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
電壓檢測法主要是通過比較故障前后電機相電壓、線電壓、中性點電壓或者逆變器功率管兩端電壓的不同來對故障進行識別和診斷。文獻[9]中的電壓檢測法只能用于開環(huán)系統(tǒng)；文獻[10]中的方法雖然診斷時間短，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行診斷，但也只針對單個IGBT開路故障進行診斷。上述功率管開路診斷方法一般只能對單管或者部分雙管IGBT開路故障進行診斷，不利于對同時發(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各相電流正負半波部分對應的功率，進而反映各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，通過模擬各種IGBT開路故障測試所提出方法的有效性。
IGBT開路故障診斷原理
單個IGBT發(fā)生開路故障的情形導致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、驅動信號丟失或電路失效[3]，或者任由IGBT短路也可導致IGBT燒毀而形成開路故障[14]。IGBT開路后將導致其不能正常導通，在IGBT不是因燒毀而開路的情況下，還可以通過其反并聯(lián)的二極管向直流側回流。列車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。下面就將對這2種故障后的電流流向和做功情況進行詳細分析，以找出能夠明確區(qū)分正常和故障的特征，實現(xiàn)對IGBT開路故障的識別和定位。A相上側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行情況下，A相剛好流過正半波的電流(簡稱正電流)，這時電流將通過T1和T2的反并聯(lián)二極管流通。但當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，故障相的電流將會很快衰減為零。如果流過的是負半波電流，則在電流過零點之前故障對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(xiàn)的話，也將是通過下側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，則此時正半波電流對應的功率將為負值。同理可以得出，當T2開路時，電流負半波部分(簡稱負電流)對應的功率也將為0或者為負。根據(jù)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)生開路故障，負半波電流對應的功率將會為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IGBT同時發(fā)生開路故障的情形2個IGBT開路故障的情形又可以分為3類：同一橋臂的上下2個IGBT故障(如T1、T2)、2個橋臂的異側2個IGBT故障(如T1、T4)、2個橋臂的同側2個IGBT故障(如T1、T3)。對于前2種故障類型，故障后每個IGBT的表現(xiàn)和單個IGBT故障后的表現(xiàn)類似，即發(fā)生開路的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個橋臂的同側2個IGBT發(fā)生故障，因為三相對稱調制的緣故，第3相的2個IGBT即使是正常的，它們當中與故障IGBT對側的IGBT也將不會流過電流。如功率管T1、T3同時發(fā)生開路故障，則功率管T6中將沒有負半波的電流。因為如果有電流的話，此電流也將是通過T2和T4中的反并聯(lián)二極管流通，這樣將會造成A、B、C相同時和直流側的負極接通，這樣將無法繼續(xù)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)生開路故障將會導致該相的正半波電流對應的功率為0或者為負，下側IGBT開路故障將會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IGBT發(fā)生開路故障的情形中有1個特例，即2個橋臂的同側2個IGBT同時開路時，第3相中對側的IGBT也將會表現(xiàn)出和開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，可以通過檢測每相正負半波電流對應的功率來對IGBT開路故障進行診斷。若某相一個周期的正半波電流對應功率小于閥值S，則說明上管發(fā)生故障，一個周期負半波電流對應功率小于閥值S，就說明下管發(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IGBT發(fā)生了開路故障，第3相中也將會有1個IGBT被判為故障，應該將其剔除。因此，可以通過下面的步驟來對IGBT開路故障進行診斷和定位。1）選用6個變量Plm(la、b、c；m、)，用來分別記錄當前周期三相6個正負半波電流對應的功率，這里可通過下面的數(shù)值方法計算得到Plm[15]。2）將步驟1）得出的6個功率值Plm與閥值S進行比較，如果Pl<S，則說明l相的上側IGBT發(fā)生開路故障；如果Pl<S，則說明這一相的下側IGBT發(fā)生開路故障。如果判斷出有2個橋臂的同側2個IGBT出現(xiàn)開路故障，第3個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IGBT同時發(fā)生開路故障。
利用以上方法對逆變器的IGBT開路故障進行診斷，將不受負荷波動和調制方式的影響，適合于各種恒壓恒頻(constantvoltageandconstantfrequency，CVCF)的逆變電源做功率管開路故障診斷；并且因為是利用功率作為判據(jù)來檢測故障，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(wěn)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輔助逆變器這類在工作時一直帶有負荷的逆變器做開路診斷使用。另外，根據(jù)檢測的原理可知，用該方法檢測故障的時間在1個周期以內。
仿真驗證
試驗條件。在Matlab/Simulink里搭建了一個閉環(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開路故障進行模擬，根據(jù)得到的數(shù)據(jù)利用本文所提出的方法進行診斷。這里所有的IGBT開路故障都是通過移除其對應的驅動信號來實現(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IGBT開路故障。圖4是在A相上側IGBT發(fā)生開路故障情況下仿真得到的三相電流波形，圖5為各相電流正負半波部分各自對應的功率。t0.2s時帶上負載；t0.28s時，A相橋臂上側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。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(xiàn)開路故障。由圖5可知，從故障發(fā)生到其對應的功率減為0的時間小于半個周期，也即檢出故障的時間在1個周期之內。
同一橋臂的上下2個IGBT發(fā)生開路故障。同樣在0.2s開始加入負載，但在0.28s時在A相橋臂的上下2個IGBT上都引入開路故障。T1、T2同時開路的三相電流波形、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回送功率。由圖7可知，在故障發(fā)生后的不到1個周期內，A相的正負半波電流所對應的功率都從正開始減小至0，接著往下變?yōu)樨撝?。故障后不到半個周期T1故障即被檢測到，T2故障也在1個周期的時間內被檢測到。
不同橋臂上的2個IGBT發(fā)生開路故障。如圖8所示，t0.2s時，異步電機加上負載，t0.3s時移除了T1和T3的驅動信號，這種情況對應的就是上面提到的那個特例，即在2個橋臂的同側2個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電流差不多大小的程度，此種情況需要能及時檢測故障的發(fā)生，否則將會引起過流過熱等危害正常IGBT和電機的情況發(fā)生。T1、T3開路時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雖然沒有出現(xiàn)故障，但C相的負半波電流的功率也隨著減小為0，跟前面的理論分析結果一致。圖中T1、T3故障檢測的時間都小于1個周期。其他各種單個/2個IGBT的開路故障也被測試過，其結果都與理論分析一致。這些故障也都能夠在1個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，基于此可以通過檢測各相電流正負半波部分對應的功率來對IGBT開路故障進行正確診斷。該方法具有以下優(yōu)點：1）能夠對各種單管/雙管IGBT開路故障進行檢測，并能準確定位發(fā)生開路故障的IGBT。2）由于采用各個IGBT的輸出功率作為故障判據(jù)，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)生后的一個周期內就能做出準確診斷，因此可以做到在線診斷。