相電流正負半波部分對應的功率，進(jìn)而反映各IGBT的工作狀況的故障診斷方法。在Matlab/Simulink中搭建了異步電機供電的三相電壓源逆變器的模型，通過(guò)模擬各種IGBT開(kāi)路故障測試所提出方法的有效性。
IGBT開(kāi)路故障診斷原理
單個(gè)IGBT發(fā)生開(kāi)路故障的情形導致IGBT功率管開(kāi)路故障的原因主要有器件破裂、綁定線(xiàn)斷裂或焊接脫落、驅動(dòng)信號丟失或電路失效[3]，或者任由IGBT短路也可導致IGBT燒毀而形成開(kāi)路故障[14]。IGBT開(kāi)路后將導致其不能正常導通，在IGBT不是因燒毀而開(kāi)路的情況下，還可以通過(guò)其反并聯(lián)的二極管向直流側回流。列車(chē)上的輔助逆變器的主電路拓撲結構如圖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(kāi)路故障。在該假定下，我們可將IGBT開(kāi)路故障大致分為單管故障和2管故障。下面就將對這2種故障后的電流流向和做功情況進(jìn)行詳細分析，以找出能夠明確區分正常和故障的特征，實(shí)現對IGBT開(kāi)路故障的識別和定位。A相上側IGBT開(kāi)路后電流途徑如圖2所示，i代表流過(guò)A相橋臂的電流。假如逆變器在正常運行情況下，A相剛好流過(guò)正半波的電流(簡(jiǎn)稱(chēng)正電流)，這時(shí)電流將通過(guò)T1和T2的反并聯(lián)二極管流通。但當T1發(fā)生開(kāi)路故障后，電流將只能通過(guò)T2上的反并聯(lián)二極管向直流側電源反送電流，如圖2中的箭頭線(xiàn)所示，此后，故障相的電流將會(huì )很快衰減為零。如果流過(guò)的是負半波電流，則在電流過(guò)零點(diǎn)之前故障對逆變器工作沒(méi)有影響。此后，逆變器的A相將不能通過(guò)T1流出正半波電流，其對應的功率將為0。如果在另外兩相的作用下有正半波電流出現的話(huà)，也將是通過(guò)下側IGBT的反并聯(lián)二極管從負極流出，形成向直流側充電的情形，則此時(shí)正半波電流對應的功率將為負值。同理可以得出，當T2開(kāi)路時(shí)，電流負半波部分(簡(jiǎn)稱(chēng)負電流)對應的功率也將為0或者為負。根據以上分析，可以得出：如果上側IGBT發(fā)生故障，則正半波電流對應的功率將為0或者為負；如果下側IGBT發(fā)生開(kāi)路故障，負半波電流對應的功率將會(huì )為0或者為負。但對于正常的IGBT，反應其輸出功率情況的正負半波電流功率都為正。
2個(gè)IGBT同時(shí)發(fā)生開(kāi)路故障的情形2個(gè)IGBT開(kāi)路故障的情形又可以分為3類(lèi)：同一橋臂的上下2個(gè)IGBT故障(如T1、T2)、2個(gè)橋臂的異側2個(gè)IGBT故障(如T1、T4)、2個(gè)橋臂的同側2個(gè)IGBT故障(如T1、T3)。對于前2種故障類(lèi)型，故障后每個(gè)IGBT的表現和單個(gè)IGBT故障后的表現類(lèi)似，即發(fā)生開(kāi)路的IGBT對應半波電流功率為0或者為負。而對于第3種情況，即其中2個(gè)橋臂的同側2個(gè)IGBT發(fā)生故障，因為三相對稱(chēng)調制的緣故，第3相的2個(gè)IGBT即使是正常的，它們當中與故障IGBT對側的IGBT也將不會(huì )流過(guò)電流。如功率管T1、T3同時(shí)發(fā)生開(kāi)路故障，則功率管T6中將沒(méi)有負半波的電流。因為如果有電流的話(huà)，此電流也將是通過(guò)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)和直流側的負極接通，這樣將無(wú)法繼續形成電流，所以C相的負半波電流對應的功率也將為0。
