CN112285608A - 一种高频电源全桥逆变电路开路故障方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种高频电源全桥逆变电路开路故障方法，包括：建立高频电源全桥逆变电路线电压表达式，当IGBT发生开路故障时，测出A、B两相电压，并计算出线电压；建立调制波的数学表达式；将高频电源全桥逆变电路线电压、A、B两相电压分解为调制波形式；得出调制波与三角波的交点a、b点电压方程：得出高频电源全桥逆变电路A相电压的时间函数表达式；得到高频电源全桥逆变电路左桥臂的输出电压方程；得到右桥臂的输出电压方程；得到不同功率元器件开路故障时高频电源全桥逆变电路线电压表达式；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高频电源全桥逆变电路开路故障。本发明用于诊断高频电源全桥逆变电路模块中IGBT开关元器开路故障。

Description

一种高频电源全桥逆变电路开路故障方法

技术领域

本发明涉及一种高频电源全桥逆变电路开路故障方法，具体涉及一种双重傅里叶分析采用诊断高频电源全桥逆变电路模块中IGBT开关元器开路故障的方法。

背景技术

根据高频电源特性，在全桥逆变电路模块中IGBT开关元器件常常运行于高频状态，IGBT开关元器件在通断过程中两端施加电压与流过的电流在时间上存在重叠关系，这就会导致开关损耗，导致IGBT开关元器件温度升高，引起IGBT元器件开关损耗进一步增大，严重时会烧毁整个电路。当IGBT开关元器件发生开路故障时，会引起高频电源输出电压、电流波形发生畸变，直流波形充满毛刺，引起整个高频电源装置失效。虽然断路故障不会对安全生产造成直接影响，但也会对电除尘装置高效运行带来隐患，所以，目前高频电源故障诊断领域还需关注IGBT开关元器件断路故障。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高频电源全桥逆变电路开路故障方法，其用于诊断高频电源全桥逆变电路模块中IGBT开关元器开路故障，利用双重傅里叶积分分析方法，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，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，进而对高频电源全桥逆变电路模块中IGBT开关元器开路故障进行诊断。

本发明采取如下技术方案来实现的：

一种高频电源全桥逆变电路开路故障方法，包括以下步骤：

1)建立高频电源全桥逆变电路线电压表达式，当IGBT发生开路故障时，测出A、B两相电压，并计算出线电压；

2)根据步骤1)高频电源全桥逆变电路线电压表达式，建立调制波的数学表达式；

3)根据步骤2)调制波的数学表达式，将步骤1)高频电源全桥逆变电路线电压、A、B两相电压分解为调制波形式；

4)以S₁₁发生开路故障时的输出电压为分析样本，根据步骤3)高频电源全桥逆变电路线电压、A、B两相电压调制波方程，得出调制波与三角波的交点a、b点电压方程：

5)根据步骤4)调制波与三角波的交点a、b点电压方程，得出步骤1)高频电源全桥逆变电路A相电压的时间函数表达式；

6)采用双重傅里叶积分分析步骤5)A相电压的时间函数表达式，进一步得到高频电源全桥逆变电路左桥臂的输出电压方程；

7)根据步骤6)高频电源全桥逆变电路左桥臂的输出电压方程，进一步得到右桥臂的输出电压方程；

8)将步骤7)得到的右桥臂的输出电压方程与步骤3)高频电源全桥逆变电路线电压方程进行对比分析，得到不同功率元器件开路故障时高频电源全桥逆变电路线电压表达式；

9)对步骤8)不同功率元器件开路故障时高频电源全桥逆变电路线电压表达式进行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高频电源全桥逆变电路开路故障。

本发明进一步的改进在于，步骤1)的具体实现方法为：建立高频电源全桥逆变电路线电压表达式：u₀＝u_a-u_b；其中：u_a、u_b为两相交流电压；当IGBT发生开路故障时，测出A、B两相电压，并计算出线电压。

本发明进一步的改进在于，步骤2)的具体实现方法为：根据步骤1)高频电源全桥逆变电路线电压表达式，建立调制波的数学表达式：

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。

本发明进一步的改进在于，步骤3)的具体实现方法为：根据步骤2)调制波的数学表达式，将步骤1)高频电源全桥逆变电路线电压、A、B两相电压分解为调制波形式；高频电源全桥逆变电路输出电压写成u_a：

