三相逆变器的常见故障及维修.docx

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三相逆变器的常见故障及维修

摘要

电力电子技术作为电力领域的重要分支之一，涉及智能电网、核能核电、光伏产业、轨道交通等领域，三相电压型逆变器（VoltageSourceInverter，，VS1）在其中起到电气能量交换的重要作用。

任何先进的电气系统必须能够保证三相VSI的可靠性和安全性，而故障诊断技术的研究和应用对提高三相VSI的可靠性和安全性具有极为重要的意义。

本文将基于电流法和电压法的诊断方法的角度出发，提出了新的三相VSI功率管开路故障诊断方法，完成实验平台设计，并在仿真和实验平台中进行了分析和验证。

（1）在系统归纳总结了现有三相VSI故障诊断技术的现状，并深入了解了三相VSI的电路拓扑及其工作原理的基础之上，主要针对三相VSI功率管开路故障，探讨了三相VSI的不同开路故障类型，并对故障前后的输出电流及电压的特征等进行了研究分析。

（2）研究了一种基于电流信号处理的故障诊断方法。

为了增强故障检测算法的鲁棒性，对其进行了改进，并且能够实现八分之一电流周期内的故障检测。

接着，利用Clark变换获取归一化电流，利用过零检测算法将正弦波转化为方波，获取电流极性，结合故障检测算法，避免因负载等变化而电流波形畸变的影响，实现多种开路故障类型下的故障诊断，并且能够保证瞬变工况下的防误判能力。

（3）研究了一种基于线电压的故障诊断方法。

利用电压通常能够更快地诊断逆变器故障，但是基于电压的方法通常需要添加额外的硬件，而且故障诊断通常需要设定阅值来进行辅助判断，而阀值的设定往往是固定，不具有自适应性能。

为此，改进了传统的基于模型电压的方法，不需要添加额外的硬件电路辅助，仅仅利用系统已有电流、占空比等信息，构建了离散化的平均线电压模型，利用线电压期望值与估计值的偏差进行故障诊断。

另外，考虑参数误差、开关延迟等因素，设计了具有模型自适应性的阀值用于故障诊断。

（5）对所提故障诊断方法利用MATLAB/simulink软件进行了仿真研究，并基于dSPACE半实物平台进行了实验验证。

关键词：

三相电压型逆变器；故障诊断；开路；维修

引言

近年来能源问题越来越受大家的关注，而对电动机实行变频调速控制能很好的节约电能。

随着电力电子技术的发展以及电力电子器件的更新换代，变频调速系统已广泛的应用于各个领域，因此变频调速系统能否安全的运行十分重要。

变频调速系统中，逆变器的可靠性问题一直没有得到有效的解决。

如何快速、准确地判断出逆变器发生的故障类型以及发生故障的位置并进行合理的电路冗余设计是保证电机系统正常运行的前提条件。

所以对逆变器的故障进行研究十分必要。

1绪论

1.1研究背景，目的及意义

1.1.1研究背景

当今社会面临着日渐严重的能源危机，石油等不可再生能源紧缺，自然环境不断恶化，因此，采用更为高效、清洁、可靠的能源利用方式，对促进社会节能减排意识，化解当前能源危机，具有积极作用。

2016年3月l6日，第十二届人大四次会议闭幕，并表决通过关于国民经济和社会发展第十三个五年规划纲要〈简称“十三五规划"）的决议。

“十三五”规划纲要草案提出，为实现制造强国战略，未来五年中国将实施高端装备创新发展工程，包括航空航天装备、先进轨道交通等八大行业。

此外，“十三五”规划明确提出，建设现代能源体系，同时提出包括高效智能电力系统、可再生能源、核电、能源关键技术设备等能源行业八大重点工程。

而电力电子技术作为能源电力领域的重要分支之一，取得了极大的发展和进步，在智能电网、核能核电、光伏产业、轨道交通等领域的应用也愈加广泛。

电压型逆变器（VoltageSourceInverter,VSI）在其中具有电气能量变换的重要作用。

但是，在能量变换的过程中，逆变器的功率管等关键部件的老化、过热、负荷过大引起的过载运行以及外界复杂工况环境等因素往往会带来较大的影响，甚至设备瘫痪。

在国家电力系统故障诊断标准草案中，对于传感器、功率开关管、电容等失效故障，将其归为致命故障。

根据调查结果显示，在电力设备故障中，34%的故障发生在半导体器件，30%的故障由于电容故障，26%的故障因为印制电路板问题，另一份历时3个月、遍布56个企业的关于电力电子可靠性的调研报告指出31%的公司认为最容易出现故障的环节往往是功率半导体器件，就功率变换器故障而言，大约38%的故障是由于功率半导体开关器件损坏造成的，53%的故障发生在控制电路。

