王梓航 李磊 李建明

摘要：以三相開環(huán)Z源逆變器為例，開展了三相開環(huán)Z源逆變器短路故障診斷的應(yīng)用研究。在三相開環(huán)Z源逆變器發(fā)生功率開關(guān)管短路故障及短路故障后逆變器工作狀態(tài)理論分析基礎(chǔ)上，建立三相開環(huán)Z源逆變器故障仿真模型。通過仿真實(shí)驗(yàn)獲得短路故障狀態(tài)下的輸出側(cè)交流電流信號(hào)數(shù)據(jù)，根據(jù)故障特征提出一種針對(duì)性的短路故障診斷方法直觀的得到短路故障功率開關(guān)管出現(xiàn)的位置，并通過仿真驗(yàn)證該方法的可行性。

關(guān)鍵詞：三相開環(huán)Z源逆變器;功率開關(guān)管;短路故障診斷;仿真

中圖分類號(hào)：TM464

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1 引言

隨著電力電子技術(shù)的日益發(fā)展，電壓源逆變器在傳動(dòng)領(lǐng)域中所占份額越來越大，逆變器供電的電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)如今已經(jīng)成為一個(gè)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[1]。據(jù)估計(jì)，工業(yè)應(yīng)用的交流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中的38%的故障來自于功率半導(dǎo)體開關(guān)器件的損壞[2]。功率半導(dǎo)體器件的故障通常表現(xiàn)為開路故障和短路故障，這些故障一旦發(fā)生，電動(dòng)機(jī)將在非平衡供電狀態(tài)下工作，電機(jī)會(huì)發(fā)生不同程度的損壞，甚至導(dǎo)致災(zāi)害事故的發(fā)生。因此通過故障診斷，及時(shí)對(duì)故障線路進(jìn)行維修或在線補(bǔ)救，越來越重要[3]。導(dǎo)致功率開關(guān)管短路的原因有很多：錯(cuò)誤的驅(qū)動(dòng)信號(hào)、器件過電壓雪崩擊穿、熱擊穿等。但是，由于短路故障存在時(shí)間極短，很多時(shí)候都來不及診斷出故障的位置整個(gè)線路就已經(jīng)損壞，所以對(duì)于電壓型逆變器的短路故障通常采用預(yù)防措施[4]。而在Z源逆變器中卻不同，由于其直通特性（允許同橋臂開關(guān)管的同時(shí)導(dǎo)通）使得開關(guān)管在短路時(shí)，整個(gè)電路系統(tǒng)不會(huì)崩壞，因此能更安全更直觀的研究變流器功率開關(guān)管的短路故障。與逆變器故障診斷[5-9]不同，目前對(duì)于Z源逆變器故障的研究還處于起步階段，文獻(xiàn)[10]中提出一種針對(duì)單相Z源逆變器分別在升壓和降壓時(shí)單個(gè)開關(guān)管發(fā)生故障的故障診斷方法，文中采用一種FFT（快速傅立葉變換）頻譜分析法，通過對(duì)輸出電壓信號(hào)的FFT頻譜分析直觀判斷出故障類型和故障開關(guān)管位置。但是，在實(shí)際應(yīng)用中該方法還存在一些缺陷，要想得到輸出電壓的頻譜圖是很麻煩的，因此其實(shí)用性不強(qiáng)。

以三相開環(huán)Z源逆變器為對(duì)象，首先，分析三相開環(huán)逆變器發(fā)生功率開關(guān)管短路故障及短路故障后逆變器工作模式特征，建立三相逆變器故障仿真模型。其次，基于仿真實(shí)驗(yàn)獲得短路故障狀態(tài)下的輸出側(cè)交流電流信號(hào)數(shù)據(jù)，根據(jù)故障特征提出一種短路故障診斷方法，直觀的得到發(fā)生短路故障功率開關(guān)管出現(xiàn)的位置，并通過仿真驗(yàn)證該方法的可行性。

2 三相開環(huán)Z源逆變器短路故障診斷電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

三相開環(huán)Z源逆變器短路故障診斷電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)拓?fù)淠Ｐ椭饕ǎ喝郱源逆變器、逆變器開環(huán)控制單元模塊、交流側(cè)故障診斷模塊、故障結(jié)果顯示模塊。

當(dāng)上圖中某個(gè)功率開關(guān)管發(fā)生短路故障時(shí)，輸出側(cè)的A、B、C三相交流電信號(hào)必然會(huì)受到影響（不再是規(guī)范的正弦波形）。對(duì)于閉環(huán)控制的Z源逆變器，當(dāng)出現(xiàn)短路故障時(shí)會(huì)反饋?zhàn)晕艺{(diào)整，使得輸出側(cè)的交流電壓、電流波形畸變得規(guī)律很不明顯，而開環(huán)控制的輸出結(jié)果不會(huì)反饋回來，當(dāng)出現(xiàn)短路故障時(shí)的輸出側(cè)畸變電壓、電流波形表現(xiàn)的故障特征更明顯。為了更直觀的觀察到故障特征，這里的Z源逆變器的控制采用開環(huán)控制。在故障診斷模塊中，作為故障特征量的輸出側(cè)電流經(jīng)過故障診斷模塊處理（具體方法會(huì)在后面的章節(jié)具體介紹），再通過顯示模塊給出短路故障功率開關(guān)管出現(xiàn)的位置。

