一种电机驱动系统的逆变器开关故障诊断方法

技术领域

本发明涉及逆变器开关故障诊断技术领域，尤其涉及一种电机驱动系统的逆变器开关故障诊断方法。

背景技术

电机驱动系统在工业生产中的广泛应用得益于逆变器的优异性能，逆变器的稳定运行对提高整个电机驱动系统的可靠性起到至关重要的作用。同时逆变器功率开关管的故障成为一个突出问题，通常功率开关管的故障分为短路和开路故障，短路故障致使电流突增触发过流保护电路导致系统迅速关闭，而开路故障的特性会防止过流情况出现，从而不能激活过流保护；长期运行下会引发三相电流不平衡，增加逆变器电路的电流和电压幅值，最终损坏电机。目前对于开路故障的诊断方法主要分为：基于模型的方法、数据驱动的方法和基于信号的方法。

“Ren Y.,Li Z.,Wang B.,Bai Z.and Ma H.:Afast average model-basedmethod for igbt and current sensor fault diagnosis in grid-tiedinverters.Proc.IECON 44th Annual Conference of the IEEE IndustrialElectronics Society 3809-3814(2018).”中基于模型的故障诊断方法使用观测器预先定义系统模型，通过分析实际信号和估计信号间的残差信号执行故障诊断；“Abdelkader R.,Cherif B.D.E.,Bendiabdellah A.,Kaddour A.:An open-circuit faults diagnosisapproach for three-phase inverters based on an improved variational modedecomposition,correlation coefficients,and statistical indicators.IEEETrans.Instrum.Meas.71,pp.1-9(2022).”中基于数据驱动的故障诊断方法利用机器学习和人工智能分析过往和实时数据检测和诊断系统故障，数据驱动的方法更少依赖精确建模，还具备从过往数据中学习并检测未知故障的能力；“Wang Y.,Li Z.,Xu M.and Ma H.:Acomparative study of two diagnostic methods based on the switching voltagepattern for igbt open-circuit faults in voltage-source inverters.J.PowerElectron.16(3),pp.1087-1096(2016).”中基于信号的故障诊断方法包括基于电压和基于电流的方法，这两种方法利用测量信号提取故障信息特征。基于电压的方法利用高速隔离光耦器件测量功率开关集电极-发射极间的电压，通过比较正常和开路故障情况下的集电极-发射极间电压，结合逆变器开关功能实现开关管故障的诊断和定位。这种基于电压的故障诊断方法具备快速诊断性能，减少了故障检测和定位时间。基于电流的方法有利用逆变器输出电流生成的三维电流轨迹模型和主成分分析对故障开关进行定位，有的方法如利用基于小波变换的卷积神经网络对归一化电流矢量轨迹图的小样本进行训练，利用电流矢量轨迹斜率对PWM逆变器进行故障检测和定位。

基于模型的故障诊断方法的主要缺点是严重依赖模型参数的准确性，这使它不适用于运行条件变化情况的复杂系统；基于数据驱动的故障诊断方法的缺点是存在潜在的过拟合、对数据质量和数量的敏感程度高、需要大型数据集及用于训练和验证的计算资源；基于电压的故障诊断方法需要额外的硬件电路，增加了系统成本，并且降低了系统可靠性；基于电流的故障诊断方法实现简单但无法检测负载变化情况下的故障并且检测时间较长。

发明内容

本发明提供一种电机驱动系统的逆变器开关故障诊断方法，目的是克服现有方法中无法诊断负载变化情况以及多开关管故障的缺陷。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种电机驱动系统的逆变器开关故障诊断方法，包括以下步骤：

