[发明专利]三电平逆变器的开关管开路故障诊断方法

摘要

本发明公开了一种三电平逆变器的开关管开路故障诊断方法，该诊断方法选取开关状态和负载相电流的极性及桥臂相电压作为故障特征，基于电流流通路径法进行不同开关状态下开路故障特征的分析，得出故障诊断规则，实现二极管中点钳位型(NPC)三电平逆变器的开关管开路故障诊断。该诊断方法不仅能够诊断出单管故障，也能对双管故障进行有效识别，此外还具有诊断迅速、可靠性高等优点。

主权项

1.一种三电平逆变器的开关管开路故障诊断方法，其特征在于，该诊断方法的步骤为：(1)选取二极管中点钳位型NPC三电平逆变电路的开关状态、负载相电流的极性及桥臂相电压作为故障特征；(2)建立NPC三电平逆变电路的模型，根据实际运行的单管和双管开路故障进行故障分类，共五类79种故障；1)第一类：正常运行，无开关器件发生开路故障；2)第二类：只有一个开关器件发生开路故障，即每相桥臂4个串联的IGBT开关器件Qi1‑Qi4中任一开关管发生开路故障，其中i＝A或B或C，共计3相桥臂，每相桥臂对应的4个串联的IGBT开关器件，共12种情况；3)第三类：单相桥臂上下半桥各有一个开关管发生开路故障，共12种情况；4)第四类：单相桥臂上半桥或下半桥两个开关管发生开路故障，共6种情况；5)第五类：交叉桥臂两个开关管发生开路故障，共48种情况；(3)基于电流流通路径法，对工作在不同开关状态下的NPC三电平逆变电路，对一个开关器件进行诊断，即每相桥臂4个串联的IGBT开关器件Qi1‑Qi4中任一开关管发生开路故障，其中i＝A或B或C，共计3相桥臂，每相桥臂对应的4个串联的IGBT开关器件，共12种情况；上述诊断即为进行步骤(2)中第二类的单管开路故障特征分析，得到单管开路故障诊断依据，输入到单管开路故障诊断模块进行诊断，能够诊断出NPC三电平逆变器的第一类、第二类故障，共13种情况；(4)基于单管开路故障诊断依据，得到双管开路故障诊断依据，输入到双管故障诊断模块进行诊断，能够诊断出NPC三电平逆变器的第三类、第五类故障，共60种情况；(5)对步骤(2)中NPC三电平逆变器的第四类故障，进行开关管开路故障诊断；所述的步骤(3)包括以下步骤：a)鉴于电路的对称性，以A相桥臂为例，进行P、O状态下单管开路故障特征分析：P状态下QA3、QA4开关管关断，仅进行QA1、QA2开关管开路故障特征分析；基于电流流通路径法分析可得P状态下正常工作时，NPC三电平逆变器的负载相电流可大于、小于或等于零，QA1单管开路故障下的负载相电流可大于、小于或等于零，QA2单管开路故障下的负载相电流不可能大于零，因此，P状态下利用负载相电流的极性可识别出QA2单管开路故障，但无法对QA1单管开路故障和正常状态加以区分，然而对桥臂相电压的分析可得，P状态下正常工作时，桥臂相电压为+1/2U_d，QA1或QA2单管开路故障后存在桥臂相电压小于+1/2U_d，因此，选取桥臂相电压作为另一故障特征，可实现QA1开关管的开路故障诊断；b)O状态下QA1、QA4开关管关断，仅进行QA2、QA3开关管开路故障特征分析：基于电流流通路径法分析可得O状态下正常工作时，NPC三电平逆变器的负载相电流可大于、小于或等于零；QA2单管开路故障下的负载相电流恒小于等于零，QA3单管开路故障下的负载相电流恒大于等于零，因此，O状态下利用负载相电流的极性可识别出QA2、QA3开关管开路故障，无需进行桥臂相电压的分析；c)由A