三电平逆变器的开关管开路故障诊断方法与流程

本发明涉及电力电子器件故障诊断技术，特别是涉及一种多电平逆变器的开路故障诊断方法。

背景技术：

与传统的两电平逆变器相比，以二极管中点钳位型(NPC)结构为代表的三电平逆变器输出电压波形谐波含量低，电磁干扰小、电压容量高、电压跳变率低，已被广泛应用于牵引驱动系统。但是，NPC三电平逆变电路的开关器件数目较多，导致其故障率高、可靠性低，任何一个器件故障都可能导致整个电路停止工作，造成不可估量的经济损失。因此，如何快速实现电路的故障诊断对于提高NPC三电平逆变器的工作可靠性具有重大意义。

目前，国内外针对NPC三电平逆变器的故障诊断问题研究出很多方法。如利用快速傅里叶变换、小波变换和主成分分析等信号处理方法提取故障特征信号，再利用神经网络、支持向量机和关联向量机等智能方法进行故障诊断。但这类方法需要对大量的故障信号进行训练，算法复杂、工作量很大。此外，还有针对NPC三电平逆变器单管开路故障，对桥臂电压波形进行实时分析得出故障诊断依据，进行逆变器的开路故障诊断。但是，这些方法只考虑单个器件开路的故障模式，可靠性较低。因此，为了提高NPC三电平逆变器开路故障诊断的可靠性，减少故障诊断的工作量，本发明选取开关状态、负载相电流的极性和桥臂相电压作为故障特征，进行NPC三电平逆变器的开关管开路故障诊断。它不仅能够诊断出单管开路故障，也能有效实现双管开路故障诊断，此外还具有诊断迅速、可靠性高等优点。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种三电平逆变器的开关管开路故障诊断方法。该诊断方法逻辑简单、易于实现，诊断速度快，可靠性高。

本发明所采用的技术方案是：一种三电平逆变器的开关管开路故障诊断方法，具体包括如下步骤：

(1)选取二极管中点钳位型(NPC)三电平逆变电路的开关状态、负载相电流的极性及桥臂相电压作为故障特征。NPC三电平逆变器每相由4个IGBT开关器件串联组成，每个开关器件反并联1个续流二极管，三相桥臂并联接直流电源U_d，每相中间两个串联的IGBT开关器件与两个串联的二极管并联连接，两个串联的二极管的中间点接直流电源U_d的中性点(O)，即U_d/2电压处，每相4个串联的IGBT开关器件的中间点(A、B、C)输出接对应的三相负载，所述的负载相电流是流入负载端的电流，所述的桥臂相电压是每相的中间点(A、B、C)与直流电源U_d的中性点(O)之间的电压，所述的开关状态是控制4个串联的IGBT开关器件导通与关断的驱动信号，NPC三电平逆变器共有三种开关状态，分别是P、O、N。所述的P状态是控制每相上面2个IGBT开关器件导通、下面2个IGBT开关器件关断的驱动信号，所述的O状态是控制每相中间2个IGBT开关器件导通、另外2个IGBT开关器件关断的驱动信号，所述的N状态是控制每相下面2个IGBT开关器件导通、上面2个IGBT开关器件关断的驱动信号。

(2)建立NPC三电平逆变电路的模型，根据实际运行的单管和双管开路故障进行故障分类，共五类79种故障。

1)第一类：正常运行，无开关器件发生开路故障。

2)第二类：只有一个开关器件发生开路故障，即每相桥臂4个串联的IGBT开关器件(Qi1-Qi4，i＝A、B、C)中任一开关管发生开路故障，共12种情况。

3)第三类：单相桥臂上下半桥各有一个开关管发生开路故障，共12种情况。

4)第四类：单相桥臂上半桥或下半桥两个开关管发生开路故障，共6种情况。

5)第五类：交叉桥臂两个开关管发生开路故障，共48种情况。

(3)鉴于电路的对称性，以A相桥臂为例，对工作在P、O状态下的NPC三电平逆变电路，进行步骤(2)中第二类的单管开路故障特征分析，得到单管开路故障诊断依据，输入到单管开路故障诊断模块进行诊断，能够诊断出NPC三电平逆变器的第一类、第二类故障，共13种情况。

(4)基于单管开路故障诊断，可得到双管开路故障诊断依据，输入到双管故障诊断模块进行诊断，能够诊断出NPC三电平逆变器的第三类、第五类故障，共60种情况。

(5)对步骤(2)中NPC三电平逆变器的第四类故障，进行开关管开路故障诊断。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明利用开关状态、桥臂相电压及负载相电流的极性实现了NPC三电平逆变器的开关管开路故障诊断。相比于基于信号的故障诊断方法，该诊断方法不需要对故障特征信号进行信号处理，直接根据所选取信号的特征识别出开路故障。相比于基于知识的故障诊断方法，它不仅能够实现在线诊断，且不需要对大量的故障数据进行学习和训练，大大减少了工作量。此外，该诊断方法不需要进行复杂的算法运算，逻辑诊断思路简单，诊断速度快、可靠性高。

