矩陣變換器開路故障分析及診斷方法

王莉娜，朱鴻悅

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矩陣變換器開路故障分析及診斷方法

王莉娜，朱鴻悅

(北京航空航天大學自動化科學與電氣工程學院，北京，100191)

矩陣變換器(MC)故障開關的可靠診斷和定位是故障隔離技術和故障后容錯技術高效實現的基礎?；诰仃囎儞Q器?永磁同步電機(MC-PMSM)系統仿真平臺，定性分析MC中功率開關開路故障影響區間以及MC-PMSM系統故障表現，并提出一種新穎的MC開關開路故障診斷方法—調制誤差電流法。故障診斷算法分2步實現：第1步利用電機電流與MC輸出電流的絕對差值診斷故障相，縮小故障開關定位范圍；第2步結合MC開關調制信號定位故障開關的具體位置。仿真結果驗證所提出的故障診斷算法的實時性和可靠性，并能夠在電機調速和負載突變等非穩定情況下有效避免誤診斷。

矩陣變換器；開路故障；故障分析；故障診斷

相較于傳統AC-DC-AC型變換器，矩陣變換器(Matrix converter, MC)具有諸多突出優點[1]。近30年來，隨著技術難點的逐步突破，MC越來越受到國內外學者的關注[2?6]，也因其具有質量小、結構緊湊、有潛力擁有較長的使用壽命等特點，逐漸被應用于航空、軍事等對質量、體積具有較高要求的領域[7]，這些領域對MC的可靠性亦提出了較高的要求。具有故障自診斷能力是MC高可靠運行和故障后容錯控制的基礎，在此背景之下，研究MC故障診斷方法具有十分重要的意義。目前，對電力變換器故障診斷方法的研究多集中于AC-DC-AC型變換器中的逆變器，至今已有近20種IGBT開路故障診斷方法和10余種IGBT短路故障診斷方法[8?12]。但由于MC與逆變器拓撲結構截然不同，逆變器的故障診斷技術并不適用于MC。雖已有不少學者開展了MC故障保護技術研究[13?14]，但MC故障診斷技術無論在國內還是國外都仍處于初步發展階段，可供參考的文獻較少。Cruz等[15]提出了基于電壓檢測的MC開路故障診斷算法，并在之后進行了改進和優化[16]，該算法將相電壓誤差與開關調制信號結合，通過含有開關位置信息的故障診斷信號對故障開關進行診斷和定位。該方法需要同時計算9個調制誤差電壓信號，計算量較大，診斷時間約為輸入電源周期的1/8。Kwak等[17]提出了基于線電壓誤差調制信號的MC開路故障診斷方法，但該方法需要通過2個線電壓誤差調制信號才能確定1個雙向開關的故障信息。以上基于電壓檢測的MC開路故障診斷法，需在輸入側和輸出側額外安裝多個電壓傳感器，即使硬件電路設計復雜，又增加了成本。為解決此問題，許多學者陸續提出了基于電流檢測的MC開關開路故障診斷法。Gruz等[18]提出的故障診斷算法僅適用于Venturini調制法控制的MC，不適用于感性負載，局限性較大。Potamianos等[19]對輸出電流進行離散小波變換和模糊推理，并結合輸入電壓扇區對故障開關進行定位，故障診斷算法復雜，實時性欠佳。Nguyen-Duy等[20]針對MC-PMSM矢量控制系統，通過電機電流及其參考值和輸入線電壓扇區進行故障定位，該方法診斷閾值的確定基于時間量，診斷結果準確性受調速范圍和負載的影響較大。Khwan-on等[21]結合MC輸出電流、箝位電容電流和開關調制信號，可診斷MC中1個或多個開關的開路故障，診斷實時性較好，但需要同時處理9個調制電流信號，還需對箝位電容電流的故障信號進行分離，計算量較大。為簡化故障診斷信號處理算法和計算復雜程度，本文作者在定性分析MC各開關的故障影響區間、詳細闡述MC-PMSM系統故障表現的基礎上，依據各相電機電流和MC輸出電流的絕對差值，提出一種基于調制誤差電流的MC開關開路故障診斷和定位方法，采用先診斷故障相后定位故障開關的分步診斷步驟，最小化干擾信號的影響，并能克服負載敏感性的問題，具有較好的診斷實時性和可靠性。仿真結果驗證了故障診斷方法有效、可行。

