一种三电平有源滤波器igbt开路故障定位方法
【专利摘要】一种三电平有源滤波器IGBT开路故障定位方法，属于变频器IGBT故障诊断方法。故障诊断方法，通过两种具体方法观测有源滤波器三相输出点X对直流母线中点M的电位，并通过相似度比较来确定具体发生开路故障IGBT的位置；一种方法是通过电路理论回路方程来实时求出三相输出点X对母线中点M的电位差，代表实际真实的电位差；另一种方法是先假设X相的4个IGBT分别开路后，通过电流回路分析推算得出X相4个IGBT开路后三相输出点X对母线中点M的电位差，代表推测出的电位差。推测电位差中有且只有一个波形与第一种方法求得的电位差相近，从而判断出故障。优点：1)独立于负载种类。2)在负载突变情况下仍可以精确诊断；3)精确性高，4)不需要额外的硬件成本。
【专利说明】
一种三电平有源滤波器丨GBT开路故障定位方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种变频器IGBT故障诊断方法，特别是一种三电平有源滤波器IGBT开 路故障定位方法。
【背景技术】
[0002] 变频器在电机调速领域应用广泛。变频器必然要用到高开关频率的功率开关器 件。功率开关器件常常有损坏的情况发生，一旦功率器件故障发生将影响系统工作甚至导 致停机。据统计，功率器件故障占据变频器故障的70%以上，因此快速有效的对功率器件进 行故障定位，并做出保护和容错措施对于变频器至关重要。
[0003] 研究已经发现了很多变频器功率器件故障诊断方法，比如PARK矢量法、神经网络 方法等等。这些方法只适用与变频调速系统，不适用于有源滤波器，根本原因是因为电机调 速的目标是实现电流的正弦化。对于变频器，故障状态时，电流不再是正弦，这是很容易进 行判别的。但对于有源滤波器时，这些判断方法的准确性大大降低了。因为有源滤波器电流 输出的目标大部分情况下都不是正弦，甚至有源滤波器的正常状态电流比电机调速变频器 的故障状态电流更不规则。而且有源滤波器有时需要补偿零序分量，因此功率器件故障判 断难度很大。
[0004] 传统的IGBT故障诊断方法，一般只适用正常工作输出电流为正弦的情况，而且传 统故障诊断方法的准确性受负载的限制，在很多负载情况下不适用。传统的检测方法一般 不适用于三相电流不平衡的情况。另外传统方法在负载突变的时候很容易出现误诊断的情 况。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是要提供一种三电平有源滤波器IGBT开路故障定位方法，解决现有 有源滤波器的功率器件故障判断难度很大的问题。
[0006] 本发明的目的是这样实现的:该故障定位方法包括以下步骤：
[0007] 步骤一:模拟量信号采集，包括三电平三相四线制有源滤波器的三相进线电压eA、 eB、eC，三相输出电流^^，直流母线电压，所述的直流母线电压包括上母线电压11(1。 1和下 母线电压udc2,以及中线电流iN;
[0008] 步骤二：当故障没有发生时，根据有源滤波器的控制脉冲Sx的状态，该Sx的状态可 直接由控制器读取获得，以及步骤一采集的直流母线电压信号推算出有源滤波器三相输出 点X对于有源滤波器直流母线中点Μ的电位V·，即νΑΜ、ν ΒΜ、ν?$ψΧ=Α〇ΓΒ〇Γ(：;
[0009] 步骤三:根据步骤一所采集的部分信号，代入公式
[0011]分别求出有源滤波器三相输出点X对于有源滤波器直流母线中点Μ的实际电位
[0012] 步骤四：用步骤二中的Vxm与步骤三中的1?做差，得到X点对Μ点的电位误差;
[0013] 步骤五：当故障已经发生时，通过对三电平有源滤波器IGBT故障时的回路分析，可 以预测出某IGBT发生故障时X相对应桥臂的X点对Μ点的预测电位以财；具体％可以通过下 式获得：
[0015]这里ε取很小的正值;V、可由下表获得；
[0017] 步骤六：用步骤二中的VXM与步骤五中的做差，得到X点对Μ点的电位误差电位 爾m
[0018] 步骤七:将步骤四所得的ΔΚ&和步骤六所得的越_进行数字高频滤波处理，滤除 尚频噪声;得到△ _丨和；
[0019] 对步骤二到步骤七过程的进一步解释：是利用两种不同的方法 得到的X点到Μ点的误差电位；-共12个结果，分别对应三电平有源滤波器的12个 IGBT，即Α相的，、ΔΙ/遍2一尸Δ'4?3_Δ?'層4_，，b相的 C相ΔΕΜ2_ρ Δν^Μ3_/、Δν^Μ4_/; Δ咬-共有3个结果，分别对应三电平 有源滤波器三相A，B，C桥臂的Δν^-厂 ΔΙ^Μ_?:
