阅读说明：本技术 一种三相电压源逆变器桥臂开路故障实时检测方法 (Real-time detection method for open-circuit fault of bridge arm of three-phase voltage source inverter ) 是由 赵金 周洋 宋宇金 于 2020-04-10 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种三相电压源逆变器桥臂开路故障实时检测方法,包括以下步骤：S1、采集当前时刻的a、b、c三相电流数据；S2、根据所得当前时刻的a、b、c三相电流数据,更新三相电流向量；S3、根据所得三相电流向量,构建每两相电流向量间的Gram矩阵；S4、计算各Gram矩阵的行列式以及各电流向量的模,并根据所得各Gram矩阵的行列式以及各电流向量的模,计算每两相电流间的无关性系数；S5、通过比较每两相电流间的无关性系数与阈值th的大小,得到各相桥臂的故障检测结果。该方法不需要对电流信号进行滤波、降噪等数据处理过程,计算量较小,实时性好,具有较好的鲁棒性,有利于快速定位到故障桥臂,为逆变器的快速检修或容错控制提供基础。(The invention discloses a real-time detection method for open-circuit faults of a bridge arm of a three-phase voltage source inverter, which comprises the following steps of: s1, collecting current data of three phases a, b and c at the current moment; s2, updating three-phase current vectors according to the obtained current data of the three phases a, b and c at the current moment; s3, constructing a Gram matrix between every two phases of current vectors according to the obtained three-phase current vectors; s4, calculating the determinant of each Gram matrix and the modulus of each current vector, and calculating the independence coefficient between each two phases of currents according to the determinant of each Gram matrix and the modulus of each current vector; and S5, obtaining the fault detection result of each phase bridge arm by comparing the irrelevance coefficient between each two phases of currents with the threshold th. The method does not need data processing processes such as filtering, noise reduction and the like on the current signal, has small calculated amount, good real-time performance and good robustness, is favorable for quickly positioning a fault bridge arm, and provides a basis for quick maintenance or fault-tolerant control of the inverter.)

一种三相电压源逆变器桥臂开路故障实时检测方法

技术领域

本发明属于在线检测技术领域，更具体地，涉及一种三相电压源逆变器桥臂开路故障实时检测方法。

背景技术

三相电压源型逆变器已越来越广泛地应用于工业、电气化交通、家用电器、电机传动等领域，作为系统的重要组成部分，它的健康运行对系统具有重要意义。如在高铁机车牵引系统中，逆变器是动力转换系统的核心部件，一旦出现故障且不能及时得到修理，将可能导致动力系统故障的发生甚至演变成为车毁人亡的重大事故；在工业生产中，逆变器是电机驱动系统的核心部件，其一旦发生故障轻则可能导致车床等机器停机，重则造成生产事故。而在逆变器中，由于存在过压、过流、热应力等因素的影响，功率管容易发生故障，特别是开路故障，故研究一种三相电压源逆变器桥臂开路故障检测方法存在重要的意义。

现有的逆变器桥臂故障诊断方法包括基于硬件的桥臂故障诊断方法和基于系统信息的桥臂故障诊断方法。其中，基于硬件的桥臂故障诊断方法，通过添加附加诊断电路或其他传感器进行故障诊断，在工业系统中这种方法成本较高，且增加了系统的复杂性，因此无法广泛应用。而基于系统信息的桥臂故障诊断方法，特别是基于电流的方法，往往在对信号进行滤波降噪处理后，采用模式识别的方法进行诊断，而模式识别的过程通常计算量较大，占用较多的DSP处理器资源，诊断时间较长，实时性较差；该方法在事后分析或离线诊断时可以较好地得到应用，但是由于在实际应用中，特别是感应电机驱动系统容错控制中，需要在检测到故障桥臂后用冗余桥臂对故障桥臂进行快速自动替换，或者改变系统控制方法(如共享桥臂等)，来实现容错控制，对故障检测的速度要求较高，检测时间过长可能导致容错控制还未来得及实施，事故就已经发生。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供一种三相电压源逆变器桥臂开路故障实时检测方法，用以解决现有技术由于采用模式识别的方法，计算量较大而导致的实时性较差的技术问题。

