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三相电压源逆变器开路故障诊断方法研究

刘志龙  
【摘要】:在电力电子技术高度发达的当今社会,三相电压源逆变器VSI(Voltage source inverter)的应用领域从小型电器一直到电动汽车、飞机、高压电厂以及工业和生产过程中所需的电气传动系统,它是电气能量转换系统中不可或缺的一部分。对于任何先进的工业电气系统来说,电力电子逆变器的可靠性和安全性是至关重要的,因此研究逆变器的安全运行和可靠工作对于提高系统稳定性以及避免不必要的损失是非常有意义的。本文主要研究VSI开路诊断策略,针对普遍研究的电压法和电流法存在的问题以及缺陷,设计了新的VSI开关管开路故障诊断方法,并完成实验平台设计以及实验分析验证。本文的主要研究内容如下:(1)为了设计有效的VSI故障诊断方法,首先分析逆变器运行模式以及其在故障前后基于电流的特征变化和基于电压的特征变化,为下文研究的策略方法做好铺垫。(2)为了克服传统的基于电流矢量频率的逆变器故障诊断方法不能定位出故障开关的缺点和提高基于电流的开路故障诊断方法的速度,本文提出了基于电流矢量特征分析的VSI诊断与定位策略。研究电流矢量瞬时频率变化特征和瞬时角度变化特征,以及结合一个基于平均值的变量,在此基础上完成VSI诊断与定位。(3)为了保证基于电压的VSI开路故障诊断方法的快速性并且使其具有低成本的特点,本文提出了基于VSI下功率器件电压特征分析的方法,提出了基于光耦的特征提取电路,直接对VSI电压进行特征进行采集,得到下管电压特征后,再利用特定的运算得到故障定位信号。(4)最后,设计了dSPACE控制的四桥臂容错逆变器拓扑,设计了目标电流采样电路和目标电压采样电路并且完成了基于下管电压特征分析的诊断电路搭建,最终实现了dSPACE控制的冗余容错逆变器设计。实验和仿真结果表明:所搭建的基于dSPACE的四桥臂容错拓扑有效地完成了所提出的逆变器故障诊断方法的实验验证。基于电流矢量特征分析的VSI快速故障诊断与定位方法定位出故障开关需要的最短时间小于15%的电流基波周期,需要的最长时间小于65%的电流周期,克服了传统的基于电流的故障诊断方法诊断速度慢的问题,同时克服了传统的基于电流矢量频率的诊断方法不能定位出故障开关的缺点。基于VSI下功率管电压故障诊断方法,诊断成本非常低,因为它不需要利用传统的电压传感器,并且不需要定义阈值,仅仅是分析目标电压特征,进一步提高了可靠性;其诊断速度极快,甚至小于一个驱动信号周期。


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