同理，得到u_b为：

高频电源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u₀的表达式可得，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

分析高频电源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，当高频电源全桥逆变电路正常工作时，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。

本发明进一步的改进在于，步骤4)的具体实现方法为：以S₁₁发生开路故障时的输出电压为分析样本，根据步骤3)高频电源全桥逆变电路线电压、A、B两相电压调制波方程，得出调制波与三角波的交点a、b点电压方程：

本发明进一步的改进在于，步骤5)的具体实现方法为：根据步骤4)调制波与三角波的交点a、b点电压方程，得出步骤1)高频电源全桥逆变电路A相电压的时间函数表达式：

其中：

X＝ω_ct、k＝0，1，2，...；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；则得到双重傅里叶积分中A_mn和jB_mn的表达式为：

当m＝n＝0时，

看出桥臂电压中出现了直流分量；当m＝0时，

看出，其存在基波分量，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，

本发明进一步的改进在于，步骤6)的具体实现方法为：采用双重傅里叶积分分析步骤5)A相电压的时间函数表达式，进一步得到高频电源全桥逆变电路左桥臂的输出电压方程：

本发明进一步的改进在于，步骤7)的具体实现方法为：根据步骤6)高频电源全桥逆变电路左桥臂的输出电压方程，进一步得到右桥臂的输出电压方程：

本发明进一步的改进在于，步骤8)的具体实现方法为：将步骤7)得到的右桥臂的输出电压方程与步骤3)高频电源全桥逆变电路线电压方程进行对比分析，当S₁₁发生开路故障时，高频电源全桥逆变电路输出的电压中发生变化：出现幅值为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，得到不同功率元器件开路故障时高频电源全桥逆变电路线电压表达式：

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：

本发明进一步的改进在于，步骤9)的具体实现方法为：对步骤8)不同功率元器件开路故障时高频电源全桥逆变电路线电压表达式进行FFT分析，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°；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高频电源全桥逆变电路开路故障；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S_on(x)的取值范围是：

首先判断直流分量U₀的值为正或负，当U₀＝0时，说明高频电源全桥逆变电路IGBT正常；当U₀为正时，判断出次对角管发生故障，即S₁₂或S₁₃发生故障；当U₀为负时，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，判断是S₁₁还是S₁₄故障。

与现有技术相比，本发明至少具有如下有益的技术效果：

1.本发明利用双重傅里叶分析高频电源全桥逆变电路模块中IGBT开路故障，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。

2.本发明通过分析全桥逆变电路中不同功率器件发生开路故障时的输出电压，准确判断哪个功率器件发生开路故障。

附图说明

图1为高频电源电压型单相全桥逆变电路结构图；

图2为高频电源单相全桥逆变电路故障诊断流程图。

具体实施方式

下面通过附图，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

如图1所示，由于高频电源全桥逆变电路的IGBT在不同开路故障情况下，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。因此，可以将以上两个因素作为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。

高频电源全桥逆变电路线电压u₀可表示为：

u₀＝u_a-u_b (1)

式(1)中：u_a、u_b为两相交流电压。

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。

在此，采用基于双重傅里叶分析的方法对高频电源全桥逆变电路输出电压进行分析，当IGBT发生开路故障时，测出u_a和u_b，并计算出u₀，调制波的数学表达式为：

式(2)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。

高频电源全桥逆变电路输出电压可以写成u_a：

同理，可以得到u_b为：

由式(2)可得高频电源全桥逆变电路的输出电压u₀的表达式为：

式(5)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。根据式(5)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

就可以分析高频电源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，当高频电源全桥逆变电路正常工作时，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。

如图2所示，通过分析高频电源全桥逆变电路中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。本发明以S₁₁发生开路故障时的输出电压波形进行分析，纵分量表示调制波与三角波的电压，其中调制波与三角波的交点a的电压可以写成：

交点b的电压可以写成：

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(8)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：

