CN110794288A - 一种基于双重傅里叶积分的变频空压机驱动电路故障诊断方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于双重傅里叶积分的变频空压机驱动电路故障诊断方法，包括以下步骤：当变频空压机驱动电路拓扑中的电压型单相全桥逆变电路的IGBT发生开路故障时，测出输出电压u_a和u_b，并计算其差值u₀；设置调制波的数学表达式，令调制比≤1，载波比≤1作为约束条件；对逆变电路输出电压进行傅里叶变换分析，并计算得到单相全桥逆变电路的输出电压的表达式；采用双重傅里叶分析，根据调制比、载波比、载波与调制波的初始相位，分析单相全桥逆变电路的输出电压中基波与各次谐波的幅值及相位信息；判断偶次谐波的相位变化，即可具体判断是哪一个IGBT发生开路故障；本发明同现有技术相比，不仅能够提高诊断的速度，而且能够提高诊断的准确性。

Description

一种基于双重傅里叶积分的变频空压机驱动电路故障诊断 方法

[技术领域]

本发明涉及变频空压机驱动电路故障诊断技术领域，具体地说是一种基于 双重傅里叶积分的变频空压机驱动电路故障诊断方法。

[背景技术]

随着工业使用环境日趋多元，不管是在工业、农业、国防或者民用领域， 都需要一定高压气体来协助生产或者提高效率。空压机是一种用来压缩气体提 高气体压力或输送气体的机械，具有高压气体稳定，使用寿命长等优点。传统 空压机设备大多采用工频控制方案，开、关进气阀控制还是以储气罐的压力作 为衡量目标，频繁的阀门开断会造成空压机设备效率低下，运行电流大，设备 能耗大等影响。当供气压力偏低时，不能满足后续用气要求；当供气压力偏高 时，相应会增加电耗。又由于压缩空气的电机运行转速高，空压机进气阀门启 闭频繁，会造成机房噪音过高等缺点。

为了改进传统空压机在工频运行时的种种缺点，目前广泛采用的方案是对 空压机进行变频改造，实现变频调速功能，变频空压机具有控制方法多样、调 速精度高、气压稳定、技能效果良好、启动无冲击、噪音低、以及对储气罐容 量要求小等优点。但由于变频空压机驱动电路拓扑中含有大量非线性的电力电 子开关元器件，其中逆变模块作为变频空压机驱动电路拓扑中重要的一环，其 组成元器件IGBT的好坏决定了整个电源的使用寿命，又由于空压机进气阀门启 闭频繁，使得IGBT长时间处于急速开断的状态，这就极易诱发逆变电路短路和 断路故障，严重时烧毁设备。

为了避免上述故障，高频电源电路拓扑在设计中，常常加入IGBT开关元器 件保护装置。但在变频空压机实际工作中，又会受到负载波动、外界电磁干扰、 输入电压突变等影响，这就会导致IGBT开关元器件保护装置失效。因此，在变 频空压机驱动电路逆变器模块中IGBT开关元器件出现短路、断路故障还是会影 响到空压机的正常工作。

目前，在变频空压机驱动电路故障诊断方面，大多采用基于电力电子元器 件故障诊断方案根据参考模型的不同，可以分为：(1)基于数学模型的诊断方 案；(2)基于数据采集的诊断方案；(3)基于特征信号处理的诊断方案。虽然 各种原理不同的故障诊断方法各有特色，如何对现有故障诊断方法进行改进， 将几种诊断方法进行优点组合，不仅能够提高诊断的速度，而且能够提高诊断 的准确性，是目前研究的重点。

[发明内容]

本发明的目的就是要解决上述的不足而提供一种基于双重傅里叶积分的变 频空压机驱动电路故障诊断方法，该方法不仅能够提高诊断的速度，而且能够 提高诊断的准确性。

为实现上述目的设计一种基于双重傅里叶积分的变频空压机驱动电路故障 诊断方法，将正弦调制波信号和三角波信号视为独立的两个信号变量，根据其 已知的调制比、载波比、载波与调制波的初始相位以及它们之间的关系，即可 分析出输出电压中的基波以及谐波幅值和相位的相关信息，进而对变频空压机 驱动电路进行故障诊断。