为了实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种三相电压源逆变器桥臂开路故障实时检测方法，包括以下步骤：

S1、采集当前时刻的a、b、c三相电流数据i_a、i_b和i_c；

S2、根据所得当前时刻的a、b、c三相电流数据，更新三相电流向量I_a、I_b和I_c；

S3、根据所得三相电流向量，构建每两相电流向量间的Gram矩阵G(I_b，I_c)、G(I_a，I_c)和G(I_a，I_b)，其中，

S4、计算各Gram矩阵的行列式以及各电流向量的模，并根据所得各Gram矩阵的行列式以及各电流向量的模，计算每两相电流间的无关性系数；

S5、通过比较每两相电流间的无关性系数与阈值th的大小，得到各相桥臂的故障检测结果。

进一步优选地，第k时刻第m相电流向量为：

I_m(k)＝[i_m(t)，i_m(t+1)，…，i_m(k)]^T

其中，m＝a，b，c，t＝k-L-1，k为当前采样时刻，为电流向量维度，n_p为电机极对数，w为电机转速，T_s为采样时间。

进一步优选地，m相电流和n相电流间的无关性系数其中，m、n＝a，b，c，m≠n。

进一步优选地，上述阈值的确定方法，包括以下步骤：

S01、分别计算逆变器正常运行时和逆变器故障时的每两相电流间的无关性系数；其中，逆变器故障包括逆变器中单桥臂中双管都发生故障以及单桥臂单管发生故障；

S02、以逆变器正常运行时每两相电流间的无关性系数的最小值为阈值的最大值，以逆变器一相发生故障时另外两正常相电流间的无关性系数的最大值为阈值的最小值。

进一步优选地，上述阈值th∈[0.612，0.866]。

进一步优选地，当r_bc＜th，且r_ab≥th，且r_ac≥th时，a相桥臂存在故障；否则，a相桥臂不存在故障；

当r_ac＜th，且r_ab≥th，且r_bc≥th时，b相桥臂存在故障；否则，b相桥臂不存在故障；

当r_ab＜th，且r_ac≥th，且r_bc≥th时，c相桥臂存在故障；否则，c相桥臂不存在故障。

第二方面，本发明提供了一种存储介质，当计算机读取所述指令时，使所述计算机执行本发明第一方面所提供的三相电压源逆变器桥臂开路故障实时检测方法。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：

1、本发明提出了一种三相电压源逆变器桥臂开路故障实时检测方法，基于Gram矩阵计算得到每两相电流间的无关性系数后，通过比较所得每两相电流间的无关性系数与阈值的大小，得到各相桥臂的故障检测结果，该方法不需要对电流信号进行滤波、降噪等数据处理过程，对于数据量为n的电流链表，计算量约为12n次，计算量较小，实时性好，适合应用于工业DSP处理器中。

2、本发明所提出的一种三相电压源逆变器桥臂开路故障实时检测方法的平均诊断时间仅需1/2个电流基波周期，快于目前大多数诊断方法，检测速度快。

3、本发明所提出的一种三相电压源逆变器桥臂开路故障实时检测方法，不需要对电流信号进行滤波、降噪等处理，仅基于三相电流原始数据，在电机负载的单次突变在额定负载30％以内时仍然能够快速、准确的给出诊断结果，误诊率较低，具有较好的鲁棒性。

4、本发明所提出的一种三相电压源逆变器桥臂开路故障实时检测方法，应用在感应电机驱动系统容错控制中时，能够快速定位到故障桥臂，为逆变器的快速检修或容错控制提供基础，提高了感应电机驱动系统的可靠性。

