阅读说明：本技术 一种两电平逆变器开关管故障模拟的实验装置 (Experimental device for two-level inverter switch tube fault simulation ) 是由 尹帅 张亦琼 周丹 王庆义 于 2020-04-15 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种两电平逆变器开关管故障模拟的实验装置,包括逆变主电路、信号采样电路、MCU控制模块、通讯传输模块、PC上位机,PC上位机根据需要模拟的故障类型,向MCU控制模块发送相应的故障指令；MCU控制模块接收指令后控制逆变主电路进行相应的故障模拟,并通过信号采样电路进行采样,随后将采样数据通过通讯传输模块发送至PC上位机,PC上位机进行实时数据处理。本发明的有益效果：可实现上位机对逆变器电流、电压数据的实时在线获取,方便之后的数据处理、故障分类、验证算法等,以便于开展相关学习研究；为后期开关管故障诊断的相关算法验证提供了物理验证平台,技术方案新颖且可行,有工程使用价值。(The invention provides an experimental device for simulating the fault of a switching tube of a two-level inverter, which comprises an inverter main circuit, a signal sampling circuit, an MCU control module, a communication transmission module and a PC upper computer, wherein the PC upper computer sends a corresponding fault instruction to the MCU control module according to the fault type to be simulated; the MCU control module receives the instruction and then controls the inverter main circuit to carry out corresponding fault simulation, the sampling is carried out through the signal sampling circuit, then the sampling data are sent to the PC upper computer through the communication transmission module, and the PC upper computer carries out real-time data processing. The invention has the beneficial effects that: the real-time online acquisition of the current and voltage data of the inverter by the upper computer can be realized, and the subsequent data processing, fault classification, verification algorithm and the like are facilitated, so that the development of relevant learning research is facilitated; a physical verification platform is provided for the verification of related algorithms of the switch tube fault diagnosis in the later period, the technical scheme is novel and feasible, and the method has engineering use value.)

一种两电平逆变器开关管故障模拟的实验装置

技术领域

本发明涉及电力电器故障诊断技术领域，尤其涉及一种两电平逆变器开关管故障模拟的实验装置。

背景技术

逆变器现在已被广泛应用于日常生活、航空航天、工业生产和能源供给等各种场合中。分布式发电因其利用各种分散存在的可再生清洁能源进行发电，能有效解决目前能源利用困境及传统火力发电存在的环境污染问题，且提高了现有电力系统的经济性和可靠性，因而在世界各国都得到了广泛应用。可再生能源的发电系统都涉及到大功率、高效率、高质量的能源转换，电力电子技术是其中的关键技术之一。

分布式电源既可输出直流电，也可输出交流电，因此须通过功率变换器来变换得到与电网同频同相的电能，以直接供给用户并入电网，这其中便需要大量逆变器。逆变器若出现故障而得不到技术诊断与修复，定会造成无法挽回的经济损失和安全风险，因此逆变器安全、稳定、可靠的运行对于电力系统至关重要。值得注意的是，当逆变器某一相器件发生故障后，其他相的电压和电流量可能会发生突变，因此对逆变器的故障定位研究十分重要。传统的人工故障查找方法要快速准确地诊断出故障非常困难，不仅耗时长，还影响生活生产以及供电可靠性。

逆变器开关管发生短路故障后，开关管内部烧结，最后也会转化为开路故障，因此当前逆变器故障诊断领域以研究开关管故障中常见的开路故障诊断为主，但常见的诊断方式不能获取逆变器的实时电流数据，只能进行离线的数据处理与故障诊断，存在诊断不及时的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种两电平逆变器开关管故障模拟的实验装置，模拟注入两电平逆变器开关管的开路和短路故障，相较于一般的故障诊断平台，实现了与PC上位机的通讯，利用相关软件可实现PC上位机对逆变器电流、电压数据的实时在线获取，为后期对两电平逆变器故障诊断提供物理实际数据，方便后期对数据的处理方法和故障诊断的算法验证。

