CN106908677B - 并联igbt逆变器故障诊断方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种并联IGBT逆变器故障的诊断方法，首先，采集逆变器输出的三相相电压，建立三相电压矩阵，得到状态量U_k；然后，采集IGBT导通压降V_i(k)，将V_i(k)与阈值压降V_ce进行比较，并将比较结果构成IGBT压降布尔矩阵V(k)，根据V(k)得出是否存在故障；若存在故障，则进一步比较U_k和由V(k)得到的状态量V_k，若不相等，则为单支或多支非并联IGBT故障，否则为并联IGBT同时故障；U_k输入集合F；若连续六次采样得到的U_k的值发生状态变化，则将F与故障集合FS_i做比较，判断故障位置。本发明能能快速诊断逆变器故障。

Description

并联IGBT逆变器故障诊断方法

技术领域

本发明涉及一种诊断逆变器故障的方法，特别的是，该方法可用于诊断并联 IGBT逆变器中的故障，该方法通过IGBT导通压降与三相电压，检测并定位逆变器中IGBT故障，从而提早发现并报告故障，提高稳定性和安全性。

背景技术

逆变器是以其优越的性能在工业、电动汽车、高速列车等领域得到广泛应用，但由于长期工作在高温、高压、高频的状态，其核心部件绝缘栅双极型晶体管(Insulated GateBipolar Transistor，IGBT)老化程度迅速，成为列车安全的潜在威胁。IGBT的损坏会增加其它功率器件的工作负担，进而导致更为严重的二次事故，最终造成列车运行事故。尽管在逆变器功率器件IGBT的驱动电路中加入了保护电路，但负载扰动、电网扰动、空间电磁干扰等都会导致保护系统失效。

然而，对于高功率输出的逆变器，常采用并联IGBT的方案。目前很多研究致力于对逆变器故障诊断方法的研究多集中在普通的逆变器，这些方法不能适用并联IGBT这种特殊工况。现有研究在对逆变器故障诊断过程中常利用数据分析的方法提取特征值，这样不但增加了系统的硬件成本要求，而且延迟了诊断时间。

发明内容

本发明所解决的技术问题是，针对并联IGBT逆变器这一特殊工况下的故障诊断问题，提出了一种并联IGBT逆变器故障诊断方法，能快速诊断逆变器故障。

本发明提供了一种基于布尔矩阵和导通压降的并联IGBT逆变器故障的诊断方法。

本发明所采用的技术方案为：

一种并联IGBT逆变器故障的诊断方法，包括以下步骤：

步骤一、连续采集逆变器输出的三相相电压u_i(k)，i＝a,b,c，k＝1,2,…，k为采样次数，并根据三相相电压的大小，建立三相电压矩阵U(k)＝[u_a u_b u_c]，其中，三相电压矩阵中各元素的二进制取值方法为：

即当相电压大于0时，相电压矩阵中相应位置的元素为1，反之为0。

将U(k)进行十进制转换，得到状态量U_k＝(u_cu_bu_a)₂＝4u_c+2u_b+u_a；至此采样的三相相电压状态可以由一个十进制数字表示，每个状态都对应独立的控制信号状态和IGBT导通压降状态；

步骤二、采集IGBT导通压降V_i(k)，i＝1,2,3,4,5,6，分别对应a相上、下桥臂， b相上、下桥臂，c相上、下桥臂；再将V_i(k)与阈值压降V_ce进行比较，并将比较结果构成IGBT压降布尔矩阵矩阵元素的取值如下：

即V_i(k)大于V_ce时，其在矩阵V(k)中的相应元素V_i为1，反之相应元素为0，

求矩阵V(k)第一行row₁与第二行row₂之差，记为D(k)＝row₁-row₂＝[d₁d₂d₃]；对D(k)中每个元素取绝对值后相加，得到d＝|d₁|+|d₂|+|d₃| (d∈{0,1,2,3})；若d＝3，说明没有故障；否则，若d∈{0,1,2}，即V(k)中有一列同时为0或者1，则说明电路出现故障，进入步骤三；

步骤三、将V(k)第二行row₂转换为十进制，得到V_k＝(V₆V₄V₂)₂＝4V₆+2V₄+V₂；比较V_k与U_k，若V_k与U_k不相等，则为单支或多支非并联IGBT故障，进一步对比row₂与U(k)，元素值不相等的列对应的桥臂为故障桥臂(第1、2和3列分别对应a相桥臂、b相桥臂和c相桥臂)；否则为并联IGBT同时故障，进入步骤四；

