交流電機調速系統(tǒng)逆變器開路故障診斷

楊 梟

(北京礦冶科技集團有限公司，北京 100160)

0 引言

逆變器故障是交流電機調速系統(tǒng)典型的故障，其發(fā)生概率高達38%[1]，其主要分布于功率開關管的短路和開路。短路現在基本采用硬件電路保護，將快速熔絲與開關管串聯，將短路轉換為開路[2]。因此，必須有可靠的方法對逆變器開關管開路故障進行檢測。

交流電機調速系統(tǒng)逆變器開關管開路故障檢測方法研究已經取得了很多豐碩的成果[3-6]。文獻[3-4]通過對直流側電流進行采樣，并濾除其高頻成分，再做快速傅里葉變換(FFT)分析，得到與故障相關的低頻部分的頻譜圖，簡化了診斷系統(tǒng)尺寸，但是載波比無窮大是理想條件，其故障特征的辨識度會隨著載波比的下降而降低，另外在非同步調制時，由于載波比不斷變化，故障特征的判斷閾值也難以確定。文獻[5-6]中通過對功率管的開關信號進行采樣，得到功率管的開關函數，再通過檢測功率開關管的電壓，經過一系列邏輯模擬電路運算后，輸出故障指示信號，對于一些特定的故障發(fā)生時刻，可以快速的檢測出故障及位置。同時，采用閾值比較和脈寬限制的方法消除了開關延時和測量噪聲帶來的誤差電壓。但是這種診斷的快速性只適用于少數特定的情況，而且需要電流傳感器，還要在3相均附加邏輯電路，較為繁瑣。因此，進一步研究逆變器開路故障具有必要性。

本文研究交流電機調速系統(tǒng)逆變器開路故障診斷問題，提出了一種基于平均電流Park矢量法的逆變器開關管開路故障診斷策略。

1 逆變器輸出三相電流模型描述

從圖1可以看出，在交流電機調速系統(tǒng)中逆變器輸出的三相電流就是交流電機定子三相電流，所以逆變器三相電流數學模型可以根據交流電機三相電流數學模型建立。

圖1 交流拖動系統(tǒng)結構圖

逆變器輸出的三相電流的瞬時值可描述為：

iUs=IMcos(ωst+Φ)

(1)

iVs=IMcos(ωst+Φ-2π/3)

(2)

iWs=IMcos(ωst+Φ+2π/3)

(3)

式(1)、(2)、(3)中，iUs、iVs、iWs分別為逆變器輸出的三相電流瞬時值，IM為輸出電流峰值，ωs為輸出電流頻率，t為時間，Φ為初始相位角。

交流電機傳動系統(tǒng)的調速方式為變頻調速，設定的速度不同，逆變器輸出電壓的頻率不同，逆變器輸出電流的周期也不同，故設任意參數變量T為輸出電流的周期。

通過積分取平均，即可得到逆變器輸出三相平均電流的數學模型。

(4)

(5)

(6)

2 逆變器開關管開路故障分析

2.1 逆變器開關管開路故障分析

交流電機調速系統(tǒng)中逆變器正常工作時，逆變器輸出的三相電流為相位角誤差120度的正弦波，且直流分量為0，電流波形如圖2所示。

圖2 正常情況逆變器輸出三相電流波形

當某一開關管開路后，調速系統(tǒng)將會自動達到一個新的平衡狀態(tài)。由于逆變器控制方式在故障前后是相同的，假設磁場為線性并且轉子轉動慣量無限大，并且忽略交流電機定子電阻，那么施加在電機上的電壓將由漏電感和磁化電感提供。因此，在故障后的穩(wěn)定狀態(tài)下，電機不會承受任何的直流電壓分量。當逆變器某一任意相開關管發(fā)生開路故障，其他正常的兩相開關管是不會向電機施加任何直流電壓分量的。對于開路故障相橋臂，如果相電流的極性是正的，相電壓將會被嵌位為負。如果相電流的極性是負的，當該橋臂的下開關管導通時相電壓將為負，當下開關管關斷并且上開關管導通時，相電壓將為正。由于在故障前后正弦PWM調制的相電壓是正弦平衡的，所以在故障后相電流也正弦平衡，并且伴有直流偏移量[7]，原理示意圖如圖3所示。