本发明提供一种两电平逆变器开关管故障模拟的实验装置，包括逆变主电路、信号采样电路、MCU控制模块、通讯传输模块、以及PC上位机，其中：

所述MCU控制模块连接所述逆变主电路以及所述信号采样电路，所述MCU控制模块对所述逆变主电路进行脉宽调制，将所述逆变主电路中的直流电逆变为交流电；

所述MCU控制模块通过所述通讯传输模块与所述PC上位机进行通讯，所述PC上位机根据需要模拟的开关管故障类型，通过所述通讯传输模块向MCU控制模块发送相应的故障指令；所述MCU控制模块接收故障指令后控制所述逆变主电路进行相应的故障模拟，并通过所述信号采样电路对所述逆变主电路进行采样；

所述MCU控制模块将采样数据进行打包后，通过所述通讯传输模块发送至PC上位机，所述PC上位机进行实时数据处理。

进一步地，所述逆变主电路采用直流电源进行供电，且由6个开关管组成三组桥臂的全桥逆变电路，6个所述开关管由3个开关管驱动芯片进行驱动，其中，每个所述开关管驱动芯片连接位于同一桥臂上的两个所述开关管；3个所述开关管驱动芯片均连接所述MCU控制模块。

进一步地，所述逆变主电路还包括12个继电器，其中，6个所述继电器分别串联在6个所述开关管上，另外6个所述继电器分别并联在6个所述开关管上，且6个并联在开关管上的继电器还串联6个正温度系数热敏电阻。

进一步地，所述继电器均通过继电器驱动芯片进行控制，所述继电器驱动芯片连接所述MCU控制模块。

进一步地，所述信号采样电路包括输入电源电压采样电路、三路线电压采样电路、以及三路相电流采样电路，其中，所述输入电源电压采样电路对所述逆变主电路中的直流电源进行A/D采样，所述三路线电压采样电路对全桥逆变电路的三路线电压信号进行A/D采样，所述三路相电流采样信号对全桥逆变电路的三路相电流信号进行A/D采样，所述三路相电流采样电路采用三个独立电源进行单独供电。

进一步地，还包括电路保护模块，所述电路保护模块连接三路相电流采样电路以及开关管驱动芯片；所述电路保护模块对三路相电流信号进行判断，采用门限比较电路将电流限制在正常范围内，当发生过流欠流情况时，实现对开关管驱动芯片的自动关断。

进一步地，所述通讯传输模块与所述MCU控制模块之间以SPI通讯方式进行数据传输，并将经过TCP/IP协议处理后的数据经由RJ45网口发送至所述PC上位机。

进一步地，所述开关管故障类型包括无故障、单个开关管故障、同一桥臂的2个开关管故障、同上或同下桥臂的2个开关管故障、以及交叉桥臂的2个开关管故障。

本发明提供的技术方案带来的有益效果是：本发明可实现模拟注入逆变器开关管的开路和短路故障，并可实现逆变器的在线数据获取，方便后续数据处理、故障分类、验证算法等，便于开展相关学习研究。

附图说明

图1是本发明实施例提供的两电平逆变器开关管故障模拟的实验装置的结构图；

图2是本发明实施例提供的两电平逆变器开关管故障模拟的实验装置的部分电路图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。

请参考图1，本发明的实施例提供了一种两电平逆变器开关管故障模拟的实验装置，包括功率板1、控制通讯板2、PC上位机3，其中，功率板1包括逆变主电路11、信号采样电路12、以及电路保护模块13，控制通讯板2包括MCU控制模块21和通讯传输模块22。MCU控制模块21对逆变主电路11进行正弦脉宽调制(Sinusoidal Pulse Width Modulation，SPWM)，将逆变主电路11中的直流电逆变为交流电；PC上位机3根据需要模拟的开关管故障类型，通过通讯传输模块22向MCU控制模块21发送相应的故障指令，MCU控制模块21接收指令后控制逆变主电路11进行相应的开关管故障模拟，并通过信号采样电路12对逆变主电路11进行A/D采样；随后MCU控制模块21将采样数据打包后通过通讯传输模块22发送至PC上位机3，PC上位机3进行实时数据处理。