目前的故障诊断技术多局限于一些较为常规的故障，比如过电流、过电压和欠电压等等，然而，对于电力领域的任何先进的电气系统来说，常规的保护措施与故障诊断方法已经不再能够满足要求，三相逆变器作为其中的重要一环，其内部的半导体功率器件的保护策略和故障诊断方法有待完善。

另外，系统因半导体功率器件发生故障后所带来的隐患不可忽视，特别是对于不易察觉的逆变器功率管开路故障。

这是因为功率管损坏故障的发生往往会导致系统工作中非正常状态，进而引起其他相关功率组件的电流和电压应力的增加，可能会引发更多更严重的故障发生，使得系统变得更加不可控。

为此，采用更加完善的故障诊断技术，不失为一种提高系统和设备的可靠性和安全性的有效手段，对其进行研究和应用就显得更加有意义。

1.1.2研究目的及意义

故障诊断往往被认为有三部分组成:

故障检测、故障定位和故障隔离，是指通过一定的技术手段对现有设备和系统信息进行研究和分析发现故障，确定故障来确定故障类型和位置，并进行故障隔离的过程。

逆变器故障发生通常会造成电流或电压异常，可以根据不同位置和类型的故障电流或电压波形进行故障诊断。

故障诊断一般可归结为短路故障和开路故障。

当短路故障发生，由于其存在时间极短，其检测、定位和隔离往往需要在很短的时间（少于lOus）内实现，在工程上，通常会采用硬件电路对系统进行保护，或者利用快速反应熔丝电流异常升高时熔断的特点，将短路故障产生转化为开路故障进行处理。

而开路故障的发生通常不会立刻造成系统停机，但是故障下的逆变器工作在非正常状态，若不能够快速及时地消除，不仅可能将会造成二次故障的发生，造成更大的财产损失，甚至还可能造成更严重的人身伤害。

因此，通过额外的附加手段对逆变器系统的故障检测和准确定位，做到及时地维修或者在线补救，最大程度的减小系统故障率，减少系统意外的停机时间，确保系统能够安全可靠地运行，这也越来越受国内外研究学者的关注与重视。

在此背景下，以三相电压型逆变器系统为研究对象，针对三相逆变器的故障诊断和维修进行研究，具有一定的理论意义以及工程应用价值。

1.2国内外研究现状

哈尔滨工业大学安群涛回等在分别建立逆变器正常状态下系统开关函数模型以及故障状态下系统开关函数模型的基础上，运用一种功率管开路故障的快速简易诊断方法。

此方法主要根据故障情况下和正常情况下器件所承受的不同电压，从而采取硬件电路进行诊断以及定位器件的开路故障。

郑安平等通过对比研究功率开关管开路故障中的定子电流信号在小波分析以及傅立叶分析情况，试验结果表明小波分析不仅可以弥补傅立叶分析对信号进行整周期采样的不足，而且能够很好地对功率开路故障进行检测，从而提高了故障检测的准确性和效率。

FermaoPires等人通过研究晶体管开路故障和正常状态下三相电流的情况，运用3D电流轨迹的模糊算法来比对这两种情况下出现的不同现象，从而判断出现的故障情况。

武汉理工大学秦娟英等针对晶体管基极驱动开路故障，提出了基于电流矢量轨迹的PWM逆变器故障诊断方法，该方法通过将三相静止坐标系变换为两相静止坐标系，分析两相静止坐标系正常情况下电流矢量轨迹和发生故障时电流矢量轨迹来进行故障诊断。