1 MC功率開關開路故障分析

單級MC由9個雙向開關構成，每個雙向開關通常由2個帶續流二極管的IGBT反串聯組成。功率開關最常見的故障為短路故障和開路故障。對于短路故障，可考慮在功率開關中植入快速熔絲，將其轉化為開路故障進行診斷[16]，故本文只討論MC中的功率開關開路故障情況。

MC系統拓撲結構如圖1所示。任一功率開關開路有3種形式：

1) 雙向開關開路。

2) 雙向開關中順向開關開路。

3) 雙向開關中逆向開關開路。

其中：電流由MC流向負載為順向，反之為逆向。

圖1 MC-PMSM系統拓撲結構圖

假設某雙向開關的順向開關開路，PWM信號控制該故障開關作用期間，當其所在輸出相電流Y＞0 A (從MC流向負載定義為電流的正方向)，電流通路將被阻斷，該輸出相開路(稱為故障相)，相應電機相繞組中的能量通過箝位電路釋放，故障相電流通過箝位電路續流并逐漸減小，而該相MC輸出電流突降為0 A。而當Y＜0 A時，電流通過逆向開關和順向開關的反并聯二極管流通，順向開關開路對系統運行沒有影響。因此，順向開關開路對系統產生影響的區間為其連接的輸出相電流為正向時；逆向開關開路對系統產生影響的區間為其連接的輸出相電流為負向時；雙向開關開路將在其連接的輸出相電流的整個周期內對系統產生影響。

MC系統的故障表現不僅與故障時刻的電流方向有關，還與此時參與調制的輸入線電壓有關。以間接空間矢量(Indirect SVPWM)調制策略為例，分析MC中故障開關的影響區間。MC等效為虛擬的整流級和逆變級，虛擬直流電壓在每個調制周期內將2個較大輸入線電壓按有效矢量占空比進行合成。虛擬直流側電壓區間劃分如圖2所示。

圖2 MC虛擬直流側電壓

以A＞0 A時，雙向開關Aa的順向開關發生開路故障為例分析故障特征。

若故障區間位于12-3以外的區間，例如區間6-9。由于此時輸入電壓a＜0，開路故障將在，閉環控制調節減小A時對系統產生影響。在故障情況下，輸出A相電壓等于箝位電容負端電壓，A的幅值雖因調制負向電壓而減小，但由于，其減小值較無故障情況下大；一旦A減小至滿足條件，閉環控制將在下一周期控制或導通，使A恢復。因此，在該區間內，閉環控制的調節作用使故障開關的作用時間較短，A幅值在故障開關作用時間內可能有一定程度減小。相較于故障區間位于12-3的情況，開路故障對三相電流的影響程度較小，系統故障表現較不顯著。對于其他區間可進行同理分析。

綜合以上，當A＞0 A時，稱區間12-3為的“故障顯著區間”，區間12-3以外的區間為的“故障非顯著區間”。同理可分析其他開關的故障區間，見表1。

表1 故障開關影響區間

為直觀分析開關開路故障情況下MC系統故障表現，基于MATLAB/Simulink環境搭建MC-PMSM矢量控制系統。采用d=0矢量控制技術，MC-PMSM系統控制結構如圖3所示，系統仿真參數見表2。其中MC的功率開關參數依據共射極連接IGBT模塊SK60GM123設定。圖4所示為在“故障顯著區間”發生開路故障的MC-PMSM系統故障表現。

圖3 MC-PMSM系統控制結構圖

(a) 正向輸入線電壓；(b) 電機電流；(c) 轉速；(d) 轉矩；(e) dq軸電流；(f) A相電壓；(g) 箝位電流；(h) 箝位電容電壓

表2 MC-PMSM系統仿真參數

由圖4可見：MC-PMSM系統在=121.7 ms之前無故障穩定運行。三相電機電流和MC輸出電流正弦度良好；軸電流波形平穩；電機負載轉矩和轉速穩定跟蹤給定值；箝位電容兩端電壓基本恒定；箝位電流除因短時換流失敗產生的瞬時電流尖峰外幾乎為0 A，表明MC與PMSM之間能量正常流動，MC輸出電流與電機電流基本相等。

由圖4(c)，(d)和(e)可見：PMSM在MC開路故障開關作用期間無法穩定運行，軸電流、負載轉矩以及電機轉速都出現了較大幅度波動。故障相繞組能量通過箝位電路釋放使得箝位電流在一段時間內不為0 A，如圖4(g)所示，與正常工作時因換流瞬時失敗造成的短路電流相比，故障差值電流的持續時間更長。如圖4(f)所示，故障開關作用期間，輸出相電壓A不等于輸入電壓a，而與箝位電容負端電壓V相等，A的極性和幅值改變導致了MC開關控制紊亂，進一步惡化了MC運行性能。同時，如圖4(h)所示，箝位電容端電壓也隨著故障時間的持續而逐漸升高，故障相電壓相應升高，進而導致故障相上其他健康開關承受的電壓峰值升高。因此，對開關的開路故障進行及時診斷和隔離十分必要。