请参考图2，逆变主电路11包括由6个开关管T₁、T₂、T₃、T₄、T₅、T₆组成三组桥臂(A、B、C)的全桥逆变电路、以及3个开关管驱动芯片，全桥逆变电路连接24V直流电源DC。优选地，所述开关管为N沟道MOS管，并由3个开关管驱动芯片IR2302进行驱动，其中，每个开关管驱动芯片IR2302驱动位于同一桥臂上的两个开关管；所述3个开关管驱动芯片IR2302连接MCU控制模块21，MCU控制模块21生成三路SPWM调制信号，控制3个开关管驱动芯片IR2302驱动6个开关管导通或关断，从而将24V直流电源DC逆变为工频50Hz的三相交流电，其中，开关管的开关频率为10KHz。

所述逆变主电路11还采用12个继电器K1-K12，所述继电器分别串联和并联在6个开关管T₁、T₂、T₃、T₄、T₅、T₆上，并在并联的6个继电器(图1中的K7-K12)上分别串联正温度系数热敏电阻R1-R6，用于模拟短路故障时通过限制电流来保护电路的操作。所述继电器通过继电器驱动芯片进行控制，且所述继电器驱动芯片连接MCU控制模块21，PC上位机3向MCU控制模块21发送不同的继电器动作指令从而给定不同的故障类型，进一步实现逆变主电路11中各种开路与短路故障的模拟。

请参考表1，其为逆变器开关管的开路故障分类表，PC上位机根据表1中的故障类型给出相应的继电器动作指令来实现故障模拟。具体地，开路故障类型包括无故障、单个开关管故障、同一桥臂的2个开关管故障、同上或同下桥臂的2个开关管故障、以及交叉桥臂的2个开关管故障；请参考图1，无故障时，串联在开关管上的6个继电器K1-K6均处于闭合状态，而并联在开关管上的6个继电器K7-K12则处于断开状态；以模拟同一桥臂的2个开关管故障为例，PC上位机3任意选定故障开关管为T₁、T₂，并向MCU控制模块21发送指令，MCU控制模块21接收指令后通过继电器驱动芯片控制继电器K1、K2断开，实现开关管T₁、T₂故障的模拟。

表1逆变器开关管的开路故障分类表

信号采样电路12连接MCU控制模块21，包括输入电源电压采样电路、三路线电压采样电路、以及三路相电流采样电路，其中，输入电源电压采样电路对直流电源DC进行A/D采样；三路线电压采样电路采用HWPT07电压互感器及精密可调电阻将电压信号调理为0-3.3V电压信号后输入MCU控制模块21，从而实现对逆变后的三路线电压信号U_AB、U_BC、U_CA的A/D采样；三路相电流采样电路采用三个独立电源进行单独供电，并通过AMC1100隔离放大芯片输入MCU控制模块21，从而实现对逆变后的三路相电流信号I_A、I_B、I_C的A/D采样。

电路保护模块13连接三路相电流采样电路以及开关管驱动芯片IR2303，主要对三路相电流信号进行判断，采用门限比较电路将电流限制在正常范围内，当发生过流欠流情况时实现对开关管驱动芯片IR2302的自动关断以保护电路。

MCU控制模块21采用STM32F407ZET6微控制器，将信号采样电路12采集的数据进行打包并发送给通讯传输模块22。通讯传输模块22采用W5500以太网通讯芯片，与MCU控制模块21之间以SPI通讯方式进行数据传输，最终将经过TCP/IP协议处理后的数据经由RJ45网口发送给PC上位机3。

PC上位机3利用Matlab内的API接口接收到RJ45网口传来的数据，生成相关文件后由Matlab实时绘制电流波形，并通过网络调试软件发送故障指令，控制12个继电器K1-K12以实现对逆变器开路和短路故障的模拟。

优选地，本实验装置采用三相星型对称阻感负载r，电阻值滑动可调，电感L选为100μH。

在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。

在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。