一种三相全桥逆变器的静态故障诊断的电路及诊断方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及电力电子学中逆变电路的故障诊断领域，具体设及一种Ξ相全桥逆变 器的静态诊断的电路及诊断方法。
【背景技术】
[0002] 自1957年通用电气公司研制出第一个晶闽管W来，随之发明出的各种新型器件不 断促进着电力电子学的发展，逆变电路作为电力电子学中重要的组成部分之一，也有着蓬 勃的发展，逆变电路根据直流侧电源性质的不同可W分为两种：电压源型逆变电路和电流 源型逆变电路，Ξ相全桥逆变器是一种典型的电压源型逆变器(VSI)，被广泛的应用于电机 系统和电源功率变换系统中。据统计，38%的电机驱动系统故障都是由功率器件引起的，见 文南犬：F . W . Fuchs ,''Some diagnosis methods for voltage source inverters invariable speed drives with induction machines-A survey,''in Proc . IEEE Ind.Electron. Conf.，2003，pp. 1378-1385.。所W对逆变器故障的检测与定位，对于提高系 统的安全性和可维修性是一个至关重要的问题，见文献：W . S 1 e S Z y η S k i a η d J.Nieznanski,"Open-transistor fault diagnostics involtage-source inverters by analyzing the load currents IEEE Inter. Sympos .on Power Electronics and 化ives，2007，pp. 70-73.。因此在最近的15年，研究出了很多故障检测的方法。
[0003] 逆变器的故障都是由功率器件的损伤导致的，通常分为开路故障(SC)和短路故障 两类故障(0C)。现有的针对逆变器的故障诊断方法通常分为两大类:基于电流的检测方法 和基于电压的检测方法。
[0004] 与短路故障诊断相比，在开路故障诊断运个领域的研究更多。并且基于电流的检 测方法更多的设计用于运行中的电机系统或功率变换装置。
[0005] 在不知道Ξ相全桥逆变器状态的情况下，冒然启动系统，具有很大的危险性，如果 逆变桥上半桥臂与下半桥臂各有一个功率器件发生短路故障，就相当于将电网短路，产生 很大的短路电流，会瞬间烧毁逆变器，甚至拉低电网或烧毁供电电源;如果有单个功率器件 发生短路故障或开路故障，则会导致电机负载工作于缺相状态，相电流会大于正常工作情 况下的电流，而且发热严重，长期工作会对电机带来损伤。基于W上问题，能够在系统启动 前就得知系统故障状态，W保证系统不在带着故障情况下安全启动。
【发明内容】
[0006] 要解决的技术问题
[0007] 本发明提出了一种Ξ相全桥逆变器的静态故障诊断方法。
[000引技术方案
[0009] 一种Ξ相全桥逆变器的静态故障诊断电路，其特征在于：在Ξ相全桥逆变器的基 本拓扑上添加了四个并联的电阻分压网络和一个母线电流采样电阻，每一个电阻分压网络 由Ξ个电阻Rxi、Rx2与Rx3组成，其中X = l，2,3,4;并且每一组电阻分压网路的同一相应位置 处的电阻阻值相同，其中Ξ个电阻分压网络分别与逆变器的Ξ相并联，还有一路并联于母 线两端。
[0010] -种利用所述的电路进行静态Ξ相全桥逆变器短路故障诊断的方法，其特征步骤 如下：
[0011] 步骤1:将Ξ相全桥逆变器的六个功率器件的驱动信号全部置为无效状态，确保功 率器件可靠关断后，母线电压再上电；
[0012] 步骤2:当母线电压Ud上电后，进行全桥故障检测，实时检测母线电流采样电阻两 端的电压值，当检测到的电压值化US值大于设定限定值Vth的Kg倍W上时，则认为Ξ相全桥逆 变器的上半桥臂与下半桥臂中同时至少有一个功率器件发生短路故障，结束故障检测;反 之则认为Ξ相全桥逆变器的上半桥臂与下半桥臂中没有同时出现功率器件发生短路故障；
[0013] 步骤3:当没有检测到Ξ相全桥逆变器的上半桥臂与下半桥臂中没有同时出现功 率器件发生短路故障时，则接着检测是否发生了单纯的上半桥臂或下半桥臂短路故障:实 时采样四路电阻分压网路的输出，当四路分压网络的输出值都相同时，即Vl = V2 = V3 = Vref =(R43/(R"+R42+R43)Ud)时，则认为逆变器桥的六个功率器件都没有发生短路故障，当四路 分压网路的输出中Ξ路和Ξ个桥臂并联的分压网络输出与母线并联的网络输出不同时，贝U 上半桥臂或下半桥臂可能发生了短路故障；如果Vl = V2 = V3 = 0,而Vref=(R43/(R"+R42+R43) Ud )时，则说明下半桥臂功率管发生了短路故障，如果Vl = V2 = V3 = ( R43/ ( R42+R43 ) Ud )，而Vref = (R43/(R"+R42+R43)Ud)时，则说明上半桥臂功率管发生了短路故障，如下表所示：
[0014] 半桥臂短路故障诊断条件
[0015]
[0016] 表中表示运里在判定时不关注其值的大小，代表，实际测量值在此附 近，相对于Vref没有明显差异。
