[发明专利]一种NPC三电平变流器的开关管故障诊断方法

说明书

本发明公开了一种NPC三电平变流器的开关管故障诊断方法，以一相桥臂为检测单元，针对该桥臂上开关管单个开路故障，以所述相桥臂的开关状态、输出电流、流经上下方的外侧开关管的电流这四个量为故障特征量，通过位于外侧功率器件的外端处的电流传感器A1检测流经上方外侧开关管的电流的电流值，通过位于输出线端处的电流传感器A2检测输出电流的电流值和通过位于外侧功率器件另一外端处的电流传感器A3检测流经下方的外侧开关管的电流的电流值，通过所述的三处电流传感器检检测到的输出电流的电流值和流经上下方外侧开关管的电流的电流值推断出电路内部的电流流经路径，结合此刻开关状态，与无故障时对应的电流路径进行比对，得出开关管开路故障诊断结果。

技术领域

本发明涉及一种NPC三电平变流器的开关管故障诊断方法，属于电力电子器件故障诊断领域。

背景技术

在变流技术应用中，多电平功率变换技术与传统两电平技术相比，具有单个功率器件承受的电压电流应力更小、输出的电压波形更接近正弦波和电流谐波含量较少等显著优点，特别适用于电力机车驱动、新能源并网、冶金设备操控等大功率传动领域。其中，二极管箝位型(Neutral Point Clamped,NPC)三电平变流结构是目前技术最为成熟、应用最为广泛的一种多电平变流拓扑结构。在实际工程应用中，由于变流器的能量密度高、运行工况复杂、半导体器件的可靠性相对较低，变流器的开关管常会发生短路、开路故障，并导致电路无法正常工作，造成更严重的损失和危害。综上，研究二极管箝位型三电平变流器开关管的故障特征，提出相应的故障诊断方法，尽快汇报开关管故障的类型和位置对于提高变流器的可靠性具有重要意义。

目前，对二极管箝位型(NPC)三电平变流器的开关管故障诊断技术的研究主要依据信号处理法和原理分析法这两种研究路径。信号处理法一般先对采集于变流器不同位置的电压、电流信号进行傅里叶变换、小波变换等信号处理提取特征信号，再将特征信号通过神经网络、贝叶斯模型、支持向量机等方式进行分类，进而确定故障发生的原因和具体的位置。原理分析法则先根据不同工作状态下的电路拓扑，分析得到电压、电流的波形，建立对应的知识库，再将采集到的电压、电流信号与预先建立的知识库进行比对，进而判断故障发生的原因和位置。

信号处理法在处理过程中，对信号长度有一定的要求，同时计算较为复杂，降低了故障诊断的时效性，通过算法模型分类未能对故障机理从原理上进行分析且对算法训练的要求很高，降低了故障判断的准确性。原理分析法从故障发生的原理出发，保障了故障判断的准确性，但现有的原理分析法由于采集到的电压电流信号有限存在故障位置判断不够明确、需要装设体积较大的电压传感器、仅适用于逆变或整流的工作环境等问题。

发明内容

本发明为解决现有技术中存在的不足，提出一种NPC三电平变流器的开关管故障诊断方法，该诊断方法在实际应用中，通过电路原理分析，将路径判断简化为一组逻辑判断，具有原理明晰、方法简单、易于实现的优点。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种NPC三电平变流器的开关管故障诊断方法，以一相桥臂为检测单元，针对该桥臂上开关管单个开路故障，以所述相桥臂的开关状态、输出电流、流经上下方的外侧开关管的电流这四个量处理为一组故障特征量，通过位于外侧功率器件的外端处的电流传感器A1检测流经上方的外侧开关管的电流的电流值，通过位于输出线端处的电流传感器A2检测输出电流的电流值和通过位于外侧功率器件的另一外端处的电流传感器A3检测流经下方的外侧开关管的电流的电流值，通过输出电流的电流值和流经上下方的外侧开关管的电流的电流值推断出电路内部的电流流经路径，结合此刻开关状态，与无故障时对应的电流路径进行比对，得出故障诊断结果。

进一步的，包括以下步骤：

a.NPC三电平变流器有三种工作状态，分别对应特征信号1、0、-1，特征信号1指仅桥臂上方两个IGBT导通的状态，特征信号0指仅桥臂中间两个IGBT导通的状态，特征信号-1指仅桥臂下方两个IGBT导通的状态；