[0020] 步骤八:设定阈值λ，λ根据具体系统参数取值，单位为伏，λ取系统设定的直流母线 电压值的25%;并判断步骤七所得的三个是否大于阈值λ;如果 三个中某个大于阈值λ，则该相发生了 IGBT开路故障；
[0021]步骤九:确定矿障相具体4个IGBT中哪个发生了开路故障；
[0022] 步骤八中丨大于阈值λ，则A相发生IGBT开路故障；此时步骤七所得 中的A相的 Δ^Μ1_ρ Δ1^Μ2_ρ ?·1^Η3_/_、_ 升级为特征矢量;将^^&_/-与&.松1?..-/、 Δ^μ2-/、. 、ΔΙ^Μ4._纟分别做相似度对比，相似度最高的即对应此桥臂IGBT故障的 具体位置;如果:ΔΚ?Μ_/与△Gm-f相似度最高，则该桥臂的1管发生开路故障；其他故障电 位以此类推。
[0023] 有益效果，由于采用了上述方法，IGBT开路故障被精确定位，且不受有源滤波器输 出电流的大小、形状、频率的限制，不仅仅适用于感性、容性、阻性以及谐波等多样的负载情 况，在三相电流不平衡时仍然适用，而且在负载突变的暂态工程中仍能检测出故障并且不 会误报故障。故障诊断方法属于依据电压来判断故障的范畴，但是不像传统电压诊断方法 需要添加额外的硬件设备，因此不会引入额外的硬件成本。解决了现有有源滤波器的功率 器件故障判断难度很大的问题，达到了本发明的目的。
[0024] 优点：1)独立于负载种类。即适用于各种各样的负载类型，无论有源滤波器补偿的 电流是容性、感性或者谐波，本专利方法都适用，而传统方法不能兼备。2)在负载突变情况 下仍可以精确诊断而且不会误报故障，传统方法很多都不能解决负载突变的误诊断问题。 3)在三相电流不平衡的时候仍可以判断故障。4)精确性高，本专利方法检测过程引入了高 频滤波环节，免除了噪声干扰，且求得的故障特征相似度差别很大，故障位置IGBT对应的相 似度很容易被甄别。5)不需要额外的硬件成本。不需要添加额外的传感器。
【附图说明】：
[0025] 图1是本发明的A相1管IGBT故障时，A相4个IGBT对应的波形。
[0026] 图2是本发明的Α相1管IGBT故障时，Α相电流波形、波形、波形以及 判断信号。
[0027] 图3是本发明的Α相2管IGBT故障时，Α相4个IGBT对应的Δ校M_f波形。
[0028] 图4是本发明的A相2管IGBT故障时，A相电流波形、波形、波形以及 判断信号。
[0029]图5是本发明的12个IGBT分别故障时的相似度对比。
[0030]图6是本发明的三电平有源滤波器拓扑图。
[0031]图7是本发明的整体流程图。
【具体实施方式】
[0032]实施例1:该故障定位方法包括以下步骤：
[0033]步骤一:模拟量信号采集，包括三电平三相四线制有源滤波器的三相进线电压eA、 eB、ec，三相输出电流^^，直流母线电压，所述的直流母线电压包括上母线电压1^和下 母线电压u dc2,以及中线电流iN;
[0034] 步骤二：当故障没有发生时，根据有源滤波器的控制脉冲Sx的状态，该Sx的状态可 直接由控制器读取获得，以及步骤一采集的直流母线电压信号推算出有源滤波器三相输出 点X对于有源滤波器直流母线中点Μ的电位V·，即νΑΜ、ν ΒΜ、ν?$ψΧ=Α〇ΓΒ〇Γ(：;
[0035] 步骤三:根据步骤一所采集的部分信号，代入公式
[0037]分别求出有源滤波器三相输出点X对于有源滤波器直流母线中点Μ的实际电位 咬益触卿匕贫―、4#尬、嗯[恤（简称vfM、FgV F&);
[0038] 步骤四：用步骤二中的Vxm与步骤三中的做差，得到X点对Μ点的电位误差;
[0039] 步骤五：当故障已经发生时，通过对三电平有源滤波器IGBT故障时的回路分析，可 以预测出某IGBT发生故障时X相对应桥臂的X点对Μ点的预测电位具体1?可以通过下 式获得：
[0041 ]这里ε取很小的正值;V^M可由下表获得；
[0043] 步骤六：用步骤二中的VXM与步骤五中的1?做差，得到X点对Μ点的电位误差电位
[0044] 步骤七:将步骤四所得的和步骤六所得的4^^进行数字高频滤波处理，滤除 高频噪声;得到△K/k-;
[0045] 对步骤二到步骤七过程的进一步解释：和△1^?_/是利用两种不同的方法 得到的X点到Μ点的误差电位；△-/ -共12个结果，分别对应三电平有源滤波器的12个 IGBT，即Α相的伙 厶哎1>，4-/.，13相的△^^肌-/·、1^?]^-/'.、扮、抓諸4-，， C相的 AFCM2_^.、Δ1/^Μ3_丨、ΔΤ/^Μ4.._^γ.; ΔΧ^Μ_广一共有3个结果，分别对应二电平 有源滤波器三相A，B，C桥臂的ΔΙ^Μ_/;
