基于波形實時分析的動車組三電平逆變器故障診斷技術

陳丹江 葉銀忠 華 容

（1.上海海事大學物流工程學院 上海 200135 2.浙江萬里學院 寧波 315100 3.上海應用技術學院 上海 200235）

1 引言

多電平技術是一種通過改變變換器自身拓撲結構來實現高壓大功率輸出的新型變換器。與傳統的兩電平電路相比，其輸出電壓電平數增加，輸出波形具有更好的諧波頻譜，每個開關器件所承受的電壓應力較小[1-5]。多電平電路主要包括二極管鉗位、級聯型以及飛跨電容等幾種類型，其中二極管中點鉗位（Neutral Point Clamped，NPC）電路在實際中得到了許多應用，比如本溪鋼鐵廠用于軋機的變頻器[6]、日本700 系高速列車[7]、上海磁懸浮列車[7]以及和諧號CRH 動車組[8-10]等。但是多電平電路由于使用了數量較多的開關器件，導致電路的可靠性相應降低，任何一個器件故障都有可能導致整個電路停止工作，甚至會影響到其他電路的安全，造成不可估量的經濟損失[11]，例如,CRH 動車組中的逆變器在實際運行中就出現過多次故障[8-9]。

NPC 逆變器主電路如圖1 所示，該電路與負載之間有兩種連接方式。第一種如圖1 所示，相當于三相三線制，動車組中逆變器采用這種連接方式，其單個橋臂等效電路如圖2 所示；第二種連接方式把圖1 中的電容電壓中心點o 和負載中心點n 連接起來，相當于三相四線制，其單個橋臂等效電路如圖3 所示。

圖1 NPC 三電平逆變器主電路Fig.1 Main circuit of NPC three-level inverter

圖2 三相三線制NPC 逆變器單個橋臂等效圖Fig.2 Single leg of three-phase three-wire NPC inverter

圖3 三相四線制NPC 逆變器單個橋臂等效圖Fig.3 Single leg of three-phase four-wire NPC inverter

目前一些相關文獻[12,13]針對圖3 電路進行故障診斷研究，根據逆變器輸出側PWM 電壓波形來診斷功率管開路故障，但是該電路和圖2 電路存在明顯區別，特別是當電路的內管（例如圖2 中Sa2和Sa3）發生開路時，兩者故障表現形式完全不同。針對圖2 電路，文獻[14]提出利用三相電流波形的軌跡來進行故障診斷，文獻[15]對輸出電壓進行快速傅里葉變換，然后取變換結果前40 項作為自適應BP神經網絡的輸入，神經網絡的輸出對應于故障分類。

本文針對動車組NPC 逆變器拓撲，利用波形實時分析方法對器件開路故障進行診斷，并提出具體檢測電路。該方法利用故障發生時橋臂電壓（即圖2 中a 點和o 點之間的電壓Vao）信號變化情況來進行器件開路故障診斷，并精確定位到故障器件。

2 故障機理分析

圖2 中橋臂電壓Vao有三種電平，Sa1和Sa2（或者VDa1和VDa2）導通時，Vao=+1/2Ud；Sa3和Sa4（或者VDa3和VDa4）導通時，Vao=-1/2Ud；Sa2和VDa5（或者Sa3和VDa6）導通時，Vao=0。如圖4 所示，當調制電壓ua為正時，橋臂電壓在+1/2Ud～0之間PWM 調制；當ua為負時，橋臂電壓在-1/2Ud～0 之間PWM 調制。

圖4 a 相橋臂電壓和參考電壓Fig.4 Bridge voltage and reference voltage of phase a

假設電路帶阻感負載，根據a 相調制電壓ua和a 相電流ia，可以把電路的工作狀態分成四個區間，如圖5 所示。其中，區間1:ua＞0，ia＜0；區間2:ua＞0，ia＞0；區間3:ua＜0，ia＞0；區間4:ua＜0，ia＜0。

圖5 NPC 逆變器4個工作區間Fig.5 Four working ranges of NPC inverter

根據橋臂電壓Vao的電平以及輸出電流ia的方向，圖2 所示的電路一共有6個不同的工作狀態，如圖6 所示。下表列出了工作狀態和逆變器四個工作區間之間的關系。

圖6 逆變器a 相電路6個工作狀態Fig.6 Six inverter working states of phase a

表 NPC 逆變器工作狀態和工作區間的關系Tab. The relation ship between working states and working ranges of NPC inverter

