基于三相电流残差的功率管多管开路故障诊断

2016-12-19王亚飞田子思葛兴来

电源学报 2016年6期

关键词：功率管开路相电流

王亚飞，田子思，葛兴来

（西南交通大学电气工程学院，成都市610031）

基于三相电流残差的功率管多管开路故障诊断

王亚飞，田子思，葛兴来

（西南交通大学电气工程学院，成都市610031）

牵引逆变器是电力牵引交流传动系统的重要组成部分，它的可靠性直接影响着机车的安全稳定运行，其主电路功率管（IGBT）是最易发生故障的部分。针对IGBT的多管开路故障，提出了一种基于三相电流残差的多管开路故障快速在线诊断方法；通过分析牵引逆变器在正常条件和各开路故障类型下的三相电流，得出了发生多管开路故障情况下的三相电流残差特征；利用控制系统中的电流给定信号重构参考三相电流与实测电流进行运算，并根据三相电流残差特征进行故障定位。最后给出了半实物实验结果，验证了该诊断方法能够快速实现IGBT单管及双管开路故障诊断，且不受闭环控制和负载扰动影响。

功率管开路故障；电流残差；多管故障

引言

随着我国铁路的迅速发展，电力牵引交流传动系统得到广泛应用。电力传动系统的核心是电力电子变流器，这是一个复杂的电子系统,容易发生故障，进而影响系统性能。研究表明，功率管是电力电子装置系统的最脆弱的结构［1］。由此，要保证电力牵引交流传动系统的正常运行，关键是要保证功率管的正常工作。通常功率管（常用IGBT）故障可以分为开路故障和短路故障两大类。短路故障包括开关管短路故障、反并联二极管短路故障以及由反并联二极管开路引发的功率管击穿短路故障（电感电流失去续流回路，产生瞬间高压击穿开关管）［2］，因其通常会导致瞬时过电流现象，从而可被IGBT驱动电路上已有保护方案，如串联熔断器等，及时动作，将故障切除。而开路故障，由于其造成的效果是IGBT不再导通，因此故障特征不明显，不易及时被发现，很可能在长时间运行后形成二次故障。

目前对IGBT开路故障的研究已有很多，根据选取的诊断变量可以分为如下两大类：（1）基于电流的诊断方法。文献［3］提出了对故障后的定子电流进行傅里叶变换，并根据定子电流归一化后的基波分量大小定位故障，但该方法只能适用于单个功率管开路的情况；文献［4］在正常和故障状态通过分析逆变器三相电流正负周期下对应的功率，进而达到故障诊断，但空载情况易出现误诊断；其他方法如：电流矢量瞬时频率方法［5］、负载电流分析法［6］、直流侧电流频谱分析法［7］、Hilbert变换法［8］、人工智能诊断系统［9-12］等。（2）基于电压的诊断方法。文献［13］提出了一种基于逆变器开关函数模型的开路故障诊断方法，该方法通过对比逆变器在正常和功率管开路故障时，输出三相电压、端电压以及线电压的变化，利用这些电压出现的偏差进行故障诊断，但只应用了开环控制下的单管故障；文献［14-16］提出了基于开关函数模型及运行模式分析的诊断法，根据正常和故障状态下功率开关管承受电压的不同，采用高速光耦等硬件电路进行单管和单桥臂的开路诊断。现有的文献中，很少有诊断方法关注实现多个IGBT开路故障定位，但是对于三相逆变器系统，由于IGBT数量比较多，对于双管故障的诊断也不可忽视。

传统的三相电流平均值法可以通过调整阈值实现对双管开路故障的诊断，但是诊断的灵敏程度要依赖于所设置的阈值,在阈值设置较小时,诊断会受变流器工作状况影响,在突加负载和突减负载时造成误诊断。而增大阈值则会导致诊断系统反应不灵敏，对于轻载或空载状况下的故障可能不动作，所以基于电流的故障故障诊断方法通常诊断时间至少需要一个基波周期。而基于电压的诊断方法可不受闭环控制策略及负载扰动的影响，但是需要在电路上额外增加传感器［17］。

