基于Matlab的变频器开路故障诊断方法*

张 琳， 刘宇亮， 朱军伟

(中国空空导弹研究院， 河南 洛阳 471009)

0 引 言

变频器作为交流传动系统重要组成部分， 应用需求越来越广泛， 而常规的故障诊断技术已经逐渐不能满足极端环境下的应用需求[1]， 因此变频器故障诊断及其快速定位的课题也得到了越来越多的关注.

在变频器运行过程中， 过流、 过压、 元器件过热等情况造成的故障居多， 其主要元器件——功率管工作在高频状态， 损耗大， 发热严重， 发生故障的概率最大， 通常表现为短路或开路. 短路往往伴随着瞬间损毁性大电流， 现有的变频器一般设有过流检测电路， 一旦出现过流会在微秒级别切除供电， 进行故障排除. 对于开路故障， 通过对输出电压或电流进行复杂的数学计算来得到故障功率管定位是目前主流的一种研究成果[2-5]， 但难以应用到实际系统中； 部分论文[6-7]提出了基于输出电感电流的诊断方法， 但存在诊断时间延迟受负载突变干扰的问题[8]. 本文重点研究了功率管开路故障诊断问题， 以寻求一种故障定位准确迅速、 工程应用性强的诊断方法.

1 变频器开路故障分析

变频器包括整流器、 直流电路、 逆变器以及控制电路4部分[9]， 图 1 为其典型拓扑电路图. 其中 6只晶闸管构成不可控整流桥； 6只晶体管IGBT构成可控全桥逆变电路.

图 1 变频器基本组成与工作原理框图Fig.1 Diagram of the basic unit and working principle for converter

为简化变频器的故障分析，先分为整流桥与逆变电路两部分来解析其工作状态及对应开路故障问题.

1.1 整流桥电路开路故障模式

不可控整流桥在正常工作状态下， 任意时刻输出电压为三相相电压中的最大值与最小值之差， 根据该原理， 把每个工频周期划分为如图 2 所示的6个工作区间， 对应6种工作回路.

图 2 三相不可控整流桥的工作区间Fig.2 Working sections of three-phase rectifier

定义各相的上下工作区间： 其相电压在该区间内最大， 则称为上工作区间， 相电压最小则为其下工作区间； 以R相为例， ①②为上工作区间， ④⑤为下工作区间.

整流桥在正常工作时， 按①～⑥ 6种状态依次变换， 输出6脉动直流电. 通过分析各功率管故障时的输出电压变化情况， 建立故障位置与直流侧波形的对应关系.

整流桥有6只开关管， 其开路故障组合方式众多， 不可能枚举每一种情况. 根据实用需求， 做出以下的简化： 在某时刻， 最多只有两只开关管发生故障， 3只及其以上故障等小概率事件不予考虑.

表 1 统计了5种主要的故障模式， 即不考虑整流桥后级电路时， 单管开路、 两管开路(同相上下桥臂、 两相上桥臂、 一相上臂一相下臂)的整流桥输出电压的变化. 由表 1 可知， 整流桥对开路故障的容错能力相对较大， 各种功率管开路故障模式会导致直流侧波形不同程度的畸变， 表 2 归纳了整流桥开路故障特征， 建立起波形畸变特征与故障定位的直观联系.

表 1 整流桥开路故障状态表

表 2 整流桥开路故障分析总结表

1.2 逆变电路开路故障模式

构成三相全桥逆变电路的6只IGBT受控通断， 有较大的导通损耗与开关损耗， 比不可控整流桥更容易出现功率管故障， 是系统可靠性薄弱环节[10].

图 3 基本电压空间矢量图Fig.3 Diagram of fundamental voltage space vector

非故障状态下， 按照T1～T66只功率管导通状态， 逆变电路可划分为8种工作状态： 即状态0(000)、 状态1(001)、 状态2(010)、 状态3(011)、 状态4(100)、 状态5(101)、 状态6(110) 与状态7(111)， 其中状态0(000)和状态7(111)为无效工作状态， 不构成回路.

依据电压空间矢量脉宽调制技术(SVPWM)控制原理， 这6个有效工作状态可以构成如图3所示的基本空间矢量图： 每个逆变工作周期被划分为6个区间， 即6个60°扇形区间. 由于一次只能改变一个功率管的通断， 每个工作区间内相邻的两个工作状态以及无效工作状态交替出现， 如①区间， 状态0、 状态4、 状态6与状态7交替出现.