步骤四、将U_k输入集合F，F中的元素属于{0,1,2,3,4,5,6,7}，F的初始值为空；当U_k的值发生六次状态变化，将F与故障集合FS_i做比较，判断故障位置；若F＝FS_i，则说明FS_i对应的半桥臂的IGBT发生故障，FS₁～FS₆分别对应a相上、下桥臂，b相上、下桥臂，c相上、下桥臂；故障集合FS_i取值如下：

FS₁＝{(a b 0)₂|a,b∈{0,1}}＝{0,2,4,6}

FS₂＝{(a b 1)₂|a,b∈{0,1}}＝{1,3,5,7}

FS₃＝{(a 0 c)₂|a,c∈{0,1}}＝{0,1,4,5}

FS₄＝{(a 1 c)₂|a,c∈{0,1}}＝{2,3,6,7}

FS₅＝{(0 b c)₂|b,c∈{0,1}}＝{0,1,2,3}

FS₆＝{(1 b c)₂|b,c∈{0,1}}＝{4,5,6,7}。

所述步骤一中采样周期根据IGBT驱动电路进行适当调整。本发明在仿真过程中采样周期为1ms。

所述步骤二中阈值压降V_ce设置为导通压降的二倍。

本发明的原理为：

如图1所示，并联IGBT逆变器共有三相，每相有上下两个桥臂，每个桥臂包括两个并联的IGBT，这两个IGBT对电路有分流作用，这样可以承担更高的线电流，以提高更高的输出功率。

当两个并联的IGBT中有一个发生故障，该桥臂所有电流由与之并联的IGBT 全部承担。又IGBT工作在饱和区，在该区域中导通压降与导通电流在一定范围内上呈线性关系，因此，当一个IGBT发生故障时，与之并联的IGBT导通压降会随之增大，加之高频、大电流的工作状态，IGBT温度骤升，同样产生增大导通压降的效果。因此，当V(k)中有一列同时为0或者1，判定此时逆变器出现IGBT 故障。

并联IGBT逆变器故障诊断框图如图2所示，根据逆变器电路结构，仅考虑 IGBT故障问题，将逆变器故障分为两类：第一类是并联IGBT同时发生开路故障，第二类是单支或多支非并联IGBT故障。利用导通压降布尔矩阵与三相电压矩阵对比可以诊断单管故障；利用故障序列对比，进行并联IGBT同时开路故障。

本发明的有益效果是：

该方法能适应并联IGBT的逆变器这一特殊工况，独立于系统控制算法，因此不受系统控制影响；该方法不进行复杂的数学变换，降低了诊断方法的算法复杂度和时间复杂度，从而减少了对故障诊断系统的硬件依赖；根据实验数据，此方法能大大减小了IGBT开路故障诊断延时，提高了诊断效率。

附图说明

图1为并联IGBT逆变器电路原理图

图2为故障诊断框图

图3为故障诊断流程图

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步具体说明。

本发明公开了一种并联IGBT逆变器故障的诊断方法，包括以下步骤：

步骤一、连续采集逆变器输出的三相相电压u_i(k)，i＝a,b,c，k＝1,2,…，k为采样次数(采样周期根据IGBT驱动电路进行适当调整。本发明在仿真过程中采样周期为1ms)，并根据三相相电压的大小，建立三相电压矩阵 U(k)＝[u_a u_b u_c]，其中，三相电压矩阵中各元素的二进制取值方法为：

即当相电压大于0时，相电压矩阵中相应位置的元素为1，反之为0。

将U(k)进行十进制转换，得到状态量U_k＝(u_cu_bu_a)₂＝4u_c+2u_b+u_a；至此采样的三相相电压状态可以由一个十进制数字表示，每个状态都对应独立的控制信号状态和IGBT导通压降状态；

步骤二、采集IGBT导通压降V_i(k)，i＝1,2,3,4,5,6，分别对应a相上、下桥臂， b相上、下桥臂，c相上、下桥臂；再将V_i(k)与阈值压降V_ce(设置为导通压降的二倍)进行比较，并将比较结果构成IGBT压降布尔矩阵矩阵元素的取值如下：

即V_i(k)大于V_ce时，其在矩阵V(k)中的相应元素V_i为1，反之相应元素为0，

求矩阵V(k)第一行row₁与第二行row₂之差，记为D(k)＝row₁-row₂＝[d₁ d₂ d₃]；对D(k)中每个元素取绝对值后相加，得到d＝|d₁|+|d₂|+|d₃| (d∈{0,1,2,3})；若d＝3，说明没有故障；否则，若d∈{0,1,2}，即V(k)中有一列同时为0或者1，则说明电路出现故障，进入步骤三；