本文通过分析对比逆变器在正常与开路故障状态下的三相电流，提取出单管开路故障时的三相电流残差特征量和多管故障时的三相电流绝对值均值特征量，在此基础上提出一种基于三相电流残差的逆变器IGBT开路故障诊断方法。通过半实物实验，证明了该方法能够快速实时在线故障诊断，兼顾了对各种单管和双管IGBT开路故障进行准确定位，同时又不受闭环控制和负载扰动影响。

1 逆变器单管开路故障特征分析

牵引逆变器常见主电路如图1所示，其拓扑结构包含6个IGBT开关管T1～T6和6个并联二极管D1～D6，直流侧母线电容电压Udc。

图1 牵引逆变器电路拓扑结构Fig.1 Topology of traction inverter circuit

以功率管T1为例，当T1发生开路故障时，主电路拓扑结构如图2所示。

图2 T1开路故障时主电路拓扑结构Fig.2 Topology of traction inverter circuit when T1is open-circuit

逆变器正常和T1开路故障时a相电流的流通路径如图3所示。定义三相电流流入异步电机绕组方向为正，反之为负，当电流由a点流向n点时，ia＞0；当电流由n点流向a点时，ia≤0。图中s1为开关管T1的开关状态，s1=1表示T1开通，s1=0表示 T1关断，s2～s6以此类推。T1发生开路故障后，它的驱动信号s1就始终为0，不能为1；而T2功率管以及b相和c相桥臂功率管的驱动信号均不受影响。

由图3可见，当ia＜0时，a相电流的流通路径包含T2或D1，其中T2为主要的流通路径，D1为续流路径。由于T2可正常开通，D1也可正常续流，故此时a相电流负半周期不受影响；当ia＞0时，a相电流的流通路径包含T1或D2，其中T1为主要的流通路径，D2为电流换向时的续流路径，但是由于T1开路故障，不能导通，尽管D2可正常续流，a相电流依然受到影响，不能正向增大，即此时a相电流正半周期基本为0，没有跟随控制系统的给定。

图3 正常和T1故障状态时a相电流的流通路径Fig.3 Path of phase-a current under normal condition and fault condition

图4是T1开路故障时牵引逆变器系统的三相电流波形，当t=3.48 s左右时，T1发生开路故障，a相电流没有正向流通路径，导致其正半周期基本为0，且这段时间内的b相和c相电流发生畸变，谐波增大。而a相电流的负向流通路径不受T1开路故障影响，故此时的三相电流正常。可见发生IGBT单管故障后，在半个基波周期内三相电流将出现不平衡，与理论分析结论相同。

图4 T1开路故障时三相电流波形Fig.4 Waveforms of three-phase current when T1is open-circuit

对于这一现象，可以利用控制系统中dq轴指令电流生成三相参考电流，与测量的三相电流进行对比，得到三相电流残差en，来指示故障的发生。

对于控制系统，有dq旋转坐标系到abc三相坐标系的变换为

定义相电流残差en为

则此时a相电流残差ea取值取决于s1、s2和ia的方向，情况如表1所示。

表1 a相电压残差与开关状态的关系Tab.1 Relationship between the voltage residual and the switch state in phase A

2 多管开路故障特征分析

2.1 同相的两个功率管同时故障

当T1、T2同时发生开路故障时，主电路拓扑结构如图5所示。此时a相电流既没有正向流通路径，也没有负向流通路径，而仅存在续流通路，故a相电流基本为0，即a相绕组断开，仅b、c相绕组为电机供电。逆变器的常见8种工作模式均运行在故障状态，不能合成参考电压矢量，此时电机的空间旋转磁场将受到更严重的影响，进而严重影响电磁转矩。

图5 T1、T2开路故障时主电路拓扑结构Fig.5 Topology of traction inverter circuit when T1& T2are open-circuit

图6 是T1、T2同时开路故障时，牵引逆变器系统的三相电流波形。当t=3.48 s左右时，T1、T2同时发生开路故障，a相电流在故障后一直为0，b相和c相电流发生明显畸变。此时，式（2）中定义的电流残差en等于相电流给定值，无法表征故障情况，需要新的诊断量。