分析逆变电路的故障模式： 由于6只IGBT功率管的开路故障组合的数量庞大， 不考虑小概率事件， 在表3中列出5种主要的开路故障模式， 计算各模式下逆变电路输出三相相电压的变化情况. 为了简化计算， 暂时不考虑后级滤波电感的作用.

由表 3 的计算结果可知： 对于功率管开路组合故障， 对应相输出波形会出现不同特征的畸变， 表 4 总结了逆变电路开路故障的输出波形特征， 为下一步变频器故障综合诊断做准备.

表 3 逆变电路开路故障状态表

表 4 变频器逆变电路开路故障分析总结表

2 变频器故障仿真验证以及综合分析

在变频器实际运行中， 整流桥与逆变器相互作用， 其故障模式更复杂， 建立如图 4 所示的变频器的Matlab模型， 并在逆变桥输出侧接入三相对地负载以快速消耗滤波大电感储存的能量. 其中， 设置滤波电感L=0.1 h； 三相负载R=500 Ω， 泄放回路每相电阻1 kΩ.

首先对整流桥故障模式进行Matlab仿真， 结果如图 5 所示， 图5(a)验证了表2的分析结果， 即断开整流桥后级时故障波形特征； 图5(b)的仿真考虑了滤波电容以及后级电路的作用， 输出波形说明直流侧电压在135V上下浮动， 且调整电容值能进一步减小纹波； 图5(c)， (d)分别是变频器电感滤波前后的输出波形， 结果验证整流桥晶闸管开路故障造成的直流电压纹波并没有使变频器输出端三相交流电产生明显的畸变.

其次对逆变电路开路故障进行仿真， 表3的故障模式计算结果简化了滤波电感的作用， 仿真模型综合了电感及其后级负载的影响， 并给出了电感能量对地泄放回路. 图 6、 图 7 分别是变频器各故障模式下电感滤波前、 后的三相交流电输出波形.

图 5 整流桥开路故障的仿真Fig.5 Simulation of the open-circuit faults of rectifier

图 7 电感滤波后的三相相电压Fig.7 Three- phase voltage with inductance’s filtering

图 6 表明， 故障仿真结果与表4总结的波形特征基本一致， 但由于滤波电感存储的能量需要一段时间才能泄放完， 仿真结果与理论分析有一定偏差： 即相电压理论上缺失的半波处实际上存在微型馒头状PWM波峰， 具体波形见图6(a)， 且泄放回路阻值越小， 其峰值越大； 相电压输出理论为零处实际波形有一定的小幅震荡， 见图6(a)； 局部放大图6(b)是对图6(a)画圈处的细节展示. 仿真结果表明， 通过仿真波形可以快速有效地判断故障功率管的位置.

鉴于整流桥开路故障所造成的直流侧电压纹波对于变频器最终输出的三相相电压影响并不明显， 见图5(b)， (c)， 因而对于整流桥与逆变电路同时出现开路故障的情形， 可以先依据逆变电路开路故障诊断表进行故障定位， 排除逆变电路开路故障后再依据直流侧电压波形来考虑故障诊断.

3 变频器开路故障诊断法

综合以上理论分析与仿真验证， 本文总结出以变频器输出侧电感滤波前的三相相电压波形为主要依据的变频器开路故障诊断规则表， 见表 5.

表 5 变频器开路故障诊断规则表

图 8 不对称三相负载及负载突变时仿真波形Fig.8 Waveform of simulation for asymmetric three-phase load with sudden changes

电感滤波前三相相电压波形仅与直流侧电压和功率管开关逻辑相关， 因此该诊断方法对于功率管开路故障可以在几个工作周期时间内快速判断， 而且电压波形理论上不受后级负载突变的影响， 为了验证不同的负载类型或者负载突变时该诊断依据仍然适用， 在图 4 所示的Matlab模型中， 设置三相不对称负载， 分别为Ra=500 Ω(纯阻性)；Rb=500Ω，Lb=8 mH，Cb=1 nF；Rc=500 Ω，Lc=1 mH，Cc=100 nF； 并任意设置了3处负载突变点， 其中，t1处A相负载突然断路，t2处B相负载断路，t3处C相负载断路， 进行仿真验证， 电感滤波前变频器输出的三相相电压波形见图 8.

