三相SPWM逆變電源的故障診斷及仿真

侯立業(yè) 王艷秋 米闊 喻琪家

沈陽(yáng)工學(xué)院信息與控制學(xué)院

三相SPWM逆變電源的故障診斷及仿真

侯立業(yè) 王艷秋 米闊 喻琪家

沈陽(yáng)工學(xué)院信息與控制學(xué)院

三相SPWM逆變電源是較復(fù)雜的非線(xiàn)性時(shí)變系統(tǒng)，采用常規(guī)方法對(duì)其建模和分析很困難，本文以三相SPWM逆變電源系統(tǒng)為例介紹電力電子裝置的故障診斷方法。

三相SPWM逆變電源 故障診斷 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

1 引言

電力電子裝置故障可分為結(jié)構(gòu)性故障和參數(shù)性故障。結(jié)構(gòu)性故障主要表現(xiàn)為由功率器件的損壞造成主電路結(jié)構(gòu)改變。參數(shù)性故障主要表現(xiàn)為元件參數(shù)的偏移，造成裝置特性嚴(yán)重偏離正常特性。

電力電子裝置通常由功率變換主電路部分和控制部分構(gòu)成。本文以三相SPWM逆變電源系統(tǒng)為例介紹故障診斷方法。

2 三相SPWM逆變電源系統(tǒng)故障檢測(cè)仿真模型

以三相電壓型逆變電源為例。它主要功能是采用SPWM控制策略將直流電壓變換成交流電壓，調(diào)壓控制器采用數(shù)字式PI控制，實(shí)時(shí)地調(diào)節(jié)逆變器輸出電壓的幅值，以滿(mǎn)足實(shí)際要求。系統(tǒng)主回路選用IGBT作為開(kāi)關(guān)器件，為了減少輸出電壓的諧波，逆變器輸出接有串聯(lián)諧振濾波電路。

2.1 模型故障分析

考慮到實(shí)用性和系統(tǒng)的復(fù)雜性，所建模型的常見(jiàn)故障類(lèi)型表現(xiàn)為以下幾類(lèi)：

（1）任一功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件基極驅(qū)動(dòng)電路故障；

（2）任一功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件短路故障；

（3）任一功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件間歇性斷路故障；

（4）任一逆變橋臂兩開(kāi)關(guān)元件斷路故障；

（5）任一逆變橋臂兩開(kāi)關(guān)元件短路故障；

（6）無(wú)源元件失效故障。

在本論文中我們以功率半導(dǎo)體元件斷路故障為例進(jìn)行分析，考慮到實(shí)際系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)故障的情況，同時(shí)為簡(jiǎn)化分析的過(guò)程，我們假定最多同時(shí)有兩個(gè)橋臂發(fā)生故障。這樣可將故障分為五大類(lèi)：

第一大類(lèi)（001）：沒(méi)有功率半導(dǎo)體IGBT故障，即正常運(yùn)行。第二大類(lèi)（010）：只有一只IGBT故障；

第三大類(lèi)（011）：同一橋臂上下兩只IGBT故障；

第四大類(lèi)（100）：相鄰橋臂交叉兩只IGBT故障；

第五大類(lèi)（101）：相鄰橋臂正相、反相兩只IGBT故障。

對(duì)故障的大類(lèi)、小類(lèi)進(jìn)行了編碼，用六位編碼X6X5X4X3X2X1,其中Xi=0、1，第4～6位用于大類(lèi)編碼，第1～3類(lèi)用于小類(lèi)編碼。對(duì)應(yīng)于每組特征信號(hào)的故障編碼作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的要求輸出。在上面的分類(lèi)說(shuō)明中列出了相應(yīng)的大類(lèi)和小類(lèi)編碼。當(dāng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用于故障診斷時(shí)，對(duì)位1～6的輸出結(jié)果進(jìn)行四舍五入取整，使其成為0或1，通過(guò)這六位代碼可查到對(duì)應(yīng)的故障診斷結(jié)果。

2.2 模型的MATLAB仿真

運(yùn)用MATLAB6.5軟件中的SIMULINK和POWER SYSTEM BLOCKSET構(gòu)建三相SPWM逆變電源系統(tǒng)的電路模型如圖1所示。六路IGBT模塊選用PSB庫(kù)的子庫(kù)POWER ELECTRONICS中的UNIVERSAL BRIDGE模型，只需把UNIVERSAL BRIDG的屬性POWER ELECTRONIC DEVICE改為IGBT/DIODE即可。

圖1 三相SPWM逆變電源系統(tǒng)的電路模型

3 結(jié)論

三相SPWM逆變電源是較復(fù)雜的非線(xiàn)性時(shí)變系統(tǒng)，采用常規(guī)方法對(duì)其建模和分析很困難，因而采用MATLAB仿真軟件，建立三相電壓閉環(huán)控制SPWM逆變電源故障檢測(cè)與診斷系統(tǒng)的仿真模型。根據(jù)實(shí)用性和系統(tǒng)的復(fù)雜性，分析確定系統(tǒng)可能出現(xiàn)的故障類(lèi)型，用所建立的模型模擬逆變電源開(kāi)關(guān)管開(kāi)路的各種故障，通過(guò)對(duì)逆變電源輸出電壓進(jìn)行Fourier分析，提取有用信息作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)樣本。

[1]王兆安，黃俊.電力電子技術(shù).上海：機(jī)械工業(yè)出版社，2000

[2]焦李成.神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，1995

[3]徐德鴻等.用傅立葉分析法診斷電力電子電路的故障.浙江大學(xué)學(xué)報(bào)，1994（4）：666～674

[4]徐德鴻，馬皓.電力電子裝置故障自動(dòng)診斷.北京：科學(xué)出版社，2001

侯立業(yè)、米闊、喻琪家：沈陽(yáng)工學(xué)院信息與控制學(xué)院自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)學(xué)生。

王艷秋（通訊作者）1955年10月出生，女，漢族，遼寧人，沈陽(yáng)工學(xué)院教授，博士，研究方向：智能控制理論及應(yīng)用。