一种三相桥式PWM整流器开关管开路故障诊断方法

摘要

本发明公开了一种三相桥式PWM整流器开关管开路故障诊断方法，属于三相交直流变换领域。本发明为解决现有诊断方案存在的多管故障诊断不准确、鲁棒性差等问题。所述方法利用三相桥式PWM整流器中任一开关管开路故障时故障相网侧电流出现为零区域这一特征，从三相网侧电流中提取电流相角，根据电流相角变化量和电网相角实现故障检测和定位。本发明公开的方法，对于三相桥式PWM整流器中单个和多个开关管同时开路故障均能实现有效诊断，软件算法简单，无需增加硬件电路，对系统瞬变状态鲁棒性高。

说明书

技术领域

本发明公开了一种用于三相桥式PWM整流器的开关管开路故障诊断方法，属于三相交直流变换领域。

背景技术

相比于传统的不控整流或相控整流方案，三相桥式PWM整流器具有直流电压可控、可实现单位功率因数、网侧电流谐波小以及能量可以双向流动等优点，在中、大功率场合得到了广泛应用。随着功率变换器的大规模使用，对其故障进行实时、高效诊断逐渐成为研究热点。调查显示，约38％的功率变换系统故障是由于功率开关器件失效引起，主要包括短路故障和开路故障。对于短路故障，由于其会瞬间造成系统中其他正常的元件因过压或过流损坏，必须迅速实施保护措施降低损害，通常只有硬件保护电路可以满足快速性；另一方面，故障现象表现为大幅度的过压或过流，故障检测和保护实施方便。开关管开路故障不会导致系统关机，但变换器长期工作在异常状态，可能引起二次故障。为了避免二次故障的发生，以及能与容错控制策略相结合以提高系统的可靠性，目前大部分文献针对变换器的开关管开路故障诊断展开研究。

近年来，对功率变换器的故障诊断研究集中于三相电机驱动器(三相桥式逆变器)，并已形成较完整的理论体系。根据诊断变量不同，开路故障诊断方法可分为电流诊断法和电压诊断法。电流诊断法基于开路故障后的三相电流畸变情况，对三相电流进行处理以提取故障信息，无需附加硬件电路。电压诊断法通过检测电路中的一些电压信号，如桥臂中点电压，根据故障前后的误差实现诊断，诊断时间短，独立于负载和控制策略，具有较高的可靠性，但需要采用电压传感器或其它硬件电路检测电压信号，系统成本和复杂性提高，实际应用价值不高。

三相桥式逆变器在开关管开路故障时，故障相网侧电流在半个电网周期内完全缺失，而对于三相PWM整流器，在同样的开关管开路故障下，由于续流二极管的存在，整流器电流不会被完全阻断，使得整流器和逆变器的电流故障现象不同。因此，电流矢量轨迹斜率法、电流矢量瞬时频率法、平均电流PARK矢量法等基于电流PARK矢量的诊断方法不适用于三相PWM整流器。“简单电流法”根据开关管开路故障后相电流平均值不为零实现故障诊断，由于三相电流大小随负载变化而变化，该方法难以在全功率范围内选取合适的比较阈值，且在负载突变时可能造成假报警。为了消除负载依赖性，“归一化直流法”利用相电流离散傅里叶变换的基波系数对三相电流进行归一化，该方法计算量大。“标幺化均值法”采用电流PARK矢量模长对三相电流进行归一化，简化算法；通过检测直流侧中点和交流侧中点间电压诊断来消除负载突变对诊断的影响，但是需要增加一个电压传感器。此外，上述方法均只考虑了单个开关管开路故障模式，当发生多管故障时，可能出现故障管定位错误或无法检测出故障。从可靠性角度考虑，只研究单管开路故障不够全面，有必要对多管同时开路的故障模式进行研究。有方案提出采用电流相角导数进行故障检测，对负载突变实现了良好的抗误报警能力，采用归一化的相电流平均绝对值的误差进行故障定位，能实现多管故障检测，但是检测与定位分两步实现，算法复杂。

综上所述，现有文献和专利给出的三相桥式PWM整流器开关管开路故障诊断方法，从实现多管开路故障诊断、减小硬件成本、实现算法简单、对系统瞬态的高鲁棒性等多方面评估还有许多不足。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述背景技术的不足，提出一种用于三相桥式PWM整流器的开关管开路故障诊断方法。

