[发明专利]一种基于电流相角的三相桥式PWM整流器开关管开路故障诊断方法

说明书

本发明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。

技术领域

本发明公开了一种用于三相桥式PWM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。

背景技术

相比于传统的不控整流或相控整流方案，三相桥式PWM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PWM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。“标幺化均值法”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PWM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。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述背景技术的不足，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。

本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：

基于电流相角的三相桥式PWM整流器开关管开路故障诊断方法，包括如下步骤：