基于输出电流轨迹的机车逆变器开路故障在线诊断方法
中南大学信息科学与工程学院、中南大学交通运输工程学院、中国铁道科学研究院机车车辆研究所的研究人员伍珣、陈特放、成庶等，在2017年《电工技术学报》增刊2上撰文，为了适应车载逆变器负载变化范围大的特点，兼容现有变流器的应用场合，保障行车安全，同时提高逆变器开路故障的检修效率，提出一种基于两相输出电流轨迹的功率管开路故障在线诊断方法。
在三相基本平衡的情况下，用解析的方法推导得到两相电流合成的轨迹为笛卡尔坐标系下的一个椭圆，椭圆的倾角和离心率与电流幅值无关，其大小与电流幅值成正比。通过理论分析证明，对于单管开路故障和两管开路故障共21种故障类型，电流轨迹有21种不同的特征，对这些轨迹进行观测或辨识可以达到隔离故障的目的。同时，提出不受负载变化影响的故障定位方法。最后，利用dSPACE实验平台验证了该数学模型的准确性以及在线诊断方法的有效性。
三相逆变器具有将直流输入转化为三相交流输出的能力，在军队、通信、工厂以及企业中作为大功率不间断电源得到了广泛的应用。然而，作为电源转化装置，功率管的高频开断使得逆变器成为整个系统中较为薄弱的一部分。
以电机变频调速系统故障为例，逆变器故障占主要成分[1]，且大部分情况是由于功率管故障造成的[2]。通过串联快速熔断器，可以将功率管短路故障转化为开路故障[3]。因此，功率管故障通常以开路故障的形式表现出来。与短路故障相比，功率管开路故障不会产生过电流或者过电压，不会触发保护动作，存在较大的安全隐患。
在许多重要的应用场合，如高速列车的快速运行过程中，需要一种实时的状态监测及故障诊断方法以确保能够迅速发现故障、准确隔离故障并及时采取相应的补救措施，以免造成人员伤亡及财产损失。
目前，逆变器开路故障诊断已经取得了一定的成果。针对单相逆变器，文献[4-6]提出了不同的诊断方法：文献[4]将开路故障分为IGBT故障和门极驱动故障，通过相电流对开路故障进行诊断；文献[5]采用自适应神经模糊推理系统，以输出电流为检测量进行故障检测、分类以及定位，同时还可以对系统进行在线监测；文献[6]对已测得的电压电流作频谱分析，并进行诊断定位，不需要额外的传感器。文献[7]以半桥逆变电路为研究对象，通过对电压电流进行识别，利用谱分解对故障进行诊断。
针对三相逆变器，文献[8-10]通过检测三相输出电流或定子电流对故障进行诊断。文献[11]通过比较实际逆变器与理想模型的差异，采用神经网络对开路故障进行诊断。文献[12]基于零序电压分量对永磁同步电机及逆变器的断相故障进行诊断与定位，分析了正常状态与断相状态下定子绕组中性点的零序电压分量，并在时域上提取出幅值以及初始相位，对故障特征及初始相位差进行实时计算，结合多种故障特征进行诊断。
文献[13]提出了一种三相逆变器单管开路故障诊断方法，通过建立多个状态观测器来检测故障是否发生，并提出一种新的容错控制方法，可以较好地减小逆变器输出形变以及过电流问题。对于多个功率管的开路故障，该方法存在一定的局限性。
文献[14]针对电压源型逆变器（Voltage SourceInverter，VSI）提出了一种单管以及多管开路故障的诊断方法，利用IGBT开路故障时d轴电压的形变来检测故障是否发生，计算此时电流向量的旋转角度，并结合电流弧轨迹的空间位置来进行故障定位，负载转矩或转速发生变化时具有一定的鲁棒性。
文献[15]以VSI为研究对象，提出了一种新颖的诊断方法及容错控制技术。文献[16]提出了一种基于改进的加权核主成分分析的诊断方法，通过灵敏度分析以及特征向量将所有有用信息的加权成分提取出来，诊断结果优于传统的加权核主成分分析方法。文献[17]以高速铁路牵引逆变器为研究对象，通过比较实验选出最佳熵形式可以对故障进行诊断。
文献[18]提出了一种基于功率管误差电压的在线诊断方法，并对由开关延时、死区时间以及测量误差所造成的影响进行了校正。文献[19]针对永磁直驱系统变流器利用机侧平均电流的Park矢量相位进行单管开路故障诊断。文献[20]针对三电平逆变器提出了一种结合小波分析与神经网络的诊断方法。文献[21]对多种功率管开路故障诊断算法进行了详细的比较与分析。
近期开路故障诊断研究成果虽然各有优势，但是对于机车逆变器来说仍然存在几个问题有待解决：①机车上的系统不允许随意改造，很难通过获取其控制信号或加装额外的电压传感器来对系统进行诊断；②牵引变流器负载变化范围大，变化速度快，部分以输出电流作为诊断变量的方法对负载变化较为敏感。
本文以25T型客车空调逆变电源为研究对象，利用已有的电流传感器采集两相输出电流ia和ib，推导得到一个精确的数学模型，在假设两相电流幅值相等的情况下，该数学模型在笛卡尔坐标系中表现为一个中心在原点、倾角固定、离心率与相位差相关的椭圆。
分析发现，椭圆的形状不受负载影响，仅有椭圆的大小随负载变化成比例地增大或减小。单个功率管及两个功率管的开路故障具有不同的轨迹特征，以此为依据通过观测或识别技术可以迅速隔离故障并得到准确的诊断信息，从而及时提醒观测者采取相应的措施。
图1 25T型客车逆变器结构图
图4 实验台整体图
结论
本文以25T型客车空调逆变电源为模型进行了详细的数学模型推导，在理论上证明了正常情况下由输出电流ia和ib构成的轨迹为一个以原点为中心，倾角固定、离心率与相位差相关的椭圆，并由此证明负载变化只影响椭圆的相对大小，不影响椭圆的形状和相对位置。经过严谨的数学分析，发现两个及以下功率管发生开路故障时，模型的轨迹呈现明显的变化，21种故障类型分别对应21种不同的轨迹特征。对这些轨迹进行观测或辨识可以达到在线监测及隔离故障的目的。最后，通过dSPACE实验平台验证了该数学模型的准确性以及诊断方法的有效性与可靠性。
与其他方法相比，本文提出的方法考虑到机车上已经固化的装备，只需要检测任意两相电流即可对单个功率管以及两个功率管的开路故障进行诊断与定位，不需要对机车原有的结构进行改装以获取系统控制信号或加装额外的传感器；由于电流轨迹可以通过传感器测量的数据直接得到，在诊断系统自身发生故障时仍然可以通过人工观察及时诊断故障，该方法适于机车等对安全性与可靠性要求非常高的场合。
同时，本文也存在一些不足之处有待改进。对于开路瞬间电机故障相绕组电流经过二极管续流的情况，此方法可能不一定立即适用。尽管如此，这个过程非常短暂，对实时性的影响并不明显。此外，本文提出的方法在电机绕组中性点不接地的情况下是有效的，针对其他情况，该方法还需要进一步研究与完善。