1引言
随着电力电子装置在经济和社会生活中的大规模使用，故障诊断的问题越来越为突出。电力电子装置通常情况下由主回路、采集系统和控制系统组成。相对于主回路而言，后两者出现故障的机率要小得多。所以通常情况下电力电子装置的故障诊断指的是对其主回路的故障诊断。电力电子装置主回路故障在通常情况下多为功率开关管的故障，主要可以分为贯穿故障和开路故障。对于功率开关管的贯穿故障来说，由于其会引发大幅过电流，故诊断和保护起来相对比较容易；对开关管的开路故障来说，由于其通常情况下不可能引发大幅过电压或过电流等现象，因而需要对其进行故障诊断，并根据故障诊断的结果去触发保护动作，从而实现故障的隔离。通过以上分析，本文将研究重点放在PWM逆变器主回路功率开关管的开路故障。
文献[1]提出了一种在直流母线上设置单个电流传感器对逆变器进行故障诊断和保护的方法。通过把采集到的电流值与设定的阈值相比较，从而实现系统短路故障和绕组接地故障的诊断与保护。该方法简单可行，但不能定位故障功率管。文献[2]提出了一种基于开关函数模型的逆变器开路故障诊断方法。该方法根据故障和正常态器件承受电压的不同，采用简单的硬件电路来诊断和定位器件的开路故障。由于增加了一些硬件电路使得整个诊断系统变得相当复杂，而且增加了诊断成本。文献[3]提出了一种基于平均电流派克矢量[4][5][6]故障诊断的方法。当逆变器正常工作时，定子三相电流的平均值均为零，其派克矢量也为零；当某一功率开关管发生开路或短路故障时，定子电流中将出现非零直流分量，其派克矢量具有一定的幅值和相位，通过观察定子平均电流派克矢量的幅值和相位则可以准确判断出功率开关管的故障点，但对于逆变器的负载波动问题，该方法有很大的局限性。
本文通过对逆变器输出的电流即对机侧三相电流进行标幺化，取其一个周期的标幺化均值和标幺化绝对值均值的差值等共六个特征量作为故障特征量，通过对特征量的分析来检测和定位故障功率管位置。仿真分析表明，该方法也能够在非理想情况下检测、定位故障功率管。
2故障诊断原理
2.1逆变器的故障模型
图1为PWM逆变器驱动的电动机变频调速系统，通过采集机侧的三相电流，对其进行标幺化，得到故障特征值。机侧三相电流作为同一个输入，这样就可以减少传感器的数量和系统的复杂性，增加了整个系统的稳定性。
图1 变频器驱动的电动机系统
下面以T3的开路故障为例，分析逆变器发生故障后的工作过程。当T3发生故障后，机侧电流ib的流通方向决定了B相的功率开关管和续流二极管的导通和关断情况下面分别进行讨论。
(1)ib≥0
由逆变桥的工作过程可以发现，当T3无故障时在ib≥0的半个周期内，电流ib的流通路径由以下两个路径组成，如图2所示。
在T3导通、T4关断时，ib通过T3实现正向续流。在T3关断、T4导通时，ib通过VD4实现正向续流。
图2 ib≥0时的导通情况
(2) ib<0
当T3无故障时在ib<0的半个周期内，电流ib的流通路径由以下两个路径组成，如图3所示。
图3 ib<0时的导通情况
在T3导通、T4关断时，ib通过VD3实现反向续流。在T3关断、T4导通时，ib通过T4实现反向续流。
显然，在情况(1)下，T3参与了电流ib的流通。当T3管发生开路故障后，电流ib在T3导通、T4关断时无法继续流经T3，因此会经由VD4续流。
图4 T3故障后机侧电流波形
T3故障后机侧电流的波形如图4所示，与上面的理论分析是一致的。
从图4中可以看出，B相故障后，ib的正半周没有波形，ia、ic波形出现了畸变现象。所以从电流的波形就可以确定故障桥的位置，但是故障开关管的位置由此无法判断。根据电流这一特性，本文给出一种基于标幺化均值[7][8]的方法，用于诊断故障开关管的具体位置。
2.2标幺化均值
为了避免由于直流侧负载波动导致的误诊断，采用Park矢量变换对机侧三相电流进行标幺化，定义如下：
id、iq分别为Park变换的分量；ia、ib、ic分别机侧三相相电流。Park变换的模值的定义如下：
标幺化的过程是采用Park变换的模值作为标幺化时的基值，用相电流除以基值，所得到的标幺化后的交流机侧相电流inN表达式如下所示：
其中n=a，b，c。
诊断征量en的表达式如下所示：
<| inN |>、< inN >分别指的是电流标幺化绝对值均值和标幺化均值。本文里使用到六个诊断特征量，即en和< inN >。当电机正常工作时，所有诊断特征量的值都值都为0。但是当功率开关管发生开路故障时，两个诊断变量的取值会截然不同。所以可以通过这两个特征量有效的检测出故障开关管的位置。
2.3标幺化均值故障诊断的实现
由以上分析可知，三相诊断变量en只可以检测到故障相，要想检测到功率开关管的具体位置，可以采用电流的标幺化均值< inN >。通过，可以得到，< inN >的值可以准确的检测出功率开关管的位置。为了达到以上结果，必须对以上六个变量进行编码，如下所示：
表1功率开关管的故障情况和诊断特征量之间的关系。
表1 故障开关管和诊断特征量之间的关系
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故障管
|
Ea
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Eb
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Ec
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Sa
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Sb
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Sc
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T1
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1
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-1
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-1
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-1
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||
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T2
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1
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-1
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-1
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1
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T3