3 三相開環(huán)Z源逆變器開關(guān)管短路故障分析

逆變器正常工作時(shí)，其基本工作方式為1800導(dǎo)電方式，即各個(gè)橋臂導(dǎo)電角度都為1800，相同相的上下橋臂交替導(dǎo)電，各相開始導(dǎo)電的角度依次相差120°。這樣，在每一時(shí)刻都有三個(gè)橋臂同時(shí)導(dǎo)通。與傳統(tǒng)電壓逆變器存在的8種開關(guān)矢量不同，Z源逆變器多了一種直通零矢量狀態(tài)，共有9種矢量。當(dāng)直流電壓加到負(fù)載上時(shí)，Z源逆變器具有6個(gè)非零矢量，既有效矢量;當(dāng)負(fù)載端分別被上橋臂或下橋臂三個(gè)開關(guān)所短路時(shí)，這時(shí)Z源逆變器有2個(gè)零電壓矢量;當(dāng)同一組逆變橋臂的上下開關(guān)管同時(shí)開通時(shí)，Z源逆變器工作于直通零矢量狀態(tài)。當(dāng)Z源逆變器工作于直通零矢量時(shí)，負(fù)載側(cè)被短路，輸入二極管處于斷開狀態(tài);當(dāng)逆變器工作于有效矢量或者傳統(tǒng)零矢量時(shí)，逆變橋可看作為一個(gè)電流源，在傳統(tǒng)零矢量時(shí)間段逆變橋?yàn)殚_路，此時(shí)可用一個(gè)零值的電流源來表示。而對(duì)負(fù)載來說，直通零矢量與傳統(tǒng)零矢量的效果是一樣的，不會(huì)影響輸出波形。由上分析可以看出，直通狀態(tài)是Z源逆變器的一個(gè)特殊的工作狀態(tài)，正是直通狀態(tài)的出現(xiàn)才使得Z源逆變器在開關(guān)管出現(xiàn)短路故障時(shí)整個(gè)系統(tǒng)不會(huì)立即崩潰從而便于研究其故障特征。因此，當(dāng)有功率開關(guān)管發(fā)生短路時(shí)輸出側(cè)的電壓、電流波形會(huì)受到影響而發(fā)生畸變，但是不會(huì)使整個(gè)電路的崩潰。

從上面的分析可以看出，有開關(guān)管發(fā)生短路故障時(shí)，對(duì)應(yīng)故障相的相電壓不會(huì)過0點(diǎn)，當(dāng)上橋臂發(fā)生故障時(shí)相電壓≥0，當(dāng)下橋臂發(fā)生故障時(shí)相電壓≤0。對(duì)于非故障相的相電壓，由于各橋臂的開關(guān)管均可正常工作，相電壓肯定會(huì)經(jīng)過0點(diǎn)，這里就不再贅述。當(dāng)負(fù)載呈純電阻負(fù)載時(shí)，相電壓與相電流基本同相位，該特征也存在于相電流中。因此，相電流的這一特點(diǎn)即可作為故障診斷的故障特征。

4 開環(huán)Z源逆變器開關(guān)管短路故障診斷

根據(jù)之前分析得到的規(guī)律，為了確定A、B、C三相哪一相出現(xiàn)短路時(shí)，只要觀測(cè)A、B、C三相輸出交流電流波形，出現(xiàn)故障的就是波形中不過0的那個(gè)。為了確定該項(xiàng)上橋臂還是下橋臂出故障，只需與0比較，若全部大于0，則是上橋臂短路，若是全部小于0，則是下橋臂短路。因此，輸出側(cè)的交流電流I_A、I_B、I_C即可作為故障特征。

在搭建故障診斷模塊時(shí)，分別采集A、B、C三相輸出側(cè)的電流信號(hào)I_A、I_B、I_C并與連續(xù)信號(hào)0進(jìn)行比較，當(dāng)輸出信號(hào)大于或等于0時(shí)輸出高電平1否則輸出低電平0，這樣得到新的故障信號(hào)I_A、I_B、I_C。

當(dāng)系統(tǒng)正常工作時(shí)，輸出電流是近似的正弦波形，經(jīng)過比較后會(huì)輸出周期性變化的高電平和低電平，假設(shè)故障前后的周期都為T，那么這里輸出的高、低電平各占1/2T;

當(dāng)系統(tǒng)上橋臂出現(xiàn)故障時(shí)，故障相的輸出電流全部是大于0的，因此經(jīng)過比較后的輸出全是高電平1;

