一种NPC三电平变流器的开关管故障诊断方法技术

本发明专利技术公开了一种NPC三电平变流器的开关管故障诊断方法，以一相桥臂为检测单元，针对该桥臂上开关管单个开路故障，以所述相桥臂的开关状态、输出电流、流经上下方的外侧开关管的电流这四个量为故障特征量，通过位于外侧功率器件的外端处的电流传感器A1检测流经上方外侧开关管的电流的电流值，通过位于输出线端处的电流传感器A2检测输出电流的电流值和通过位于外侧功率器件另一外端处的电流传感器A3检测流经下方的外侧开关管的电流的电流值，通过所述的三处电流传感器检检测到的输出电流的电流值和流经上下方外侧开关管的电流的电流值推断出电路内部的电流流经路径，结合此刻开关状态，与无故障时对应的电流路径进行比对，得出开关管开路故障诊断结果。

A fault diagnosis method for switching tube of NPC three level converter

The invention discloses a switch three level NPC converter tube fault diagnosis method, a phase detection unit for bridge arm, the bridge arm switch single phase open circuit fault, with the bridge arm switch state, output current, current flowing through the outer switch on the pipe below the four volume fault characteristics, current sensor A1 detection by outside power devices at the outer end of the current flowing through the switch tube above the lateral current output current value, current sensor A2 detection through the end of the line at the output current value and current through the sensor A3 detection at the lateral power device at the outer end through another below the lateral switch value, the current output current through the three current sensor detecting the to the value and the current flowing through the switch tube below the lateral current value inferred The current flow through the path of the circuit is combined with the switch state at the present time to compare with the corresponding current path without fault, and the open circuit fault diagnosis result of the switch tube is obtained.