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-1
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1
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-1
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-1
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T4
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-1
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1
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-1
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1
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T5
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-1
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-1
|
1
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-1
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T6
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-1
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-1
|
1
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1
|
由表1可以看出，根据这六个诊断变量编码后的取值可以准确的判断出故障开关管的位置。故障诊断和故障隔离的实现如下所示：
（1）采集逆变器交流机侧三相电流信号，进行en、< inN >的计算；
（2）根据表1提供的故障代码，确定En、Sn取值；
（3）首先根据En确定哪一相发生功率器件开路故障，然后根据Sn定位具体故障功率管。
（4）检测到功率管发生故障后，停止逆变器工作。
3仿真研究
为了验证上述故障诊断方法的准确性和可靠性，在Matlab/Simulink中搭建了PWM逆变器的仿真模型。本文主要给出在理想条件下和非理想条件下的仿真结果。开路故障通过移除功率开关管的门极触发信号来实现。仿真参数：Ud=600V，R=10，L=0.1H
3.1理想条件下的开路故障仿真
图5给出了在理想条件下，机侧电流以及六个诊断特征量的波形。从电流波形可以看出，在t=0.31s时T1故障，A相电流的正半周没有波形，B、C相电流出现了畸变现象。从en的值可以看出，此时Ea为1，可以确定是A相故障。再从< inN >的值可以看出，此时Sn=-1，可以判断是T1故障。
（a）T1故障后网侧电流波形
(b) T1故障后en的波形
图5 理想条件下T1故障后的电流和诊断特征量的波形
3.2非理想条件下的开路故障仿真
（a）T1故障后网侧电流波形
(b) T1故障后en的波形
(c) T1故障后< inN >的波形
图6 非理想条件下T1故障后的电流和诊断特征量的波形
图6给出了在非理想条件下，网侧电流波形和诊断特征量的波形。从图上可以看出，在t=0.25s时，负载减为原先一半，在t=0.3s时负载恢复原先取值，在t=0.41s时，T1开关管发生了开路故障。从(b)和(c)图可以看出，在负载波动的情况下，诊断结果仍然成立，也就是该诊断方法不受负载波动的影响。
4结论
PWM逆变器发生功率管开路故障时会引起机侧相电流会发生畸变，本文根据这一特征采用标幺化均值法确定六个诊断特征量，然后再根据功率开关管的故障情况和特征量的对应关系表可以监测逆变器主回路功率管开路故障，并进行准确定位。通过仿真实验证明了该方法的准确性和有效性。
作者简介
戴鹏（1973-）男 副教授，博士，主要从事电力电子及电力传动方向的教学与科研工作。
参考文献
[1]Blaabjerg F, Pedersen J K, Jaeger U , etal. Single current sensor technique in the DC link of three-phase PWM-VS inverters: a review and a novel solution[J]. IEEE Transactions on Industry Applications, 1997, 33(5): 1241-1253.
[2]安群涛，孙力，赵克等．基于开关函数模型的逆变器开路故障诊断方法[J]．中国电机工程学报，2010，30(6)：1-6．
[3]Mendes A M S, Cardoso A J M. Voltage source inverter fault diagnosis in variable speed AC drives by the average current Park's vector approach[C]. IEEE International Electric Machines and Drives Conference, Madison, USA, 1999.
[4]邵英．采用 Park 变换感应电机转子复合故障检测[J]．电机与控制学报，2010，4(3)：57-61．
[5]A.J..Marques Cardoso and A.M.S.Mendes. Converter Fault Diagnosis in Variable Speed DC Drives, by Park’s Vector Approach. IEEE Internotional Symposium on Industrial Electronics, vol.2, pp. 497-500, Guimarses. Portugal, July7-11, 1997.
[6]A. M. S. Mendes, A. J. Marques Cardoso. Voltage source inverter fault diagnosis in variable speed AC drives, by the average current Park's vector approach. International Electric Machines and Drives Conference, IEMDC '99, pp. 704-706, 1999.
[7]王磊，赵雷霆，张钢等．电压型PWM整流器的开关器件断路故障特征[J]．电工技术学报，2010， 25(7)：108-116．
[8]王磊，杜永红，赵雷廷等．基于标幺化均值的大功率PWM整流器故障诊断[J]．北京交通大学学报，2010，34(5)：48-52．
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