开路故障论文：逆变器故障诊断方式研讨
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本文作者：赏吴俊、何正友、胡海涛、母秀清、林建辉 单位：西南交通大学
电压检测法主要是通过比较故障前后电机相电压、线电压、中性点电压或者逆变器功率管两端电压的不同来对故障进行识别和诊断。文献[9]中的电压检测法只能用于开环系统；文献[10]中的方法虽然诊断时间短，但需要增加一些额外的电子元器件；文献[11-13]中尝试采用智能算法对故障进行诊断，但也只针对单个IGBT开路故障进行诊断。上述功率管开路诊断方法一般只能对单管或者部分双管IGBT开路故障进行诊断，不利于对同时发生2只功率管开路故障情况下的正确诊断。根据某IGBT开路故障后将不能通过其输出正功率的情况，文章提出了通过检测各相电流正负半波部分对应的功率，进而反映各IGBT的工作状况的故障诊断方法。在Matlab/Simulink中搭建了异步电机供电的三相电压源逆变器的模型，通过模拟各种IGBT开路故障测试所提出方法的有效性。
IGBT开路故障诊断原理
单个IGBT发生开路故障的情形导致IGBT功率管开路故障的原因主要有器件破裂、绑定线断裂或焊接脱落、驱动信号丢失或电路失效[3]，或者任由IGBT短路也可导致IGBT烧毁而形成开路故障[14]。IGBT开路后将导致其不能正常导通，在IGBT不是因烧毁而开路的情况下，还可以通过其反并联的二极管向直流侧回流。列车上的辅助逆变器的主电路拓扑结构如图1所示。图1中：CT(currenttransformer)为电流互感器，PT(potentialtransformer)为电压互感器，共有6只IGBT功率管(T1—T6)，这里假定最多有2只功率管同时发生开路故障。在该假定下，我们可将IGBT开路故障大致分为单管故障和2管故障。下面就将对这2种故障后的电流流向和做功情况进行详细分析，以找出能够明确区分正常和故障的特征，实现对IGBT开路故障的识别和定位。A相上侧IGBT开路后电流途径如图2所示，i代表流过A相桥臂的电流。假如逆变器在正常运行情况下，A相刚好流过正半波的电流(简称正电流)，这时电流将通过T1和T2的反并联二极管流通。但当T1发生开路故障后，电流将只能通过T2上的反并联二极管向直流侧电源反送电流，如图2中的箭头线所示，此后，故障相的电流将会很快衰减为零。如果流过的是负半波电流，则在电流过零点之前故障对逆变器工作没有影响。此后，逆变器的A相将不能通过T1流出正半波电流，其对应的功率将为0。如果在另外两相的作用下有正半波电流出现的话，也将是通过下侧IGBT的反并联二极管从负极流出，形成向直流侧充电的情形，则此时正半波电流对应的功率将为负值。同理可以得出，当T2开路时，电流负半波部分(简称负电流)对应的功率也将为0或者为负。根据以上分析，可以得出：如果上侧IGBT发生故障，则正半波电流对应的功率将为0或者为负；如果下侧IGBT发生开路故障，负半波电流对应的功率将会为0或者为负。但对于正常的IGBT，反应其输出功率情况的正负半波电流功率都为正。
2个IGBT同时发生开路故障的情形2个IGBT开路故障的情形又可以分为3类：同一桥臂的上下2个IGBT故障(如T1、T2)、2个桥臂的异侧2个IGBT故障(如T1、T4)、2个桥臂的同侧2个IGBT故障(如T1、T3)。对于前2种故障类型，故障后每个IGBT的表现和单个IGBT故障后的表现类似，即发生开路的IGBT对应半波电流功率为0或者为负。而对于第3种情况，即其中2个桥臂的同侧2个IGBT发生故障，因为三相对称调制的缘故，第3相的2个IGBT即使是正常的，它们当中与故障IGBT对侧的IGBT也将不会流过电流。如功率管T1、T3同时发生开路故障，则功率管T6中将没有负半波的电流。因为如果有电流的话，此电流也将是通过T2和T4中的反并联二极管流通，这样将会造成A、B、C相同时和直流侧的负极接通，这样将无法继续形成电流，所以C相的负半波电流对应的功率也将为0。
通过以上的分析，可以得出以下结论：1）每相电流的正、负半波部分对应的功率分别反映了该相桥臂的上下侧IGBT的工作状况。当某相桥臂的上侧IGBT发生开路故障将会导致该相的正半波电流对应的功率为0或者为负，下侧IGBT开路故障将会造成负半波电流对应的功率为0或者为负。对于正常的IGBT，反映其输出功率情况的正负半波电流功率都为正。2）在2个IGBT发生开路故障的情形中有1个特例，即2个桥臂的同侧2个IGBT同时开路时，第3相中对侧的IGBT也将会表现出和开路功率管一样的特征，即其对应的半波电流的功率将为0。由以上分析可知，可以通过检测每相正负半波电流对应的功率来对IGBT开路故障进行诊断。若某相一个周期的正半波电流对应功率小于阀值S，则说明上管发生故障，一个周期负半波电流对应功率小于阀值S，就说明下管发生故障。对于上面提到的特例，可以明确地判断出同侧的2个IGBT发生了开路故障，第3相中也将会有1个IGBT被判为故障，应该将其剔除。因此，可以通过下面的步骤来对IGBT开路故障进行诊断和定位。1）选用6个变量Plm(la、b、c；m、)，用来分别记录当前周期三相6个正负半波电流对应的功率，这里可通过下面的数值方法计算得到Plm[15]。2）将步骤1）得出的6个功率值Plm与阀值S进行比较，如果Pl<S，则说明l相的上侧IGBT发生开路故障；如果Pl<S，则说明这一相的下侧IGBT发生开路故障。如果判断出有2个桥臂的同侧2个IGBT出现开路故障，第3个桥臂中也被判为故障的IGBT应该被剔除，因为这里假定最多只有2个IGBT同时发生开路故障。