【技术实现步骤摘要】
一种NPC三电平变流器的开关管故障诊断方法
本专利技术涉及一种NPC三电平变流器的开关管故障诊断方法，属于电力电子器件故障诊断领域。
技术介绍
在变流技术应用中，多电平功率变换技术与传统两电平技术相比，具有单个功率器件承受的电压电流应力更小、输出的电压波形更接近正弦波和电流谐波含量较少等显著优点，特别适用于电力机车驱动、新能源并网、冶金设备操控等大功率传动领域。其中，二极管箝位型(NeutralPointClamped,NPC)三电平变流结构是目前技术最为成熟、应用最为广泛的一种多电平变流拓扑结构。在实际工程应用中，由于变流器的能量密度高、运行工况复杂、半导体器件的可靠性相对较低，变流器的开关管常会发生短路、开路故障，并导致电路无法正常工作，造成更严重的损失和危害。综上，研究二极管箝位型三电平变流器开关管的故障特征，提出相应的故障诊断方法，尽快汇报开关管故障的类型和位置对于提高变流器的可靠性具有重要意义。目前，对二极管箝位型(NPC)三电平变流器的开关管故障诊断技术的研究主要依据信号处理法和原理分析法这两种研究路径。信号处理法一般先对采集于变流器不同位置的电压、电流信号进行傅里叶变换、小波变换等信号处理提取特征信号，再将特征信号通过神经网络、贝叶斯模型、支持向量机等方式进行分类，进而确定故障发生的原因和具体的位置。原理分析法则先根据不同工作状态下的电路拓扑，分析得到电压、电流的波形，建立对应的知识库，再将采集到的电压、电流信号与预先建立的知识库进行比对，进而判断故障发生的原因和位置。信号处理法在处理过程中，对信号长度有一定的要求，同时计算较为复杂，降低了故障诊断的时效性，通过算法模型分类未能对故障机理从原理上进行分析且对算法训练的要求很高，降低了故障判断的准确性。原理分析法从故障发生的原理出发，保障了故障判断的准确性，但现有的原理分析法由于采集到的电压电流信号有限存在故障位置判断不够明确、需要装设体积较大的电压传感器、仅适用于逆变或整流的工作环境等问题。
技术实现思路
本专利技术为解决现有技术中存在的不足，提出一种NPC三电平变流器的开关管故障诊断方法，该诊断方法在实际应用中，通过电路原理分析，将路径判断简化为一组逻辑判断，具有原理明晰、方法简单、易于实现的优点。为了解决上述技术问题，本专利技术提供了一种NPC三电平变流器的开关管故障诊断方法，以一相桥臂为检测单元，针对该桥臂上开关管单个开路故障，以所述相桥臂的开关状态、输出电流、流经上下方的外侧开关管的电流这四个量处理为一组故障特征量，通过位于外侧功率器件的外端处的电流传感器A1检测流经上方的外侧开关管的电流的电流值，通过位于输出线端处的电流传感器A2检测输出电流的电流值和通过位于外侧功率器件的另一外端处的电流传感器A3检测流经下方的外侧开关管的电流的电流值，通过输出电流的电流值和流经上下方的外侧开关管的电流的电流值推断出电路内部的电流流经路径，结合此刻开关状态，与无故障时对应的电流路径进行比对，得出故障诊断结果。进一步的，包括以下步骤：a.NPC三电平变流器有三种工作状态，分别对应特征信号1、0、-1，特征信号1指仅桥臂上方两个IGBT导通的状态，特征信号0指仅桥臂中间两个IGBT导通的状态，特征信号-1指仅桥臂下方两个IGBT导通的状态；b.对电流传感器A1、电流传感器A2和电流传感器A3检测到的电流值进行过零检测，并设置阈值范围，过零阈值的幅值为额定电流幅值的0.005至0.01，当检测到的电流值高于阈值范围时，此处电流信号处理为1，属于该范围的电流信号处理为0，低于该范围的电流信号处理为-1；c.根据不同开关状态下对应的电流路径特征进行分析，根据电流路径出现的优先级关系，判断电路中出现开路故障的开关管的具体位置；d.将该桥臂的工作状态信号、流经上方的外侧开关管的电流信号、输出电流信号、流经下方的外侧开关管的电流信号组成特征信号，当特征信号依次为下列组合且延续超过设定的阈值时间时，可以诊断出开关管开路故障：当特征信号为1，0，-1，0，为开关管T1开路；当特征信号为1或0，0，-1，-1，为开关管T2开路；当特征信号为0或-1，-1，1，0，为开关管T3开路；当特征信号为-1，0，1，0，为开关管T4开路。进一步的，可在各相桥臂独立施展，实现多管故障诊断。本专利技术的一相桥臂由四个带有反并联二极管的IGBT串联而成，直流环节由两个相同的支撑电容串联而成，两个箝位二极管串联且于内侧两个IGBT与外侧两个IGBT之间接入主桥臂。对于一相桥臂而言，其所发生的开关管故障根据故障开关管数量不同，可以分为单管故障和多管故障，开关管单管故障，可分为单管短路故障和单管开路故障这两种，每种又根据故障开关管的具体位置可分为四种。考虑到问题的复杂性，对于多管故障，仅考虑双管开路故障，包括半桥臂内外侧开关管均开路故障和上下半桥臂内外侧开关管分别开路故障。本专利技术的有益效果是：本专利技术与现有技术相比，具有以下优点：本专利技术通过在每个单相桥臂中装设电流传感器，实现了实时分析电流的实际流经路径，避免了部分诊断方法中所使用的电压互感器，显著缩小了诊断装置的总体积。与基于信号的故障诊断方法相比，该方法不需要对变流器的电压电流信号进行复杂的数学处理，大大提高了诊断的效率，减少了设备带故障运行的时间。由于该诊断方法是基于NPC三电平变流器在正常工作状态下电流流经的路径与故障状态下的路径的区别，判断原理明晰，无需大量识别训练，准确率高。附图说明图1为本专利技术二极管箝位型三电平变流器的电路图；图2为本专利技术故障诊断的一相桥臂的电路图；图3为本专利技术电流过零阈值范围的示意图；图4为单相桥臂无故障状态下电流流经路径汇总图；图5为本专利技术开关管开路诊断故障逻辑判断图。具体实施方式以下结合附图和实施例对本专利技术专利做进一步说明。参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本专利技术，而不能理解为对本专利技术的限制。以二极管箝位型三电平变流器为例，变流器的电路图如图1所示，该变流器可用于整流器和逆变器的不同场合。本实施例的故障诊断方法以一相桥臂作为一个检测单元，根据对称的原则，选取其中一相桥臂的电路做具体分析，具体参考图2。该相桥臂包括开关管T1、T2、T3和T4，开关管反串联二极管D1、D2、D3和D4，以及箝位二极管D5和D6，直流环节由两个规格相同的支撑电容C1和C2串联而成，电流传感器A1设置在外侧功率器件的外端处、电流传感器A2设置在输出线端处和电流传感器A3设置于外侧功率器件的另一外端处，图2所示的直流环节中，从上到下的电位分别记为up、uo、un，电路正常工作时，直流环节支撑电容C1和C2正常工作，up高于uo高于un。如图2中电流传感器旁箭头所示，对于故障检测电路中的三处电流传感器，为了表述清楚，依照序号顺序，将这三处电流分别简称为上方电流、相电流和下方电流，并分别以向下、向桥臂、向下为正方向，本实施例的故障诊断方法，需要对上述三处电流信号设置过零阈值范围，过零阈值的幅值推荐为额定电流幅值的0.005至0.01，过零阈值设定过小会导致故障检测误报，过零阈值设定过大会导致故障诊断不够敏感，当电流高于阈值范围时，此处电流信号处理为1，同理，属于该范围、低于该范围的电流信号分别处理为0和-1，如图3所示。图4为无故障本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种NPC三电平变流器的开关管故障诊断方法，其特征在于：以一相桥臂为检测单元，针对该桥臂上开关管单个开路故障，以所述相桥臂的开关状态、输出电流、流经上下方的外侧开关管的电流这四个量处理为一组故障特征量，通过位于外侧功率器件的外端处的电流传感器A1检测流经上方外侧开关管的电流的电流值，通过位于输出线端处的电流传感器A2检测输出电流的电流值和通过位于外侧功率器件另一外端处的电流传感器A3检测流经下方的外侧开关管电流的电流值，通过所述的三处电流传感器检检测到的输出电流的电流值和流经上下方外侧开关管的电流的电流值推断出电路内部的电流流经路径，结合此刻开关状态，与无故障时对应的电流路径进行比对，得出开关管开路故障诊断结果。

