一种三相桥式pwm整流器开关管开路故障诊断方法
【技术领域】
[0001] 本发明公开了一种用于三相桥式PffM整流器的开关管开路故障诊断方法，属于三 相交直流变换领域。
【背景技术】
[0002] 相比于传统的不控整流或相控整流方案，三相桥式PffM整流器具有直流电压可 控、可实现单位功率因数、网侧电流谐波小以及能量可以双向流动等优点，在中、大功率场 合得到了广泛应用。随着功率变换器的大规模使用，对其故障进行实时、高效诊断逐渐成为 研究热点。调查显示，约38%的功率变换系统故障是由于功率开关器件失效引起，主要包括 短路故障和开路故障。对于短路故障，由于其会瞬间造成系统中其他正常的元件因过压或 过流损坏，必须迅速实施保护措施降低损害，通常只有硬件保护电路可以满足快速性；另一 方面，故障现象表现为大幅度的过压或过流，故障检测和保护实施方便。开关管开路故障不 会导致系统关机，但变换器长期工作在异常状态，可能引起二次故障。为了避免二次故障的 发生，以及能与容错控制策略相结合以提高系统的可靠性，目前大部分文献针对变换器的 开关管开路故障诊断展开研究。
[0003] 近年来，对功率变换器的故障诊断研究集中于三相电机驱动器（三相桥式逆变 器），并已形成较完整的理论体系。根据诊断变量不同，开路故障诊断方法可分为电流诊断 法和电压诊断法。电流诊断法基于开路故障后的三相电流畸变情况，对三相电流进行处理 以提取故障信息，无需附加硬件电路。电压诊断法通过检测电路中的一些电压信号，如桥臂 中点电压，根据故障前后的误差实现诊断，诊断时间短，独立于负载和控制策略，具有较高 的可靠性，但需要采用电压传感器或其它硬件电路检测电压信号，系统成本和复杂性提高， 实际应用价值不高。
[0004] 三相桥式逆变器在开关管开路故障时，故障相网侧电流在半个电网周期内完全缺 失，而对于三相PWM整流器，在同样的开关管开路故障下，由于续流二极管的存在，整流器 电流不会被完全阻断，使得整流器和逆变器的电流故障现象不同。因此，电流矢量轨迹斜率 法、电流矢量瞬时频率法、平均电流PARK矢量法等基于电流PARK矢量的诊断方法不适用于 三相PffM整流器。"简单电流法"根据开关管开路故障后相电流平均值不为零实现故障诊 断，由于三相电流大小随负载变化而变化，该方法难以在全功率范围内选取合适的比较阈 值，且在负载突变时可能造成假报警。为了消除负载依赖性，"归一化直流法"利用相电流离 散傅里叶变换的基波系数对三相电流进行归一化，该方法计算量大。"标么化均值法"采用 电流PARK矢量模长对三相电流进行归一化，简化算法；通过检测直流侧中点和交流侧中点 间电压诊断来消除负载突变对诊断的影响，但是需要增加一个电压传感器。此外，上述方法 均只考虑了单个开关管开路故障模式，当发生多管故障时，可能出现故障管定位错误或无 法检测出故障。从可靠性角度考虑，只研究单管开路故障不够全面，有必要对多管同时开路 的故障模式进行研究。有方案提出采用电流相角导数进行故障检测，对负载突变实现了良 好的抗误报警能力，采用归一化的相电流平均绝对值的误差进行故障定位，能实现多管故 障检测，但是检测与定位分两步实现，算法复杂。
[0005] 综上所述，现有文献和专利给出的三相桥式PffM整流器开关管开路故障诊断方 法，从实现多管开路故障诊断、减小硬件成本、实现算法简单、对系统瞬态的高鲁棒性等多 方面评估还有许多不足。
【发明内容】
[0006] 本发明所要解决的技术问题是针对上述【背景技术】的不足，提出一种用于三相桥式 PWM整流器的开关管开路故障诊断方法。
[0007] 本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：
[0008] 基于电流相角的三相桥式PffM整流器开关管开路故障诊断方法，包括如下步骤：
[0009] 步骤1.采集三相电网电压ea、eb、e。，经锁相环得到电网电压相角θ v。
[0010] 步骤2.采集三相网侧电流13、、1。，经坐标变换得到网侧电流相角01，计算电流 相角变化量A Θ 1<3