集美大学崔博文教授为了获得逆变器故障情况下的输出特征量，对故障输出信号进行谱分析，再借助神经网络，通过这些故障特征量经过神经网络作用后的结点输出来判断相应的故障类型，由此实现故障分离，该方法可实现开关元件开路和短路故障。

杨忠林等通过应用开关函数的双傅立叶变换技术，对逆变器开关管发生开路故障时直流侧电流频谱进行分析。

逆变器正常运行时直流侧电流频谱低频部分只包含直流成分，当发生开路故障时，低频部分会出现调制信号的频率成分以及调制信号的二次谐波成分，通过判断直流侧频率成分即可实现逆变器的故障诊断。

苏鹏生等人通过利用神经网络对无功发生器结构中的逆变器主电路开关元件发生断路故障情况进行诊断研究，本文采用反向传播算法和前向网路结构，通过输入样本模式信息进行网格训练，通过分区分析研究系统的输出电压波形特征对开关元件断路情况进行故障诊断，从而实现元件的断路故障检测也为后续的故障分离提供条件。

崔博文教授在MATLAB/SIMULNK仿真环境下，通过建立逆变器开关元件断路、短路以及同一桥臂上两开关元件同时开路时的仿真模块，并且利用电动机数学模型利用C语言对电动机系统编制了其s函数，因此为了实现不同故障状态的仿真分析只需要改变开关函数相应的参数即可，仿真结果表明电机相电流能够作为故障特征从而实现故障检测和诊断。

Gentilel等利用空间向量理论，基于数学模型在MATLAB环境下仿真分析了当逆变器开关元件发生短路、开路等故障状态时，获取逆变器相应相输出的电压、电流以及电机系统的转矩。

通过这些故障特征可以对逆变器驱动系统的出现相应故障进行正确诊断。

CecatiC及MatsuiT等提出了基于电流矢量轨迹斜率（CurrentVectorTrajcctorySlope）和电流矢量瞬时频率（CurrentVectorInstantancousFrequcncy）的故障诊断策略。

前者利用系统正常工况下电流矢量轨迹为圆形，故障后呈现不同的扇形或者半圆的特性，结合电流极性实现故障功率管的检测和定位。

后者通过分析系统故障前后电流矢量瞬时频率的变化，设定合适的频率阈值，并与实际系统工作时比较就可以完成故障的检测。

两种诊断方法简单，计算量小，不依赖于数学模型，然而前者在系统空载和轻载时检测效果较差，后者不能实现故障功率管的定位，而且都需要较长的诊断时间（大约1到2个电流基波周期）。

基于电流矢量的方法虽然简单有效，但是不易于负载变化的系统中。

为了提高故障诊断结果的可靠性和稳定性，电流归一化的策略被应用到逆变器故障诊断中。

RothenhaganK等人提出利用归一化直流法（NormalizedDCCurrentMethod）来诊断开环VF控制系统中的逆变器开路故障。

该方法将三相电流的周期平均值与离散傅里叶变换的基波系数结合进行归一化处理，并通过设定经验阀值来识别故障功率管的位置所在。

在其的基础上，SleszynskiW等人改进了归一化直流法，而且可以应用到闭环控制系统中。

改进的归一化直流法在故障诊断算法没有发生变化，但是精简了功率管故障定位逻辑。

安群涛，孙力等人提出基于开关函数模型的逆变器开路故障诊断方法。

为了简化故障诊断电路，采用高速光电耦合器间接地去检测三相逆变器的桥臂中点对地电压，也即是下管电压，并将此电压转化为光电耦合器的脉冲输出，接着利用开关函数进行分析，通过逻辑运算实现了逆变器开关管的开路故障诊断。