附图说明

图1为本发明NPC三电平逆变电路A相桥臂等效图；

图2为本发明NPC三电平逆变电路的开关状态结构图；

图3为本发明P状态下，开路故障后的电流流通路径变化图；

图4为本发明O状态下，开路故障后的电流流通路径变化图；

图5单管开路故障诊断流程图；

图6双管开路故障诊断逻辑图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步说明。

以图1所示的NPC三电平逆变电路的A相桥臂为例，分析NPC三电平逆变电路的工作情况。P状态(QA1QA2导通，QA3QA4关断)：如图1(a)所示，负载相电流为正时(图中实线方向)，电流流过QA1、QA2(忽略管压降)，此时U_AO＝+1/2U_d；负载相电流为负时(图中虚线方向)，电流流过与QA1、QA2并联的续流二极管D1、D2，同理U_AO＝+1/2U_d；O状态(QA2QA3导通，QA1QA4关断):如图1(b)所示，负载相电流为正时，电流流过D5和QA2，此时U_AO＝0；负载相电流为负时，电流流过QA3和D6，同理U_AO＝0；N状态(QA3QA4导通，QA1QA2关断):如图1(c)所示，负载相电流为正时，电流流过与QA3、QA4并联的续流二极管D3、D4，此时U_AO＝-1/2U_d；负载相电流为负时，电流流过QA3、QA4(忽略管压降)，同理U_AO＝-1/2U_d。上述分析可知A相桥臂存在三种开关状态，因此NPC三电平逆变器共有27种开关状态，本发明选用的NPC三电平逆变器的开关状态如图2所示。

分别提取NPC三电平逆变器的开关状态、桥臂相电压及负载相电流的极性作为故障特征，基于电流流通路径法进行不同开关状态下开路故障特征的分析。鉴于电路的对称性，以A相桥臂为例，分析P、O状态下的单管开路故障特征。

P状态下，负载相电流(I_a)的分析：由图1(a)可见，NPC三电平逆变电路工作在P状态，QA3、QA4开关管断开，仅进行QA1、QA2开关管开路故障特征分析。由逆变电路的工作原理知，当逆变电路工作在P状态且正常工作时，I_a可正可负，且I_a由负到正会出现瞬时值为零的情况；由图3可见，I_a＜0时(图中1号虚线)，QA1、QA2开关管开路故障对该状态无影响，I_a依然可以形成负向通路；I_a＞0时(图中2号实线)，QA1开关管开路故障，I_a无法经过QA1、QA2流向负载，只能经过D5和QA2流向负载(图中3号虚线)，电路工作状态变为O状态，I_a依然可以形成正向通路，由图2可见，仍存在部分开关状态无法转变为O状态，如PPN、PON、PNN等，这些开关状态下的I_a只能为零；I_a＞0时(图中2号实线)，QA2开关管开路故障，电路断开，I_a＝0。综上所述：P状态下正常工作时，NPC三电平逆变器的I_a可大于小于等于零，QA1开关管开路故障下的I_a可大于小于等于零，QA2开关管开路故障下的I_a不可能大于零，因此P状态下利用I_a的极性可识别出QA2开关管开路故障，无法对QA1开关管开路故障和正常状态加以区分。因此，选取桥臂相电压作为另一故障特征，实现QA1开关管的开路故障诊断。

P状态下，桥臂相电压(U_AO)的分析：由逆变电路的工作原理知，当逆变电路工作在P状态且正常工作时，U_AO＝+1/2U_d；QA1开关管开路故障，由图3可见，若I_a＜0(图中2号虚线)，电流流过与QA1、QA2并联的续流二极管D1、D2，QA1开关管开路故障对该状态无影响，U_AO＝+1/2U_d；若I_a＞0(图中1号实线)，QA1开关管开路故障，电流流过D5和QA2(图中3号虚线)，电路工作状态变为O状态，U_AO＝0；若I_a＝0，A相桥臂不工作，此时，U_AO取决于B、C相的工作状态。由图2可知B、C相工作状态有OP/PO、ON/NO、NP/PN、OO、NN等，若B、C相工作在OP状态时，所对应的相电压U_BO、U_CO分别为0、+1/2U_d，因此，N点点位为+1/4U_d。阻感性负载的电流滞后于电压，因此，I_a＝0，U_AN≠0。若U_AN＞0，则A点电位大于N点点位大于+1/4U_d，直到电感放电完毕，电压稳定在+1/4U_d，若U_AN＜0，则A点电位小于N点点位小于+1/4U_d，直到电感充电完毕，电压稳定在+1/4U_d；若在I_a＝0之前，U_AN已经变为零，即A点点位等于N点点位。若B、C相工作在NP状态时，所对应的相电压U_BO、U_CO分别为-1/2U_d、+1/2U_d，因此，N点点位为零，由U_AN＝0推出A点点位为零，即U_AO＝0；同理可推出其他工作状态下的桥臂相电压U_AO＜+1/2U_d。综上所述，P状态下QA1开关管开路故障，存在桥臂相电压U_AO＜+1/2U_d，P状态下正常工作时，桥臂相电压U_AO＝+1/2U_d，因此利用桥臂相电压可识别出QA1开关管开路故障。同理可推出QA2开关管开路故障下，存在桥臂相电压U_AO＜+1/2U_d。