进一步地，该方法包括以下步骤：1)当变频空压机驱动电路拓扑中的电压 型单相全桥逆变电路的IGBT发生开路故障时，测出输出电压u_a和u_b，并计算其 差值u₀；2)设置调制波的数学表达式，令调制比≤1，载波比≤1作为约束条件；3)对逆变电路输出电压进行傅里叶变换分析，并计算得到单相全桥逆变电路的 输出电压的表达式；4)采用双重傅里叶分析，根据调制比、载波比、载波与调 制波的初始相位，分析单相全桥逆变电路的输出电压中基波与各次谐波的幅值 及相位信息；同时，当单相全桥逆变电路正常时，其输出的电压中只含有基波 分量和谐波次数为mN+n的谐波分量，不含有偶次谐波分量；5)最后，判断偶 次谐波的相位变化，即可具体判断是哪一个IGBT发生开路故障。

进一步地，步骤2)中，设置调制波的数学表达式为：

其中，

为调制波的相位，令调制比M＝U_s/U_c≤1，U_c为载波的幅值；载波比N＝ω_c/ω_s≤1， N为任意正整数。

进一步地，步骤3)中，逆变电路输出电压表示为：

则单相全桥逆变电路的输出电压u₀的表达式为：

其中，E为直流侧电压；

为变量

的n阶贝塞尔函数；m为载波的谐 波次数；n为调制波的谐波次数。

进一步地，当IGBT正常工作时，变频空压机驱动电路单相全桥变流的输出 电压u₀表示为：

进一步地，当IGBT发生开路故障时，变频空压机驱动电路单相全桥变流的 输出电压u₀表示为：

或表示为：

或表示为：

或表示为：

进一步地，令u₀和

为对原始信号经过傅里叶分析后的直流分量和相位，为 对原始信号傅里叶分析后的偶次

谐波的相位，现定义一个函数S_on(x)，

令

则取值范围为：

进一步地，步骤5)中，首先判断直流分量U₀的值为正或负；当U₀＝0时， 说明IGBT正常；当U₀为正时，则判断出次对角管发生故障；当U₀为负时，则 判断出主对角管发生故障。

本发明同现有技术相比，提供了一种根据故障特征向量来实现变频空压机 驱动电路故障诊断的方法，具体是一种基于双重傅里叶积分的故障诊断方法， 该方法能够针对变频空压机驱动电路拓扑中的电压型单相全桥逆变电路进行故 障诊断，具体是在不同开路故障情况下，逆变电路输出电压中直流分量的幅值 以及基次、偶次谐波的相位均不相同，根据这两个因素作为IGBT的故障特征向 量，并用其作为IGBT的开路故障的准确定位的依据，从而不仅能够提高诊断的 速度，而且能够提高诊断的准确性。

[附图说明]

图1为本发明变频空压机驱动电路拓扑中的电压型单相全桥逆变电路拓扑 结构示意图；

图2为本发明单相全桥逆变电路正常时输出电压示意图；

图3为本发明单相全桥逆变电路正常时输出电压的频谱示意图；

图4为本发明全波三角波的分段线性函数示意图；

图5为本发明单相全桥逆变电路中的一个IGBT发生开路故障时的输出电压 波形示意图；

图6为本发明单相全桥逆变电路中的一个IGBT发生开路故障时的输出电压 的频谱示意图；

图7为本发明变频空压机驱动电路拓扑中的电压型单相全桥逆变电路故障 诊断流程图。

[具体实施方式]

本发明提供了一种基于双重傅里叶积分的变频空压机驱动电路故障诊断方 法，其主要原理为：将正弦调制波信号和三角波信号视为独立的两个信号变量， 根据其已知的调制比、载波比、载波与调制波的初始相位以及它们之间的关系 就可以准确分析出输出电压中的基波以及谐波幅值和相位的相关信息。该基于 双重傅里叶积分分析的变频空压机驱动电路故障诊断方法，具体包括以下步骤：

步骤1、当变频空压机驱动电路拓扑中的电压型单相全桥逆变电路的IGBT 发生开路故障时，测出输出电压，并计算其差值；

步骤2、设置调制波的数学表达式，令调制比≤1，载波比≤1作为约束条 件；

步骤3、对逆变电路输出电压进行傅里叶变换分析，并计算得到单相全桥逆 变电路的输出电压的表达式；

步骤4、采用双重傅里叶分析，根据调制比、载波比、载波与调制波的初始 相位就可以分析单相全桥逆变电路的输出电压中基波与各次谐波的幅值及相位 信息。同时，当单相全桥逆变电路正常时，其输出的电压中只含有基波分量和 谐波次数为mN+n的谐波分量，不含有偶次谐波分量；