本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：

基于电流相角的三相桥式PWM整流器开关管开路故障诊断方法，包括如下步骤：

步骤1.采集三相电网电压e_a、e_b、e_c，经锁相环得到电网电压相角θ_v。

步骤2.采集三相网侧电流i_a、i_b、i_c，经坐标变换得到网侧电流相角θ_i，计算电流相角变化量Δθ_i。

步骤3.将电流相角变化量Δθ_i与设定的阈值Th比较，判断是否有开关管开路故障发生。当Δθ_i＞Th，无故障；当Δθ_i＜Th，有故障，执行步骤4。

步骤4.根据表1初步定位发生开路故障的开关管。首先，判断此时的θ_v在表1中对应的区域；其次，判断此时的θ_i与表1中的理论值是否相符。

表1

开关管>θ_v区域>θ_i值>S₁[π/2，5π/6]>π/2>S₂[-π/2，-π/6]>-π/2>S₃[-5π/6，-π/2]>-5π/6>S₄[π/6，π/2]>π/6>S₅[-π/6，π/6]>-π/6>S₆[-π，-5π/6]，[5π/6，π]>5π/6>

步骤5.故障管S_X定位成功后，对应的故障计数器count[X]++。当count[X]累加至设定事件计数值N，判定故障诊断成功，S_X为故障管。清零计数器。

所述三相桥式PWM整流器开关管开路故障诊断方法中，步骤2具体包括如下步骤：

步骤2-1.对三相网侧电流做CLARK变换得到两相静止坐标系下的分量i_α、i_β。

$>\left(\begin{array}{c}{i}_{\alpha }=\frac{2}{3}{i}_a-\frac{1}{3}(i_b+i_c)\\ i_{\beta }=\frac{1}{\sqrt{3}}(i_b-i_c)\end{array}\right)---\left(1\right)$>

步骤2-2.计算网侧电流相角θ_i。

$>{\theta }_i={\tan }^{-1}\left(\frac{i_{\beta }}{i_{\alpha }}\right)---\left(2\right)$>

步骤2-3.将两次采样周期计算得的θ_i相减，得到电流相角变化量Δθ_i。

本发明采用上述技术方案，可以对三相桥式PWM整流器实现单个开关管开路或多个开关管同时开路故障的故障诊断，并精确定位到具体的故障开关管。该方案基于DSP编程，算法简单易实现，无需增加额外的硬件成本。由于电流相角不受负载大小影响，比较阈值通用性高，负载突变时不会造成误诊断，鲁棒性高。

附图说明

图1为本发明所述三相桥式PWM整流器主电路拓扑示意图；

图2为本发明所述三相桥式PWM整流器及其故障诊断方法控制框图

图3为本发明所述三相桥式PWM整流器A相桥臂示意图；

图4为本发明所述三相桥式PWM整流器S₁开路故障下的相关工作波形图；

图5为本发明所述故障诊断方法的算法流程图；

图6为本发明所述故障诊断方法的仿真结果。

图中标号说明：S₁～S₆为第一至第六开关管，D₁～D₆为第一至第六续流二极管，L为三相滤波电感，C_f为直流侧滤波电容，R_L为直流负载。i_d、i_d^*为有功电流给定和反馈，i_q和i_q^*为无功电流给定和反馈，e_d、e_q为电网电压d轴和q轴分量。

具体实施方式

下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明：

图1为本发明所述三相桥式PWM整流器主电路拓扑示意图。第一至第六开关管S₁～S₆为a、b、c三相桥臂功率管，D₁～D₆为第一至第六续流二极管，L为三相滤波电感，C_f为直流侧滤波电容，R_L为直流负载，e_a、e_b、e_c为三相电网电压，i_a、i_b、i_c为三相网侧电流，参考方向如图，U_dc为直流侧输出电压，O为交流侧中点，N为直流侧负极。

图2为本发明所述三相桥式PWM整流器系统及其故障诊断方法的控制框图。所基于的系统包括连接电网与直流侧负载间的三相PWM整流器拓扑单元以及与整流器拓扑单元相连接的控制单元。其中，整流器控制单元包括实现直流侧输出稳压的电压环、网侧电流控制的电流环以及与电流环连接的SVPWM单元。