(a) 正向輸出入線電壓；(b) 電機電流；(c) 故障時刻三相電機電流和MC輸出電流；(d) 故障后的控制信號

同理可分析當A＜0 A，逆向開關開路故障時，系統的故障表現與開路時的故障表現互補。而雙向開關Aa開路故障時，系統的故障表現可等效為開路故障表現和開路故障表現的疊加。其他開關開路故障時系統的故障表現亦可同理分析。

2 MC開路故障診斷方法

2.1 MC輸出故障相診斷

式中：MCY為MC輸出電流；Y為電機電流。兩電流檢測點分別位于輸出側箝位電路接入點前后。流入箝位電容的電流與三相誤差電流有如下關系：

(a)(b)

但是，實際MC-PMSM系統運行過程中，受換流延時、電流采樣誤差以及MC-PMSM系統不穩定運行狀態等因素的干擾，使得即使健康相對應的ΔY也不嚴格為0 A，應考慮非理想因素對故障相診斷結果準確性的影響。

間接空間矢量調制算法通過計算4個有效矢量和零矢量的作用時間對MC進行控制，但是計算得出的有效矢量作用時間，有時小于換流時間，此時箝位電路中將流過因換流策略無法完全執行而產生瞬時短路電流，使得這一很短時間內ΔY＞0 A，但其持續時間不大于換流延時。因此，為避免換流失敗引起的瞬時短路電流尖峰干擾，通過下式進行故障判定：

另一方面，MC-PMSM系統在轉速調節和負載突變等動態調節過程中，以及開關開路故障時健康相電流畸變程度較大的情況下，劇烈波動的轉速或者電流也可能引起短時。但在這些過程中，MC與PMSM之間的電流通路均未被阻斷，MC各相輸出電流MCY的幅值和對應Y的幅值在時間內存在偏差，但未降落為0 A。而因開關開路故障導致時間內，MC輸出故障相電流。因此，通過式(4)故障判定，能夠有效避免系統非穩態情況下的誤診斷。

式中：為大于0的較小值，實際應用中設定得略大于采樣誤差。

綜合MC故障相診斷分析，通過式(3)和式(4)的故障條件判定，MC故障相診斷結果可在故障發生時間后輸出指示信號。

2.2 MC故障開關定位

MC故障相的有效診斷將故障開關定位范圍由9個雙向開關縮小為故障相上的3個雙向開關，避免了Gruz等[16]和Khwan-On等[21]提出方法中零矢量作用時同一輸入相上的開關同時導通對故障開關定位的干擾，簡化了故障診斷信號處理算法，減少了計算量。

雖然MC故障相診斷過程中已排除因換流延時導致的瞬時短路電流干擾，但調制誤差電流由于引入了開關信息，開關非理想通斷特性和電流采樣延時等影響作用仍然存在，基于電流采樣和開關控制信號的中含有許多高頻成分，對進行1個控制周期時間的積分以盡量消除高頻信號的干擾。

式中：為診斷出故障相的時刻；積分時間s為PWM的調制周期。

積分周期s內，比較故障相上順向開關或逆向開關對應的3個調制誤差電流信號，，和中最大值對應的Yx為故障開關。由上述可知，開關開路故障診斷時間為。故障開關定位利用基本的開關控制信號和電流采樣信號，與MC采用何種調制策略并無關系，因此，故障診斷算法的實現不受到MC控制策略的制約。

3 故障診斷方法有效性分析

為驗證本文提出的MC開路故障診斷方法的有效性和可靠性，在MATLAB/Simulink環境中搭建的MC-PMSM系統仿真平臺中，仿真下列情況的故障診斷結果。MC采用雙邊對稱的零矢量中置調制算法，調制周期為100 μs，系統采樣周期為2 μs，仿真算法為ode23tb。MC-PMSM系統參數見表2。

3.1 開關故障區間位于“故障顯著區間”

在無故障情況下，PMSM在轉速=1 000 r/min，負載轉矩l=30 N?m條件下穩定運行，MC輸出頻率66.67 Hz。設定診斷閾值=10 μs，=0.05 A，=0.2 A。開關在=121.7 ms發生開路故障。MC故障相診斷及故障開關定位結果如圖7所示。

