基于波形实时分析的动车组三电平逆变器故障诊断技术

陈丹江 叶银忠 华 容

（1.上海海事大学物流工程学院 上海 200135 2.浙江万里学院 宁波 315100 3.上海应用技术学院 上海 200235）

1 引言

多电平技术是一种通过改变变换器自身拓扑结构来实现高压大功率输出的新型变换器。与传统的两电平电路相比，其输出电压电平数增加，输出波形具有更好的谐波频谱，每个开关器件所承受的电压应力较小[1-5]。多电平电路主要包括二极管钳位、级联型以及飞跨电容等几种类型，其中二极管中点钳位（Neutral Point Clamped，NPC）电路在实际中得到了许多应用，比如本溪钢铁厂用于轧机的变频器[6]、日本700 系高速列车[7]、上海磁悬浮列车[7]以及和谐号CRH 动车组[8-10]等。但是多电平电路由于使用了数量较多的开关器件，导致电路的可靠性相应降低，任何一个器件故障都有可能导致整个电路停止工作，甚至会影响到其他电路的安全，造成不可估量的经济损失[11]，例如,CRH 动车组中的逆变器在实际运行中就出现过多次故障[8-9]。

NPC 逆变器主电路如图1 所示，该电路与负载之间有两种连接方式。第一种如图1 所示，相当于三相三线制，动车组中逆变器采用这种连接方式，其单个桥臂等效电路如图2 所示；第二种连接方式把图1 中的电容电压中心点o 和负载中心点n 连接起来，相当于三相四线制，其单个桥臂等效电路如图3 所示。

图1 NPC 三电平逆变器主电路Fig.1 Main circuit of NPC three-level inverter

图2 三相三线制NPC 逆变器单个桥臂等效图Fig.2 Single leg of three-phase three-wire NPC inverter

图3 三相四线制NPC 逆变器单个桥臂等效图Fig.3 Single leg of three-phase four-wire NPC inverter

目前一些相关文献[12,13]针对图3 电路进行故障诊断研究，根据逆变器输出侧PWM 电压波形来诊断功率管开路故障，但是该电路和图2 电路存在明显区别，特别是当电路的内管（例如图2 中Sa2和Sa3）发生开路时，两者故障表现形式完全不同。针对图2 电路，文献[14]提出利用三相电流波形的轨迹来进行故障诊断，文献[15]对输出电压进行快速傅里叶变换，然后取变换结果前40 项作为自适应BP神经网络的输入，神经网络的输出对应于故障分类。

本文针对动车组NPC 逆变器拓扑，利用波形实时分析方法对器件开路故障进行诊断，并提出具体检测电路。该方法利用故障发生时桥臂电压（即图2 中a 点和o 点之间的电压Vao）信号变化情况来进行器件开路故障诊断，并精确定位到故障器件。

2 故障机理分析

图2 中桥臂电压Vao有三种电平，Sa1和Sa2（或者VDa1和VDa2）导通时，Vao=+1/2Ud；Sa3和Sa4（或者VDa3和VDa4）导通时，Vao=-1/2Ud；Sa2和VDa5（或者Sa3和VDa6）导通时，Vao=0。如图4 所示，当调制电压ua为正时，桥臂电压在+1/2Ud～0之间PWM 调制；当ua为负时，桥臂电压在-1/2Ud～0 之间PWM 调制。

图4 a 相桥臂电压和参考电压Fig.4 Bridge voltage and reference voltage of phase a

假设电路带阻感负载，根据a 相调制电压ua和a 相电流ia，可以把电路的工作状态分成四个区间，如图5 所示。其中，区间1:ua＞0，ia＜0；区间2:ua＞0，ia＞0；区间3:ua＜0，ia＞0；区间4:ua＜0，ia＜0。

图5 NPC 逆变器4个工作区间Fig.5 Four working ranges of NPC inverter

根据桥臂电压Vao的电平以及输出电流ia的方向，图2 所示的电路一共有6个不同的工作状态，如图6 所示。下表列出了工作状态和逆变器四个工作区间之间的关系。

图6 逆变器a 相电路6个工作状态Fig.6 Six inverter working states of phase a

表 NPC 逆变器工作状态和工作区间的关系Tab. The relation ship between working states and working ranges of NPC inverter