该方法实现简单、可靠性较高，诊断时间短，而且设计驱动信号上升沿延迟以避免功率管通断状态的影响，但是该方法只适用于开环控制系统中单管和单相桥臂的开路故障。

TrabelsiM以及ShuC,Ya-TingC等人通过分析逆变器故障前后每个开关时刻的PWM调制信号和线电压进行故障诊断。

该方法能够诊断单管和多管同时故障，且诊断时间在一个开关周期内，但是需要添加额外的线电压传感器获取功率管开关状态。

KarimiS,GaillardA等人针对极电压误差设计电压和时间双标准，结合高速ADC和FPGA实现逆变器故障开路故障的快速检测。

利用误差电压阀值比较器设计电压标准，利用增计数器设计时间标准，且电压标准决定时间标准。

电压标准用来使能、禁止和清零增计数器。

一旦逆变器功率管开路故障发生，增计数器将会超过设定阀值，由此可以判断逆变器发生开路故障。

该方法诊断时间短，但是实现复杂，成本高昂，而且只能判定逆变器桥臂故障，而不能具体定位到故障功率管。

JungSM等人将输出相电压利用直流母线电压进行归一化处理，然后利用归一化的实际电压与参考电压的误差实现逆变器开路故障。

该方法利用电压观测器估计实际电压，所以无需额外的硬件电路，但是该方法仅仅适用于闭环控制系统中。

另外还有诸多基于电压的诊断方法，比如小波神经网络法、故障树专家系统法、波形实时分析法等。

2三相逆变器故障分析

2.1电路拓扑及其工作原理

三相逆变器按照其直流侧电源的性质可分为电压型和电流型两种，对于电压型逆变器，由于其直流侧的电压源在电路中起到钳位的作用，因此交流侧输出电压呈现为矩形波，但是输出电流的波形与负载阻抗有关，会根据负载阻抗角的不同而不同。

对于电流型逆变器，由于电路中功率管只是改变直流电流的流通路径，因此交流侧输出电流的波形是矩形波，但是输出电压的波形与负载阻抗有关。

目前，在智能电网、新能源发电、光伏产业和轨道交通等能源领域大多采用电压型逆变器。

三相逆变器按照电压输出电平数目的不同，逆变器又可以分为两电平式和多电平式拓扑结构。

两电平式拓扑结构通常应用于市电等级的领域中，在需要逆变器承受中高电压的场合，两电平式逆变器的功率管就要面临高压的考验。

对于多电平式拓扑结构，相电压输出有更多的电平，可以承受更高的电压，而且可以使得输出电压往正弦波靠近，减小谐波成分，但是电路都存在的共性问题是电路越复杂缺点越多，比如控制策略要求更高、功率管均压问题等。

本文主要研究分析目前广泛应用的三相两电平式电压型逆变器的主电路功率管故障诊断问题。

典型的三相两电平电压型逆变器的简化拓扑结构如图2-1所示，主要由功率管T1-T6构成的三相全桥电路，以及负载电路构成。

N为星形联结的三相负载中点，G为直流侧的接地点，C1和C2是直流侧的等值分压电容，0为分压电容的中点，若电容足够大，则可认为直流侧电压基本无脉动，呈现电压源的特性。

当电压型逆变器带阻感性负载工作时，需要提供一定的无功功率，此时直流侧的电容C1和C2起到了缓冲系统无功能量的作用。

图2-1典型的三相两电平电压型逆变器的简化拓扑结构图

定义开关量SA，SB，SC表示三相各个功率管的开关状态，当SA，SB或SC=1时三相VSI的上桥臂功率管处于导通状态，下桥臂功率管处于关断状态；与之相反，当SA、SB或SC=0时，三相VS1的上桥臂功率管处于关断状态，下桥臂功率管处于导通状态，如式（2-1）所示。