图6 T1、T2同时开路故障时三相电流波形Fig.6 Waveforms of three-phase current when T1&T2are open-circuit

令N为一个周期内采样点数，ωs为角频率，定义动窗均值法为

对于同相2个IGBT同时故障的逆变器来说，因故障相电流一直为0，故其相电流绝对值的均值也为0，即

而对于正常工作的逆变器来说，相电流基本是标准正弦信号，记I为相电流幅值，相电流可以表示为Isin（ωst），所以相电流绝对值的均值可由分段积分得到，即

故当检测到某相的＜|in|＞=0时，意味着该相桥臂的上下管均发生了开路故障。

2.2 不同相的两个功率管同时故障

当T1、T4同时发生开路故障时，主电路拓扑结构如图7所示。此时a相电流只有负向流通路径，b相电流只有正向流通路径，故a相电流在正半周期将变为0，b相电流则在负半周期变为0。

图7 T1、T4同时开路故障时主电路拓扑结构Fig.7 Topology of traction inverter circuit when T1& T4are open-circuit

图8 是T1、T4同时开路故障时，牵引逆变器系统的三相电流波形。当t=3.48 s左右时，T1、T4同时发生开路故障，a相电流的正半周期基本为0，b相电流的负半周期基本为0，三相电流出现较大畸变，在3/4个基波周期内三相电流不平衡，与理论分析相同。此时的故障可以认为是T1故障与T4故障的叠加，使用前面定义的电流残差ea与eb可以分别判断出T1与T4故障。

图8 T1、T4同时开路故障时三相电流波形Fig.8 Waveform of three-phase current when T1&T4are open-circuit

2.3 多个功率管同时故障

多个功率管同时开路故障指3个或3个以上功率管开路故障，发生的概率远小于双管故障。其中，由于6个开关管中的4个及以上同时发生开路故障的情况很难发生，因此仅对3个功率开关管同时开路故障的情况进行分析。3个功率开关管同时故障时有下列3种情况。

2.3.1 3个故障开关管分别位于三相桥臂相同位置

此类故障例如T1、T3、T5同时故障。在这种情况下，直流母线电流无法流入牵引逆变器，牵引电机三相定子电流均为0。因此T1、T3、T5三管同时故障时，无法基于电流信号进行故障诊断。

2.3.2 3个故障开关管分别位于三相桥臂不同位置

此类故障例如T1、T3、T6同时故障。在这种情况下，直流母线电流只能从c相经T5流入牵引电机，从a相的T2、b相的T4流出，与T6管无关，此时与T1、T3管同时故障时的电流通路完全相同。因此a、b相电流只能为非正，c相电流只能为非负。由此可见其故障特征和故障影响与T1、T3管同时故障时相同，将这种故障模式记作T1T3+T6，意味T6的故障没有产生额外的效果。此时的故障可以认为是T1故障与T3故障的叠加，如第2.2节的分析。

类似地，此类故障模式还有：T1T5+T4、T3T5+T2、T2T4+T5、T2T6+T3和T4T6+T1管同时开路故障。

2.3.3 3个故障开关管中2个位于同一桥臂

此类故障例如T1、T2、T3同时故障。在这种情况下，a相相当于直接切除，逆变器变为单相运行。直流母线电流只能从c相的T5流入牵引电机，b相的T4流出，此时a相电流为0，b相电流为非正，c相电流为非负。电流通路与T6管无关，因此无论T6管是否发生开路故障,故障特征均不发生改变。相应地，当T1、T2、T6同时故障，电流通路也与T3管无关，无论T3管是否发生开路故障,故障特征均不发生改变。即T3、T6对管造成的故障效果相同，将这种故障模式记做T1T2（T3|T6），意味着T1T2T3故障和T1T2T6故障是同类故障，用电流信号无法进行更进一步的故障定位。

类似地，此类故障模式还有：T1T2（T5+T4）、T3T4（T1+T6）、T3T4（T2+T5）、T5T6（T1+T4）和T5T6（T2+T3）管同时开路故障。

分析可知，三管同时故障的情况较为复杂，且由于电流信号的限制导致部分故障无法进行诊断。

3 基于电流残差的故障诊断算法设计

通过对故障情况下的电流特征进行分析，可知当IGBT发生开路故障后，主电路拓扑结构改变，对应相电流的流通路径发生变化，导致相电流出现半周期截止现象，故用此故障特征进行故障管定位。

