本发明专利技术公开了一种三相桥式PWM整流器开关管开路故障诊断方法，属于三相交直流变换领域。本发明专利技术为解决现有诊断方案存在的多管故障诊断不准确、鲁棒性差等问题。所述方法利用三相桥式PWM整流器中任一开关管开路故障时故障相网侧电流出现为零区域这一特征，从三相网侧电流中提取电流相角，根据电流相角变化量和电网相角实现故障检测和定位。本发明专利技术公开的方法，对于三相桥式PWM整流器中单个和多个开关管同时开路故障均能实现有效诊断，软件算法简单，无需增加硬件电路，对系统瞬变状态鲁棒性高。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术公开了一种用于三相桥式PffM整流器的开关管开路故障诊断方法，属于三 相交直流变换领域。
技术介绍
相比于传统的不控整流或相控整流方案，三相桥式PffM整流器具有直流电压可 控、可实现单位功率因数、网侧电流谐波小以及能量可以双向流动等优点，在中、大功率场 合得到了广泛应用。随着功率变换器的大规模使用，对其故障进行实时、高效诊断逐渐成为 研究热点。调查显示，约38%的功率变换系统故障是由于功率开关器件失效引起，主要包括 短路故障和开路故障。对于短路故障，由于其会瞬间造成系统中其他正常的元件因过压或 过流损坏，必须迅速实施保护措施降低损害，通常只有硬件保护电路可以满足快速性；另一 方面，故障现象表现为大幅度的过压或过流，故障检测和保护实施方便。开关管开路故障不 会导致系统关机，但变换器长期工作在异常状态，可能引起二次故障。为了避免二次故障的 发生，以及能与容错控制策略相结合以提高系统的可靠性，目前大部分文献针对变换器的 开关管开路故障诊断展开研究。 近年来，对功率变换器的故障诊断研究集中于三相电机驱动器（三相桥式逆变 器），并已形成较完整的理论体系。根据诊断变量不同，开路故障诊断方法可分为电流诊断 法和电压诊断法。电流诊断法基于开路故障后的三相电流畸变情况，对三相电流进行处理 以提取故障信息，无需附加硬件电路。电压诊断法通过检测电路中的一些电压信号，如桥臂 中点电压，根据故障前后的误差实现诊断，诊断时间短，独立于负载和控制策略，具有较高 的可靠性，但需要采用电压传感器或其它硬件电路检测电压信号，系统成本和复杂性提高， 实际应用价值不高。 三相桥式逆变器在开关管开路故障时，故障相网侧电流在半个电网周期内完全缺 失，而对于三相PWM整流器，在同样的开关管开路故障下，由于续流二极管的存在，整流器 电流不会被完全阻断，使得整流器和逆变器的电流故障现象不同。因此，电流矢量轨迹斜率 法、电流矢量瞬时频率法、平均电流PARK矢量法等基于电流PARK矢量的诊断方法不适用于 三相PffM整流器。"简单电流法"根据开关管开路故障后相电流平均值不为零实现故障诊 断，由于三相电流大小随负载变化而变化，该方法难以在全功率范围内选取合适的比较阈 值，且在负载突变时可能造成假报警。为了消除负载依赖性，"归一化直流法"利用相电流离 散傅里叶变换的基波系数对三相电流进行归一化，该方法计算量大。"标么化均值法"采用 电流PARK矢量模长对三相电流进行归一化，简化算法；通过检测直流侧中点和交流侧中点 间电压诊断来消除负载突变对诊断的影响，但是需要增加一个电压传感器。此外，上述方法 均只考虑了单个开关管开路故障模式，当发生多管故障时，可能出现故障管定位错误或无 法检测出故障。从可靠性角度考虑，只研究单管开路故障不够全面，有必要对多管同时开路 的故障模式进行研究。有方案提出采用电流相角导数进行故障检测，对负载突变实现了良 好的抗误报警能力，采用归一化的相电流平均绝对值的误差进行故障定位，能实现多管故 障检测，但是检测与定位分两步实现，算法复杂。 综上所述，现有文献和专利给出的三相桥式PffM整流器开关管开路故障诊断方 法，从实现多管开路故障诊断、减小硬件成本、实现算法简单、对系统瞬态的高鲁棒性等多 方面评估还有许多不足。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是针对上述
技术介绍