根據電路的對稱性，下面以Sa1、Sa2和VDa5單獨開路為典型故障進行分析。

2.1 Sa1開路

由圖6 可知，Sa1只在工作狀態①中導通，在其余5個狀態中都處于截止狀態，因此，如果Sa1開路故障發生在區間2，則馬上影響到電路的工作狀態；如果Sa1開路發生在其他三個區間，則電路要工作到下個區間2 才受到影響。利用PSIM 軟件進行仿真，設輸入直流電壓Ud=100V，載波頻率為1.5kHz，調制波頻率為50Hz，負載為10Ω電阻串聯20mH 電感。

假設Sa1開路發生在區間2，仿真波形如圖7 所示，為方便觀察，調制電壓ua和a 相電流ia波形幅度分別被放大了50 倍和5 倍。故障發生之前，工作狀態①中電流ia經過Sa1和Sa2。Sa1開路后，電流只能通過VDa5續流，工作狀態由①變成了狀態②，即在故障發生后，區間2 剩下的時間只能工作在狀態②，橋臂電壓Vao一直為零。

圖7 Sa1在區間2 開路Fig.7 Sa1open circuit in range 2

如果Sa1開路發生在其他區間，例如區間4，仿真波形如圖8 所示。Sa1開路后，區間4 和接下來的區間1 中的工作狀態④～⑥中Sa1都處于截止狀態，因此電路工作不受影響，橋臂電壓Vao保持和無故障時相同。一直到區間2，橋臂電壓才變成零，原因同Sa1在區間2 開路。Sa1開路發生在區間1 和區間3 的情況和開路發生在區間4 的情況基本相同，此處不再贅述。

圖8 Sa1在區間4 開路Fig.8 Sa1open circuit in range 4

2.2 Sa2開路

在圖6 所示的電路狀態中，Sa2在狀態①和②中都處于導通狀態，因此，只有Sa2開路發生在區間2或者3，電路的工作狀態會馬上受到影響。

假設Sa2開路發生在區間2，仿真波形如圖9 所示。在區間2，故障發生之前，工作狀態在①和②之間切換，輸出橋臂電壓Vao正常；Sa2開路后，此時ia＞0，電流只能通過VDa3和VDa4續流，工作狀態一直保持為③，Vao恒為-1/2Ud，直到ia=0；ia=0后，a 相停止工作，橋臂電壓出現1/4Ud和-1/4Ud電平，這是由于ia=0 時，圖2 中a 點的電位和n 點的電位是一致的，具體由Vbo和Vco決定，例如當Vbo=1/2Ud、Vco=0 時，可以得出Vao=1/4Ud。

Sa2開路發生在區間3 的仿真波形如圖10 所示。故障發生之前，區間3 的工作狀態在②和③之間切換，Sa2開路后，狀態②無法實現，因此只能工作在狀態③，橋臂電壓恒為-1/2Ud。但是在負載阻抗角比較小的情況下，區間3 的時間相對比較短，開路發生時ia較小，橋臂電壓恒為-1/2Ud的持續時間也比較短。到下一個區間2，由于ia=0，橋臂電壓出現1/4Ud和-1/4Ud電平。

圖10 Sa2開路發生在區間3Fig.10 Sa2open circuit in range 3

Sa2開路發生在區間1 和區間4 的情況類似，圖11 為故障發生在區間4 的仿真波形。故障發生后，由于區間1 和4 的工作狀態都不受Sa2開路影響，電路工作正常。一直到區間2，ia=0，橋臂電壓才發生變化。

圖11 Sa2開路發生在區間4Fig.11 Sa2open circuit in range 4

2.3 VDa5開路

如圖6 所示，VDa5在狀態②中處于導通狀態，在其他狀態都處于截止狀態，對照上文中表，當VDa5開路發生在區間2 或區間3 時，電路工作狀態將馬上受到影響。

假設VDa5開路發生在區間2，仿真波形如圖12所示。故障發生之前，電路在狀態①和②之間切換，VDa5開路后，狀態②不能實現，電流ia利用VDa3和VDa4進行續流，狀態②被狀態③所代替，電路變成在狀態①和③之間切換，橋臂電壓Vao在1/2Ud～-1/2Ud之間跳變。

圖12 VDa5開路發生在區間2Fig.12 VDa5open circuit in range 2

VDa5開路發生在區間3 時，仿真波形如圖13所示。在區間3，故障發生之前，電路正常狀態在②和③之間切換；VDa5開路后，狀態②無法實現，因此電路一直工作在狀態③，橋臂電壓Vao恒為-1/2Ud，同樣由于負載阻抗角較小，這個不正常的橋臂電壓持續的時間很短。一直到下個區間2，跟VDa5開路發生在區間2 類似，電路在狀態①和③之間切換，橋臂電壓Vao在1/2Ud～-1/2Ud之間跳變。

