关键词：时间序列；相似性度量；电压源逆变器；故障诊断

1  引言

在现代工业、军事、航空航天等领域中，电压源逆变器供电的交流电机驱动系统因其优越的性能和较高的效率得到了广泛的应用^[1]。由于电力电子器件的脆弱性，功率变换环节常常出现故障^[2]。为了减少电力电子器件故障对系统的影响，过压、过流、过热和驱动电路欠压等检测和保护电路被应用到逆变器中^[3]。但是，由于检测保护电路经常受到电磁干扰、电网扰动等外界因素的影响，逆变器的安全运行仍得不到保障。因此，必须采用额外的技术手段检测出故障信息并主动实施故障隔离，才能有效地提高系统的可靠性和安全性。

逆变器的不同故障对交流驱动系统的电压、电流有着不同的影响，因此电压和电流信号中包含了丰富的可用于故障诊断的时序信息。利用该时序信息，提取相关的故障特征即可对故障的类型、位置进行准确定位。本文将时间序列相似性匹配技术引入逆变器故障诊断领域中。针对两电平三相电压源逆变器的开路故障，利用逆变器拓扑结构的对称性，提出了一种基于核密度估计的故障诊断法。

2  逆变器故障诊断方法

本文所研究的三相电压源逆变器供电的交流驱动系统结构图如图1所示，图中包含了被提出的故障诊断方案。为方便起见，规定流入电机驱动器的电流为正，T1-T6分别表示六个功率开关管。规定包含一个周期电流样本的滑动窗称为电流链表。被提出的方法包括三个步骤：数据变换，相似性度量和故障诊断。

          图1  包含故障诊断方案的交流驱动系统结构示意图                                                                                                                           

2.1  数据变换

在健康状况下，一个周期内的三相电流可看作是由相同的正弦函数在不同时段所产生的，因此服从相同的分布规律，如图2所示。当单管故障或单相多管故障时，如T4开路或T3T4开路时，a相和c相电流链表具有高度对称性，其分布规律也应相似；而b相和a相/c相电流链表的样本组成差异很大，因此b相的分布规律较之有较大区别，如图3所示。因此，可通过三者的概率密度曲线衡量各相电流的差异。          
             

                     (a)原始三相电流链表
                                                                                        

                  (b)概率密度分布

                   图2  健康状况下原始电流链表及其概率密度分布
                

               (a)原始三相电流链表
       

                    (b)概率密度分布

           图3  故障状况下原始电流链表及其概率密度分布

附表  故障诊断表                                                     

3  逆变器故障诊断实验结果

在TMS320F2806电路板上对实验进行验证，其中采样频率为10kHz。实验平台包括2.2kW的笼型感应电机（额定电压380V，额定电流4.9A，额定转速1430r/min，额定转矩14Nm）、电源转换器（开关频率20kHz，死区时间3.2）、控制板、磁粉制动器以及恒流源，如图4所示。我们对处于磁场定向控制策略下的电压源逆变器的闭环运转情况进行研究，并通过软件设置相应的开关驱动信号为0来构成开路故障。

单个开关管（T4）的故障诊断过程和同相多个开关管（T3、T4）的故障诊断过程分别如图5、图6所示。图4（a）表示逆变器从健康状况到T4故障时的三相电流的波形图。图5（b）（c）为故障诊断过程：当故障发生时,变换后的两相电流间的斜率-欧氏距离不再近似相等，此时故障就会被探测到，且根据距离之比即可确认故障相。对照表1，通过一个周期内故障相的电流平均值的大小，即可对具体的故障开关进行准确定位。图6（a）表示逆变器从健康状况到T3T4故障时三相电流的波形图。图6（b）、（c）的意义同上。

                                          图4  三相逆变器故障诊断物理实验平台

                                              （a）原始电流链表                                                                                                                                   

             （b）各相电流链表的斜率-欧式距离之比                                                                                                          

                           （c）一个周期内的b相电流的平均值

                         图5  T4开路故障时的故障诊断过程

                           （a）原始三相电流链表

（b）各相电流链表的斜率-欧式距离之比                                                     
                                                                   

 （c）一个周期内的b相电流的平均值                                                                                 

                                 图6  T3、T4开路故障时的故障诊断过程

由图5（b）和图6（b）可以看出，健康状况下，a、b、c 三相电流链表的概率密度曲线间的斜率-欧式距离之比较小。而当T4故障及T3T4 故障时，a相、c相间的距离之比仍较小，但b相与c相间的距离之比、a相与b相间的距离之比却非常大。这验证了该方法的有效性。另外，可以发现，三条概率密度曲线间的距离之比波动范围较大。这主要是由于欧氏距离对一些微小的变化、差异非常敏感所造成的。

4  结束语

本文针对两电平三相电压源逆变器的开路故障，利用逆变器拓扑结构的对称性，提出了基于核密度估计的故障诊断法。被提出的方法对交流驱动系统一个周期内的三相电流进行实时采样，然后通过比较任意两相电流样本之间的相似程度来判断出逆变器所处的状态。对于故障状况下的逆变器，诊断出故障的类型及位置并对其进行有效的故障隔离，从而保障电机驱动系统正常安全的运行。