根据电路的对称性，下面以Sa1、Sa2和VDa5单独开路为典型故障进行分析。

2.1 Sa1开路

由图6 可知，Sa1只在工作状态①中导通，在其余5个状态中都处于截止状态，因此，如果Sa1开路故障发生在区间2，则马上影响到电路的工作状态；如果Sa1开路发生在其他三个区间，则电路要工作到下个区间2 才受到影响。利用PSIM 软件进行仿真，设输入直流电压Ud=100V，载波频率为1.5kHz，调制波频率为50Hz，负载为10Ω电阻串联20mH 电感。

假设Sa1开路发生在区间2，仿真波形如图7 所示，为方便观察，调制电压ua和a 相电流ia波形幅度分别被放大了50 倍和5 倍。故障发生之前，工作状态①中电流ia经过Sa1和Sa2。Sa1开路后，电流只能通过VDa5续流，工作状态由①变成了状态②，即在故障发生后，区间2 剩下的时间只能工作在状态②，桥臂电压Vao一直为零。

图7 Sa1在区间2 开路Fig.7 Sa1open circuit in range 2

如果Sa1开路发生在其他区间，例如区间4，仿真波形如图8 所示。Sa1开路后，区间4 和接下来的区间1 中的工作状态④～⑥中Sa1都处于截止状态，因此电路工作不受影响，桥臂电压Vao保持和无故障时相同。一直到区间2，桥臂电压才变成零，原因同Sa1在区间2 开路。Sa1开路发生在区间1 和区间3 的情况和开路发生在区间4 的情况基本相同，此处不再赘述。

图8 Sa1在区间4 开路Fig.8 Sa1open circuit in range 4

2.2 Sa2开路

在图6 所示的电路状态中，Sa2在状态①和②中都处于导通状态，因此，只有Sa2开路发生在区间2或者3，电路的工作状态会马上受到影响。

假设Sa2开路发生在区间2，仿真波形如图9 所示。在区间2，故障发生之前，工作状态在①和②之间切换，输出桥臂电压Vao正常；Sa2开路后，此时ia＞0，电流只能通过VDa3和VDa4续流，工作状态一直保持为③，Vao恒为-1/2Ud，直到ia=0；ia=0后，a 相停止工作，桥臂电压出现1/4Ud和-1/4Ud电平，这是由于ia=0 时，图2 中a 点的电位和n 点的电位是一致的，具体由Vbo和Vco决定，例如当Vbo=1/2Ud、Vco=0 时，可以得出Vao=1/4Ud。

Sa2开路发生在区间3 的仿真波形如图10 所示。故障发生之前，区间3 的工作状态在②和③之间切换，Sa2开路后，状态②无法实现，因此只能工作在状态③，桥臂电压恒为-1/2Ud。但是在负载阻抗角比较小的情况下，区间3 的时间相对比较短，开路发生时ia较小，桥臂电压恒为-1/2Ud的持续时间也比较短。到下一个区间2，由于ia=0，桥臂电压出现1/4Ud和-1/4Ud电平。

图10 Sa2开路发生在区间3Fig.10 Sa2open circuit in range 3

Sa2开路发生在区间1 和区间4 的情况类似，图11 为故障发生在区间4 的仿真波形。故障发生后，由于区间1 和4 的工作状态都不受Sa2开路影响，电路工作正常。一直到区间2，ia=0，桥臂电压才发生变化。

图11 Sa2开路发生在区间4Fig.11 Sa2open circuit in range 4

2.3 VDa5开路

如图6 所示，VDa5在状态②中处于导通状态，在其他状态都处于截止状态，对照上文中表，当VDa5开路发生在区间2 或区间3 时，电路工作状态将马上受到影响。

假设VDa5开路发生在区间2，仿真波形如图12所示。故障发生之前，电路在状态①和②之间切换，VDa5开路后，状态②不能实现，电流ia利用VDa3和VDa4进行续流，状态②被状态③所代替，电路变成在状态①和③之间切换，桥臂电压Vao在1/2Ud～-1/2Ud之间跳变。

图12 VDa5开路发生在区间2Fig.12 VDa5open circuit in range 2

VDa5开路发生在区间3 时，仿真波形如图13所示。在区间3，故障发生之前，电路正常状态在②和③之间切换；VDa5开路后，状态②无法实现，因此电路一直工作在状态③，桥臂电压Vao恒为-1/2Ud，同样由于负载阻抗角较小，这个不正常的桥臂电压持续的时间很短。一直到下个区间2，跟VDa5开路发生在区间2 类似，电路在状态①和③之间切换，桥臂电压Vao在1/2Ud～-1/2Ud之间跳变。