圖13 VDa5開路發生在區間3Fig.13 VDa5open circuit in range 3

VDa5開路發生在區間1 和區間4 的情況類似，圖14 為VDa5開路發生在區間4 的仿真波形。故障發生后，區間4 和區間1 的工作狀態都不受VDa5開路影響，電路工作正常，一直到區間2，由于工作狀態②無法實現，電路在狀態①和③之間切換，橋臂電壓Vao在1/2Ud～-1/2Ud之間跳變。

圖14 VDa5開路發生在區間4Fig.14 VDa5open circuit in range 4

3 故障診斷

3.1 故障診斷判據

通過對NPC 逆變器故障機理分析，特別是對橋臂電壓Vao在故障發生之前和故障發生之后變化情況進行對比，可以得到如下判斷故障的依據，為了方便設計故障診斷電路，對橋臂電壓Vao進行全波整流，相當于取絕對值。

（1）如果橋臂電壓Vao出現1/4Ud或-1/4Ud電平（整流后都為1/4Ud），則能肯定是Sa2發生開路。

（2）如果橋臂電壓Vao出現較長時間的零電平（整流后也表現為持續零電平），則可以肯定是Sa1發生開路。

（3）如果橋臂電壓Vao出現較長時間的1/2Ud和-1/2Ud切換的情況（整流后為持續1/2Ud電平），則可以肯定是VDa5發生開路。

對這些故障判斷依據說明幾點:

（1）橋臂電壓Vao整流后沒有負電壓，能簡化故障診斷電路的設計，而且依然能保持故障模式和故障特征之間的一一對應關系。當然整流后也丟失了某些故障判斷的信息，例如圖9 中橋臂電壓保持較長時間的-1/2Ud，整流后由于和VDa5開路的判斷依據重合，只能舍棄。

（2）為了提高故障診斷電路的抗干擾能力，上述判斷依據中的信號電平都需要保持相對“較長時間”。某些信號的持續時間較短，比如圖13 中故障發生后馬上出現的-1/2Ud電平，以及圖13 中約42ms處電流ia過零時出現的-1/4Ud電平等，都不能作為故障判斷的依據。而如何實現“較長時間”則需要故障診斷電路來保證。

（3）電路中功率開關反并聯的二極管發生開路時，負載電流將失去續流回路而產生極高電壓，會擊穿功率開關。如果造成功率開關開路，則可以根據上述器件開路判斷依據進行診斷，如果造成功率開關短路，則必然會出現很大的短路電流，動車組逆變器的過電流檢測裝置將會控制逆變器停止工作[10]。

3.2 故障診斷電路

根據上述故障判斷依據的要求，設計故障診斷電路如圖 15 所示。首先利用 LEM 電壓傳感器LV28-P 隔離采樣橋臂電壓Vao，作為診斷電路的輸入信號，然后對該信號進行全波整流，并分壓濾波，得到信號的幅度為 0～5V。電路輸出三個信號VSa1、VSa2和VVDa5分別為器件Sa1、Sa2和VDa5開路時對應的故障診斷信號，高電平代表無故障，低電平表示出現開路故障。

圖15 故障診斷電路Fig.15 Fault diagnosis circuit

根據判斷依據1，設計兩個比較器以及異或門等電路，其中Vref1=3.75V，Vref2=1.25V，可以得出，=5V 或者=0 時，異或門輸出都為高電平（5V），而當橋臂電壓Vao出現 1/4Ud，相當于=2.5V（中間電平）時，異或門輸出低電平（0V），即檢測到Sa2開路故障。由于實際電路信號存在一定干擾，以及電路中電容等因素影響，橋臂電壓高低電平之間跳變需要一定時間，在跳變過程中檢測電路可能會誤以為檢測到中間電平，導致在電路正常工作時異或門會輸出一些非常窄的低電平脈沖，因此在實際檢測電路中加入了窄脈沖過濾電路，用來濾除誤診斷的信號。

判斷依據2 和3 都可以利用脈沖丟失檢測電路[16]來實現。如圖16 所示，信號A為脈沖丟失檢測電路輸入，信號B為電路內部波形，當信號B的幅度超過2/3VDD（VDD為該電路電源電壓）時，輸出信號C由高電平跳變到低電平，即檢測到故障。圖中ΔT由信號B的上升速度決定，可以通過外圍參數進行調節，從而滿足判斷依據中“較長時間”的要求。