圖3 單管開路時逆變器輸出三相電流波形

從圖3中可以看出，逆變器某一相開關管發(fā)生開路故障后，逆變器輸出的三相電流存在不同的直流分量，這將導致交流電動機的三相電流不平衡，除使電動機額外發(fā)熱外，還會造成三相旋轉磁場不平衡，使電動機發(fā)出特殊的低沉聲音，同時電動機也會因此而振動，不利于電機的正常運行。

2.2 直流偏移量的計算

交流電機調速系統(tǒng)通常采用電壓型，當逆變器正常工作時，設直流母線電流為I，可計算出正常情況下6個工作區(qū)間逆變器輸出的三相電流值如表1所示。

表1 逆變器正常工作時輸出的三相電流值

通過表1可計算出逆變器輸出的三相電流的平均值。

(7)

(8)

(9)

當其中某一只開關管發(fā)生開路故障時，故障持續(xù)的電角度范圍可由0到π，故障對系統(tǒng)的影響也隨持續(xù)電角度范圍的不同而不同，對應逆變器輸出電流的直流偏移量也不同。

當任意開關管n發(fā)生開路故障時，并隨機任取開路故障持續(xù)的電角度為θ1到θ2，則可計算出開路開關管所在故障相輸出電流的直流偏移量If。

If(n，θ1，θ2)=[(-1)nP+(-1)n+1Q(θ1，θ2)]/2π

(10)

其中：

P=(π/3)(4/3)

(11)

Q(θ1,θ2)=

(12)

(13)

(14)

(15)

同理可計算出其他非故障兩相輸出電流的直流偏移量In。

In(n，θ1，θ2)={(-1)nG+(-1)n+1[H(θ1，θ2)+

J(θ1，θ2)+K(θ1，θ2)+L(θ1，θ2)]}/2π

(16)

其中：

G=(2/3)(π/3)

(17)

(18)

(19)

K(θ1，θ2)=

(20)

L(θ2)=

(21)

在逆變器某一開關管發(fā)生開路故障后，相電流也正弦平衡，只是伴有直流偏移量，即電流平均值發(fā)生變化，所以逆變器輸出三相電流的平均值可以作為逆變器開關管開路故障診斷的特征量。

3 平均電流Park矢量故障診斷算法設計

本故障診斷算法根據逆變器輸出的三相電流，計算各相電流在一個周期內的平均值。然后，通過3相/2相坐標變換，計算出平均電流Park矢量。最后，通過Park矢量的模和相位角，確定開路故障的嚴重程度，以及發(fā)生故障的開關管。

3.1 平均電流Park矢量的故障診斷算法

在求取平均電流Park矢量過程中，使用到了逆變器輸出的三相平均電流值IUav、IVav、IWav，以及3相/2相坐標變換陣。在電機轉子上建立一個坐標系，與轉子同步轉動，取轉子磁場方向為D軸，垂直于轉子磁場方向為Q軸，將電機的數學模型轉換到此坐標系下，可以得到與交流三相繞組等效的直流電機模型，從而得到良好控制特性。這里給出由3相U、V、W坐標系的變量IUav、IVav、IWav與2相D、Q坐標系變量xx、xy之間的Park變換矩陣。

(22)

取D軸為定子U軸，則θUD=0，即得到2相坐標系下的平均電流。

(23)

(24)

進而可以合成平均電流Park矢量。

(25)

平均電流Park矢量的診斷算法，通過平均電流Park矢量的模，判斷開路故障的嚴重程度；通過Park矢量的相角，判斷具體發(fā)生開路故障的開關管。

3.2 平均電流Park矢量診斷決策

在逆變器輸出的三相電流平均值的基礎上，通過式(23)、(24)和(25)，可求出任意開關管發(fā)生開路故障時對應的平均電流Park矢量相角范圍。本文分別計算了6個開關管單獨發(fā)生開路故障時對應的Park矢量相位角范圍，歸納出平均電流Park矢量相位角與開路故障開關管的對應查詢表。

表2 Park矢量相位角與開路故障開關管對應查詢表

為便于工廠操作人員使用，相位角與開路故障開關管的對應關系也可用圖4表示。

圖4 Park矢量相位角與開路故障開關管對應查詢圖

4 結論

本文利用3相/2相坐標變換和分量合成方法，求逆變器輸出三相平均電流Park矢量。之后，利用平均電流Park矢量的幅值判斷開路故障的嚴重程度，通過Park矢量的相角判斷具體發(fā)生開路故障的開關管。該方法對載波比不敏感，診斷周期穩(wěn)定，可以得到準確的診斷結果，具有實際工業(yè)應用價值。