图3为本发明所述三相桥式PWM整流器A相桥臂示意图。整流器正常工作时，输入电压u_ga为正半周时，A相网侧电流i_a＞0，i_a只有两个通路，如图3(a)所示。开关管S₂导通、S₁关断时，i_a通过S₂给滤波电感L储能；S₂关断、S₁导通时，i_a通过二极管D₁续流，S₁和D₂不参与工作。输入电压u_ga为负半周时，有i_a＜0，电流i_a的两个通路如图3(b)所示，S₁导通时，i_a通过S₁给滤波电感L储能；S₁关断时，i_a通过二极管D₂续流，S₂和D₁不参与工作。

图4为本发明所述三相桥式PWM整流器S₁开路故障下的相关工作波形。i_a＜0时电流畸变明显，只在特定区域有电流；直流侧输出电压产生明显的脉动，脉动频率为输入电网频率f。定义t_a时刻i_a由正值减小到零，t_b时刻i_a开始有负向电流，t_c时刻i_a由负值增大到零，t_d时刻i_a开始有正向电流，即i_a＝0的区域为：区域1[t_a，t_b]，区域2[t_c，t_d]。

正常状态下，三相桥式PWM整流器的电压方程为

$>\left(\begin{array}{c}{e}_a=L\frac{{\mathrm{di}}_a}{\mathrm{dt}}+(u_{\mathrm{AN}}+u_{\mathrm{NO}})\\ e_b=L\frac{{\mathrm{di}}_b}{\mathrm{dt}}+(u_{\mathrm{BN}}+u_{\mathrm{NO}})\\ e_c=L\frac{{\mathrm{di}}_c}{\mathrm{dt}}+(u_{\mathrm{CN}}+u_{\mathrm{NO}})\end{array}\right)---\left(1\right)$>

整流器工作在单位功率因数状态，因此，在[-π/2，π/2]内有e_a＞0、i_a＞0。开关管S₂导通时，输入电源通过S₂给滤波电感储能；S₂关断时，i_a通过二极管D₁续流。S₁不参与工作，因此S₁开路故障不影响i_a正半周电流。[π/2，3π/2]区域，由于S₁开路故障，负向电流只能通过二极管D₂流通。理想状态下，忽略电感上的压降，D₂导通要满足以下条件：u_AN＜u_BN、u_AN＜u_CN。由式(1)可得，在[π/2，2π/3]区域，由于e_a＞e_c，则u_AN＞u_CN，D₂不可能导通，i_a近似为0；同理，在[4π/3，3π/2]区域，由于e_a＞e_b，则u_AN＞u_BN，D₂不可能导通，i_a近似为0；在[2π/3，4π/3]区域，满足e_a＜e_b和e_a＜e_c，D₂可以导通，i_a有负向电流。

因此，开关管开路故障导致故障相的网侧电流在某些区域近乎为零。开关管S₂～S₆开路故障时，也有类似分析，表1给出任一开关管开路故障时对应故障相电流为零的区域。

表1

开关管>区域1>区域2>S₁[π/2，2π/3]>[-2π/3，-π/2]>S₂[-π/2，-π/3]>[π/3，π/2]>S₃[-5π/6，-2π/3]>[0，π/6]>S₄[π/6，π/3]>[-π，-5π/6]>S₅[-π/6，0]>[2π/3，5π/6]>S₆[5π/6，π]>[-π/3，-π/6]>

采用电流矢量相角θ_i作为故障诊断变量，可以将三相电流包含的故障信息集中于一个变量；同时，电流相角θ_i不受负载大小影响。

采用电流传感器实时采样三相PWM整流器的三相网侧电流i_a、i_b、i_c，根据坐标变换原则，三相电流在αβ两相静止坐标系下可以表示为：

$>\left(\begin{array}{c}{i}_{\alpha }=\frac{2}{3}{i}_a-\frac{1}{3}(i_b+i_c)\\ i_{\beta }=\frac{1}{\sqrt{3}}(i_b-i_c)\end{array}\right)---\left(2\right)$>

电流矢量相角θ_i为：

$>{\theta }_i={\tan }^{-1}\left(\frac{i_{\beta }}{i_{\alpha }}\right)---\left(3\right)$>