通过仿真波形， 图 8 可得以下结论： 变频器带有不对称负载时， 依然可以依据故障诊断表(表5)， 通过三相相电压波形特征对开路故障进行定位， 且在t1，t2和t3负载突变处， 波形特征没有显著的变化， 因此， 该故障诊断法适用于负载突变的情况.

4 结 论

本文重点研究了变频器功率管开路故障， 结合理论分析与仿真验证结果， 提出了基于交流输出侧电感滤波前相电压波形的变频器开路故障诊断方法， 它可以在1/4的基波周期内定位故障， 并不受负载变化的影响. 相对于基于电感电流的故障诊断法， 有着定位迅速灵敏、 抗负载突变干扰性强等优点. 如何进一步优化变频器故障诊断法并将其转化为工程应用成果、 从而进一步应用于变频器的故障智能识别， 将是后续的研究重点.

[1] 张晓波， 王占霞， 张新燕， 等. 基于PSIM 和Matlab 的变频器故障仿真分析[J]. 机电工程， 2003， 20(6)： 40-42.

Zhang Xiaobo, Wang Zhanxia, Zhang Xinyan, et al. Fault simulation and analysis of frequency converter based on PSIM and matlab[J]. Power System Technology， 2003， 20(6)： 40-42. (in Chinese)

[2] 吴小华， 史忠科， 张晓斌. 基于DSP 三相逆变电路在线故障诊断研究设计[J]. 电力电子技术， 2004， 38(2)： 37-39.

Wu Xiaohua, Shi Zhongke, Zhang Xiaobin. On-line fault diagnosis research and design for 3-phase inverter based on DSP[J]. Power Electronics， 2003， 20(6)： 37-39. (in Chinese)

[3] 吴小华， 史忠科. 三相SPWM逆变电源故障检测与诊断的仿真研究[J]. 系统仿真学报， 2004， 16(7)： 1512-1515.

Wu Xiaohua, Shi Zhongke. Simulation study of fault detection and diagnosis on three-phase sine-PWM inverter[J]. Acta Simulata Systematica Sinica， 2004， 16(7)： 1512-1515. (in Chinese)

[4] 梁虹， 王艳秋. 基于粗糙集-神经网络的三相SPWM逆变电路故障诊断研究[J]. 辽宁工学院学报， 2005， 25(6)： 351-353.

Liang Hong, Wang Yanqiu. Study of fault diagnosis on three-phase sine-PWM inverter based on rough set-neutral network system[J]. Journal of Liaoning Institute of Technology. 2005， 25(6)： 351-353. (in Chinese)

[5] 于泳, 蒋生成, 杨荣峰, 等. 变频器IGBT开路故障诊断方法[J]. 中国电机工程学报, 2011, 31(9)： 30-35.

Yu Yong, Jiang Shengcheng, Yang Rongfeng, et al. IGBT open circuit fault diagnosis method for inverter[J]. Proceedings of the CSEE， 2011, 31(9)： 30-35. (in Chinese)

[6] 肖岚, 李睿. 逆变器并联系统功率管开路故障诊断研究[J]. 中国电机工程学报， 2006， 26(4)： 99-104.

Xiao Lan, Li Rui. Research on the open-circuit fault diagnosis of transistor in inverter paralleling system[J]. Proceedings of the CSEE， 2006， 26(4)： 99-104. (in Chinese)

[7] Peuget R， Courtine S， Rognon J P. Fault detection and isolation on a PWM inverter by knowledge-based model[J]. IEEE Transactions on Industry Applications， 1998， 34(6)： 1318-1326.

[8] 汤清泉， 颜世超， 卢松升， 等. 三电平逆变器的功率管开路故障诊断[J]， 中国电机工程学报， 2008， 28(21)： 26-32.

Tang Qingquan, Yan Shichao, Lu Songsheng, et al. Open-circuit fault diagnosis of transistor in three-level inverter[J]. Proceedings of the CSEE, 2008(6)， 28(21)： 26-32. (in Chinese)

[9] 周志敏， 周纪海. 变频器工程应用·电磁兼容·故障诊断[M]. 北京： 电子工业出版社， 2005.

[10] 张兰红, 胡育文, 黄文新. 三相变频驱动系统中逆变器的故障诊断与容错技术[J]. 电工技术学报, 2004, 19(12)： 1-9.

Zhang Lanhong, Hu Yuwen, Huang Wenxin. Fault diagnosis and tolerant techniques of inverter in three-phase varible frequency driver system[J]. Transactions of China Electro technical Society， 2004, 19(12): 1-9. (in Chinese)