图13 VDa5开路发生在区间3Fig.13 VDa5open circuit in range 3

VDa5开路发生在区间1 和区间4 的情况类似，图14 为VDa5开路发生在区间4 的仿真波形。故障发生后，区间4 和区间1 的工作状态都不受VDa5开路影响，电路工作正常，一直到区间2，由于工作状态②无法实现，电路在状态①和③之间切换，桥臂电压Vao在1/2Ud～-1/2Ud之间跳变。

图14 VDa5开路发生在区间4Fig.14 VDa5open circuit in range 4

3 故障诊断

3.1 故障诊断判据

通过对NPC 逆变器故障机理分析，特别是对桥臂电压Vao在故障发生之前和故障发生之后变化情况进行对比，可以得到如下判断故障的依据，为了方便设计故障诊断电路，对桥臂电压Vao进行全波整流，相当于取绝对值。

（1）如果桥臂电压Vao出现1/4Ud或-1/4Ud电平（整流后都为1/4Ud），则能肯定是Sa2发生开路。

（2）如果桥臂电压Vao出现较长时间的零电平（整流后也表现为持续零电平），则可以肯定是Sa1发生开路。

（3）如果桥臂电压Vao出现较长时间的1/2Ud和-1/2Ud切换的情况（整流后为持续1/2Ud电平），则可以肯定是VDa5发生开路。

对这些故障判断依据说明几点:

（1）桥臂电压Vao整流后没有负电压，能简化故障诊断电路的设计，而且依然能保持故障模式和故障特征之间的一一对应关系。当然整流后也丢失了某些故障判断的信息，例如图9 中桥臂电压保持较长时间的-1/2Ud，整流后由于和VDa5开路的判断依据重合，只能舍弃。

（2）为了提高故障诊断电路的抗干扰能力，上述判断依据中的信号电平都需要保持相对“较长时间”。某些信号的持续时间较短，比如图13 中故障发生后马上出现的-1/2Ud电平，以及图13 中约42ms处电流ia过零时出现的-1/4Ud电平等，都不能作为故障判断的依据。而如何实现“较长时间”则需要故障诊断电路来保证。

（3）电路中功率开关反并联的二极管发生开路时，负载电流将失去续流回路而产生极高电压，会击穿功率开关。如果造成功率开关开路，则可以根据上述器件开路判断依据进行诊断，如果造成功率开关短路，则必然会出现很大的短路电流，动车组逆变器的过电流检测装置将会控制逆变器停止工作[10]。

3.2 故障诊断电路

根据上述故障判断依据的要求，设计故障诊断电路如图 15 所示。首先利用 LEM 电压传感器LV28-P 隔离采样桥臂电压Vao，作为诊断电路的输入信号，然后对该信号进行全波整流，并分压滤波，得到信号的幅度为 0～5V。电路输出三个信号VSa1、VSa2和VVDa5分别为器件Sa1、Sa2和VDa5开路时对应的故障诊断信号，高电平代表无故障，低电平表示出现开路故障。

图15 故障诊断电路Fig.15 Fault diagnosis circuit

根据判断依据1，设计两个比较器以及异或门等电路，其中Vref1=3.75V，Vref2=1.25V，可以得出，=5V 或者=0 时，异或门输出都为高电平（5V），而当桥臂电压Vao出现 1/4Ud，相当于=2.5V（中间电平）时，异或门输出低电平（0V），即检测到Sa2开路故障。由于实际电路信号存在一定干扰，以及电路中电容等因素影响，桥臂电压高低电平之间跳变需要一定时间，在跳变过程中检测电路可能会误以为检测到中间电平，导致在电路正常工作时异或门会输出一些非常窄的低电平脉冲，因此在实际检测电路中加入了窄脉冲过滤电路，用来滤除误诊断的信号。

判断依据2 和3 都可以利用脉冲丢失检测电路[16]来实现。如图16 所示，信号A为脉冲丢失检测电路输入，信号B为电路内部波形，当信号B的幅度超过2/3VDD（VDD为该电路电源电压）时，输出信号C由高电平跳变到低电平，即检测到故障。图中ΔT由信号B的上升速度决定，可以通过外围参数进行调节，从而满足判断依据中“较长时间”的要求。