[0017] -种利用所述的电路进行静态Ξ相全桥逆变器开路故障诊断的方法，其特征在于 步骤如下：
[0018] 步骤1:当确定没有发生任何模式的短路故障时，将Ξ相全桥逆变器的六个功率器 件的驱动信号置为无效状态，确保功率管可靠关断状态后，母线电压再上电；
[0019] 步骤2:当母线电压Ud上电，对每个功率器件进行开路故障诊断：首先确保待检测 的功率器件的驱动信号为可靠关断状态，实时检测Ξ个与Ξ相桥臂并联的电阻分压网络的 输出，根据开路故障诊断条件，针对待检功率器件给予相应驱动信号，使其处于导通状态； 如果驱动信号调整前Vl，V2，V3，Vref的输出为Vl = V2 = V3 = Vref = (1?43八R41+R42+R43 ) Ud )，而调 整后Vl、V2W及V3的输出发生变化，说明该功率管发生了开路故障；如果待检功率器件处于 上半桥臂时，故障情况下的Vl、V2W及V3的输出等于(R43/(R42+R43)Ud);如果待检功率器件处 于下半桥臂时，故障情况下的Vi、V2W及V3的输出等于0,具体的诊断条件和相应的驱动信号 的调整如下表所示，
[0020] 开路故障诊断条件
[0021]
[0022] 表中："一"表示运里在判定时不关注其值的大小，"S "代表，实际测量值在此附 近，相对于Vref没有明显差异。
[0023] 有益效果
[0024] 本发明提出的一种Ξ相全桥逆变器的静态故障诊断的电路及诊断方法，设计了一 种用于Ξ相全桥逆变器的静态故障诊断电路，只需要四个简单的电阻分压网络W及一个直 接连接的采样电阻，通过将分压网路的输出电压与参考电压进行比较，根据一些特殊的判 定规则，可W实现开路故障与短路故障的检测与定位。利用该故障诊断电路的检测方法适 用于系统开始运行之前。在该方法中，可W有效、可靠的在系统运行前就诊断出Ξ相全桥逆 变器中是否存在开路故障和短路故障，确保在系统启动前就可W确定系统的故障状态，当 检测到发生故障，停机下电进行检测，如果系统有针对Ξ相全桥逆变器的多余度设计，则可 W先进行余度切换，保证无故障启动，同时也为之后的检修提供的一定的参考，增强了系统 的安全性和维修性。
[0025] 本发明设及常用于工业中驱动的Ξ相全桥逆变电路的短路故障与开路故障的检 测与定位，如可用于各种Ξ相负载对称并阻抗小的电机驱动器系统中，具体设及用于无刷 直流电机或永磁同步电机的短路故障与开路故障的静态检测。本发明的故障检测装置由电 阻分压网络和母线电流采样电阻组成，将电阻分压网路与母线电流电阻的输出送入信号处 理电路，信号处理电路的设计根据静态Ξ相全桥逆变器短路故障诊断（1)和静态Ξ相全桥 逆变器开路故障诊断（2)中的诊断逻辑进行设计。本发明的故障诊断方案可W实现在系统 运行前，对Ξ相全桥逆变器进行短路与开路故障的检测，能够在系统启动前就得知系统的 故障状态，当检测到系统处于故障模态时，可W采用禁止系统启动，或者如果系统有针对Ξ 相全桥逆变器的多余度设计，则可W进行余度切换，W保证系统无故障启动。
【附图说明】
[0026] 图1Ξ相全桥逆变器静态故障诊断的检测电路
[0027] 图2开路短路故障诊断电路
[0028] 图3Ξ相全桥逆变器的静态故障诊断方法流程图
【具体实施方式】
[0029] 现结合实施范例、附图对本发明作进一步描述：
[0030] 为了对Ξ相全桥逆变器的静态故障诊断方法进行验证，需要在原有的基础硬件电 路上添加必要的检测电路，如图1所示。
[0031] 硬件检测电路由检测电路和信号调理电路组成，检测电路就是在Ξ相全桥逆变器 的基本拓扑上添加了四个电阻分压网络和一个母线电流采样电阻化US，每一个电阻分压网 络由Ξ个电阻组成(Rxi、Rx2与Rx3,其中义=1，2,3,4)，并且每一组电阻分压网路的相应位置 其对应电阻阻值相同，具体事例中母线电压为28V，考虑到后级运放电路的供电，通常采用 ±15V，因此可W选取Rxi = 5k、Rx2 = 10k、Rx3 = 5k，运里x=l，2,3,4,其中；个电阻分压网络 分别与逆变器的Ξ相并联，还有一路并联于母线两端，检测电路一共有五个信号输出Vi，V2， V3，VrefW及Vbus，将五路信号送入开路短路故障检测电路进行故障诊断。
[0032] 开路短路故障检测电路通常有两种具体实现方法:采用纯模拟电路搭建和数字模 拟混合电路搭建。数字模拟混合电路，如图1所示。采用运放搭建跟随器、滤波器W及放大 器，将5路信号进行滤波，除去PWM斩波频率对信号的影响，再对信号进行等比例缩放，W适 合于后级数字处理器中的AD采样量程，在数字处理器内采用程序方式进行故障检测与判 定。而纯模拟电路，如图2所示，采用运放搭建跟随器、滤波器W及比较器，将5路信号进行滤 波，除去PWM斩波频率对信号的影响，再分别将Vl，V2，V3，与Vref送入比较器进行比较，同时将 Vbus与Kg*Vth在比较器中作比较，将四路比较结果送入逻辑口阵列，进行故障检测与判定。
[0033] Ξ相全桥逆变器的静态故障诊断方法的流程图如图3所示：
[0034] 静态Ξ相全桥逆变器短路故障诊断：
[0035] 步骤1:将Ξ相全桥逆变器的六个功率器件的驱动信号全部置为无效状态，确保功 率器件可靠关断后，母线电压再上电；
[0036] 步骤2:当母线电压Ud上电后，进行全桥故障检测，实时检测母线电流采样电阻两 端的电压值，当检测到的电压值化