[发明专利]一种基于故障在线模拟的逆变器开路故障诊断方法及装置

权利要求书

1.一种基于故障在线模拟的逆变器开路故障诊断方法，其特征在于，包括：

通过分析待诊断的电机-逆变器系统在健康状态和预设类型故障状态下的输出电压函数，建立所述系统在预设类型故障状态下的混杂系统模型；

利用所述混杂系统模型对所述系统在预设类型故障状态下的电流数据进行在线模拟，得到所述系统在预设类型故障状态下的模拟电流数据；

获取所述系统的实测电流数据和模拟电流数据，计算所述实测电流数据与所述模拟电流数据之间的相似度；

基于计算的相似度确定当前逆变器是否出现开路故障，并在逆变器出现开路故障时确定当前逆变器出现的开路故障的类型；

其中，所述预设类型故障为多种不同类型的故障；

所述通过分析待诊断的电机-逆变器系统在健康状态和预设类型故障状态下的输出电压函数，建立所述系统在预设类型故障状态下的混杂系统模型，包括：

通过分析待诊断的电机-逆变器系统在健康状态和多种不同类型故障状态下的输出电压函数，建立所述系统在不同故障状态下的混杂系统模型；

所述利用所述混杂系统模型对所述系统在预设类型故障状态下的电流数据进行在线模拟，得到所述系统在预设类型故障状态下的模拟电流数据，包括：

利用不同故障状态下的混杂系统模型对所述系统在各类型故障状态下的电流数据同时进行在线模拟，得到所述系统在各类型故障状态下的模拟电流数据；

所述计算所述实测电流数据与所述模拟电流数据之间的相似度，包括：

分别计算所述实测电流数据与每一类型故障状态下的模拟电流数据之间的相似度；并对计算出的多个相似度进行取均值运算，得到平均相似度；

电机-逆变器系统的电压方程表示为：

式中，u_kn为k相电压，i_k为k相的绕组电流，e_k为k相的反向电动势，R_s为定子绕组电阻，L_σ为定子绕组电感；L_σ＝L_s-L_m，L_s为绕组自感，L_m为绕组互感；

电机-逆变器系统的拓扑和方程约束受开关信号控制，不同开关模式对应于不同的电路拓扑结构，使得输出电压和电流演化路径也不相同，构成了一个混杂系统；逆变器三相桥臂共有6个开关，为了研究不同开关组合时逆变器的输出电压，定义开关函数S_x表示第x个开关T_x的状态，x＝1、2、3、4、5、6：

输出电压的数学描述为：

为化简模型，定义逻辑变量向量λ_NF＝[λ_{1_NF} λ_{2_NF} λ_{3_NF}]^T，令

将式(4)代入式(3)得：

将式(5)代入式(1)，推导得到逆变器健康状态下电机-逆变器系统混杂系统模型：

式中，为系统状态向量；逻辑变量向量λ_NF为系统离散输入向量；e＝[e_a e_be_c]^T为反向电势向量，可视为系统连续输入向量；状态系数矩阵连续输入系数矩阵离散输入系数矩阵I为3阶单位矩阵；V_dc为直流母线电压；

在第一个开关T₁开路故障作用下逆变器三相输出电压的数学描述为：

a相桥臂开路故障作用下的逆变器三相输出电压的数学描述为：

由式(8)得逆变器a相桥臂开路故障作用下电机-逆变器系统的混杂系统模型如下：

式中，λ_AF＝[λ_{1_AF} λ_{2_AF} λ_{3_AF}]^T，且：

b、c相桥臂开路故障作用下逆变器三相输出电压的数学描述为：

由式(13)、式(14)得逆变器b、c相桥臂开路故障作用下混杂系统模型：

式中，λ_BF＝[λ_{1_BF} λ_{2_BF}]^T，λ_CF＝[λ_{1_CF} λ_{2_CF}]^T，且：

针对三相电压源逆变器的6种单管故障和3种单相故障，利用混杂系统模型在线模拟9种故障类型，模拟电流数据如下：

I_n＝f(e_k,δ_k|Fn)(n＝1～9) (19)

式中，I＝[i_a1,…,i_aN,i_b1,…,i_bN,i_c1,…,i_cN]，F1～F9表示九种故障类型；

所述基于计算的相似度确定当前逆变器是否出现开路故障，并在逆变器出现开路故障时确定当前逆变器出现的开路故障的类型，包括：

若所述平均相似度不小于0.5，则判断当前逆变器未出现开路故障；

若所述平均相似度小于0.5时，则判断当前逆变器出现开路故障；

若当前逆变器出现开路故障，则将与所述实测电流数据相似度最大的模拟电流数据所对应的故障类型作为当前逆变器实际出现的故障类型；

所述获取所述系统的实测电流数据和模拟电流数据，包括：

设计一个长度为N的滑动窗口来获取所述系统的实测电流数据和模拟电流数据；其中，N为一个电流基波周期，其定义如下：

其中，p为极对数，ω_m为机械角速度，T_s为采样周期。