步骤5、判断偶次谐波的相位变化，来具体判断是哪一个IGBT发生开路故 障。

下面结合附图对本发明作以下进一步说明：

如附图1所示，单相全桥逆变电路电路的工作原理可以写成：u₀＝u_a-u_b。基 于双重傅里叶分析的IGBT故障诊断方法是将正弦调制波信号和三角波信号视为 独立的两个信号变量，根据其已知的调制比、载波比、载波与调制波的初始相 位以及它们之间的关系就可以准确分析出输出电压中的基波以及谐波幅值和相 位的相关信息。

采用基于双重傅里叶分析的方法对H桥型单相逆变器输出电压进行分析， 当IGBT发生开路故障时，测出u_a和u_b，并计算出u₀。

设调制波的数学表达式为：

其中：为调制波的相位，令调 制比M＝U_s/U_c≤1，U_c为载波的幅值；载波比N＝ω_c/ω_s≤1，N为任意正整数。

逆变电路输出电压可以表示为：

则单相全桥逆变电路的输出电压u₀的表达式为：

其中：E为直流侧电压；为变量

的n阶贝塞尔函数；m为载波 的谐波次数；n为调制波的谐波次数。

根据输出电压表达式可得：采用双重傅里叶分析，根据调制比M、载波比N、 载波与调制波的初始相位

就可以分析单相全桥逆变电路的输出电压u₀中基波 与各次谐波的幅值及相位信息。同时，当单相全桥逆变电路正常时，其输出的 电压中只含有基波分量和谐波次数为mN+n的谐波分量，不含有偶次谐波分量。

如附图2和附图3所示，当

E＝400V时，基波电压的幅值为650V，谐 波畸变率THD＝65.17％。通过分析H桥整流器中S₁₁、S₁₂、S₁₃、S₁₄发生开路故障时 的输出电压，可以准确判断哪个功率器件发生开路故障。

下面通过具体实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述，即对S₁₁发 生开路故障时的输出电压波形进行分析。

如附图4所示，纵分量表示调制波与三角波的电压，调制波与三角波的交 点a的电压写为：

交点b的电压写为：

当S₁₁发生开路故障，且调制波u_s大于三角波u_c1时，由于u_a为H桥左臂中点 与直流侧中点0的电压，因此，u_a输出不再是E/2，而是0。则可得到关于u_a的 时间函数u_m可以写成：

式中：

X＝ω_ct、k＝0，1，2，...。

则可以得到双重傅里叶积分中A_mn和jB_mn的表达式为：

在所述双重傅里叶积分中A_mn和jB_mn的表达式中，当m＝n＝0时：

由上式可以看出：桥臂电压中出现了直流分量。

当m＝0时：

由上式可以看出：桥臂电压存在基波分量，不存在基带谐波分量，即频率 为整数倍的基波分量。

当n＝0时：

当m为偶数时，

即A_m0＝0；当m为奇数时，

证明只存在m为奇数时的载波谐波。

当m＝1，3，5，...和n＝±2，±4，±6，...时：

当m≠1，3，5，...和n≠±2，±4，±6，...时：

当m＝2，4，6，...和n＝±1，±3，±5，...时：

当m≠2，4，6，...和n≠±1，±3，±5，...时：

将m和n不同时，所得不同A_mn和jB_mn值代入双重傅里叶级数的表达式之后， 得左桥臂的输出电压为：

根据单相全桥变流器电路的工作原理可以，将该左桥臂的输出电压u_g1与右 桥臂的输出电压u₀相减后得：

对比单相全桥逆变电路的输出电压u₀表达式可知：当S₁₁发生开路故障时，H 桥逆变电路输出的电压中发生变化：出现了幅值为E/4直流分量，由傅里叶分析 的原理可知，此相位应为270°；出现了载波谐波分量和其他次的边带谐波，即 偶次谐波的分量不再为零。

