基于磁链观测器的逆变器开路故障实时诊断

王亚飞



基于磁链观测器的逆变器开路故障实时诊断

王亚飞

逆变器作为电力牵引交流传动系统的重要组成部分，其可靠性是保证系统正常运行的关键，但其功率模块故障率较高。本文针对逆变器主电路的IGBT开路故障，提出一种基于磁链观测器的实时诊断方法，经仿真验证该方法不易受负载扰动和闭环控制影响，诊断可靠性高，且不需增加额外硬件设备，适用于逆变器开路故障的实时诊断。

逆变器；定子磁链残差；磁链观测器；简便实时

0 引言

电力牵引交流传动系统作为高速列车的动力来源，其安全性和可靠性对列车运行具有重要影响。逆变器是决定整个传动系统能否正常运行的关键器件之一，而逆变器主电路的功率模块非常容易发生故障，研究表明，逆变器的功率开关管是电力电子装置系统的薄弱环节[1]。可见，要保证电力牵引交流传动系统的正常运行，关键是要保证功率开关管的正常工作。通常逆变器故障分为IGBT开路故障和IGBT短路故障。由于IGBT短路故障会导致直流侧过电流，危害极大，目前逆变器硬件电路已集成短路保护功能。而IGBT开路故障由于其发生时电机仍可继续运行，但此时三相电流不对称，产生负序电流，使得电机发热增大以致损毁。

国内外针对IGBT开路故障的研究已有很多，根据诊断变量可分为2大类[2]：（1）基于电流的诊断方法。文献[3]提出了基于FFT的归一化方法，利用归一化后的定子侧三相电流的基波分量判定开路故障功率管；文献[4]提出了在正常和故障状态下，对比逆变器三相电流正负半波的功率定位功率管故障；其他方法还有电流矢量频率方法[5]、三相负载电流分析法[6]、电流频谱分析法[7]、Hilbert变换法[8]、人工智能识别法[9～12]等。（2）基于电压的诊断方法。文献[13]提出了利用电压解析模型定位开路故障的方法，当逆变器的开关管出现开路故障时，逆变器输出三相相电压和线电压均存在一定误差，利用电压传感器测量出电压误差进而定位功率管故障；文献[14～16]提出了基于开关函数模型和运行模式分析的诊断方法，通过对比正常情况和故障情况下功率开关管所承受的不同电压，并增加高速光耦等硬件电路，实现单个功率开关管和单相桥臂的开路故障诊断。

当系统采用闭环控制或负载发生突变时，基于电流的诊断方法易出现误诊断，且基于三相电流的人工智能诊断算法计算量通常很大，不利于在线实时诊断；基于电压的诊断方法虽然可靠性较高，计算量不大，但需增加高速光耦或电压传感器等[17]设备，成本增加。

为了使诊断方法不易受负载扰动及闭环控制影响，且不增加额外的硬件设备，本文提出一种基于全阶磁链观测器的开路故障诊断方法，根据各IGBT开路故障时定子磁链残差间的关系进行故障定位，并对该方法的有效性进行仿真验证。

1 逆变器开路故障分析

常见的三相逆变器主电路如图1所示，其拓扑结构包含T1～T6功率开关管、D1～D6并联二极管和Cd直流侧母线电容。若a、b、c相桥臂的功率管开关信号分别为a、b、c，并且同相桥臂的2个功率管的开关信号互补，即a、b、c为1时桥臂上侧管导通，下侧管关断；a、b、c为0时桥臂上侧管关断，下侧管导通。a、b、c相电压分别为an、bn、cn，端电压分别为ao、bo、co，其中为直流母线侧参考点，为三相负载中性点。

图1 三相逆变器主电路

正常情况下，逆变器的三相电压为

三相逆变器主电路中共有6只功率开关管，则有6种单管开路故障，由于主电路拓扑结构具有对称性，只分析T1开关管开路故障情况。当T1开路故障时，a相桥臂的开关信号a不能为1，而b、c相桥臂的开关信号b、c不受影响，则逆变器常见的4种工作模式（100、101、110和111）失效，a相桥臂端电压ao存在的电压偏差为

