三电平逆变器的开关管开路故障诊断方法技术

本发明专利技术公开了一种三电平逆变器的开关管开路故障诊断方法，该诊断方法选取开关状态和负载相电流的极性及桥臂相电压作为故障特征，基于电流流通路径法进行不同开关状态下开路故障特征的分析，得出故障诊断规则，实现二极管中点钳位型(NPC)三电平逆变器的开关管开路故障诊断。该诊断方法不仅能够诊断出单管故障，也能对双管故障进行有效识别，此外还具有诊断迅速、可靠性高等优点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及电力电子器件故障诊断技术，特别是涉及一种多电平逆变器的开路故障诊断方法。
技术介绍
与传统的两电平逆变器相比，以二极管中点钳位型(NPC)结构为代表的三电平逆变器输出电压波形谐波含量低，电磁干扰小、电压容量高、电压跳变率低，已被广泛应用于牵引驱动系统。但是，NPC三电平逆变电路的开关器件数目较多，导致其故障率高、可靠性低，任何一个器件故障都可能导致整个电路停止工作，造成不可估量的经济损失。因此，如何快速实现电路的故障诊断对于提高NPC三电平逆变器的工作可靠性具有重大意义。目前，国内外针对NPC三电平逆变器的故障诊断问题研究出很多方法。如利用快速傅里叶变换、小波变换和主成分分析等信号处理方法提取故障特征信号，再利用神经网络、支持向量机和关联向量机等智能方法进行故障诊断。但这类方法需要对大量的故障信号进行训练，算法复杂、工作量很大。此外，还有针对NPC三电平逆变器单管开路故障，对桥臂电压波形进行实时分析得出故障诊断依据，进行逆变器的开路故障诊断。但是，这些方法只考虑单个器件开路的故障模式，可靠性较低。因此，为了提高NPC三电平逆变器开路故障诊断的可靠性，减少故障诊断的工作量，本专利技术选取开关状态、负载相电流的极性和桥臂相电压作为故障特征，进行NPC三电平逆变器的开关管开路故障诊断。它不仅能够诊断出单管开路故障，也能有效实现双管开路故障诊断，此外还具有诊断迅速、可靠性高等优点。
技术实现思路
为了克服上述现有技术的不足，本专利技术提供了一种三电平逆变器的开关管开路故障诊断方法。该诊断方法逻辑简单、易于实现，诊断速度快，可靠性高。本专利技术所采用的技术方案是：一种三电平逆变器的开关管开路故障诊断方法，具体包括如下步骤：(1)选取二极管中点钳位型(NPC)三电平逆变电路的开关状态、负载相电流的极性及桥臂相电压作为故障特征。NPC三电平逆变器每相由4个IGBT开关器件串联组成，每个开关器件反并联1个续流二极管，三相桥臂并联接直流电源Ud，每相中间两个串联的IGBT开关器件与两个串联的二极管并联连接，两个串联的二极管的中间点接直流电源Ud的中性点(O)，即Ud/2电压处，每相4个串联的IGBT开关器件的中间点(A、B、C)输出接对应的三相负载，所述的负载相电流是流入负载端的电流，所述的桥臂相电压是每相的中间点(A、B、C)与直流电源Ud的中性点(O)之间的电压，所述的开关状态是控制4个串联的IGBT开关器件导通与关断的驱动信号，NPC三电平逆变器共有三种开关状态，分别是P、O、N。所述的P状态是控制每相上面2个IGBT开关器件导通、下面2个IGBT开关器件关断的驱动信号，所述的O状态是控制每相中间2个IGBT开关器件导通、另外2个IGBT开关器件关断的驱动信号，所述的N状态是控制每相下面2个IGBT开关器件导通、上面2个IGBT开关器件关断的驱动信号。(2)建立NPC三电平逆变电路的模型，根据实际运行的单管和双管开路故障进行故障分类，共五类79种故障。1)第一类：正常运行，无开关器件发生开路故障。2)第二类：只有一个开关器件发生开路故障，即每相桥臂4个串联的IGBT开关器件(Qi1-Qi4，i＝A、B、C)中任一开关管发生开路故障，共12种情况。3)第三类：单相桥臂上下半桥各有一个开关管发生开路故障，共12种情况。4)第四类：单相桥臂上半桥或下半桥两个开关管发生开路故障，共6种情况。5)第五类：交叉桥臂两个开关管发生开路故障，共48种情况。(3)鉴于电路的对称性，以A相桥臂为例，对工作在P、O状态下的NPC三电平逆变电路，进行步骤(2)中第二类的单管开路故障特征分析，得到单管开路故障诊断依据，输入到单管开路故障诊断模块进行诊断，能够诊断出NPC三电平逆变器的第一类、第二类故障，共13种情况。(4)基于单管开路故障诊断，可得到双管开路故障诊断依据，输入到双管故障诊断模块进行诊断，能够诊断出NPC三电平逆变器的第三类、第五类故障，共60种情况。(5)对步骤(2)中NPC三电平逆变器的第四类故障，进行开关管开路故障诊断。