一种基于电流的三相逆变器开路故障检测方法

摘要

本发明公开了一种基于电流的三相逆变器开路故障检测方法，首先从电机驱动控制系统中获取电机三相电流in，再对三相电流的周期平均值和绝对值的周期平均值做加权处理，并进行归一化处理得到检测变量dn，然后将检测变量dn与预设阀值ki进行比较，得到三相逆变器的故障指示Dn，再根据故障指示Dn在故障定位表中定位发生开路故障的逆变器开关管。这种方法简单且易实行，适合集成到控制系统中。

说明书

技术领域

本发明属于三相逆变器故障检测技术领域，更为具体地讲，涉及一种基于 电流的三相逆变器开路故障检测方法。

背景技术

随着电机调速系统在工业应用中的广泛使用，调速系统的安全性问题愈益 成为人们关注的焦点。电机驱动系统作为调速系统的重要组成部分，其可靠性 对调速系统的安全运行至关重要。然而电机驱动系统的可靠性主要受三相逆变 器功率器件的影响，为了提高调速系统的安全性，对三相逆变器的故障进行实 时有效的检测和定位，并应用相应的容错控制显得不可或缺。

三相逆变器的功率器件故障，可归结为短路故障和开路故障。短路故障由 于存在的时间极短而难以被检测，因此，在工程上多采用硬件电路来进行保护。 开路故障不会导致系统马上停机而是继续故障运行，这种非正常运行状态会增 加剩余功率组件的电压和电流压力，如不及时诊断并加以消除，可能引起二次 故障，最终给系统带来巨大的损害。

针对三相逆变器功率器件的开路故障，目前的主要研究方向之一是基于电 流的检测方法，如图1所示，基于电流的逆变器开关管开路故障检测方法步骤 如下：

(1)计算三相电流和三相期望电流的差：

其中，n取a、b、c，三相期望电流由dq轴期望电流和经过坐标变换 所得，具体变换如下：

$\left(\begin{array}{c}{i}_{\alpha }^{*}\\ i_{\beta }^{*}\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cc}\cos \left(\theta \right)& -\sin \left(\theta \right)\\ \sin \left(\theta \right)& \cos \left(\theta \right)\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}{i}_d^{*}\\ i_d^{*}\end{array}\right),\left(\begin{array}{c}{i}_a^{*}\\ i_b^{*}\\ i_c^{*}\end{array}\right)=\sqrt{\frac{2}{3}}\left(\begin{array}{cc}1& 0\\ -\frac{1}{2}& \frac{\sqrt{3}}{2}\\ -\frac{1}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{i}_{\alpha }^{*}\\ i_{\beta }^{*}\end{array}\right)$

(2)计算检测变量d_n：

$d_n=\frac{<e_n>}{<\left|i_n\right|>}$

其中，<e_n>为三相电流误差e_n的周期平均值，<|i_n|>为三相电流i_n的绝对值的周 期平均值，n取a、b、c。正常情况下，<e_n>≈0，所以d_n≈0。在逆变器故障时， 电机三相电流会发生变化，导致三相电流与三相期望电流的差e_n产生变化，从而 使检测变量d_n产生变化，因此可以通过检测变量d_n的值来判断故障。

(3)判断并定位具体的开路故障：

表1 是逆变器故障判断表。其中，k_f为预设阀值。

表1

但是以上基于电流的故障检测方法存在以下缺点：

(1)只能检测和定位逆变器单个开关管开路故障，而不能检测多个开关管 同时发生开路故障的情况，若要检测多管开路故障，则必须增加额外的检测变 量，使方法复杂，计算较多；

(2)用到的三相期望电流i_n^*需要进行两次坐标变换才能得到，将增加运算 量，使检测较慢。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于电流的三相逆变器 开路故障检测方法，实现了三相逆变器开路故障的快速检测和定位，为系统的 故障处理提供准确可靠的依据。

为实现上述发明目的，本发明一种基于电流的三相逆变器开路故障检测方 法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)、从电机驱动控制系统中获取电机三相电流i_n(n＝a、b、c)；

(2)、根据电机三相电流i_n计算各相检测变量d_n(n＝a、b、c)

$d_n=\frac{3(<|i_n|>-2<i_n>)}{<\left|i_a\right|>+<\left|i_b\right|>+<\left|i_c\right|>}$

其中，

$<i_n>=\frac{w}{2\pi }\underset{0}{\overset{\frac{2\pi }{w}}{\int }}{i}_n\mathrm{dt}$

$<\left|i_n\right|>=\frac{w}{2\pi }\underset{0}{\overset{\frac{2\pi }{w}}{\int }}\left|i_n\right|\mathrm{dt}$