前述定义了2个诊断量，电流残差en与相电流绝对值的均值＜|in|＞，均为未标幺化的电流量，容易受到负载变化的影响产生波动，不利于诊断，因此引入标幺量，以减轻诊断变量受电机转速及负载的影响。定义诊断变量Dn和An分别为

具体的电流残差开路故障诊断算法流程如图9所示。

图9 电流残差开路故障诊断算法流程Fig.9 Flow chart of the open-circuit fault diagnosis method with the current residual

首先利用控制系统中dq轴指令电流生成三相参考电流，与测量的三相电流进行对比，得到三相电流残差en，并对其求动窗均值得到三相电流残差均值＜en＞；其次，对三相电流的绝对值|in|求动态均值，得到三相电流均值＜|in|＞；最后利用计算得到6个诊断变量Dn和An进行故障定位。

3.1 正常工作状态

当没有IGBT发生故障时，忽略高频噪声影响，参考电流与测量三相电流基本一致，即

那么三相电流残差接近于0，诊断变量Dn为

诊断变量An为

3.2 单个功率管开路故障

以T1开路故障为例进行分析。当T1发生开路故障时，a相电流的正半周期为0，理想情况下负半周期基本不受影响。此时，a相电流为

a相参考电流不受影响，其值为那么在正半周期内a相电流残差不再为0，则诊断变量Da为

则诊断变量An（n=a,b,c）为

3.3 同相桥臂2个功率管开路故障

以a相桥臂的T1和T2为例，当T1和T2同时发生开路故障时，a相电流基本为0，此时的a相电流为

而a相参考电流也不受影响，那么在一个基波周期内a相电流残差不再为0，诊断变量Da为

则诊断变量An为

3.4 不同相桥臂异侧的两个功率管开路故障

以a、b相桥臂的T1和T4同时开路为例，a相电流的正半周为0，而b相电流的负半周为0，此时a相电流为

b相电流为

诊断变量Dn为

诊断变量An为

3.5 不同相桥臂同侧的2个功率管开路故障

以a、b相桥臂的T1和T3同时开路故障，则a、b相电流的正半周期均为0，虽然c相桥臂的2个功率管正常，但是c相电流的负半周期将受a、b相的影响变为0。此时a相电流为

b相电流为

c相电流为

诊断变量Dn为

诊断变量An为

3.6 诊断规则

为了使诊断方法更加直观规则化，可定义变量FDn和FAn，其中变量FAn主要是用来诊断同相桥臂的2个功率管开路故障，具体表述为

式中：kd和ka为诊断阈值，其选定与Dn和An有关。在正常条件下，Dn趋近于0，An趋近于1；在非同相桥臂2个功率管的开路故障下，对应相的Dn趋近于1或-1；在同相桥臂2个功率管开路故障下，对应相的An趋近于0。则2个诊断阈值的取值范围为

考虑到开路故障后闭环控制的调节影响，诊断阈值还需要一定的裕量，具体取值需要根据实际系统具体实验结果进行设计。详细的诊断规则如表2所示，利用其就可以对IGBT故障进行诊断定位。

4 半实物实验

本文搭建了以TMS320F28335控制器和RTLAB实时仿真器为核心的半实物实验平台，具体实验参数如表3所示。

通过对各类单个功率管或2个功率管开路故障进行测试，这里设定残差阈值kd=0.8和ka=0.2，其值大小可根据实际诊断需要自行设定。

表2 诊断规则Tab.2 Diagnosis rules

表3 模型参数Tab.3 Parameters of the model

4.1 正常状态

图10为牵引逆变器在正常条件下，负载突变时的a相电流以及诊断变量的波形。在负载突变过程中，诊断变量Dabc基本保持0不变，而诊断变量Aabc基本保持为1不变，基本不受负载突变影响，均未超过阈值，故诊断方法受负载突变的影响很小，不会出现误诊断现象。