三相PWM整流器正常稳定运行时，电流矢量幅值一定，以电网频率旋转，相角θ_i从-π到π变化。因此，一个开关周期内，电流相角的变化量Δθ_i为定值

$>{\mathrm{\Delta \theta }}_i=2\pi \frac{f}{f_s}---\left(4\right)$>

开关管开路故障时，故障相网侧电流在特定区域近似为零在电流相角图上的表现为：电流相角θ_i在某些区域不变，Δθ_i＝0。根据表1得到理想状态下任一个开关管开路故障时的电流相角存在两个Δθ_i＝0的区域：区域1、区域2，且每个开关管对应的区域互不相同。

考虑系统参数对网侧电流畸变情况的影响，以及多管同时开路故障时三相电流会相互影响，在滤波电感L较小、输出电压U_dc较低、电网频率f较高或多管同时故障时，会出现区域2减小甚至不存在，区域1左移或右移，与其他开关管的检测区域2重合。因此，采用区域1、2定位故障管准确性很低。

综合考虑，选取表2所示区域作为检测Δθ_i＝0的区域，并结合θ_i值的判断，最终确定故障。表2中的检测区域包含表1中的区域1，并向右扩展π/6区域，防止区域1右移时检测不到，如S₁、S₄同时开路时；结合θ_i值进行双重判断，防止由其它管故障造成Δθ_i＝0时出现定位错误。每个开关管对应的检测区域相互独立，且θ_i值不同，因此，该诊断方法在多管同时开路故障下适用。

表2

开关管>θ_v区域>θ_i值>S₁[π/2，5π/6]>π/2>S₂[-π/2，-π/6]>-π/2>S₃[-5π/6，-π/2]>-5π/6>S₄[π/6，π/2]>π/6>S₅[-π/6，π/6]>-π/6>S₆[-π，-5π/6]，[5π/6，π]>5π/6>

图5为本发明所述故障诊断方法的算法流程图。实时计算电流相角变化量Δθ_i，当Δθ_i低于阈值Th时，表明检测到故障，开始定位故障。从锁相环获取此时的电压相角θ_v，通过判断θ_v的值在表2中对应的检测区域，以及θ_i与表2中的理论值是否相符，初步确定故障管。如果故障管对应的计数器累加至事件计数值N，判定故障发生。检测到故障后，所有计数器清零。采用事件计数值N，可以消除采样偏差、系统噪声等偶然事件造成的误诊断。

理想状态下，每个开关管故障对应的检测区域占1/12的基波周期，因此，诊断时间为

$>T_d=\frac{N}{f_s/\left(12f\right)}T=12·\frac{N}{f_s}---\left(5\right)$>

诊断时间与采样频率f_s、事件计数值N有关。M权值越大，检测时间越长，但是抗干扰性能越高，误诊断率越低，因此需折衷考虑。

比较阈值Th计算方法如下

Th＝K·Δθ_i(6)

式中，K为比较系数，取值范围为0～1，K值越高，诊断到故障的概率提高，但诊断准确性降低，根据经验取K＝0.3。根据式(4)、(6)，比较阈值Th的设置只与采样频率f_s、电网频率f有关，不受负载大小的影响，因此，在全功率范围内Th的取值均适用，无需动态调整。

图6为本发明所述整流器开关管开路故障诊断方法应用于S₂单管开路故障和S₁、S₅同时开路故障时，三相网侧电流、电压相角θ_v、电流相角θ_i的仿真波形。图6(a)为开关管S₂开路故障，故障发生后，电流i_a正半周出现近似为0的区域，对应到相角图上为[-π/2，-π/6]区域Δθ_i≈0、θ_i≈-π/2，图中用阴影标出，与表2相符。图6(b)为开关管S₁、S₅同时开路故障，故障发生后，电流i_a、i_c负半周出现近似为0的区域，对应到相角图上为[π/2，5π/6]区域Δθ_i≈0、θ_i≈π/2，[-π/6，π/6]区域Δθ_i≈0、θ_i≈-π/6，图中用阴影标出，与表2相符。因此，上述诊断方法可以对单管开路和多管同时开路故障实现故障诊断。

综上所述：本发明采用上述技术方案，可以对三相桥式PWM整流器实现单个开关管开路或多个开关管同时开路故障的故障诊断，并精确定位到具体的故障开关管。该方案基于DSP编程，算法简单易实现，无需增加额外的硬件成本。由于电流相角不受负载大小影响，比较阈值通用性高，负载突变时不会造成误诊断，鲁棒性高。