[0046] 步骤八:设定阈值λ，λ根据具体系统参数取值，单位为伏，λ取系统设定的直流母线 电压值的25%;并判断步骤七所得的三个么枚^"、是否大于阈值λ;如果 三个中某个大于阈值λ，则该相发生了 IGBT开路故障；
[0047]步骤九:确定故障相具体4个IGBT中哪个发生了开路故障；
[0048] 步骤八中Δ杜Μ-;大于阈值λ，则Α相发生IGBT开路故障；此时步骤七所得的Δ1^Μ-/ 中的 Α 相的 f、ΔΙ^Μ4_^升级为特征矢量；将4編._;^ΔΙ^Μ1_ 尸、 Δ^4Μ2-/、Δ?^Μ3_^·、Δ1^Μ4_ζ分别做相似度对比，相似度最高的即对应此桥臂IGBT故障的 具体位置;如果△咬相似度最高，则该桥臂的1管发生开路故障;其他故障电位 以此类推。
[0049] 整体流程图如图7所示。
[0050] 图1和图2显示了当A相1管发生故障时候的波形。图1对应、 AVXm-/·、Δ1/^Μ3-/、四个波形，正是这四个波形用来和作比较，看四个波形 谁和4??.-.?相似度最尚。图2中显不了 4??_纟、、电流以及判断彳目号波形。可以看出 相似度很高，因此对应1管故障被定位。
[0051 ] 图3和图4显示了当Α相2管发生故障时候的波形。图3对应、 Δ^μ2-/、四个波形，正是这四个波形用来和作比较，看四个波 形谁和Δ相似度最尚。图4中显不了44_、彡、电流以及判断彳目号波形。可以看 出厶抓^2-/相似度很尚，因此对应2官故障被定位。
[0052]其他10个IGBT的故障波形和判断方法类似，不再详述。12个IGBT开路故障对应的 相似度计算结果如图5所示。相似度最大值即对应开路故障的IGBT。
【主权项】
1. 一种Ξ电平有源滤波器IGBT开路故障定位方法，其特征是：该故障定位方法包括w 下步骤： 步骤一：模拟量信号采集，包括Ξ电平Ξ相四线制有源滤波器的Ξ相进线电压eA、ee、 ec，S相输出电流14心、山直流母线电压，所述的直流母线电压包括上母线电压11<1。1和下母 线电压Udc2，W及中线电流iN; 步骤二：当故障没有发生时，根据有源滤波器的控制脉冲Sx的状态，W及步骤一采集的 直流母线电压信号推算出有源滤波器Ξ相输出点X对于有源滤波器直流母线中点Μ的电位 VxM，即VAM、V丽、VcM，其中X=AorBorC; 步骤Ξ:根据步骤一所采集的部分信号，代入公式分别求出有源滤波器Ξ相输出点X对于有源滤波器直流母线中点Μ的实际电位诚fw't， 良P步骤四：用步骤二中的VXM与步骤S中的曠 ?做差，得至化点对叱点的电位误差么巧^ ; 步骤五：当故障已经发生时，通过对Ξ电平有源滤波器IGBT故障时的回路分析，可W预 巧拙某IGBT发生故障时X相对应桥臂的X点对Μ点的预测电位嚇;具体嚇可W通过下式获 得：步骤六:用步骤二中的VxM与步骤五中的巧Μ做差，得至化点对Μ点的电位误差电位ΔΚΙμ ; 步骤屯:将步骤四所得的ΔΙ//μ和步骤六所得的么巧%进行数字高频滤波处理，滤除高频 噪声;得到A巧if-/·和ΔΚχΜ:-/; 对步骤二到步骤屯过程的进一步解释:Δ巧M_^和Δl/苗f-/是利用两种不同的方法得到的X 点到Μ点的误差电化^巧"-/一共12个结果，分别对应Ξ电平有源滤波器的12个IGBT，即A相 的.、.么嚇2-/、AKVj-r么喊4-/，B相的么KmI-f '、么喘2千么巧的3-/·、A昭M4-f，C相 的^時％1-/-、A吃M2-/、W(?m3-/、A哼μ4-/·;Δ嗦i-f一共有3个结果，分别对应Ξ电平有源滤 波器Ξ相A，B，C桥臂白^步骤八:设定阔值λ，λ根据具体系统参数取值，单位为伏，λ取系统设定的直流母线电压 值的25%;并判断步骤屯所得的Ξ个是否大于阔值λ;如果Ξ个 中某个大于阔值λ，则该相发生了 IGBT开路故障； 步骤九:确定故障相具体4个IGBT中哪个发生了开路故障； 步骤八中&输-/大于阔值λ，则A相发生IGBT开路故障;此时步骤屯所得的中的A 相的升级为特征矢量；将Δ巧与Δ^η-/、 么巧膽卡么输3.-/、分另Ij做相似度对比，相似度最高的即对应此桥臂IGBT故障的 具体位置;如果&硕#_/与心窥ri_/相似度最高，则该桥臂的1管发生开路故障；其他故障电 位W此类推。
【文档编号】G01R31/02GK106093677SQ201610404628
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年6月8日
【发明人】唐轶, 王珂, 张传金, 王扬
【申请人】中国矿业大学