步骤1：采样逆变器电流，设定故障阈值，检测功率开关是否发生开路故障；

步骤2：检测到电路存在开路故障后，通过相邻时刻电流矢量轨迹趋势线斜率和电流变换后所得β轴电流方向对故障所在开关位置进行判断。

所述步骤1具体如下：

步骤1.1：设置触发点数N

步骤1.2：计算当前Clark变换后的α-β坐标系下电流矢量轨迹趋势线的斜率L

步骤1.3：根据电流矢量轨迹的斜率

所述A、B、C三相电流经过Clark变换为α-β坐标系下的电流，所述Clark变换公式为：

其中，i

所述步骤1.2具体为：

步骤1.2.1：根据三相电流变换后所得当前时刻k的α轴电流i

步骤1.2.2：设定电流矢量轨迹的斜率

所述步骤1.3具体为：

步骤1.3.1：计算当前时刻电流矢量轨迹趋势线斜角及前一时刻电流矢量轨迹趋势线斜角：

步骤1.3.2：计算相邻时刻的电流矢量轨迹趋势线的斜角差D

D

θ

步骤1.3.3：根据正常情况下的相邻时刻电流矢量轨迹趋势线斜角差设置故障阈值：

其中，μ小于1，通常取0.2～0.4之间的值。

步骤1.3.4：根据采样电流计算得到的相邻时刻的电流矢量轨迹趋势线的斜角差D

其中，R

所述步骤2具体为：

步骤2.1：计算当前时刻电流矢量轨迹趋势线斜角和前一时刻电流矢量轨迹趋势线斜角的平均值

步骤2.2：根据步骤2.1中的检测变量判断发生开路故障的为三相中A、B或C的相，根据β轴电流i

所述步骤2.1具体为：

步骤2.1.1：计算当前时刻电流矢量轨迹趋势线斜角和前一时刻电流矢量轨迹趋势线斜角的平均值：

步骤2.1.2、将平均值

所述步骤2.2具体为：

步骤2.2.1：计算当前时刻的采样电流i

步骤2.2.2：根据式(7)(8)(9)(10)判断故障开关所在位置，故障开关检测位置规则如下；R

表1开路故障诊断规则

所述电机驱动系统逆变器为多管时，进行多管检测时，基于单管故障检测的基础上，连续检测另一个功率开关的故障。

本发明的有益效果：基于相邻时刻电流矢量轨迹趋势线斜率差，进行电机驱动逆变系统功率开关断路故障诊断，通过相邻的趋势线差异设置检测阈值，开路故障可以被识别，并使用α-β坐标系中的相邻趋势线斜率和β轴电流方向设定检测变量来定位故障功率开关。该方法不仅能处理负载变化的情况，而且能诊断单管和多管开关管的故障。同时该方法可以快速检测开路故障，并且只需要少量的电流节点信号就能实现故障诊断，因此该方法适合在环实现，该方法对负载还具有较好的鲁棒性。

附图说明

图1为电机驱动逆变器系统电路拓扑图；

图2为电流矢量轨迹及趋势线图；

图3为开路故障诊断结果；图3(a)为逆变器发生故障时的三相电流图；图3(b)为开路故障检测量R

具体实施方式

下面将结合本发明实例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然所描述的实例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

第一阶段：如图1，对该电机驱动逆变器采样电流，通过设定检测阈值判断是否存在开路故障。

步骤1：设置触发点数N

步骤2：采集到的三相电流经Clark变换后所得电流i

考虑到一些可能故障会导致式(1)趋于无穷大，所得斜率人为设置为：

步骤3：计算当前时刻趋势线斜角及前一时刻趋势线斜角：

计算相邻时刻电流矢量轨迹线之间的斜角差D

D

步骤4：考虑实际电流波动情况，根据正常情况下斜角差近似值设置故障阈值：

其中μ是小于1的值，通常取0.2～0.4之间的值。

步骤5：将电流采样后检测到的趋势线斜角差与阈值进行比较，得到检测结果R

其中R

第二阶段：通过采集到的电流信号趋势线斜角差与阈值相比较确定发生开路诊断后，进一步确定故障开关位置。

步骤1：根据图2所示及第一阶段的计算，计算当前时刻斜角和前一时刻斜角的平均值：

将

步骤2：计算当前时刻的电流i

故障发生在A相时

本发明的技术关键点在于：设置检测阈值，开路故障可以被识别；用相邻趋势线斜率和β轴电流方向设定检测变量来定位故障功率开关；不仅能处理负载变化的情况，而且能诊断单开关管和多开关管的故障。