图10 负载突变过程时a相电流以及诊断变量波形Fig.10 Phase-a current and voltage residual on motor start-up and abrupt load variation

4.2 单个功率管开路故障

图11为T1开路故障时，牵引逆变器的a相电流以及诊断变量的波形。在T1发生开路故障后，一方面诊断变量Da开始正向迅速增大，超过阈值kd，Db和Dc负向缓慢增大，但未超过阈值。另一方面虽然诊断变量Aa、Ab和Ac也有波动，但均未超过阈值ka。即满足诊断规则表中T1开路故障特征。当诊断变量Da超过kd=0.8时，T1开路故障被检测出来，诊断出T1开路故障所需时间不超过1/2基波周期。

图11 T1开路故障时a相电流以及诊断变量波形Fig.11 Phase-a current and diagnostic quantities when T1 is open-circuit

4.3 同相桥臂的2个功率管同时开路故障

图12为T1和T2同时开路故障时牵引逆变器的a相电流以及诊断变量的波形。当T1和T2同时开路故障时，由于此时a相电流处于正半周期，主要表现为T1开路故障。一方面诊断变量Da开始正向迅速增大，超过阈值kd。另一方面诊断变量Aa开始负向增大，Ab和Ac正向增大，但均未超过阈值ka。当诊断变量Da超过kd=0.8时，T1开路故障被检测出来。此后诊断变量Aa继续负向增大，当Aa超过ka=0.2时，诊断出T2开路故障，诊断所需时间总共约3/4基波周期。

图12 T1和T2同时开路故障时a相电流以及诊断变量的波形Fig.12 Phase-a current and diagnostic quantities when T1&T2are open-circuit

4.4 不同相桥臂的2个功率管同时开路故障

图13是T1和T4同时开路故障时牵引逆变器的a相电流以及诊断变量的波形。由图可见，当T1和T4同时开路故障时，先是主要表现为T1开路故障，一方面诊断变量Da开始正向迅速增大，超过阈值kd；另一方面诊断变量Aa、Ab和Ac也开始增大，但均未超过阈值ka。当诊断变量Da超过kd=0.8时，T1开路故障被检测出来。此后诊断变量Db继续负向增大，当Db超过-0.8时，诊断出T4开路故障，诊断所需时间总共大约1个基波周期。

同样地，其他单个功率管或两个功率管开路故障的实验结果诊断所需时间也均不超过1个基波周期。

图13 T1和T4同时开路故障时a相电流以及诊断变量的波形Fig.13 Phase-a current and diagnostic quantities when T1&T4are open-circuit

5 结论

本文综合考虑了牵引逆变器主电路IGBT模块的多种开路故障情况，通过分析对比逆变器在正常与开路故障状态下的三相电流特征，提出一种基于三相电流残差的诊断方法，半实物实验结果表明，该诊断方法是可准确快速定位故障，并有以下特点：

（1）诊断动作时间不超过一个基波周期，无需增加额外的传感器等硬件；

（2）受负载突变影响较小，在闭环控制下，具有很高的可靠性，不会出现误诊断和漏诊断现象；

（3）需要对信号进行一定的处理，运算量略大，但是并不影响实时诊断。

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Multiple Open-circuit Faults Diagnosis in Inverter Based on Three-phase Current Residual

WANG Yafei,TIAN Zisi,GE Xinglai
（School of Electrical Engineering,Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031,China）

The inverter plays an important role of traction systems,which directly affects the safety and reliability stable operation on drive system.The IGBT is the most vulnerable part of the inverter.Thus,to detect the open-circuit fault of the IGBT in inverters,an efficient and general diagnostic method with line current residual is proposed.The characteristics of the three-phase current residual of multiple IGBTs open circuit is analyzed by comparing the inverter operation modes of normal and faulty conditions.With the comparison of prescribed current and actual current,threephase current residuals are figured out.And the current residuals is used for fault diagnosis.Experimental results validate the efficiency and accuracy of this method.It is fast to diagnose the single and dual open-circuit faults,which is not affected by the closed loop control and load disturbance.

IGBT open-circuit;current residual;multiple fault