其中，<i_n>为三相电流i_n的周期平均值，<|i_n|>为三相电流i_n的绝对值的周期平 均值，w表示电机的定子电流角频率；

(3)、将检测变量d_n与预设的阀值k_i(i＝1,2,3,4)进行比较，得到故障指示 D_n(n＝a、b、c)：

$D_n=\left(\begin{array}{cc}N& d_n<k_1\\ M& k_1\le d_n<k_2\\ O& k_2\le d_n<k_3\\ P& k_3\le d_n<k_4\\ Q& d_n\ge k_4\end{array}\right)$

(4)、根据故障指示D_n在故障定位表中查找发生开路故障的逆变器开关管。

本发明的发明目的是这样实现的：

本发明基于电流的三相逆变器开路故障检测方法，首先从电机驱动控制系 统中获取电机三相电流i_n，再对三相电流的周期平均值和绝对值的周期平均值做 加权处理，并进行归一化处理得到检测变量d_n，然后将检测变量d_n与预设阀值k_i进行比较，得到三相逆变器的故障指示D_n，再根据故障指示D_n在故障定位表中 定位发生开路故障的逆变器开关管。这种方法简单且易实行，适合集成到控制 系统中。

同时，本发明基于电流的三相逆变器开路故障检测方法还具有以下有益效 果：

(1)、本发明可以准确定位出27种逆变器开路故障，为系统进一步的故障 处理提供有效的依据；

(2)、与现有技术相比，本发明不需要引入额外的检测变量和软件算法， 仅仅对采集的三相电流进行处理，具有整体运算量小，检测和定位出故障的速 度快等特点；

(3)、电机转速变化或负载变化对检测变量波动影响不大，因此通过合理 设置检测变量阀值可避免误报故障。

附图说明

图1是现有技术中基于电流的三相逆变器开路故障检测方法流程图；

图2是本发明基于电流的三相逆变器开路故障检测方法流程图；

图3是电机三相电流和检测变量d_n的波形图；

图4是电机转速变化过程中，电机三相电流和检测变量d_n的波形图；

图5是电机负载变化过程中，电机三相电流和检测变量d_n的波形图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更 好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设 计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

实施例

图2是本发明基于电流的三相逆变器开路故障检测方法流程图。

在本实施例中，如图2所示，本发明基于电流的三相逆变器开路故障检测 方法，包括以下步骤：

(1)、从电机驱动控制系统中获取电机三相电流i_n(n＝a、b、c)；

(2)、根据电机三相电流i_n计算各相检测变量d_n(n＝a、b、c)

$d_n=\frac{3(<|i_n|>-2<i_n>)}{<\left|i_a\right|>+<\left|i_b\right|>+<\left|i_c\right|>}$

其中，

$<i_n>=\frac{w}{2\pi }\underset{0}{\overset{\frac{2\pi }{w}}{\int }}{i}_n\mathrm{dt}$

$<\left|i_n\right|>=\frac{w}{2\pi }\underset{0}{\overset{\frac{2\pi }{w}}{\int }}\left|i_n\right|\mathrm{dt}$

其中，<i_n>为三相电流i_n的周期平均值，<|i_n|>为三相电流i_n的绝对值的周期平 均值，w表示电机的定子电流角频率；正常情况下，三相电流i_n的周期平均值 <i_n>≈0，所以d_n≈1；

在本实施例中，如图2所示，本发明仅仅需要采集电机三相电流i_n，与现有 技术相比，如图1所示，省去了三相期望电流的获取，使检测方法更为简单。

(3)、将检测变量d_n与预设的阀值k_i(i＝1,2,3,4)进行比较，得到故障指示 D_n(n＝a、b、c)：

$D_n=\left(\begin{array}{cc}N& d_n<k_1\\ M& k_1\le d_n<k_2\\ O& k_2\le d_n<k_3\\ P& k_3\le d_n<k_4\\ Q& d_n\ge k_4\end{array}\right)$

(4)、根据故障指示D_n在故障定位表2中查找发生开路故障的逆变器开关 管。

故障序号 开路故障的开关管 D_aD_bD_c0 正常 0 0 0 1 T1 P M 0 2 T2 N P 0 3 T3 0 P M 4 T4 0 N P 5 T5 M 0 P 6 T6 P 0 N 7 T1，T2 M 0 0 8 T3，T4 0 M 0 9 T5，T6 0 0 M 10 T1，T4 P N 0 11 T2，T3 N Q 0 12 T1，T6 Q 0 N 13 T2，T5 N 0 P 14 T3，T6 0 P N 15 T4，T5 0 N Q 16 T1，T3，[T6] P P N 17 T2，T4，[T5] N N Q

