矩阵变换器开路故障分析及诊断方法

王莉娜，朱鸿悦



矩阵变换器开路故障分析及诊断方法

王莉娜，朱鸿悦

(北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院，北京，100191)

矩阵变换器(MC)故障开关的可靠诊断和定位是故障隔离技术和故障后容错技术高效实现的基础。基于矩阵变换器−永磁同步电机(MC-PMSM)系统仿真平台，定性分析MC中功率开关开路故障影响区间以及MC-PMSM系统故障表现，并提出一种新颖的MC开关开路故障诊断方法—调制误差电流法。故障诊断算法分2步实现：第1步利用电机电流与MC输出电流的绝对差值诊断故障相，缩小故障开关定位范围；第2步结合MC开关调制信号定位故障开关的具体位置。仿真结果验证所提出的故障诊断算法的实时性和可靠性，并能够在电机调速和负载突变等非稳定情况下有效避免误诊断。

矩阵变换器；开路故障；故障分析；故障诊断

相较于传统AC-DC-AC型变换器，矩阵变换器(Matrix converter, MC)具有诸多突出优点[1]。近30年来，随着技术难点的逐步突破，MC越来越受到国内外学者的关注[2−6]，也因其具有质量小、结构紧凑、有潜力拥有较长的使用寿命等特点，逐渐被应用于航空、军事等对质量、体积具有较高要求的领域[7]，这些领域对MC的可靠性亦提出了较高的要求。具有故障自诊断能力是MC高可靠运行和故障后容错控制的基础，在此背景之下，研究MC故障诊断方法具有十分重要的意义。目前，对电力变换器故障诊断方法的研究多集中于AC-DC-AC型变换器中的逆变器，至今已有近20种IGBT开路故障诊断方法和10余种IGBT短路故障诊断方法[8−12]。但由于MC与逆变器拓扑结构截然不同，逆变器的故障诊断技术并不适用于MC。虽已有不少学者开展了MC故障保护技术研究[13−14]，但MC故障诊断技术无论在国内还是国外都仍处于初步发展阶段，可供参考的文献较少。Cruz等[15]提出了基于电压检测的MC开路故障诊断算法，并在之后进行了改进和优化[16]，该算法将相电压误差与开关调制信号结合，通过含有开关位置信息的故障诊断信号对故障开关进行诊断和定位。该方法需要同时计算9个调制误差电压信号，计算量较大，诊断时间约为输入电源周期的1/8。Kwak等[17]提出了基于线电压误差调制信号的MC开路故障诊断方法，但该方法需要通过2个线电压误差调制信号才能确定1个双向开关的故障信息。以上基于电压检测的MC开路故障诊断法，需在输入侧和输出侧额外安装多个电压传感器，即使硬件电路设计复杂，又增加了成本。为解决此问题，许多学者陆续提出了基于电流检测的MC开关开路故障诊断法。Gruz等[18]提出的故障诊断算法仅适用于Venturini调制法控制的MC，不适用于感性负载，局限性较大。Potamianos等[19]对输出电流进行离散小波变换和模糊推理，并结合输入电压扇区对故障开关进行定位，故障诊断算法复杂，实时性欠佳。Nguyen-Duy等[20]针对MC-PMSM矢量控制系统，通过电机电流及其参考值和输入线电压扇区进行故障定位，该方法诊断阈值的确定基于时间量，诊断结果准确性受调速范围和负载的影响较大。Khwan-on等[21]结合MC输出电流、箝位电容电流和开关调制信号，可诊断MC中1个或多个开关的开路故障，诊断实时性较好，但需要同时处理9个调制电流信号，还需对箝位电容电流的故障信号进行分离，计算量较大。为简化故障诊断信号处理算法和计算复杂程度，本文作者在定性分析MC各开关的故障影响区间、详细阐述MC-PMSM系统故障表现的基础上，依据各相电机电流和MC输出电流的绝对差值，提出一种基于调制误差电流的MC开关开路故障诊断和定位方法，采用先诊断故障相后定位故障开关的分步诊断步骤，最小化干扰信号的影响，并能克服负载敏感性的问题，具有较好的诊断实时性和可靠性。仿真结果验证了故障诊断方法有效、可行。