附图说明

图1为本发明所提供的一种三相电压源逆变器桥臂开路故障实时检测方法流程图；

图2为本发明实施例所提供的带故障检测模块的电机矢量控制系统拓扑结构图；

图3为本发明实施例所提供的逆变器工作在正常状态下、a相桥臂双管故障状态下和a相桥臂单管故障状态下的各相电流波形图；其中，图(a)为逆变器工作在正常状态下的三相电流波形图；图(b)为逆变器工作在a相桥臂双管故障状态下的三相电流波形图；图(c)为逆变器工作在a相桥臂单管故障状态下的三相电流波形图；

图4为本发明实施例所提供的a相桥臂单管故障时的电流波形图以及无关性系数和表征各相故障的特征量随时间的变化波形图；其中，图(a)为a相桥臂单管故障时的电流波形图；图(b)为a相桥臂单管故障时各相间的无关性系数随时间的变化波形图；图(c)为a相桥臂单管故障时表征各相故障的特征量随时间的变化波形图；

图5为本发明实施例所提供的a相桥臂双管故障时的电流波形图以及无关性系数和表征各相故障的特征量随时间的变化波形图；其中，图(a)为a相桥臂双管故障时的电流波形图；图(b)为a相桥臂双管故障时各相间的无关性系数随时间的变化波形图；图(c)为a相桥臂双管故障时表征各相故障的特征量随时间的变化波形图；

图6为本发明实施例所提供的电机突加30％负载时的电流波形图以及无关性系数和表征各相故障的特征量随时间的变化波形图；其中，图(a)为电机突加30％负载时的电流波形图；图(b)为电机突加30％负载时各相间无关性系数随时间的变化波形图；图(c)为电机突加30％负载时表征各相故障的特征量随时间的变化波形图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

为了实现上述目的，本发明提供了一种三相电压源逆变器功率管开放故障实时检测方法，如图1所示，包括以下步骤：

S1、采集当前时刻的a、b、c三相电流数据i_a、i_b和i_c；

S2、根据所得当前时刻的a、b、c三相电流数据，更新三相电流向量I_a、I_b和I_c；

S3、根据所得三相电流向量，构建每两相电流向量间的Gram矩阵G(I_b，I_c)、G(I_a，I_c)和G(I_a，I_b)，其中，

S4、计算各Gram矩阵的行列式以及各电流向量的模，并根据所得各Gram矩阵的行列式以及各电流向量的模，计算每两相电流间的无关性系数；

S5、通过比较每两相电流间的无关性系数与阈值th的大小，得到各相桥臂的故障检测结果。

为了清楚的描述本发明所述的三相电压源逆变器功率管开放故障实时检测方法，下面结合实施例进行详述：

如图2所示为本发明中带故障检测模块的电机矢量控制系统拓扑结构图，系统由功率管(T1、T2、T3、T4、T5、T6)、对应的续流二极管、滤波电容(C1、C2)、感应电机、矢量控制模块以及故障诊断模块组成；其中，整流后输出的直流电压为Ud。

具体的，一种三相电压源逆变器功率管开放故障实时检测方法，包括以下步骤：

S1、采集当前时刻a、b、c三相电流数据i_a、i_b和i_c；

S2、根据所得当前时刻的三相电流数据，更新三相电流向量I_a、I_b和I_c；其中，第k时刻第m相电流向量为：

I_m(k)＝[i_m(t)，i_m(t+1)，…，i_m(k)]^T

其中，m＝a，b，c，t＝k-L-1，k为当前采样时刻，为电流向量维度，n_p为电机极对数，w为电机转速，T_s为采样时间。

S3、根据所得三相电流向量，构建每两相电流向量间的Gram矩阵G(I_b，I_c)、G(I_a，I_c)和G(I_a，I_b)，其中， 具体的，Gram矩阵往往用于表征一组向量间的相关性，本发明借助Gram矩阵，通过分析每两相电流间的无关性进行故障诊断。