當(dāng)系統(tǒng)下橋臂出現(xiàn)故障時(shí)，故障相的輸出電流全部是小于0的，因此經(jīng)過比較后的輸出全是低電平0。

由于故障前后，輸出波形周期都沒變，因此為了加快故障診斷速度，只需對(duì)一個(gè)周期內(nèi)的波形進(jìn)行處理即可得到判定結(jié)果。這里在仿真中用到一種定時(shí)開關(guān)，設(shè)定導(dǎo)通時(shí)間為一個(gè)周期T，即在T內(nèi)輸出前面經(jīng)過比較后的高低電平，之后輸出低電平。經(jīng)過一個(gè)周期的篩選后，再對(duì)其求積分，此時(shí)，由于高電平的值就是l而低電平的值是0，求積分就是求高電平出現(xiàn)的時(shí)間t_a、t_b、t_c：

因此，當(dāng)上橋臂出故障時(shí)，求得積分值應(yīng)該是及其接近于一個(gè)周期T的值;而正常情況下的積分應(yīng)該是接近于1/2T的值;下橋臂出故障時(shí)，積分應(yīng)該是接近于0的值。這里，再設(shè)定一個(gè)稍微大于l/2T的值為閾值（3/5T），將積分的結(jié)果t_a、t_b、t_c分別與閡值比較，當(dāng)結(jié)果大于閡值時(shí)輸出高電平l，此時(shí)即可判定該相上橋臂出現(xiàn)短路故障。

當(dāng)下橋臂短路故障時(shí)輸出結(jié)果正好與上橋臂短路時(shí)相反（故障相電流全部小于0），所以，在把輸出側(cè)的電流I_A、I_B、I_C與0比較時(shí)，令其小于0時(shí)輸出高電平1，大于等于0時(shí)輸出低電平0。經(jīng)過相同的處理后，若是輸出結(jié)果是高電平l，此時(shí)即可肯定該相下橋臂出現(xiàn)故障。

最后，為了更直觀更迅速的得到故障開關(guān)的位置，對(duì)A、B、C三相電流分別進(jìn)行上面提到的上橋臂和下橋臂故障診斷方法，最終6個(gè)示波器中顯示高低電平分別代表了各相上橋臂和下橋臂對(duì)應(yīng)的開關(guān)管，判定標(biāo)準(zhǔn)為，只要有示波器顯示了高電平即說明對(duì)應(yīng)的開關(guān)管短路。整個(gè)流程圖如下圖3所示。

5 仿真分析

在MATLAB環(huán)境下，搭建三相Z源逆變器故障仿真模型，系統(tǒng)采用開環(huán)控制方式。其中輸入直流電壓為100 V，Z源網(wǎng)絡(luò)電感為1 mH，電容為330 μF，逆變橋的開關(guān)頻率為10 kHz，直通零矢量占空比D為0.3，根據(jù)這些參數(shù)在Matlab中生成控制信號(hào)，把這一控制信號(hào)加載Z源逆變器上，得到如圖3所示的仿真結(jié)果。

為了模擬功率開關(guān)管道短路故障，在仿真中直接將開關(guān)管短接，使該橋臂一直導(dǎo)通。這里以A相開關(guān)VT1、VT2為例，分別短接后的輸出交流電流波形如圖4所示。

根據(jù)上面的結(jié)果顯示，可以看出當(dāng)上橋臂短路時(shí)，故障相的電流一直大于0，而當(dāng)下橋臂短路時(shí)，故障相一直小于0，這與之前的理論分析相吻合。

A相短路后的輸出交流電經(jīng)故障檢測(cè)模塊檢測(cè)模塊，在結(jié)果顯示示波器中顯示結(jié)果如圖5所示。其中VT3、VT4、VT5和VT6分別代表B相的上、下橋臂和C相的上、下橋臂。

由上面的結(jié)果可以很直觀地看出故障開關(guān)的位置，符合理論分析，驗(yàn)證了本文提出的針對(duì)三相開環(huán)Z源逆變器故障檢測(cè)方法的可行性和有效性。而且檢測(cè)結(jié)果也在一個(gè)周期0.02s后就能顯示，體現(xiàn)了該檢測(cè)方法準(zhǔn)確快速的特點(diǎn)。

6 結(jié)論

針對(duì)三相開環(huán)Z源逆變器的短路故障提出了一種故障診斷方法。通過理論分析短路故障發(fā)生后交流側(cè)電流的變化：當(dāng)故障發(fā)生在上橋臂時(shí)，故障相的電流始終保持大于0，當(dāng)故障發(fā)生在下橋臂時(shí)，故障相的電流始終保持小于0而非故障相的電流在保持周期性變化的同時(shí)都會(huì)經(jīng)過0點(diǎn)，交流側(cè)電流這樣的變化即可故障診斷的故障特征。在MATLAB中搭建三相開環(huán)Z源逆變器，仿真驗(yàn)證了該故障特征的準(zhǔn)確性。然后，根據(jù)該故障特征提出了一種針對(duì)三相開環(huán)Z源逆變器短路故障的故障診斷方法，利用一個(gè)周期內(nèi)對(duì)輸出側(cè)交流電流的比較、積分等處理，直觀的得到故障開關(guān)的所在位置。搭建相應(yīng)的故障診斷模塊，仿真結(jié)果驗(yàn)證了理論研究的正確性。

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