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：本专利技术利用开关状态、桥臂相电压及负载相电流的极性实现了NPC三电平逆变器的开关管开路故障诊断。相比于基于信号的故障诊断方法，该诊断方法不需要对故障特征信号进行信号处理，直接根据所选取信号的特征识别出开路故障。相比于基于知识的故障诊断方法，它不仅能够实现在线诊断，且不需要对大量的故障数据进行学习和训练，大大减少了工作量。此外，该诊断方法不需要进行复杂的算法运算，逻辑诊断思路简单，诊断速度快、可靠性高。附图说明图1为本专利技术NPC三电平逆变电路A相桥臂等效图；图2为本专利技术NPC三电平逆变电路的开关状态结构图；图3为本专利技术P状态下，开路故障后的电流流通路径变化图；图4为本专利技术O状态下，开路故障后的电流流通路径变化图；图5单管开路故障诊断流程图；图6双管开路故障诊断逻辑图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术进一步说明。以图1所示的NPC三电平逆变电路的A相桥臂为例，分析NPC三电平逆变电路的工作情况。P状态(QA1QA2导通，QA3QA4关断)：如图1(a)所示，负载相电流为正时(图中实线方向)，电流流过QA1、QA2(忽略管压降)，此时UAO＝+1/2Ud；负载相电流为负时(图中虚线方向)，电流流过与QA1、QA2并联的续流二极管D1、D2，同理UAO＝+1/2Ud；O状态(QA2QA3导通，QA1QA4关断):如图1(b)所示，负载相电流为正时，电流流过D5和QA2，此时UAO＝0；负载相电流为负时，电流流过QA3和D6，同理UAO＝0；N状态(QA3QA4导通，QA1QA2关断):如图1(c)所示，负载相电流为正时，电流流过与QA3、QA4并联的续流二极管D3、D4，此时UAO＝-1/2Ud；负载相电流为负时，电流流过QA3、QA4(忽略管压降)，同理UAO＝-1/2Ud。上述分析可知A相桥臂存在三种开关状态，因此NPC三电平逆变器共有27种开关状态，本专利技术选用的NPC三电平逆变器的开关状态如图2所示。分别提取NPC三电平逆变器的开关状态、桥臂相电压及负载相电流的极性作为故障特征，基于电流流通路径法进行不同开关状态下开路故障特征的分析。鉴于电路的对称性，以A相桥臂为例，分析P、O状态下的单管开路故障特征。P状态下，负载相电流(Ia)的分析：由图1(a)可见，NPC三电平逆变电路工作在P状态，QA3、QA4开关管断开，仅进行QA1、QA2开关管开路故障特征分析。由逆变电路的工作原理知，当逆变电路工作在P状态且正常工作时，Ia可正可负，且Ia由负到正会出现瞬时值为零的情况；由图3可见，Ia＜0时(图中1号虚线)，QA1、QA2开关管开路故障对该状态无影响，Ia依然可以形成负向通路；Ia＞0时(图中2号实线)，QA1开关管开路故障，Ia无法经过QA1、QA2流向负载，只能经过D5和QA2流向负载(图中3号虚线)，电路工作状态变为O状态，Ia依然可以形成正向通路，由图2可见，仍存在部分开关状态无法转变为O状态，如PPN、PON、PNN等，这些开关状态下的Ia只能为零；Ia＞0时(图中2号实线)，QA2开关管开路故障，电路断开，Ia＝0。综上所述：P状态下正常工作本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种三电平逆变器的开关管开路故障诊断方法，其特征在于，该诊断方法的步骤为：(1)选取二极管中点钳位型(NPC)三电平逆变电路的开关状态、负载相电流的极性及桥臂相电压作为故障特征；(2)建立NPC三电平逆变电路的模型，根据实际运行的单管和双管开路故障进行故障分类，共五类79种故障；1)第一类：正常运行，无开关器件发生开路故障；2)第二类：只有一个开关器件发生开路故障，即每相桥臂4个串联的IGBT开关器件(Qi1‑Qi4，i＝A、B、C)中任一开关管发生开路故障，共12种情况；3)第三类：单相桥臂上下半桥各有一个开关管发生开路故障，共12种情况；4)第四类：单相桥臂上半桥或下半桥两个开关管发生开路故障，共6种情况；5)第五类：交叉桥臂两个开关管发生开路故障，共48种情况；(3)基于电流流通路径法，对工作在不同开关状态下的NPC三电平逆变电路，进行步骤(2)中第二类的单管开路故障特征分析，得到单管开路故障诊断依据，输入到单管开路故障诊断模块进行诊断，能够诊断出NPC三电平逆变器的第一类、第二类故障，共13种情况；(4)基于单管开路故障诊断依据，得到双管开路故障诊断依据，输入到双管故障诊断模块进行诊断，能够诊断出NPC三电平逆变器的第三类、第五类故障，共60种情况；(5)对步骤(2)中NPC三电平逆变器的第四类故障，进行开关管开路故障诊断。...