利用以上方法对逆变器的IGBT开路故障进行诊断，将不受负荷波动和调制方式的影响，适合于各种恒压恒频(constantvoltageandconstantfrequency，CVCF)的逆变电源做功率管开路故障诊断；并且因为是利用功率作为判据来检测故障，所以需要在带有负荷的情况下发生故障才能进行诊断。如果在空载情况下发生故障，也能够反映并检测到故障；但该情况下故障特征不明显，容易造成正常功率管的误诊段，此后如果加入负载，待稳定后也能给出正确的诊断结果。因此本方法非常适合于列车辅助逆变器这类在工作时一直带有负荷的逆变器做开路诊断使用。另外，根据检测的原理可知，用该方法检测故障的时间在1个周期以内。
仿真验证
试验条件。在Matlab/Simulink里搭建了一个闭环控制的SPWM调制三相逆变器模型，接上一台SimPowerSystems工具箱里面预制的异步电机，对各种单管/双管IGBT开路故障进行模拟，根据得到的数据利用本文所提出的方法进行诊断。这里所有的IGBT开路故障都是通过移除其对应的驱动信号来实现，其反并联的二极管仍然是连通的。仿真所用的三相电压型逆变器输出的线电压为380V，频率为50Hz，电压和电流的采样频率为1600Hz。
单个IGBT开路故障。图4是在A相上侧IGBT发生开路故障情况下仿真得到的三相电流波形，图5为各相电流正负半波部分各自对应的功率。t0.2s时带上负载；t0.28s时，A相桥臂上侧IGBT引入开路故障。由图4可以看出，故障发生后，A相基本上没有正半波电流流出，只出现负半波电流。由图5可明显看到，故障后，A相正半波电流对应的功率不断减小，直至近似为0，当其小于所设置的阀值S后，就能被立即被检测出来。除了A相正半波电流对应的功率近似于0之外，其他半波电流对应的功率都大于0，因此可以明确地识别出故障，由前面的理论分析可判断出是A相桥臂的上侧IGBT出现开路故障。由图5可知，从故障发生到其对应的功率减为0的时间小于半个周期，也即检出故障的时间在1个周期之内。
同一桥臂的上下2个IGBT发生开路故障。同样在0.2s开始加入负载，但在0.28s时在A相桥臂的上下2个IGBT上都引入开路故障。T1、T2同时开路的三相电流波形、各相电流正负半波部分对应的功率分别如图6、7所示。由图6可知，故障发生后，A相的正负半波电流都存在，而且其值还较大，与此同时另外两相的电流也增大了很多。因此只可能是这样的情形，即A相桥臂上下2个IGBT中的反并联二极管作为另外两相电流的回流通道，向直流侧回送电流，因为是以向直流侧充电的形式回流，所以另外两相的电流也必须增大以补充这个回送功率。由图7可知，在故障发生后的不到1个周期内，A相的正负半波电流所对应的功率都从正开始减小至0，接着往下变为负值。故障后不到半个周期T1故障即被检测到，T2故障也在1个周期的时间内被检测到。
不同桥臂上的2个IGBT发生开路故障。如图8所示，t0.2s时，异步电机加上负载，t0.3s时移除了T1和T3的驱动信号，这种情况对应的就是上面提到的那个特例，即在2个桥臂的同侧2个IGBT发生开路故障的情形。由图8可知，故障发生后三相电流的波形都出现很大的畸变，并且幅值增大到跟启动电流差不多大小的程度，此种情况需要能及时检测故障的发生，否则将会引起过流过热等危害正常IGBT和电机的情况发生。T1、T3开路时各相电流正负半波部分对应的功率如图9所示。由图9可知，在故障发生后的1个周期内，A、B相的正半波电流对应的功率都逐渐减小至近似为0，T6虽然没有出现故障，但C相的负半波电流的功率也随着减小为0，跟前面的理论分析结果一致。图中T1、T3故障检测的时间都小于1个周期。其他各种单个/2个IGBT的开路故障也被测试过，其结果都与理论分析一致。这些故障也都能够在1个周期内被检测和定位到。
结论
针对逆变器中IGBT功率管存在的开路故障，提出了基于IGBT输出功率的逆变器IGBT开路故障诊断方法。通过详细分析，得出了每相正负半波电流对应的功率反映了各IGBT的输出功率的结论，基于此可以通过检测各相电流正负半波部分对应的功率来对IGBT开路故障进行正确诊断。该方法具有以下优点：1）能够对各种单管/双管IGBT开路故障进行检测，并能准确定位发生开路故障的IGBT。2）由于采用各个IGBT的输出功率作为故障判据，本方法适用于各种调制方式的逆变器，并且可靠性高。3）故障发生后的一个周期内就能做出准确诊断，因此可以做到在线诊断。