的不足，提出一种用于三相桥式 PWM整流器的开关管开路故障诊断方法。 本专利技术为实现上述专利技术目的采用如下技术方案： 基于电流相角的三相桥式PffM整流器开关管开路故障诊断方法，包括如下步骤： 步骤1.采集三相电网电压ea、eb、e。，经锁相环得到电网电压相角θ v。 步骤2.采集三相网侧电流13、、1。，经坐标变换得到网侧电流相角01，计算电流 相角变化量A Θ 1<3 步骤3.将电流相角变化量△ Θ i与设定的阈值Th比较，判断是否有开关管开路 故障发生。当Δ 无故障；当Δ Θ i<Th，有故障，执行步骤4。 步骤4.根据表1初步定位发生开路故障的开关管。首先，判断此时的θ v在表1 中对应的区域；其次，判断此时的Θ i与表1中的理论值是否相符。 表 1 步骤5.故障管Sx定位成功后，对应的故障计数器count ++。当count 累加 至设定事件计数值N，判定故障诊断成功，SxS故障管。清零计数器。 所述三相桥式PffM整流器开关管开路故障诊断方法中，步骤2具体包括如下步 骤： 步骤2-1.对三相网侧电流做CLARK变换得到两相静止坐标系下的分量ia、i e。(1) 步骤2-2.计算网侧电流相角θι<3(2) 步骤2-3.将两次采样周期计算得的Qi相减，得到电流相角变化量△ θ ι<3 本专利技术采用上述技术方案，可以对三相桥式PffM整流器实现单个开关管开路或多 个开关管同时开路故障的故障诊断，并精确定位到具体的故障开关管。该方案基于DSP编 程，算法简单易实现，无需增加额外的硬件成本。由于电流相角不受负载大小影响，比较阈 值通用性高，负载突变时不会造成误诊断，鲁棒性高。【附图说明】 图1为本专利技术所述三相桥式PffM整流器主电路拓扑示意图； 图2为本专利技术所述三相桥式PffM整流器及其故障诊断方法控制框图 图3为本专利技术所述三相桥式PffM整流器A相桥臂示意图； 图4为本专利技术所述三相桥式PffM整流器S i开路故障下的相关工作波形图； 图5为本专利技术所述故障诊断方法的算法流程图； 图6为本专利技术所述故障诊断方法的仿真结果。 图中标号说明斤~S6为第一至第六开关管,D1-D 6为第一至第六续流二极管，L 为三相滤波电感，Cf为直流侧滤波电容，L为直流负载。i d、i/为有功电流给定和反馈，i q 和为无功电流给定和反馈，e d、eq为电网电压d轴和q轴分量。【具体实施方式】 下面结合附图对专利技术的技术方案进行详细说明： 图1为本专利技术所述三相桥式PWM整流器主电路拓扑示意图。第一至第六开关管 Si~S 6为a、b、C三相桥臂功率管，D D 6为第一至第六续流二极管，L为三相滤波电感， Cf为直流侧滤波电容，Rl为直流负载，e a、eb、e。为三相电网电压，i a、ib、i。为三相网侧电流， 参考方向如图，Ud。为直流侧输出电压，0为交流侧中点，N为直流侧负极。 图2为本专利技术所述三相桥式PffM整流器系统及其故障诊断方法的控制框图。所基 于的系统包括连接电网与直流侧负载间的三相PWM整流器拓扑单元以及与整流器拓扑单 元相连接的控制单元。其中，整流器控制单元包括实现直流侧输出稳压的电压环、网侧电流 控制的电流环以及与电流环连接的SVPffM单元。 图3为本专利技术所述三相桥式PffM整流器A相桥臂示意图。整流器正常工作时，输 入电压U ga为正半周时，A相网侧电流i a> 0, i a只有两个通路，如图3(a)所示。开关管S2 导通、S1关断时，i a通过S 2给滤波电感L储能；S 2关断、S i导通时，i a通过二极管D i续流， SjP D2不参与工作。输入电压Uga为负半周时，有i a< 0,电流i 3的两个通路如图3(b)所 示，S1导通时，i a通过S i给滤波电感L储能；S i关断时，i a通过二极管D 本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种三相桥式PWM整流器开关管开路故障诊断方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：步骤1.采集三相电网电压ea、eb、ec，经锁相环得到电网电压相角θv。步骤2.采集三相网侧电流ia、ib、ic，经坐标变换得到网侧电流相角θi，计算电流相角变化量Δθi。步骤3.将电流相角变化量Δθi与设定的阈值Th比较，判断是否有开关管开路故障发生。当Δθi＞Th，无故障；当Δθi＜Th，有故障，执行步骤4。步骤4.根据表1初步定位发生开路故障的开关管。首先，判断此时的θv在表1中对应的区域；其次，判断此时的θi与表1中的理论值是否相符。表1开关管θv区域θ1值S1[π/2，5π/6]π/2S2[‑π/2，‑π/6]‑π/2S3[‑5π/6，‑π/2]‑5π/6S4[π/6，π/2]π/6S5[‑π/6，π/6]‑π/6S6[‑π，‑5π/6]，[5π/6，π]5π/6步骤5.故障管SX定位成功后，对应的故障计数器count[X]++。当count[X]累加至设定事件计数值N，判定故障诊断成功，SX为故障管。清零计数器。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：许政，肖岚，宋佩云，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32
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