【技术特征摘要】
1.一种NPC三电平变流器的开关管故障诊断方法，其特征在于：以一相桥臂为检测单元，针对该桥臂上开关管单个开路故障，以所述相桥臂的开关状态、输出电流、流经上下方的外侧开关管的电流这四个量处理为一组故障特征量，通过位于外侧功率器件的外端处的电流传感器A1检测流经上方外侧开关管的电流的电流值，通过位于输出线端处的电流传感器A2检测输出电流的电流值和通过位于外侧功率器件另一外端处的电流传感器A3检测流经下方的外侧开关管电流的电流值，通过所述的三处电流传感器检检测到的输出电流的电流值和流经上下方外侧开关管的电流的电流值推断出电路内部的电流流经路径，结合此刻开关状态，与无故障时对应的电流路径进行比对，得出开关管开路故障诊断结果。2.根据权利要求1所述的一种NPC三电平变流器的开关管故障诊断方法，其特征在于：包括以下步骤：a.NPC三电平变流器有三种工作状态，分别对应特征信号1、0、-1，特征信号1指仅桥臂上方两个IGBT导通的状态，特征信号0指仅桥臂中间两个IGBT导通的状态，特征信号-1指仅桥臂下方两个IGBT导通...

【专利技术属性】
技术研发人员：林鹤云，王沈晟，王克羿，阳辉，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32