【技术特征摘要】
1.一种三电平逆变器的开关管开路故障诊断方法，其特征在于，该诊断方法的步骤为：(1)选取二极管中点钳位型(NPC)三电平逆变电路的开关状态、负载相电流的极性及桥臂相电压作为故障特征；(2)建立NPC三电平逆变电路的模型，根据实际运行的单管和双管开路故障进行故障分类，共五类79种故障；1)第一类：正常运行，无开关器件发生开路故障；2)第二类：只有一个开关器件发生开路故障，即每相桥臂4个串联的IGBT开关器件(Qi1-Qi4，i＝A、B、C)中任一开关管发生开路故障，共12种情况；3)第三类：单相桥臂上下半桥各有一个开关管发生开路故障，共12种情况；4)第四类：单相桥臂上半桥或下半桥两个开关管发生开路故障，共6种情况；5)第五类：交叉桥臂两个开关管发生开路故障，共48种情况；(3)基于电流流通路径法，对工作在不同开关状态下的NPC三电平逆变电路，进行步骤(2)中第二类的单管开路故障特征分析，得到单管开路故障诊断依据，输入到单管开路故障诊断模块进行诊断，能够诊断出NPC三电平逆变器的第一类、第二类故障，共13种情况；(4)基于单管开路故障诊断依据，得到双管开路故障诊断依据，输入到双管故障诊断模块进行诊断，能够诊断出NPC三电平逆变器的第三类、第五类故障，共60种情况；(5)对步骤(2)中NPC三电平逆变器的第四类故障，进行开关管开路故障诊断。2.根据权利要求1所述的三电平逆变器的开关管开路故障诊断方法，其特征在于所述的步骤(3)：(1)鉴于电路的对称性，以A相桥臂为例，进行P、O状态下单管开路故障特征分析。P状态下QA3、QA4开关管关断，仅进行QA1、QA2开关管开路故障特征分析。基于电流流通路径法分析可得P状态下正常工作时，NPC三电平逆变器的负载相电流可大于小于等于零，QA1单管开路故障下的负载相电流可大于小于等于零，QA2单管开路故障下的负载相电流不可能大于零，因此，P状态下利用负载相电流的极性可识别出QA2单管开路故障，但无法对QA1单管开路故障和正常状态加以区分。对桥臂相电压的分析可得，P状态下正常工作时，桥臂相电压为+1/2Ud，QA1或QA2单管开路故障后存在桥臂相电压小于+1/2Ud，因此，选取桥臂相电压作为另一故障特征，可实现QA1开关管的开路故障诊断；(2)O状态下QA1、QA4开关管关断，仅进行QA2、QA3开关管开路故障特征分析。基于电流流通路径法分析可得O状态下正常工作时，NPC三电平逆变器的负载相电流可大于小于等于零；QA2单管开路故障下的负载相电流恒小于等于零，QA3单管开路故障下的负载相电流恒大于等于零，因此，O状态下利用负载相电流的极性可识别出QA2、QA3开关管开路故障，无需进行桥臂相电压的分析；(3)由A相桥臂的单管开路故障特征分析可推出NPC三电平逆变器的单管开路故障诊断依据：若P状态下负载相电流极性为正且桥臂相电压小于+1/2Ud，则为Qi1单管开路故障；若P、O状态下负载相电流的极性恒为负，则为Qi2单管开路故障；若O、N状态下负载相电流的极性恒为正，则为Qi3单管开路故障；若N状态下负载相电流极性为负且桥臂相电压大于-1/2Ud，则为Qi4单管开路故障。3.根据权利要求...

【专利技术属性】
技术研发人员：沈艳霞，苗贝贝，
申请(专利权)人：江南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32