（2-1）

由于同相上下桥臂功率管是交替轮流导通的，即各相的驱动信号互补，则上述三相VSI的开关组合一共有23=8种。

逆变器的桥臂中点对地电压可以用开关量SA、SB、SC表示为：

（2-2）

交流输出侧的相电压VAN、VBN、VCN可以利用式（2-3）进行表示开关量SA，SB，SC的。

（2-3）

将式（2-1）所示的开关量代入式（2-2）和式（2-3）中，则可以得到相应的桥臂中点对地电压、交流输出侧的相电压和线电压，如表2-1所示。

表2-1交流输出侧的相电压、线电压与开关量的关系

VAG

VBG

VCG

VAN

VBN

VCN

VAB

VBC

VCA

Udc

2Udc/3

-Udc/3

Udc

-Udc

Udc

-Udc/3

2Udc/3

-Udc/3

-Udc

Udc

Udc/3

2Udc/3

-Udc

Udc

-Udc/3

2Udc/3

-Udc

Udc

Udc/3

-2Udc/3

Udc/3

Udc

-Udc

Udc

2Udc/3

Udc/3

-Udc

Udc

2.2功率管故障分析

对于三相VSI电路来说，其功率管故障主要是由于功率管击穿或者损坏，以及驱动控制单位发出的错误信号致使功率管短路或者开路。

对于功率管短路故障，由于其存在时间极短，故其检测、定位和隔离往往也需要在很短的时间（少于10us）内实现，在工程上，一般采用额外的硬件电路进行保护，或者利用快速反应熔丝将短路故障转化为开路故障进行处理[9.101。

而三相VS1开路故障的发生通常不会立刻造成系统停机，但是故障下的VSI工作在非正常状态，如若不及时消除，不仅可能将会造成二次故障的发生，造成更大的财产损失，还可能造成人身伤害。

考虑上述情况，本文研究重点将放在逆变器功率管开路故障的工作分析和故障诊断上，且主要研究的功率管开路故障类型如图2-2所示，虚线部分表示功率管开路故障，故障类型具体为：

（1）单个功率管故障，如T1故障，如图2-2（a）所示：

（2）同相上下桥臂两管同时故障，如T1和T2，如图2-2（b）所示：

（3）不同桥臂同一半桥双管同时故障，如T1和T3，如图2-2（c）所示：

（4）不同桥臂交叉双管同时故障，如T1和T4，如图2-2（d）所示。

因为3个及3个以上功率管开路故障同时发生的可能性很小3到，所以不对此情况进行研究，而且本文实验是基于一个故障不会造成其他故障发生的基础之上进行的，如单管Tl的故障不会引起双管T2和T3的发生。

由于逆变器的内部信息很难直接获得，所以一般利用逆变器的输出电流或者电压来实现故障诊断。

近些年，基于三相电流和电压的VSI开路故障诊断方法一直在不断的研究中。

为了对逆变器功率管故障有一个初步认识，对不同的功率管开路故障情况下的VSI进行了仿真研究，并对故障前后的三相输出电流及线电压给出了一般性结论。

图2-2功率管开路故障类型

为了能够模拟逆变器功率管的开路故障，在本节的仿真中，逆变器采用了三相对称的阻感负载，并且将功率管的驱动信号的设置为零，以此来实现开路故障的模拟。

2.2.1输出电流特征

为了能够找到逆变器不同的功率管开路故障情况下的输出电流波形特征，基于MATLAB/simulink对不同的功率管开路故障情况下的VSI进行了仿真研究，并进行分析和归纳。

在正常工况下，采用PWM控制技术，将三相调制信号依次相差120?

，同一相的上、下两桥臂的驱动信号互补，即同一相上、下桥臂的功率管交替轮流导通，那么流过三相对称负载的电流iA、iB、ic为幅值相等，相位互差120。

的正弦波，不妨表示为：

（2-4）

式中，Im为三相电流幅值；ω为电流角频率。

（1）单个功率管开路故障：

当逆变器单个功率管故障时，以B相下桥臂功率管T4开路为例，B相的输出电流将会出现波形缺失，负半周期为零，正半周期略有变化，此时，B相电流可表示为：

（2-5）

图2-3分别给出了逆变器B相下管T4开路故障下的三相输出电流波形。

图2-3逆变器B相下管T4开路故障的三相输出电流

由图2-3可见，当B相下管T4故障后，B相的输出电流将会出现波形缺失，在其负半周期变为零，正半周期略有变化，而A相和C相电流略有变化。

此处只给出B相下管故障情况，A相下管T2、C相下管T6的开路故障情况与B相下管故障类似，不再赘述。

这三种单管故障情况下的电流波形均表现为故障相负半周期电流缺失，正半周期电流略有所变化，非故障相的电流略有变化。

另外，对逆变器A相上管T1、B相上管T3、C相上管T5开路故障也同样进行仿真，电流波形均表现为故障相正半周期电流缺失，负半周期电流略有变化，与下管故障的电流波形具有相反的特征。

