三相SPWM逆變電源的故障診斷及仿真

侯立業 王艷秋 米闊 喻琪家

沈陽工學院信息與控制學院

三相SPWM逆變電源的故障診斷及仿真

侯立業 王艷秋 米闊 喻琪家

沈陽工學院信息與控制學院

三相SPWM逆變電源是較復雜的非線性時變系統，采用常規方法對其建模和分析很困難，本文以三相SPWM逆變電源系統為例介紹電力電子裝置的故障診斷方法。

三相SPWM逆變電源 故障診斷 神經網絡

1 引言

電力電子裝置故障可分為結構性故障和參數性故障。結構性故障主要表現為由功率器件的損壞造成主電路結構改變。參數性故障主要表現為元件參數的偏移，造成裝置特性嚴重偏離正常特性。

電力電子裝置通常由功率變換主電路部分和控制部分構成。本文以三相SPWM逆變電源系統為例介紹故障診斷方法。

2 三相SPWM逆變電源系統故障檢測仿真模型

以三相電壓型逆變電源為例。它主要功能是采用SPWM控制策略將直流電壓變換成交流電壓，調壓控制器采用數字式PI控制，實時地調節逆變器輸出電壓的幅值，以滿足實際要求。系統主回路選用IGBT作為開關器件，為了減少輸出電壓的諧波，逆變器輸出接有串聯諧振濾波電路。

2.1 模型故障分析

考慮到實用性和系統的復雜性，所建模型的常見故障類型表現為以下幾類：

（1）任一功率半導體開關元件基極驅動電路故障；

（2）任一功率半導體開關元件短路故障；

（3）任一功率半導體開關元件間歇性斷路故障；

（4）任一逆變橋臂兩開關元件斷路故障；

（5）任一逆變橋臂兩開關元件短路故障；

（6）無源元件失效故障。

在本論文中我們以功率半導體元件斷路故障為例進行分析，考慮到實際系統運行時出現故障的情況，同時為簡化分析的過程，我們假定最多同時有兩個橋臂發生故障。這樣可將故障分為五大類：

第一大類（001）：沒有功率半導體IGBT故障，即正常運行。第二大類（010）：只有一只IGBT故障；

第三大類（011）：同一橋臂上下兩只IGBT故障；

第四大類（100）：相鄰橋臂交叉兩只IGBT故障；

第五大類（101）：相鄰橋臂正相、反相兩只IGBT故障。

對故障的大類、小類進行了編碼，用六位編碼X6X5X4X3X2X1,其中Xi=0、1，第4～6位用于大類編碼，第1～3類用于小類編碼。對應于每組特征信號的故障編碼作為神經網絡的要求輸出。在上面的分類說明中列出了相應的大類和小類編碼。當神經網絡用于故障診斷時，對位1～6的輸出結果進行四舍五入取整，使其成為0或1，通過這六位代碼可查到對應的故障診斷結果。

2.2 模型的MATLAB仿真

運用MATLAB6.5軟件中的SIMULINK和POWER SYSTEM BLOCKSET構建三相SPWM逆變電源系統的電路模型如圖1所示。六路IGBT模塊選用PSB庫的子庫POWER ELECTRONICS中的UNIVERSAL BRIDGE模型，只需把UNIVERSAL BRIDG的屬性POWER ELECTRONIC DEVICE改為IGBT/DIODE即可。

圖1 三相SPWM逆變電源系統的電路模型

3 結論

三相SPWM逆變電源是較復雜的非線性時變系統，采用常規方法對其建模和分析很困難，因而采用MATLAB仿真軟件，建立三相電壓閉環控制SPWM逆變電源故障檢測與診斷系統的仿真模型。根據實用性和系統的復雜性，分析確定系統可能出現的故障類型，用所建立的模型模擬逆變電源開關管開路的各種故障，通過對逆變電源輸出電壓進行Fourier分析，提取有用信息作為神經網絡的學習樣本。

[1]王兆安，黃俊.電力電子技術.上海：機械工業出版社，2000

[2]焦李成.神經網絡計算.西安：西安電子科技大學出版社，1995

[3]徐德鴻等.用傅立葉分析法診斷電力電子電路的故障.浙江大學學報，1994（4）：666～674

[4]徐德鴻，馬皓.電力電子裝置故障自動診斷.北京：科學出版社，2001

侯立業、米闊、喻琪家：沈陽工學院信息與控制學院自動化專業學生。

王艷秋（通訊作者）1955年10月出生，女，漢族，遼寧人，沈陽工學院教授，博士，研究方向：智能控制理論及應用。