18 T3，T5，[T2] N P P 19 T4，T6，[T1] Q N N 20 T1，T5，[T4] P N P 21 T2，T6，[T3] N Q N 22 T1，T2，(T3|T6) M Q N 23 T1，T2，(T4|T5) M N Q 24 T3，T4，(T1|T6) Q M N 25 T3，T4，(T2|T5) N M Q 26 T5，T6，(T1|T4) Q N M 27 T5，T6，(T2|T3) N Q M

表2

其中，[Tx]表示开关管Tx可能正常或发生开路故障；(Tx|Ty)表示开关管Tx 和Ty中至少有一个发生开路故障；x、y表示开关管序号。

如表2所示，故障定位表中存放有27中逆变器开路故障，以及每种逆变器 开路故障所对应的各相故障指示D_n，因此根据故障指示D_n就可以检测定位出27 种三相逆变器开路故障。

实例

在本实施例中，设三相交流异步电机额定功率1.1kW，额定转速1390rpm， 额定转矩7.6Nm,额定电流2.89A，检测变量阀值k₁＝-0.3，k₂＝0.3，k₃＝1.8，k₄＝3.3。

图3是电机三相电流和检测变量d_n的波形图。

在本实施例中，如图3所示，电机在额定转速、50％额定负载下，在时间t＝2s 时，T1发生开路故障；在t＝2.2s时，T1和T2同时发生开路故障；在t＝2.4s时， T1、T2和T3同时发生开路故障；具体如下：

当t＝1.8～2s时：

如图3(a)所示，电机相电流i_a为对称的正弦波，则d_a≈1，故障指示D_a＝0； 如图3(b)所示，电机相电流i_b为对称的正弦波，则d_b≈1，故障指示D_b＝0；如 图3(c)所示，电机相电流i_c为对称的正弦波，则d_c≈1，故障指示D_c＝0；根据 故障定位表2可见没有开关管发生开路故障，三相逆变器正常工作；

当t＝2～2.2s时：

如图3(a)所示，电机相电流i_a出现负半波，在t＝2.035s时，1.8＜d_a＜3.3， 得到故障指示D_a＝P；如图3(b)所示，在t＝2.035s时，-0.3＜d_b＜0.3，得到故 障指示D_b＝M；如图3(c)所示，在t＝2.035s时，0.3＜d_c＜1.8，得到故障指示D_c＝0； 根据故障定位表2，定位出开关管T1发生开路故障；

当t＝2.2～2.4s时：

如图3(a)所示，电机相电流i_a接近于零，在t＝2.24s时，-0.3＜d_a＜0.3，得 到故障指示D_a＝M；如图3(b)所示，在t＝2.24s时，0.3＜d_b＜1.8，得到故障指 示D_b＝0；如图3(c)所示，在t＝2.24s时，0.3＜d_c＜1.8，得到故障指示D_c＝0； 根据故障定位表2，定位出开关管T1和T2同时发生开路故障；

当t＝2.4～2.6s时：

如图3(a)所示，电机相电流i_a接近于零，在t＝2.423s时，-0.3＜d_a＜0.3， 得到故障指示D_a＝M；如图3(b)示，i_b出现负半波，在t＝2.423s时，d_b＞3.3， 得到故障指示D_b＝Q；如图3(c)所示，i_c出现正半波，在t＝2.423s时，d_c＜-0.3， 得到故障指示D_c＝N；根据故障定位表2，定位出开关管T1、T2以及T3和T6 中至少一个同时发生开路故障。

在电机的实际运行过程中，转速或负载会发生变化，电机三相电流也会发 生变化。本发明是基于电机三相电流来进行故障检测的，但是电机转速变化或 负载变化对检测变量波动影响不大，不会发生误报故障的现象。

图4是电机在额定负载下转速变化过程中电机三相电流和检测变量d_n的波 形图。

在本实施例中，t＝1～1.2s，电机转速为600rpm；t＝1.2s，电机转速开始升为 900rpm；t＝1.6s，电机转速开始降为额定转速600rpm。在整个转速变化过程中， 如图4(a)、图4(b)、图4(c)所示，虽然故障检测变量d_a、d_b、d_c会在小范 围内波动，但是不会偏离正常值太多甚至超过阈值，不会产生误报故障的现象。

图5是电机在额定转速下负载变化过程中电机三相电流和检测变量d_n的波 形图。

在本实施例中，t＝1.4～1.6s，系统没有加载，为空载状态；t＝1.6s，系统突然 加载的电机额定负载；t＝2s，系统突然变载为空载状态。在整个负载变化过程中， 如图5(a)、图5(b)、图5(c)所示，虽然故障检测变量d_a、d_b、d_c会在小范 围内波动，但是不会偏离正常值太多甚至超过阈值，不会产生误报故障的现象。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域 的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对 本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定 的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发 明创造均在保护之列。