[0011] 步骤3.将电流相角变化量△ Θ i与设定的阈值Th比较，判断是否有开关管开路 故障发生。当Δ 无故障；当Δ Θ i<Th，有故障，执行步骤4。
[0012] 步骤4.根据表1初步定位发生开路故障的开关管。首先，判断此时的θ v在表1 中对应的区域；其次，判断此时的Θ i与表1中的理论值是否相符。
[0013] 表 1
[0014]
[0015] 步骤5.故障管Sx定位成功后，对应的故障计数器count [X]++。当count [X]累加 至设定事件计数值N，判定故障诊断成功，SxS故障管。清零计数器。
[0016] 所述三相桥式PffM整流器开关管开路故障诊断方法中，步骤2具体包括如下步 骤：
[0017] 步骤2-1.对三相网侧电流做CLARK变换得到两相静止坐标系下的分量ia、i e。
[0018]
(1)
[0019] 步骤2-2.计算网侧电流相角θι<3
[0020]
(2)
[0021] 步骤2-3.将两次采样周期计算得的Qi相减，得到电流相角变化量△ θ ι<3
[0022] 本发明采用上述技术方案，可以对三相桥式PffM整流器实现单个开关管开路或多 个开关管同时开路故障的故障诊断，并精确定位到具体的故障开关管。该方案基于DSP编 程，算法简单易实现，无需增加额外的硬件成本。由于电流相角不受负载大小影响，比较阈 值通用性高，负载突变时不会造成误诊断，鲁棒性高。
【附图说明】
[0023] 图1为本发明所述三相桥式PffM整流器主电路拓扑示意图；
[0024] 图2为本发明所述三相桥式PffM整流器及其故障诊断方法控制框图
[0025] 图3为本发明所述三相桥式PffM整流器A相桥臂示意图；
[0026] 图4为本发明所述三相桥式PffM整流器S i开路故障下的相关工作波形图；
[0027] 图5为本发明所述故障诊断方法的算法流程图；
[0028] 图6为本发明所述故障诊断方法的仿真结果。
[0029] 图中标号说明斤~S6为第一至第六开关管,D1-D 6为第一至第六续流二极管，L 为三相滤波电感，Cf为直流侧滤波电容，L为直流负载。i d、i/为有功电流给定和反馈，i q 和为无功电流给定和反馈，e d、eq为电网电压d轴和q轴分量。
【具体实施方式】
[0030] 下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明：
[0031] 图1为本发明所述三相桥式PWM整流器主电路拓扑示意图。第一至第六开关管 Si~S 6为a、b、C三相桥臂功率管，D D 6为第一至第六续流二极管，L为三相滤波电感， Cf为直流侧滤波电容，Rl为直流负载，e a、eb、e。为三相电网电压，i a、ib、i。为三相网侧电流， 参考方向如图，Ud。为直流侧输出电压，0为交流侧中点，N为直流侧负极。
[0032] 图2为本发明所述三相桥式PffM整流器系统及其故障诊断方法的控制框图。所基 于的系统包括连接电网与直流侧负载间的三相PWM整流器拓扑单元以及与整流器拓扑单 元相连接的控制单元。其中，整流器控制单元包括实现直流侧输出稳压的电压环、网侧电流 控制的电流环以及与电流环连接的SVPffM单元。
[0033] 图3为本发明所述三相桥式PffM整流器A相桥臂示意图。整流器正常工作时，输 入电压U ga为正半周时，A相网侧电流i a> 0, i a只有两个通路，如图3(a)所示。开关管S2 导通、S1关断时，i a通过S 2给滤波电感L储能；S 2关断、S i导通时，i a通过二极管D i续流， SjP D2不参与工作。输入电压Uga为负半周时，有i a< 0,电流i 3的两个通路如图3(b)所 示，S1导通时，i a通过S i给滤波电感L储能；S i关断时，i a通过二极管D 2续流，S 2和D i不参 与工作。
[0034] 图4为本发明所述三相桥式PffM整流器S i开路故障下的相关工作波形。i a< 0时 电流畸变明显，只在特定区域有电流；直流侧输出电压产生明显的脉动，脉动频率为输入电 网频