由式（2）可知电压偏差Δao大于零，由于Δao的存在，三相电压也表现出故障特征，即T1开路故障时的三相电压为

由式（1）减去式（3），可得三相电压残差为

即三相电压残差间的关系为

Dan=-2Dbn=-2Dcn＞0 （5）

通常系统中并不配置测量相电压或线电压的电压传感器，为了避免增加电压传感器等硬件设备，可考虑三相电压与定子磁链间的关系。当忽略定子电阻时，三相定子磁链大小为

由式（5）和式（6）可得定子磁链残差间的关系为

Da=-2Db=-2Dc＞0 （7）

由式（7）可以看出，T1开路故障时，a相定子磁链残差为正，b、c相定子磁链残差为负，且a相定子磁链残差是b或c相定子磁链残差的−2倍。

其他功率管开路故障时类似，各功率管开路故障时定子磁链残差间的关系如表1所示。

表1 各功率管开路故障时定子磁链残差间的关系

2 基于全阶磁链观测器的诊断方法

2.1 全阶磁链观测器

在两相静止参考坐标系下，以定子磁链和定子电流作为状态变量，则异步电机的状态方程为

由此构造出以定子磁链和定子电流为状态变量的全阶磁链观测器为

式中，为误差反馈矩阵，且1= (2− 1)s，2=(− 1)(sr+rs)，3= (1 −)r；为比例常系数，且＞1，为保证观测器稳定收敛，取= 1.2。

所构造全阶磁链观测器如图2所示。

图2 全阶磁链观测器

2.2 开路故障诊断原理

逆变器开路故障诊断原理如图3所示。

图3 开路故障诊断原理框图

首先，利用开关信号a、b、c以及直流侧电压dc，得到两相静止坐标下的参考定子电压为

则相应的参考定子磁链大小为

然后将参考定子磁链与全阶磁链观测器估计的定子磁链均通过截止频率为200 Hz的低通滤波器滤除谐波噪声等。最后将三相定子磁链进行对比，并利用残差阈值f和表1中定子磁链残差间的关系式进行故障识别定位。

图3中，残差阈值f用于判断开路故障是否发生，其取值与三相定子磁链残差有关。在正常条件下，三相定子磁链残差均趋近于零，为了避免出现误诊断和漏诊断，阈值f需要一定的安全裕量，实际选定阈值f时可借助仿真实验。

3 仿真结果分析

在Matlab/Simulink中搭建闭环控制下的仿真模型，逆变器所带负载为鼠笼型异步电机，具体仿真参数如表2所示。功率管开路故障的仿真是通过移除相应驱动信号来实现，但其并联续流二极管是正常的。通过对各功率管开路故障的仿真测试，设定残差阈值f=0.2。

表2 仿真模型参数

3.1 正常条件

图4所示为正常条件下负载转矩及转速变化时的三相电流、定子磁链及其残差波形。

图4 正常条件下负载变化时的波形

3.2 稳态过程中T1开路故障

图5所示为稳态过程中T1开路故障时的三相电流、定子磁链及其残差波形。

图5 稳态过程中T1开路故障时的波形

3.3 负载转矩突变过程中T1开路故障

图6所示为负载转矩突变过程中T1开路故障时三相电流、电磁转矩及定子磁链残差波形。

图6 负载转矩突变过程中T1开路故障时的波形

如图6所示，在= 1 s时刻，系统给定电机转速= 800 r/min保持不变，负载转矩由L= 0突增至N，该暂态过程中，在= 1.02 s时刻，T1发生开路故障。故障发生后三相电流发生畸变，电磁转矩发生剧烈抖动，三相定子磁链残差的情况与4.2节所述类似。

3.4 电机转速变化过程中T1开路故障

图7所示为电机转速变化过程中T1开路故障时三相电流、电机转速及定子磁链残差波形。

图7 电机转速变化过程中T1开路故障时的波形

如图7所示，在= 1 s时刻，系统给定负载转矩L= 0.7N保持不变，电机转速由800 r/min增至1 200 r/min，该暂态过程中，在= 1.1 s时刻，T1发生开路故障。故障发生后三相电流发生畸变，电机转速开始下降，三相定子磁链残差的情况与4.2节所述类似。

4 结语

针对逆变器主电路IGBT的开路故障，本文通过分析比较正常和故障状态下的三相电压及其与定子磁链的关系，提出了基于全阶磁链观测器的故障诊断方法，仿真结果验证了该方法的可行性，并且具有以下优点：（1）不受负载扰动及闭环控制的影响，诊断的可靠性较高；（2）利用全阶磁链观测器估计实际的诊断变量，不需要增加额外的硬件设备；（3）诊断速度快，诊断所需时间均不超过1/2个基波周期；（4）诊断原理简单，计算量较小，适用于在线故障诊断。

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The inverter is one of the important integral part of electric power traction AC transmission system, its reliability is the key factor to guarantee normal operation of the system; however, the fault rate of its power modules is high. The paper proposes a flux observer based real time diagnosing method with regard to the IGBT open circuit fault of main circuit of inverter, and by simulation and verification, the method is not liable to suffer from the interference of load disturbance or the closed loop control, and the diagnosis reliability is high, without requirements for adding of extra hardware equipment, and is applicable for real time diagnosing of open circuit fault of inverters.

Inverter; residual error of stator flux linkage; flux observer; convenience and real time

10.19587/j.cnki.1007-936x.2018.05.021

U264.3+3

B

1007-936X(2018)05-0081-05

2018-01-11

王亚飞.中铁电气化勘测设计研究院有限公司，助理工程师，研究方向为电力电子与电力传动。