仿真分析与理论分析结果基本一致。

（2）同相上下桥臂两管同时故障：

当逆变器同相上下桥臂两管同时故障时，以B相上下桥臂功率管T3和T4开路为例，B相的输出电流同样将会变为零，无论正半周期或负半周期，A相和

图2-4逆变器B相上管T3和下管T4开路故障的三相输出电流

C相的电流大小相等，方向相反，如图2-3的仿真结果所示。

对于A相和C上下桥臂功率管同时故障的情况，与B相的类似，不再赘述。

对于同相上下桥臂两管同时故障情况下的电流波形均表现为故障相电流为零，非故障相的电流大小相等，方向相反。

（3）不同桥臂同一半桥双管同时故障：

当逆变器不同桥臂同一半桥双管同时故障时，以A相下桥臂功率管T2和B相下桥臂功率管T4开路为例。

图2-5给出了T2和T4同时故障三相电流波形。

由图可见，T2和T4同时故障时的三相电流均呈现电流半周期缺失，A相和B相电流缺失下半周期，C相电流缺失上半周期。

其它的不同桥臂同一半桥双管同时故障情况类似，不再赘述。

电流波形均表现为故障相电流缺失相同半周期，非故障相电流缺失与故障相电流的相反的半周期。

图2-5逆变器A相下管T2和B相下管T4开路故障的三相输出电流

图2-6逆变器A相上管T1和B相下管T4开路故障的三相输出电流

（4）不同桥臂交叉双管同时故障

当逆变器不同桥臂交叉双管同时故障时，以A相上桥臂功率管T1和B相下桥臂功率管T4开路为例。

图2-6给出了T1和T4同时故障三相电流波形。

由图可见，T1和T4同时故障时，A相和C相的电流波形与单管故障时波形相似，电流会出现半波缺失。

其它的不同桥臂交叉双管同时故障情况类似，不再赘述。

电流波形均表现为故障相电流与单管故障时波形相似，电流会出现半波缺失，非故障相电流虽有所变化，但仍存在正负半周期。

2.2.2输出电压特征

基于三相电流的故障诊断方法通常无需额外的电流传感器，但是电流量却是一个状态量，而且较容易受到系统运行情况的影响，不能直接及时地将故障信息反映出来。

三相VSI最直接的输出量是输出相电压或线电压，所以利用电压能更快地诊断逆变器故障。

为了分析方便，以A相功率管故障为例，图2-7给出了三相VSI单桥臂的单管故障后工作情况示意图，其中实线部分线条表示正常工作，虚线部分线条表示开路故障。

图2-7三相VSI单桥臂的单管故障工作情况示意图

在三相VSI处于正常工况下时，如图2-2（a）所示，桥臂中点对地电压与开关量SA、SB、Sc的关系如式（2-2）所示，桥臂中点对地电压、开关量及电流方向的关系如表2-2所示。

表2-2正常工况下桥臂中点对地电压、开关量及电流方向的关系

SK=1

SK=0

iK>0

VKG=Udc

VKG=0

iK=0

VKG=Udc

VKG=0

iK<0

VKG=Udc

VKG=0

当三相VSI功率管开路故障发生后，如图2-2（b）所示，则式（2-2）不再成立，故障相的实际桥臂中点对地电压VKG与电流方向有关，非故障相的实际桥臂对地电压依旧与期望值所一致。

以K相上管开路故障为例，则故障相的桥臂中点对地电压、开关量及电流方向的关系如表2-3所示。

（1）当K相电流为正时（设电流流入负载的方向为正），此时有VKG=0，则实际值小于等于期望值VKG<=VKG*；

（2）当K相电流为负时，此时由于下管能够正常工作，所以有VKG=VKG*；

（3）当K相电流为零时，若SK=0，有VKG=0，而当SK=1时，VKG将受到另外两相电压的影响，实际值VKG必定低于直流侧电压Udc，不然K相电流不会为零。

综上可以见得，故障后恒有VKG<=VKG*。

表2-3故障工况下，桥臂中点对地电压、开关量及电流方向的关系

SK=1

SK=0

iK>0

VKG=0

iK=0

VKG

VKG=0

iK<0

VKG=Udc

VKG=0

以上分析了三相VSI在正常工况下和故障工况下的桥

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