O状态下，负载相电流(I_a)的分析：由图1(b)可见，当逆变器工作在O状态下，QA1、QA4开关管断开，仅进行QA2、QA3开关管开路故障特征分析。由逆变电路的工作原理知，当逆变电路工作在O状态且正常工作时，I_a可正可负，且I_a由负到正会出现瞬时值为零的情况；由图4可见，I_a＜0时(图中虚线)，QA2开关管开路故障对该状态无影响，I_a依然可以形成负向通路，I_a＜0时QA3开关管开路故障，电路断开，I_a＝0；I_a＞0(图中实线)，QA2开关管开路故障，电流无法经过D5和QA2流向负载，电路断开，I_a＝0，QA3开关管开路故障对该状态无影响，I_a依然可以形成正向通路；综上所述：O状态下，QA2开关管开路故障下的I_a恒小于等于零，QA3故障下的I_a恒大于等于零，因此仅通过I_a的极性可识别出QA2、QA3开关管开路故障，无需进行桥臂相电压的分析。

由A相桥臂的单管开路故障特征分析，可推出NPC三电平逆变器的单管开路故障特征表，如表1所示。

表1 单管开路故障特征表

单管开路故障诊断：由表1可得单管开路故障诊断依据，若P状态下桥臂相电压小于+1/2U_d且负载相电流极性为正，则为Qi1开关管开路故障，若P、O状态下负载相电流极性恒为负，则为Qi2开关管开路故障；若0、N状态下负载相电流极性恒为正，则为Qi3开关管开路故障；若N状态下，桥臂相电压大于-1/2U_d且负载相电流极性为负，则为Qi4开关管开路故障。因此可得图5所示的单管开路故障诊断流程图。

基于单管开路故障诊断依据，得到图6所示的双管开路故障诊断逻辑图：

(1)针对步骤(2)中第三类故障：基于不同开关状态下的单管开路故障互不影响，双管开路故障诊断可看成是两个开关管单独开路故障诊断。由单管开路故障诊断依据知，Qi3单管开路故障对P状态无影响，该状态下NPC三电平逆变器正常工作，Qi1单管开路故障时，仅对P状态有影响，因此，若利用单管开路故障诊断依据诊断出Qi1、Qi3开关管都开路故障，则为Qi1Qi3双管开路故障。同理利用单管故障诊断依据分别诊断Qi1、Qi4或Qi2、Qi4开关管是否开路故障来进行Qi1Qi4或Qi2Qi4双管开路故障诊断。

(2)针对步骤(2)中第三类故障：基于同一开关状态下的单管开路故障互相影响，双管开路故障诊断不可看成是两个开关管单独开路故障诊断。由单管开路故障诊断依据可推出，若0状态下负载相电流恒为零，则为Qi2Qi3双管开路故障。因此，无法再利用单管开路故障诊断依据分别诊断Qi2、Qi3开关管是否开路故障来进行双管开路故障诊断，只能依据O状态下，负载相电流恒为零进行Qi2Qi3双管开路故障诊断。

(3)针对步骤(2)中第四类故障：基于同一开关状态下的单管开路故障互相影响，双管开路故障误诊为单管开路故障。由P状态下QA1、QA2开关管开路故障特征分析知，P状态下QA1开关管开路故障，负载相电流可大于小于等于零且桥臂相电压小于+1/2U_d；P状态下QA2开关管开路故障，负载相电流小于等于零且桥臂相电压小于+1/2U_d；可推出若P状态下负载相电流小于等于零且桥臂相电压小于+1/2U_d，则为QA1QA2双管开路故障。由上述分析知，QA1QA2双管开路故障和QA2单管开路故障的故障特征相同，因此，易将QA1QA2双管开路故障误诊为QA2单管开路故障。同理易将QA3QA4双管开路故障误诊为QA3单管开路故障，此类型的故障共有6种。

(4)针对步骤(2)中第五类故障：基于不同桥臂的开路故障特征不同且互不影响，交叉桥臂两个开关管开路故障可看成是两个单相桥臂单管单独开路故障，即利用单管开路故障诊断依据分别诊断两相桥臂的两个开关管是否开路故障来进行交叉桥臂两个开关管开路故障诊断。

对步骤(2)中NPC三电平逆变器的第四类故障，进行开关管开路故障诊断：

(1)由上述分析知，Qi1Qi2/Qi3Qi4双管开路故障和Qi2/Qi3单管开路故障的故障特征相同，进行NPC三电平逆变器的开关管开路故障诊断时，易将Qi1Qi2/Qi3Qi4双管开路故障误诊为Qi2/Qi3单管开路故障。但这两类故障都包含Qi2/Qi3开关管故障，为了对这两类故障加以区分，可更换Qi2/Qi3故障开关管，再利用Qi1/Qi4单管开路故障诊断依据判断Qi1/Qi4开关管是否开路故障，若Qi1/Qi4开关管开路故障，则为Qi1Qi2/Qi3Qi4双管开路故障，否则Qi2/Qi3单管开路故障。此类型的故障共有6种，均按此思路加以区分。