1 MC功率开关开路故障分析

单级MC由9个双向开关构成，每个双向开关通常由2个带续流二极管的IGBT反串联组成。功率开关最常见的故障为短路故障和开路故障。对于短路故障，可考虑在功率开关中植入快速熔丝，将其转化为开路故障进行诊断[16]，故本文只讨论MC中的功率开关开路故障情况。

MC系统拓扑结构如图1所示。任一功率开关开路有3种形式：

1) 双向开关开路。

2) 双向开关中顺向开关开路。

3) 双向开关中逆向开关开路。

其中：电流由MC流向负载为顺向，反之为逆向。

图1 MC-PMSM系统拓扑结构图

假设某双向开关的顺向开关开路，PWM信号控制该故障开关作用期间，当其所在输出相电流Y＞0 A (从MC流向负载定义为电流的正方向)，电流通路将被阻断，该输出相开路(称为故障相)，相应电机相绕组中的能量通过箝位电路释放，故障相电流通过箝位电路续流并逐渐减小，而该相MC输出电流突降为0 A。而当Y＜0 A时，电流通过逆向开关和顺向开关的反并联二极管流通，顺向开关开路对系统运行没有影响。因此，顺向开关开路对系统产生影响的区间为其连接的输出相电流为正向时；逆向开关开路对系统产生影响的区间为其连接的输出相电流为负向时；双向开关开路将在其连接的输出相电流的整个周期内对系统产生影响。

MC系统的故障表现不仅与故障时刻的电流方向有关，还与此时参与调制的输入线电压有关。以间接空间矢量(Indirect SVPWM)调制策略为例，分析MC中故障开关的影响区间。MC等效为虚拟的整流级和逆变级，虚拟直流电压在每个调制周期内将2个较大输入线电压按有效矢量占空比进行合成。虚拟直流侧电压区间划分如图2所示。

图2 MC虚拟直流侧电压

以A＞0 A时，双向开关Aa的顺向开关发生开路故障为例分析故障特征。

若故障区间位于12-3以外的区间，例如区间6-9。由于此时输入电压a＜0，开路故障将在，闭环控制调节减小A时对系统产生影响。在故障情况下，输出A相电压等于箝位电容负端电压，A的幅值虽因调制负向电压而减小，但由于，其减小值较无故障情况下大；一旦A减小至满足条件，闭环控制将在下一周期控制或导通，使A恢复。因此，在该区间内，闭环控制的调节作用使故障开关的作用时间较短，A幅值在故障开关作用时间内可能有一定程度减小。相较于故障区间位于12-3的情况，开路故障对三相电流的影响程度较小，系统故障表现较不显著。对于其他区间可进行同理分析。

综合以上，当A＞0 A时，称区间12-3为的“故障显著区间”，区间12-3以外的区间为的“故障非显著区间”。同理可分析其他开关的故障区间，见表1。

表1 故障开关影响区间

为直观分析开关开路故障情况下MC系统故障表现，基于MATLAB/Simulink环境搭建MC-PMSM矢量控制系统。采用d=0矢量控制技术，MC-PMSM系统控制结构如图3所示，系统仿真参数见表2。其中MC的功率开关参数依据共射极连接IGBT模块SK60GM123设定。图4所示为在“故障显著区间”发生开路故障的MC-PMSM系统故障表现。

图3 MC-PMSM系统控制结构图

(a) 正向输入线电压；(b) 电机电流；(c) 转速；(d) 转矩；(e) dq轴电流；(f) A相电压；(g) 箝位电流；(h) 箝位电容电压

表2 MC-PMSM系统仿真参数

由图4可见：MC-PMSM系统在=121.7 ms之前无故障稳定运行。三相电机电流和MC输出电流正弦度良好；轴电流波形平稳；电机负载转矩和转速稳定跟踪给定值；箝位电容两端电压基本恒定；箝位电流除因短时换流失败产生的瞬时电流尖峰外几乎为0 A，表明MC与PMSM之间能量正常流动，MC输出电流与电机电流基本相等。

由图4(c)，(d)和(e)可见：PMSM在MC开路故障开关作用期间无法稳定运行，轴电流、负载转矩以及电机转速都出现了较大幅度波动。故障相绕组能量通过箝位电路释放使得箝位电流在一段时间内不为0 A，如图4(g)所示，与正常工作时因换流瞬时失败造成的短路电流相比，故障差值电流的持续时间更长。如图4(f)所示，故障开关作用期间，输出相电压A不等于输入电压a，而与箝位电容负端电压V相等，A的极性和幅值改变导致了MC开关控制紊乱，进一步恶化了MC运行性能。同时，如图4(h)所示，箝位电容端电压也随着故障时间的持续而逐渐升高，故障相电压相应升高，进而导致故障相上其他健康开关承受的电压峰值升高。因此，对开关的开路故障进行及时诊断和隔离十分必要。