相桥臂的单管开路故障特征分析可推出NPC三电平逆变器的三相桥臂单管开路故障诊断依据：令i＝A或B或C，若P状态下负载相电流极性为正且桥臂相电压小于+1/2U_d，则为Qi1单管开路故障；若P、O状态下负载相电流的极性恒为负，则为Qi2单管开路故障；若O、N状态下负载相电流的极性恒为正，则为Qi3单管开路故障；若N状态下负载相电流极性为负且桥臂相电压大于‑1/2U_d，则为Qi4单管开路故障；所述的步骤(4)中基于单管开路故障诊断依据，得到双管开路故障诊断依据，包括以下步骤：a)针对步骤(2)中第三类故障：基于不同开关状态下的单管开路故障互不影响，双管开路故障诊断可看成是两个开关管单独开路故障诊断，由步骤(3)所述的单管开路故障诊断依据知，Qi3单管开路故障对P状态无影响，该状态下NPC三电平逆变器正常工作，Qi1单管开路故障时，仅对P状态有影响，因此，若利用单管开路故障诊断依据诊断出Qi1、Qi3开关管都开路故障，则为Qi1Qi3双管开路故障，同理利用单管故障诊断依据分别诊断Qi1、Qi4或Qi2、Qi4开关管是否开路故障来进行Qi1Qi4或Qi2Qi4双管开路故障诊断；b)针对步骤(2)中第三类故障：基于同一开关状态下的单管开路故障互相影响，双管开路故障诊断不可看成是两个开关管单独开路故障诊断，由步骤(3)所述的单管开路故障诊断依据可推出，若O状态下负载相电流恒为零，则为Qi2Qi3双管开路故障，因此，无法再利用单管开路故障诊断依据分别诊断Qi2、Qi3开关管是否开路故障来进行双管开路故障诊断，只能依据O状态下，负载相电流恒为零进行Qi2Qi3双管开路故障诊断；c)针对步骤(2)中第四类故障：基于同一开关状态下的单管开路故障互相影响，双管开路故障误诊为单管开路故障，P状态下QA1、QA2开关管开路故障特征分析知，P状态下QA1开关管开路故障，负载相电流可大于小于等于零且桥臂相电压小于+1/2U_d；P状态下QA2开关管开路故障，负载相电流小于等于零且桥臂相电压小于+1/2U_d；可推出若P状态下负载相电流小于等于零且桥臂相电压小于+1/2U_d，则为QA1QA2双管开路故障；由上述分析知，QA1QA2双管开路故障和QA2单管开路故障的故障特征相同，因此，易将QA1QA2双管开路故障误诊为QA2单管开路故障；同理易将QA3QA4双管开路故障误诊为QA3单管开路故障，此类型的故障共有6种；d)针对步骤(2)中第五类故障：基于不同桥臂的开路故障特征不同且互不影响，交叉桥臂两个开关管开路故障可看成是两个单相桥臂单管单独开路故障，即利用单管开路故障诊断依据分别诊断两相桥臂的两个开关管是否开路故障来进行交叉桥臂两个开关管开路故障诊断；所述的步骤(5)对步骤(2)中NPC三电平逆变器的第四类故障，进行开关管开路故障诊断，包括以下步骤：由上述分析知，Qi1Qi2或Qi3Qi4双管开路故障和Qi2或Qi3单管开路故障的故障特征相同，进行NPC三电平逆变器的开关管开路故障诊断时，易将Qi1Qi2或Qi3Qi4双管开路故障误诊为Qi2或Qi3单管开路故障，但这两类故障都包含Qi2或Qi3开关管开路故障，为了对这两类故障加以区分，可更换Qi2或Qi3故障开关管，再利用Qi1或Qi4单管开路故障诊断依据判断Qi1或Qi4开关管是否开路故障，若Qi1或Qi4开关管开路故障，则为Qi1Qi2或Qi3Qi4双管开路故障，否则为Qi2或Qi3单管开路故障，此类型的故障共有6种，均按此思路加以区分。