通過(guò)以上的分析，可以得出以下結論：1）每相電流的正、負半波部分對應的功率分別反映了該相橋臂的上下側IGBT的工作狀況。當某相橋臂的上側IGBT發(fā)生開(kāi)路故障將會(huì )導致該相的正半波電流對應的功率為0或者為負，下側IGBT開(kāi)路故障將會(huì )造成負半波電流對應的功率為0或者為負。對于正常的IGBT，反映其輸出功率情況的正負半波電流功率都為正。2）在2個(gè)IGBT發(fā)生開(kāi)路故障的情形中有1個(gè)特例，即2個(gè)橋臂的同側2個(gè)IGBT同時(shí)開(kāi)路時(shí)，第3相中對側的IGBT也將會(huì )表現出和開(kāi)路功率管一樣的特征，即其對應的半波電流的功率將為0。由以上分析可知，可以通過(guò)檢測每相正負半波電流對應的功率來(lái)對IGBT開(kāi)路故障進(jìn)行診斷。若某相一個(gè)周期的正半波電流對應功率小于閥值S，則說(shuō)明上管發(fā)生故障，一個(gè)周期負半波電流對應功率小于閥值S，就說(shuō)明下管發(fā)生故障。對于上面提到的特例，可以明確地判斷出同側的2個(gè)IGBT發(fā)生了開(kāi)路故障，第3相中也將會(huì )有1個(gè)IGBT被判為故障，應該將其剔除。因此，可以通過(guò)下面的步驟來(lái)對IGBT開(kāi)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(lái)分別記錄當前周期三相6個(gè)正負半波電流對應的功率，這里可通過(guò)下面的數值方法計算得到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(shuō)明l相的上側IGBT發(fā)生開(kāi)路故障；如果Pl<S，則說(shuō)明這一相的下側IGBT發(fā)生開(kāi)路故障。如果判斷出有2個(gè)橋臂的同側2個(gè)IGBT出現開(kāi)路故障，第3個(gè)橋臂中也被判為故障的IGBT應該被剔除，因為這里假定最多只有2個(gè)IGBT同時(shí)發(fā)生開(kāi)路故障。
利用以上方法對逆變器的IGBT開(kāi)路故障進(jìn)行診斷，將不受負荷波動(dòng)和調制方式的影響，適合于各種恒壓恒頻(constantvoltageandconstantfrequency，CVCF)的逆變電源做功率管開(kāi)路故障診斷；并且因為是利用功率作為判據來(lái)檢測故障，所以需要在帶有負荷的情況下發(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，此后如果加入負載，待穩定后也能給出正確的診斷結果。因此本方法非常適合于列車(chē)輔助逆變器這類(lèi)在工作時(shí)一直帶有負荷的逆變器做開(kāi)路診斷使用。另外，根據檢測的原理可知，用該方法檢測故障的時(shí)間在1個(gè)周期以?xún)取?/p>
仿真驗證
試驗條件。在Matlab/Simulink里搭建了一個(gè)閉環(huán)控制的SPWM調制三相逆變器模型，接上一臺SimPowerSystems工具箱里面預制的異步電機，對各種單管/雙管IGBT開(kāi)路故障進(jìn)行模擬，根據得到的數據利用本文所提出的方法進(jìn)行診斷。這里所有的IGBT開(kāi)路故障都是通過(guò)移除其對應的驅動(dòng)信號來(lái)實(shí)現，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(xiàn)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(kāi)路故障。圖4是在A(yíng)相上側IGBT發(fā)生開(kāi)路故障情況下仿真得到的三相電流波形，圖5為各相電流正負半波部分各自對應的功率。t0.2s時(shí)帶上負載；t0.28s時(shí)，A相橋臂上側IGBT引入開(kāi)路故障。