S4、计算各Gram矩阵的行列式以及各电流向量的模，并根据所得各Gram矩阵的行列式以及各电流向量的模，计算每两相电流间的无关性系数；

具体的，a相电流与b相电流间的无关性系数a相电流与c相电流间的无关性系数b相电流与c相电流间的无关性系数

S5、通过比较每两相电流间的无关性系数与阈值th的大小，得到各相桥臂的故障检测结果；

具体的，上述阈值的确定方法，包括以下步骤：

S01、分别计算逆变器正常运行时和逆变器故障时的每两相电流间的无关性系数；其中，逆变器故障包括逆变器中单桥臂中双管都发生故障以及单桥臂单管发生故障；

具体的，以a相桥臂诊断过程为例，如图3所示，其中，图(a)、图(b)图(c)分别为逆变器工作在正常状态下、a相桥臂双管故障状态下和a相桥臂单管故障状态下的三相电流波形图。根据逆变器各状态下电流波形的对称性，本实施例将一个电流周期划分为6个子区间，于是可将三相电流向量分解为3个子向量I₁、I₂、I₃的组合，以大大简化不同情况下电流无关性数值的计算。

其中，当逆变器工作在正常状态下时，根据电流波形的对称性，如图3中的(a)图所示，三相电流可分解为：

因此有，

而正常情况下三相电流为正弦波，故电流向量的模为：

格拉姆矩阵(Gram矩阵)的行列式的值为：

因此a相电流与b相电流间的无关性系数进而根据对称性，

当逆变器a相桥臂中上下两个晶体管都发生故障时，如图3中的(b)图所示，此时，i_a理论值为0，实际上由于反并联二极管的作用，i_a不完全为0，即而i_b波形虽有畸变但仍然近似正弦波，其正负半周期波形是反对称的，所以故存在如下数量关系：

因此故障的a相电流与正常的b相电流间无关性为，

根据对称性，a相电流与c相电流间无关性也为1，由此可知，当某一相发生开路故障时，故障相电流与正常相电流间无关性会增大。而对于正常的两相电流I_b和I_c，两相电流间的Gram矩阵的行列式：

因此当a相发生双管故障时，b、c相电流之间的无关性为0，即正常的另外两相电流间无关性会减小到0，而正常相与故障相间无关性会增大到1。

当a相桥臂中发生单管故障时，根据图3中的(c)图，各电流向量近似为：

因此可利用正弦三角函数进行积分

根据对称性，r_ac＝r_ab＝0.9354。而对于b、c两相间电流无关性，由于单管故障的前正半周期与双管故障情况类似，桥臂中没有电流(r_bc＝0)；后半周期与正常情况类似，桥臂中电流正常通过因此a相桥臂发生单管故障时有

S02、以逆变器正常运行时每两相电流间的无关性系数的最小值为阈值的最大值，以逆变器一相发生故障时另外两正常相电流间的无关性系数的最大值为阈值的最小值，得到上述阈值th的取值范围为th∈[0.612，0.866]。

具体的，根据以上分析计算可以总结得到逆变器工作与不同状态时电流无关性的关系如表1所示：

表1

由表1及以上分析可知，逆变器工作在正常状态下时，r_bc≥0.866；逆变器发生故障时，r_bc≤0.612(a相双管故障时r_bc＝0，单管故障时r_bc＝0.612)，因此，可以采用r_bc表征逆变器a相的故障信息。判断逆变器b和c相是否发生故障的方法，与判断a相是否发生故障的方法相同，这里不做赘述。以逆变器正常运行时每两相电流间的无关性系数的最小值为阈值的最大值，以逆变器一相故障时另外两正常相电流间的无关性系数的最大值为阈值的最小值，得到上述阈值th的取值范围为th∈[0.612，0.866]。

进一步地，比较无关性系数与阈值大小th，获得当前时刻表征故障的特征量，判断各桥臂是否发生故障，通过具体计算发现当某相发生故障时，另外两相电流间无关性会减小，因此，当r_bc＜th，且r_ab≥th，且r_ac≥th时，表征a相故障的特征量F_A＝1，a相桥臂存在故障；否则，F_A＝0，a相桥臂不存在故障；