(a) 輸出相故障指示信號；(b) A相電機電流、MC輸出電流及誤差電流；(c) B相電機電流、MC輸出電流及誤差電流；(d) C相電機電流、MC輸出電流及誤差電流；(e) 開關開路故障指示信號；(f) 調制誤差電流積分波形

本文提出的故障診斷方法在“故障顯著區間”能夠準確診斷故障相和定位故障開關。

3.2 開關故障區間位于“故障非顯著區間”

(a) 輸出相故障指示信號；(b) A相電機電流、MC輸出電流及誤差電流；(c) B相電機電流、MC輸出電流及誤差電流；(d) C相電機電流、MC輸出電流及誤差電流；(e) 開關開路故障指示信號；(f) 調制誤差電流積分波形

本文提出的故障診斷方法即使在系統故障表現不顯著的情況下也能準確定位故障。

3.3 MC-PMSM系統處于非穩態情況

電機驅動系統中，電機調速和負載突變等非穩定狀態不可避免，有效可靠的故障診斷方法應能避免動態調節過程中的誤診斷。對于本文提出的MC開路故障診斷方法，故障相判定條件式(3)和(4)能夠有效克服負載敏感性問題，進而避免故障開關誤診斷。診斷結果如圖9所示，其中，PMSM運行于轉速=1 200 r/min，負載轉矩l=20 N?m條件下，在=70 ms減速為800 r/min，在=130 ms加速為1 000 r/min，如圖9(a)；PMSM運行于轉速=1 000 r/min，l=20 N?m條件下，在=190 ms突加40 N?m負載，在=250 ms突減20 N?m負載，如圖9(f)所示。故障診斷閾值δ=10 μs，=0.05 A，=0.2 A。

(a),(b),(c),(d),(e) 電機調速情況；(f),(g),(h),(i),(j) 負載突變情況

由圖9(d)和(i)可見：電機調速，負載突變以及該段時間內的換流延時均可能導致三相誤差電流瞬時不為0，但在此過程中，故障診斷閾值和的約束有效避免了非穩定狀態和換流過程產生的干擾信號。由圖9(e)和(j)可見：輸出相故障指示信號不動作。本文提出的故障診斷方法有效避免了系統非穩態情況下的誤診斷。

4 結論

1) 故障診斷算法基于MC系統的電流檢測，不受限于MC采用何種控制策略，診斷算法簡單。

2) 故障診斷算法分步實現，最大程度減少開關信號中高頻分量的干擾，減少計算量。

4) 故障診斷方法在MC-PMSM系統故障表現不顯著的情況下，也能夠及時定位故障；在電機調速和負載突變等非穩定情況下，能夠克服負載敏感性問題，避免誤診斷，具有較高的可靠性。

5) 提供了MC故障診斷的有效算法，可作為故障隔離以及容錯控制的基礎。

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(編輯 陳愛華)

Analysis and diagnosis method of open-circuit faults in matrix converter

WANG Lina, ZHU Hongyue

(School of Automation Science and Electrical Engineering, Beihang University, Beijing 100191, China)

Reliable diagnosis and location of matrix converter failure switch is the basis for efficient implementation of fault isolation and fault-tolerant technology. Based on the simulation platform of MC-PMSM system, an analytical work concerning the affected interval of open-circuit switches in MC and faulty behaviors of MC-PMSM system was presented. A new method for detecting and identifying open-circuit switch was proposed. The algorithm based on modulated error current was implemented in two stages: In the first stage, the faulty phase was diagnosed by measuring the differential values between motor currents and MC output currents, which reduced the range of possible faulty switches from nine to three. In the second stage, the MC switch modulated signals were combined to locate faulty switch. The validity and reliability of the proposed method were verified by the simulation results, which demonstrates that the strategy can avoid misdiagnosis under the unstable situations.

matrix converter(MC); open-circuit fault; fault analysis; fault diagnosis

10.11817/j.issn.1672-7207.2015.06.020

TM341；TM46

A

1672?7207(2015)06?2118?10

2014?06?13；

2014?08?20

國家自然科學基金資助項目(50807002)；電力系統國家重點實驗室資助項目(SKLD10KM05)(Project (50807002) supported by the National NaturalScience Foundation of China; Project (SKLD10KM05) supported by Open Project of National Key Laboratory of Power System)

王莉娜，博士，副教授，從事電力電子與電機控制方面研究；電話：010-82318966；E-mail：wangln@buaa.edu.cn