(a) 正向输出入线电压；(b) 电机电流；(c) 故障时刻三相电机电流和MC输出电流；(d) 故障后的控制信号

同理可分析当A＜0 A，逆向开关开路故障时，系统的故障表现与开路时的故障表现互补。而双向开关Aa开路故障时，系统的故障表现可等效为开路故障表现和开路故障表现的叠加。其他开关开路故障时系统的故障表现亦可同理分析。

2 MC开路故障诊断方法

2.1 MC输出故障相诊断

式中：MCY为MC输出电流；Y为电机电流。两电流检测点分别位于输出侧箝位电路接入点前后。流入箝位电容的电流与三相误差电流有如下关系：

(a)(b)

但是，实际MC-PMSM系统运行过程中，受换流延时、电流采样误差以及MC-PMSM系统不稳定运行状态等因素的干扰，使得即使健康相对应的ΔY也不严格为0 A，应考虑非理想因素对故障相诊断结果准确性的影响。

间接空间矢量调制算法通过计算4个有效矢量和零矢量的作用时间对MC进行控制，但是计算得出的有效矢量作用时间，有时小于换流时间，此时箝位电路中将流过因换流策略无法完全执行而产生瞬时短路电流，使得这一很短时间内ΔY＞0 A，但其持续时间不大于换流延时。因此，为避免换流失败引起的瞬时短路电流尖峰干扰，通过下式进行故障判定：

另一方面，MC-PMSM系统在转速调节和负载突变等动态调节过程中，以及开关开路故障时健康相电流畸变程度较大的情况下，剧烈波动的转速或者电流也可能引起短时。但在这些过程中，MC与PMSM之间的电流通路均未被阻断，MC各相输出电流MCY的幅值和对应Y的幅值在时间内存在偏差，但未降落为0 A。而因开关开路故障导致时间内，MC输出故障相电流。因此，通过式(4)故障判定，能够有效避免系统非稳态情况下的误诊断。

式中：为大于0的较小值，实际应用中设定得略大于采样误差。

综合MC故障相诊断分析，通过式(3)和式(4)的故障条件判定，MC故障相诊断结果可在故障发生时间后输出指示信号。

2.2 MC故障开关定位

MC故障相的有效诊断将故障开关定位范围由9个双向开关缩小为故障相上的3个双向开关，避免了Gruz等[16]和Khwan-On等[21]提出方法中零矢量作用时同一输入相上的开关同时导通对故障开关定位的干扰，简化了故障诊断信号处理算法，减少了计算量。

虽然MC故障相诊断过程中已排除因换流延时导致的瞬时短路电流干扰，但调制误差电流由于引入了开关信息，开关非理想通断特性和电流采样延时等影响作用仍然存在，基于电流采样和开关控制信号的中含有许多高频成分，对进行1个控制周期时间的积分以尽量消除高频信号的干扰。

式中：为诊断出故障相的时刻；积分时间s为PWM的调制周期。

积分周期s内，比较故障相上顺向开关或逆向开关对应的3个调制误差电流信号，，和中最大值对应的Yx为故障开关。由上述可知，开关开路故障诊断时间为。故障开关定位利用基本的开关控制信号和电流采样信号，与MC采用何种调制策略并无关系，因此，故障诊断算法的实现不受到MC控制策略的制约。

3 故障诊断方法有效性分析

为验证本文提出的MC开路故障诊断方法的有效性和可靠性，在MATLAB/Simulink环境中搭建的MC-PMSM系统仿真平台中，仿真下列情况的故障诊断结果。MC采用双边对称的零矢量中置调制算法，调制周期为100 μs，系统采样周期为2 μs，仿真算法为ode23tb。MC-PMSM系统参数见表2。

3.1 开关故障区间位于“故障显著区间”

在无故障情况下，PMSM在转速=1 000 r/min，负载转矩l=30 N∙m条件下稳定运行，MC输出频率66.67 Hz。设定诊断阈值=10 μs，=0.05 A，=0.2 A。开关在=121.7 ms发生开路故障。MC故障相诊断及故障开关定位结果如图7所示。