当r_ac＜th，且r_ab≥th，且r_bc≥th时，表征b相故障的特征量F_B＝1，b相桥臂存在故障；否则，F_B＝0，b相桥臂不存在故障；

当r_ab＜th，且r_ac≥th，且r_bc≥th时，表征c相故障的特征量F_C＝1，c相桥臂存在故障；否则，F_C＝0，c相桥臂不存在故障。本实施例中，选定阈值th为0.62。

最后，可以重复步骤S1-S5，持续输出各时刻各相桥臂的故障检测结果。

进一步地，本发明所提供的三相电压源逆变器功率管开放故障实时检测方法计算量小，实时性好。具体的，对于数据量为n的电流链表，一个控制周期内计算次数包括：(1)||I_a||的计算次数为3×(2n-1)(其中，包括n次乘法和n-1次加法)；(2)Gram矩阵行列式的计算次数为3×(2n-1)(其中，包括n次乘法和n-1次加法，向量内积计算结果可共用，因此行列式计算可减少一半计算量)；(3)第m相和第n相电流间的无关性系数r_mn的计算次数为3次除法和3次开根号计算次数(一次开根号计算计算量较一次乘法运算量大，但数量级仍小于n))；总计约为12n次，即算法时间复杂度为O(n)，计算量较小，实时性好，适合应用于工业DSP处理器中。

进一步地，为了验证本发明的检测速度，本实施例采用屏蔽晶体管的控制信号的方法来模拟相应的故障，其中，系统采样频率为5kHz。电机转速为500转/分(带15％额定负载)。具体的，a相桥臂单管故障(T2故障)的波形图如图4中的(a)图所示，从图中可以看出故障在0.10s发生。采用本发明所提出的逆变器桥臂开路故障实时检测方法进行检测，其中，阈值th选择为0.75。所得a相桥臂单管故障时各相间的无关性系数随时间的变化波形图如图4中的(b)图所示，其中，横坐标表示时间，纵坐标表示无关性系数，电机相电流基波周期为0.06s。并且，如图4中的(c)图所示为a相桥臂单管故障时表征各相故障的特征量随时间的变化波形图，其中，横坐标表示时间，纵坐标表示表征故障的特征量，特征量为1表示故障，特征量为0表示无故障。从图中可以看出，故障在0.121s时就被诊断出，诊断时间为0.021s，约35％电流周期。a相桥臂双管故障的波形图如图5中的(a)图所示，采用本发明所提出的逆变器桥臂开路故障实时检测方法进行检测，阈值th选择为0.75。所得a相桥臂双管故障时各相间的无关性系数随时间的变化波形图如图5中的(b)图所示，其中，横坐标表示时间，纵坐标表示无关性系数，电机相电流基波周期为0.06s。并且，如图5中的(c)图所示为a相桥臂双管故障时表征各相故障的特征量随时间的变化波形图，其中，横坐标表示时间，纵坐标表示表征故障的特征量，特征量为1表示故障，特征量为0表示无故障。从图中可以看出，从图中可以看出故障在0.10s发生，在0.124s就被诊断出，诊断时间为0.024s，约40％电流周期。由此可见，本发明所提出的一种三相电压源逆变器桥臂开路故障实时检测方法的平均诊断时间仅需1/2个电流基波周期，快于目前大多数诊断方法(大部分1个电流基波周期左右，少部分达到2/3个电流基波周期)，检测速度快。

进一步地，为了证明本发明所提供的三相电压源逆变器功率管开放故障实时检测方法的鲁棒性，本实施例中电机初始运行在500转/分转速和15％的额定负载下，在0.6s时再突加30％负载至45％额定负载，如图6所示，其中，图(a)为电机突加30％负载时的电流波形图，图(b)为电机突加30％负载时各相间无关性系数随时间的变化波形图，图(c)为电机突加30％负载时表征各相故障的特征量随时间的变化波形图(特征量为1表示故障，特征量为0表示无故障)。从图中可以看出，虽然各相电流波形幅值明显增大，但各相电流波形变化趋势相似，相电流间无关性有一定波动但据阈值仍有较大裕度，没有发生误诊，表明本发明提出的方法对负载扰动具有较好的鲁棒性。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。