如附图5和附图6所示，当出现了S₁₁发生开路故障时，直流分量和偶次谐 波的电压含有率不再为零。

为进一步分析频谱图中直流分量和各次谐波含量的特性，采用Matlab中的 FFT工具箱，分析IGBT正常和开路时的输出电压波形的幅值和对应的相位。

当IGBT正常工作时，变频空压机驱动电路单相全桥变流的输出电压u₀可以 表示为：

当S₁₁开路故障时：

当S₁₂开路故障时：

当S₁₃开路故障时：

当S₁₄开路故障时：

根据变频空压机驱动电路单相全桥变流的输出电压u₀在不同IGBT开路故障 的表达式，谐波次数6m+n(m＝1，3，5，...，m＝±2，±4，...)为偶数，所以偶次谐波的相位 发生了变化。当S₁₁和S₁₂发生开路故障时，基波分量的幅值为其正常时的3ME/4， 直流分量的幅值均为E/4，相位相差180°，即S₁₁开路故障时FFT分析后的直流 分量为-E/4，S₁₂开路故障时FFT分析后的直流分量为E/4，同样可得出S₁₃和S₁₄开 路故障时FFT分析后的直流分量为E/4和-E/4。S₁₁和S₁₂开路故障时的各次谐波的 相位相同，与S₁₃和S₁₄开路故障时的偶次谐波相位相差180°。

根据以上分析，可以明显找出其故障特征。对逆变电路输出的电压u₀进行 FFT分析后，通过直流分量值的大小和相位以及各次谐波的相位来判断。

为了更好地判断故障特征，令u₀和

为对原始信号经过傅里叶分析后的直流 分量和相位，为对原始信号傅里叶分析后的偶次

谐波的相位。现定 义一个函数S_on(x)，令

则的取值范围是：

如附图7所示，首先判断直流分量U₀的值为正或负，当U₀＝0时，说明IGBT 正常；当U₀为正时，可以判断出次对角管发生故障，即S₁₂或S₁₃发生故障；当U₀为负时，可以判断出主对角管发生故障，即S₁₁或S₁₄发生故障。然后根据其偶次 谐波的相位

U₀为正时，当偶次的相位S_on(x)≈180°，S₁₂发生开路故障，当偶次 的相位S_on(x)≈0°，S₁₃发生开路故障，同样U₀为负时，可以判断是S₁₁还是S₁₄故障。

本发明并不受上述实施方式的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质 与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都 包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于双重傅里叶积分的变频空压机驱动电路故障诊断方法，其特征在于：将正弦调制波信号和三角波信号视为独立的两个信号变量，根据其已知的调制比、载波比、载波与调制波的初始相位以及它们之间的关系，即可分析出输出电压中的基波以及谐波幅值和相位的相关信息，进而对变频空压机驱动电路进行故障诊断。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)当变频空压机驱动电路拓扑中的电压型单相全桥逆变电路的IGBT发生开路故障时，测出输出电压u_a和u_b，并计算其差值u₀；

2)设置调制波的数学表达式，令调制比≤1，载波比≤1作为约束条件；

3)对逆变电路输出电压进行傅里叶变换分析，并计算得到单相全桥逆变电路的输出电压的表达式；

4)采用双重傅里叶分析，根据调制比、载波比、载波与调制波的初始相位，分析单相全桥逆变电路的输出电压中基波与各次谐波的幅值及相位信息；同时，当单相全桥逆变电路正常时，其输出的电压中只含有基波分量和谐波次数为mN+n的谐波分量，不含有偶次谐波分量；

5)最后，判断偶次谐波的相位变化，即可具体判断是哪一个IGBT发生开路故障。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于：步骤2)中，设置调制波的数学表达式为：

其中，

为调制波的相位，令调制比M＝U_s/U_c≤1，U_c为载波的幅值；载波比N＝ω_c/ω_s≤1，N为任意正整数。

4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤3)中，逆变电路输出电压表示为：

则单相全桥逆变电路的输出电压u₀的表达式为：

其中，E为直流侧电压；为变量

的n阶贝塞尔函数；m为载波的谐波次数；n为调制波的谐波次数。

5.如权利要求2所述的方法，其特征在于，当IGBT正常工作时，变频空压机驱动电路单相全桥变流的输出电压u₀表示为：

6.如权利要求2所述的方法，其特征在于，当IGBT发生开路故障时，变频空压机驱动电路单相全桥变流的输出电压u₀表示为：

或表示为：

或表示为：

或表示为：

7.如权利要求2所述的方法，其特征在于：令u₀和

为对原始信号经过傅里叶分析后的直流分量和相位，为对原始信号傅里叶分析后的偶次

谐波的相位，现定义一个函数S_on(x)，令

则取值范围为：

8.如权利要求2所述的方法，其特征在于：步骤5)中，首先判断直流分量U₀的值为正或负；当U₀＝0时，说明IGBT正常；当U₀为正时，则判断出次对角管发生故障；当U₀为负时，则判断出主对角管发生故障。

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