(a) 输出相故障指示信号；(b) A相电机电流、MC输出电流及误差电流；(c) B相电机电流、MC输出电流及误差电流；(d) C相电机电流、MC输出电流及误差电流；(e) 开关开路故障指示信号；(f) 调制误差电流积分波形

本文提出的故障诊断方法在“故障显著区间”能够准确诊断故障相和定位故障开关。

3.2 开关故障区间位于“故障非显著区间”

(a) 输出相故障指示信号；(b) A相电机电流、MC输出电流及误差电流；(c) B相电机电流、MC输出电流及误差电流；(d) C相电机电流、MC输出电流及误差电流；(e) 开关开路故障指示信号；(f) 调制误差电流积分波形

本文提出的故障诊断方法即使在系统故障表现不显著的情况下也能准确定位故障。

3.3 MC-PMSM系统处于非稳态情况

电机驱动系统中，电机调速和负载突变等非稳定状态不可避免，有效可靠的故障诊断方法应能避免动态调节过程中的误诊断。对于本文提出的MC开路故障诊断方法，故障相判定条件式(3)和(4)能够有效克服负载敏感性问题，进而避免故障开关误诊断。诊断结果如图9所示，其中，PMSM运行于转速=1 200 r/min，负载转矩l=20 N∙m条件下，在=70 ms减速为800 r/min，在=130 ms加速为1 000 r/min，如图9(a)；PMSM运行于转速=1 000 r/min，l=20 N∙m条件下，在=190 ms突加40 N∙m负载，在=250 ms突减20 N∙m负载，如图9(f)所示。故障诊断阈值δ=10 μs，=0.05 A，=0.2 A。

(a),(b),(c),(d),(e) 电机调速情况；(f),(g),(h),(i),(j) 负载突变情况

由图9(d)和(i)可见：电机调速，负载突变以及该段时间内的换流延时均可能导致三相误差电流瞬时不为0，但在此过程中，故障诊断阈值和的约束有效避免了非稳定状态和换流过程产生的干扰信号。由图9(e)和(j)可见：输出相故障指示信号不动作。本文提出的故障诊断方法有效避免了系统非稳态情况下的误诊断。

4 结论

1) 故障诊断算法基于MC系统的电流检测，不受限于MC采用何种控制策略，诊断算法简单。

2) 故障诊断算法分步实现，最大程度减少开关信号中高频分量的干扰，减少计算量。

4) 故障诊断方法在MC-PMSM系统故障表现不显著的情况下，也能够及时定位故障；在电机调速和负载突变等非稳定情况下，能够克服负载敏感性问题，避免误诊断，具有较高的可靠性。

5) 提供了MC故障诊断的有效算法，可作为故障隔离以及容错控制的基础。

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(编辑 陈爱华)

Analysis and diagnosis method of open-circuit faults in matrix converter

WANG Lina, ZHU Hongyue

(School of Automation Science and Electrical Engineering, Beihang University, Beijing 100191, China)

Reliable diagnosis and location of matrix converter failure switch is the basis for efficient implementation of fault isolation and fault-tolerant technology. Based on the simulation platform of MC-PMSM system, an analytical work concerning the affected interval of open-circuit switches in MC and faulty behaviors of MC-PMSM system was presented. A new method for detecting and identifying open-circuit switch was proposed. The algorithm based on modulated error current was implemented in two stages: In the first stage, the faulty phase was diagnosed by measuring the differential values between motor currents and MC output currents, which reduced the range of possible faulty switches from nine to three. In the second stage, the MC switch modulated signals were combined to locate faulty switch. The validity and reliability of the proposed method were verified by the simulation results, which demonstrates that the strategy can avoid misdiagnosis under the unstable situations.

matrix converter(MC); open-circuit fault; fault analysis; fault diagnosis

10.11817/j.issn.1672-7207.2015.06.020

TM341；TM46

A

1672−7207(2015)06−2118−10

2014−06−13；

2014−08−20

国家自然科学基金资助项目(50807002)；电力系统国家重点实验室资助项目(SKLD10KM05)(Project (50807002) supported by the National NaturalScience Foundation of China; Project (SKLD10KM05) supported by Open Project of National Key Laboratory of Power System)

王莉娜，博士，副教授，从事电力电子与电机控制方面研究；电话：010-82318966；E-mail：wangln@buaa.edu.cn