圖15 中的非門除了滿足邏輯需要外，兼有對波形進行整形的作用。當Sa1發生開路時，輸入到脈沖丟失檢測電路1 中的信號相當于圖16 中的信號A，該電路輸出信號VSa1相當于圖16 中的信號C；VDa5發生開路時，脈沖丟失檢測電路2 的輸入輸出信號也相當于圖16 中的信號A和C。

圖16 脈沖丟失檢測電路輸入輸出信號Fig.16 Input and output signals of pulse-loss detection circuit

4 實驗驗證

為了驗證上述理論，構建三電平逆變器電路以及故障診斷電路，主要參數如下:輸入直流電壓100V，輸入電容采用兩個1 000μF，耐壓450V 的電解電容串聯，功率開關采用IRF640，鉗位二極管采用FR307，負載為每相10Ω 電阻和20mH 電感串聯。逆變器載波頻率為1.5kHz，調制波頻率為50Hz。驅動和控制信號利用TMS320F2812 產生，調制波為50Hz 正弦波，載波頻率為1.5kHz，DSP 產生的驅動信號經過總線驅動器74HC245 后，由TLP250芯片隔離放大驅動功率開關。

圖17 為Sa1發生開路時的實驗波形，其中通道1 為橋臂電壓經過整流分壓后的波形，即圖15 中的，通道2 為故障發生時刻，通道3 波形相當于圖16 中的信號B，通道4 為故障診斷波形，即圖16中的信號C（即圖15 中的VSa1）。

圖17 Sa1發生開路時的實驗波形Fig.17 Experimental waveforms of Sa1open circuit

圖18 為VDa5發生開路時的實驗波形，四個通道波形定義同圖17。不同的是，實驗中VDa5開路是通過控制其串聯的繼電器斷開來實現的，考慮到使用的繼電器時延，實際的故障發生時刻比圖 18中顯示的要遲1.5ms 左右。而Sa1和Sa2的開路故障是由DSP 直接控制對應功率器件產生的，延遲時間為納秒級，可以忽略不計。因此圖17 以及圖19 中通道2 的信號可以看作是故障發生時刻。通道3 的信號為故障診斷波形，相當于圖15 中的VVDa5。

圖18 VDa5發生開路時的實驗波形Fig.18 Experimental waveforms of VDa5open circuit

圖19 為Sa2發生開路時的實驗波形，其中通道1 為橋臂電壓經過整流分壓后的波形，即圖15 中的，通道2 為故障發生時刻，通道3 為故障診斷波形，即圖15 中的VSa2。

圖19 Sa2發生開路時的實驗波形Fig.19 Experiment waveforms of Sa2open circuit

由圖17～圖19 的實驗波形可以看出，Sa1或者VDa5發生開路時，從電路表現出故障特征開始，到故障診斷電路檢測出故障，大約需要2ms，這個時間相當于3～4個載波周期，而Sa2發生開路時，這個檢測時間更短。

如果從故障發生時刻開始衡量故障檢測時間，具體的故障檢測時間就要看故障發生在哪個區間，比如圖17a 中故障檢測時間約為2ms，圖17b 中故障檢測時間約為8ms，但是最長時間也不會超過一個調制波周期。另外由于故障發生時刻到故障特征出現這段時間內，橋臂電壓并沒有出現可供檢測的故障特征，想要進一步縮短故障檢測時間，除非找到一種能更早表現出故障特征的信號。

5 結論

本文借助PSIM 仿真軟件，對NPC 三電平逆變器單個器件開路故障進行了詳細分析，并通過建立一個實驗模型進行驗證，從仿真和實驗的結果可以得到如下結論:

（1）通過對橋臂電壓的分析，可以建立單個器件開路故障模式和故障特征之間的一一對應關系。

（2）通過設計一個故障診斷電路，對單個器件開路故障進行診斷，不但能夠做到對故障器件的精確定位，而且具有快速的故障診斷性能，從故障特征出現到檢測到故障的時間約為三四個載波周期。而一些智能故障診斷技術（比如神經網絡）都需要對故障波形至少采樣一個調制波周期以上，提取故障特征，經過復雜的計算才能得到理想的診斷結果。

（3）如果考慮更多的故障模式，比如兩個器件同時開路等，則由于故障模式的增多，單純利用硬件電路進行診斷將會有很大難度，如果利用某些智能故障診斷技術的多模式識別特點可能會取得更好的效果。

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