图15 中的非门除了满足逻辑需要外，兼有对波形进行整形的作用。当Sa1发生开路时，输入到脉冲丢失检测电路1 中的信号相当于图16 中的信号A，该电路输出信号VSa1相当于图16 中的信号C；VDa5发生开路时，脉冲丢失检测电路2 的输入输出信号也相当于图16 中的信号A和C。

图16 脉冲丢失检测电路输入输出信号Fig.16 Input and output signals of pulse-loss detection circuit

4 实验验证

为了验证上述理论，构建三电平逆变器电路以及故障诊断电路，主要参数如下:输入直流电压100V，输入电容采用两个1 000μF，耐压450V 的电解电容串联，功率开关采用IRF640，钳位二极管采用FR307，负载为每相10Ω 电阻和20mH 电感串联。逆变器载波频率为1.5kHz，调制波频率为50Hz。驱动和控制信号利用TMS320F2812 产生，调制波为50Hz 正弦波，载波频率为1.5kHz，DSP 产生的驱动信号经过总线驱动器74HC245 后，由TLP250芯片隔离放大驱动功率开关。

图17 为Sa1发生开路时的实验波形，其中通道1 为桥臂电压经过整流分压后的波形，即图15 中的，通道2 为故障发生时刻，通道3 波形相当于图16 中的信号B，通道4 为故障诊断波形，即图16中的信号C（即图15 中的VSa1）。

图17 Sa1发生开路时的实验波形Fig.17 Experimental waveforms of Sa1open circuit

图18 为VDa5发生开路时的实验波形，四个通道波形定义同图17。不同的是，实验中VDa5开路是通过控制其串联的继电器断开来实现的，考虑到使用的继电器时延，实际的故障发生时刻比图 18中显示的要迟1.5ms 左右。而Sa1和Sa2的开路故障是由DSP 直接控制对应功率器件产生的，延迟时间为纳秒级，可以忽略不计。因此图17 以及图19 中通道2 的信号可以看作是故障发生时刻。通道3 的信号为故障诊断波形，相当于图15 中的VVDa5。

图18 VDa5发生开路时的实验波形Fig.18 Experimental waveforms of VDa5open circuit

图19 为Sa2发生开路时的实验波形，其中通道1 为桥臂电压经过整流分压后的波形，即图15 中的，通道2 为故障发生时刻，通道3 为故障诊断波形，即图15 中的VSa2。

图19 Sa2发生开路时的实验波形Fig.19 Experiment waveforms of Sa2open circuit

由图17～图19 的实验波形可以看出，Sa1或者VDa5发生开路时，从电路表现出故障特征开始，到故障诊断电路检测出故障，大约需要2ms，这个时间相当于3～4个载波周期，而Sa2发生开路时，这个检测时间更短。

如果从故障发生时刻开始衡量故障检测时间，具体的故障检测时间就要看故障发生在哪个区间，比如图17a 中故障检测时间约为2ms，图17b 中故障检测时间约为8ms，但是最长时间也不会超过一个调制波周期。另外由于故障发生时刻到故障特征出现这段时间内，桥臂电压并没有出现可供检测的故障特征，想要进一步缩短故障检测时间，除非找到一种能更早表现出故障特征的信号。

5 结论

本文借助PSIM 仿真软件，对NPC 三电平逆变器单个器件开路故障进行了详细分析，并通过建立一个实验模型进行验证，从仿真和实验的结果可以得到如下结论:

（1）通过对桥臂电压的分析，可以建立单个器件开路故障模式和故障特征之间的一一对应关系。

（2）通过设计一个故障诊断电路，对单个器件开路故障进行诊断，不但能够做到对故障器件的精确定位，而且具有快速的故障诊断性能，从故障特征出现到检测到故障的时间约为三四个载波周期。而一些智能故障诊断技术（比如神经网络）都需要对故障波形至少采样一个调制波周期以上，提取故障特征，经过复杂的计算才能得到理想的诊断结果。

（3）如果考虑更多的故障模式，比如两个器件同时开路等，则由于故障模式的增多，单纯利用硬件电路进行诊断将会有很大难度，如果利用某些智能故障诊断技术的多模式识别特点可能会取得更好的效果。

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