由圖4可以看出，故障發(fā)生后，A相基本上沒(méi)有正半波電流流出，只出現負半波電流。由圖5可明顯看到，故障后，A相正半波電流對應的功率不斷減小，直至近似為0，當其小于所設置的閥值S后，就能被立即被檢測出來(lái)。除了A相正半波電流對應的功率近似于0之外，其他半波電流對應的功率都大于0，因此可以明確地識別出故障，由前面的'理論分析可判斷出是A相橋臂的上側IGBT出現開(kāi)路故障。由圖5可知，從故障發(fā)生到其對應的功率減為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。
同一橋臂的上下2個(gè)IGBT發(fā)生開(kāi)路故障。同樣在0.2s開(kāi)始加入負載，但在0.28s時(shí)在A(yíng)相橋臂的上下2個(gè)IGBT上都引入開(kāi)路故障。T1、T2同時(shí)開(kāi)路的三相電流波形、各相電流正負半波部分對應的功率分別如圖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，向直流側回送電流，因為是以向直流側充電的形式回流，所以另外兩相的電流也必須增大以補充這個(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，A相的正負半波電流所對應的功率都從正開(kāi)始減小至0，接著(zhù)往下變?yōu)樨撝�。故障后不到半個(gè)周期T1故障即被檢測到，T2故障也在1個(gè)周期的時(shí)間內被檢測到。
不同橋臂上的2個(gè)IGBT發(fā)生開(kāi)路故障。如圖8所示，t0.2s時(shí)，異步電機加上負載，t0.3s時(shí)移除了T1和T3的驅動(dòng)信號，這種情況對應的就是上面提到的那個(gè)特例，即在2個(gè)橋臂的同側2個(gè)IGBT發(fā)生開(kāi)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)檢測故障的發(fā)生，否則將會(huì )引起過(guò)流過(guò)熱等危害正常IGBT和電機的情況發(fā)生。T1、T3開(kāi)路時(shí)各相電流正負半波部分對應的功率如圖9所示。由圖9可知，在故障發(fā)生后的1個(gè)周期內，A、B相的正半波電流對應的功率都逐漸減小至近似為0，T6雖然沒(méi)有出現故障，但C相的負半波電流的功率也隨著(zhù)減小為0，跟前面的理論分析結果一致。圖中T1、T3故障檢測的時(shí)間都小于1個(gè)周期。其他各種單個(gè)/2個(gè)IGBT的開(kāi)路故障也被測試過(guò)，其結果都與理論分析一致。這些故障也都能夠在1個(gè)周期內被檢測和定位到。
結論
針對逆變器中IGBT功率管存在的開(kāi)路故障，提出了基于IGBT輸出功率的逆變器IGBT開(kāi)路故障診斷方法。通過(guò)詳細分析，得出了每相正負半波電流對應的功率反映了各IGBT的輸出功率的結論，基于此可以通過(guò)檢測各相電流正負半波部分對應的功率來(lái)對IGBT開(kāi)路故障進(jìn)行正確診斷。該方法具有以下優(yōu)點(diǎn)：1）能夠對各種單管/雙管IGBT開(kāi)路故障進(jìn)行檢測，并能準確定位發(fā)生開(kāi)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，本方法適用于各種調制方式的逆變器，并且可靠性高。3）故障發(fā)生后的一個(gè)周期內就能做出準確診斷，因此可以做到在線(xiàn)診斷。
【逆變器故障診斷方式研討論文】相關(guān)文章：
幾何紋樣革新方式研討論文05-26
高職生職業(yè)素養教育方式研討的論文11-20
兒童闌尾炎判別方式研討論文12-05
輸電阻塞管控方式研討論文05-22
商業(yè)銀行綜合經(jīng)營(yíng)方式研討論文12-06
智能故障診斷技術(shù)淺析論文12-03
物理教學(xué)研討的論文10-14