步骤三、将V(k)第二行row₂转换为十进制，得到V_k＝(V₆V₄V₂)₂＝4V₆+2V₄+V₂；比较V_k与U_k，若V_k与U_k不相等，则为单支或多支非并联IGBT故障，进一步对比row₂与U(k)，元素值不相等的列对应的桥臂为故障桥臂(第1、2和3列分别对应a相桥臂、b相桥臂和c相桥臂)；否则为并联IGBT同时故障，进入步骤四；

步骤四、将U_k输入集合F，F中的元素属于{0,1,2,3,4,5,6,7}，F的初始值为空；当U_k的值发生六次状态变化，将F与故障集合FS_i做比较，判断故障位置；若F＝FS_i，则说明FS_i对应的半桥臂的IGBT发生故障，FS₁～FS₆分别对应a相上、下桥臂，b相上、下桥臂，c相上、下桥臂；故障集合FS_i取值如下：

FS₁＝{(a b 0)₂|a,b∈{0,1}}＝{0,2,4,6}

FS₂＝{(a b 1)₂|a,b∈{0,1}}＝{1,3,5,7}

FS₃＝{(a 0 c)₂|a,c∈{0,1}}＝{0,1,4,5}

FS₄＝{(a 1 c)₂|a,c∈{0,1}}＝{2,3,6,7}

FS₅＝{(0 b c)₂|b,c∈{0,1}}＝{0,1,2,3}

FS₆＝{(1 b c)₂|b,c∈{0,1}}＝{4,5,6,7}。

对本发明进行实验，分别设置不同的故障注入时间，对单只IGBT和半桥注入故障，得到诊断延时结果如下：

表1 单只IGBT诊断延时

表2 半桥故障诊断延时

此外，在随机时间，对随机IGBT注入故障，最终得到所有实验样本的综合结果为：平均诊断延迟为42.3ms，平均准确率为97.2％，说明了本发明故障诊断方法的实时性和有效性。

Claims (3)

1.一种并联IGBT逆变器故障的诊断方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、连续采集逆变器输出的三相相电压u_i(k)，i＝a,b,c，k＝1,2,…，k为采样次数，并根据三相相电压的大小，建立三相电压矩阵U(k)＝[u_a u_b u_c]，其中，三相电压矩阵中各元素的二进制取值方法为：

将U(k)进行十进制转换，得到状态量U_k＝(u_cu_bu_a)₂＝4u_c+2u_b+u_a；

步骤二、采集IGBT导通压降V_i(k)，i＝1,2,3,4,5,6，分别对应a相上、下桥臂，b相上、下桥臂，c相上、下桥臂；再将V_i(k)与阈值压降V_ce进行比较，并将比较结果构成IGBT压降布尔矩阵矩阵元素的取值如下：

求矩阵V(k)第一行row₁与第二行row₂之差，记为D(k)＝row₁-row₂＝[d₁ d₂ d₃]；对D(k)中每个元素取绝对值后相加，得到d＝|d₁|+|d₂|+|d₃| (d∈{0,1,2,3})；若d＝3，说明没有故障；否则若d∈{0,1,2}，则说明电路出现故障，进入步骤三；

步骤三、将V(k)第二行row₂转换为十进制，得到V_k＝(V₆V₄V₂)₂＝4V₆+2V₄+V₂；比较V_k与U_k，若V_k与U_k不相等，则为单支或多支非并联IGBT故障，进一步对比row₂与U(k)，元素值不相等的列对应的桥臂为故障桥臂；否则为并联IGBT同时故障，进入步骤四；

步骤四、将U_k输入集合F，F中的元素属于{0,1,2,3,4,5,6,7}，F的初始值为空；若连续六次采样得到的U_k的值发生状态变化，将F与故障集合FS_i做比较，判断故障位置：若F＝FS_i，则说明与FS_i对应的半桥臂的IGBT发生故障，FS₁～FS₂分别对应a相上、下桥臂，b相上、下桥臂，c相上、下桥臂；故障集合FS_i取值如下：

FS₁＝{(a b 0)₂|a,b∈{0,1}}＝{0,2,4,6}

FS₂＝{(a b 1)₂|a,b∈{0,1}}＝{1,3,5,7}

FS₃＝{(a 0 c)₂|a,c∈{0,1}}＝{0,1,4,5}

FS₄＝{(a 1 c)₂|a,c∈{0,1}}＝{2,3,6,7}

FS₅＝{(0 b c)₂|b,c∈{0,1}}＝{0,1,2,3}

FS₆＝{(1 b c)₂|b,c∈{0,1}}＝{4,5,6,7}。

2.根据权利要求1所述的并联IGBT逆变器故障的诊断方法，其特征在于，所述步骤一中采样周期根据IGBT驱动电路进行调整。

3.根据权利要求1所述的并联IGBT逆变器故障的诊断方法，其特征在于，所述步骤二中阈值压降V_ce设置为导通压降的二倍。