1. 引言

功率变换器是变频调速系统的核心部件，在工业生产、电气化交通、家用电器等许多领域应用广泛。然而，受工作环境恶劣以及过压过流、高频开断等内外部因素影响，功率变换器中的功率器件如功率管易发生故障^[1]。其中，短路故障有过流保护或可通过熔丝转化为开路故障；而开路故障一般初期只是导致性能下降，不造成系统崩溃性故障，但若不能及时诊断出故障并进行处理，可能故障传导引发二次故障甚至严重的后果。因此功率变换器故障诊断诊断技术、故障容错技术近年来成为研究热点^[2][5]。

对于逆变器功率管开路故障的研究主要在于提取逆变器输出电压或电流中隐含的故障信息。其中基于相电流的方法由于采用共享控制系统的三相电流的方法，不需增加额外硬件或改变系统结构，获得了广泛的研究^[3]。在电流法中，基于数理统计和机理分析的方法具有计算量小、诊断速度快的特点，成为研究的热点^[4]。

信息熵是信息论之父Shannon借鉴热力学提出的概念，用来度量信源一段时间所发出的信息的不确定度^[6]。本文以PWM控制的两电平三相电压源逆变器为研究对象，分析了正常和不同故障情况下逆变器运行特点，根据信息熵提取相电流特征，提出了一种基于信息熵的桥臂开路故障诊断方法，取得了较好的诊断效果。

2. 故障诊断方法原理

2.1  系统介绍

包含故障诊断单元的两电平三相电压源逆变器供电的交流电机驱动系统如图1所示。在PWM控制策略下，逆变器各功率管交替导通和关断，将左侧输入的直流电变换为三相正弦交流电，驱动电机转动。

 
图1  带故障诊断模块的矢量控制系统结构图

  当T1和T2故障时，如图2(c)所示，a相整个电流周期中始终无电流通过；将b、c相依然近似正弦化处理，得到此时a相各事件概率及信息熵计算结果如上表中第四行，。此时实际b相、c相电流虽有畸变，由于仍然近似正弦波，熵值较大。

基于以上分析，选定阈值，得到如下判别公式

  （6）

由此，可以根据相电流的信息熵来对逆变器进行故障诊断，判断出故障所在桥臂。

3. 物理实验

3.1  实验平台介绍

为验证所提出的诊断方法诊断效果，本文进行了物理实验，实验平台如图3所示。其中，控制器采用TMS320F2806芯片，采样频率5kHz；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14N·m；逆变器功率管采用的IGBT。实验对处于矢量控制下的电压源逆变器的闭环运行情况进行研究，通过设置相应的开关信号为0来模拟开路故障。事件划分数量为，设置阈值。

 
图3  三相逆变器故障诊断物理实验平台

3.2  诊断结果与分析

图4  T2故障实验结果

单个开关管（T2）故障的实验结果如图4所示，电机运行在500r/min，15%RLT（额定转矩）下。通过屏蔽控制信号设置T2在0.3秒发生故障，如图4（a）所示，故障发生后a相电流信号发生畸变；由图4（b），a相信息熵迅速减小至阈值以下，而b、c相仍然大于，由此诊断出a相故障，并由故障标志迅速指示出，如图4(c)所示。诊断时间0.027秒，小于1/2个电流基波周期。

 
图5  T1和T2故障实验结果

同一桥臂双管（T1和T2）故障实验结果如图5所示，电机运行在500r/min，15%RLT下，0.3秒故障发生，0.332秒诊断出故障。可以看出，算法对双管故障同样取得了较好的诊断效果，诊断时间为0.032秒，约1/2个电流基波周期。

3.3  抗负载扰动实验

为验证算法鲁棒性，无故障时，转速给定保持为500r/min，在0.78s将负载由15%RLT突增至45%RLT，实验结果如图6所示。可以看到，在负载突变后逆变器中各相电流幅值变化较大，各相信息熵有一定改变但始终大于阈值，没有产生误诊，表明该方法对负载突变具有较好的鲁棒性。

图6   负载突变下算法的鲁棒性验证实验结果
                                                                      

4. 总结

本文针对两电平电压源逆变器功率管故障，提出了一种基于信息熵分析的故障诊断方法。该方法通过将一个电流周期的每相电流信号根据幅值划分为若干个事件，分别统计各事件的概率，计算每相的信息熵，根据信息熵判断出故障所处位置。信息熵的局限性是只能衡量信息量的减少，无法反映信息中数值的正负等特征，因此本方法只能定位到桥臂而不能区分上下管。但对于逆变器容错控制，只需诊断到故障桥臂，而本方法原理简单，诊断速度快（1/2个电流周期），可快速诊断出逆变器单管故障、同桥臂双管故障，定位到故障桥臂，并且对电机负载突变具有良好的鲁棒性。