在式(9)中：当m＝n＝0时，

由式(10)可以看出桥臂电压中出现了直流分量。

在式(9)中：当m＝0时，

由式(11)可以看出，其存在基波分量，不存在基带谐波分量，即频率为整数倍的基波分量。

在式(9)中：当n＝0时，

可以求得

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。

在式(9)中：m＝1，3，5，...和n＝±2，±4，±6，...时，

在式(9)中：当m≠1，3，5，...和n≠±2，±4，±6，...时，

在式(9)中：当m＝2，4，6，...和n＝±1，±3，±5，...时，

在式(9)中：当m≠2，4，6，...和n≠±1，±3，±5，...时，

将式(12)-式(15)所得值代入双重傅里叶级数的表达式之后得高频电源全桥逆变电路左桥臂的输出电压为：

根据式(17)，得出右桥臂的输出电压u₀表达式：

对比式(6)可知，当S₁₁发生开路故障时，高频电源全桥逆变电路输出的电压中发生变化：出现幅值为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。

当高频电源全桥逆变电路正常工作时，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：

高频电源全桥逆变电路IGBT发生开路故障时，除直流量不同之外，其他各次谐波的幅值几乎相等，但不同故障时偶次谐波的相位发生变化。这是由于仿真时设定的初相角

载波比N＝6，根据式(20)-式(23)，当高频电源全桥逆变电路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。对高频电源全桥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S_on(x)的取值范围是：

首先判断直流分量U₀的值为正或负，当U₀＝0时，说明高频电源全桥逆变电路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。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (10)

1.一种高频电源全桥逆变电路开路故障方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)建立高频电源全桥逆变电路线电压表达式，当IGBT发生开路故障时，测出A、B两相电压，并计算出线电压；

2)根据步骤1)高频电源全桥逆变电路线电压表达式，建立调制波的数学表达式；

3)根据步骤2)调制波的数学表达式，将步骤1)高频电源全桥逆变电路线电压、A、B两相电压分解为调制波形式；

4)以S₁₁发生开路故障时的输出电压为分析样本，根据步骤3)高频电源全桥逆变电路线电压、A、B两相电压调制波方程，得出调制波与三角波的交点a、b点电压方程：

5)根据步骤4)调制波与三角波的交点a、b点电压方程，得出步骤1)高频电源全桥逆变电路A相电压的时间函数表达式；

6)采用双重傅里叶积分分析步骤5)A相电压的时间函数表达式，进一步得到高频电源全桥逆变电路左桥臂的输出电压方程；

7)根据步骤6)高频电源全桥逆变电路左桥臂的输出电压方程，进一步得到右桥臂的输出电压方程；

8)将步骤7)得到的右桥臂的输出电压方程与步骤3)高频电源全桥逆变电路线电压方程进行对比分析，得到不同功率元器件开路故障时高频电源全桥逆变电路线电压表达式；

9)对步骤8)不同功率元器件开路故障时高频电源全桥逆变电路线电压表达式进行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高频电源全桥逆变电路开路故障。

2.根据权利要求1所述的一种高频电源全桥逆变电路开路故障方法，其特征在于，步骤1)的具体实现方法为：建立高频电源全桥逆变电路线电压表达式：u₀＝u_a-u_b；其中：u_a、u_b为两相交流电压；当IGBT发生开路故障时，测出A、B两相电压，并计算出线电压。

3.根据权利要求2所述的一种高频电源全桥逆变电路开路故障方法，其特征在于，步骤2)的具体实现方法为：根据步骤1)高频电源全桥逆变电路线电压表达式，建立调制波的数学表达式：

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.根据权利要求3所述的一种高频电源全桥逆变电路开路故障方法，其特征在于，步骤3)的具体实现方法为：根据步骤2)调制波的数学表达式，将步骤1)高频电源全桥逆变电路线电压、A、B两相电压分解为调制波形式；高频电源全桥逆变电路输出电压写成u_a：

同理，得到u_b为：

高频电源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u₀的表达式可得，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

分析高频电源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，当高频电源全桥逆变电路正常工作时，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.根据权利要求4所述的一种高频电源全桥逆变电路开路故障方法，其特征在于，步骤4)的具体实现方法为：以S₁₁发生开路故障时的输出电压为分析样本，根据步骤3)高频电源全桥逆变电路线电压、A、B两相电压调制波方程，得出调制波与三角波的交点a、b点电压方程：

6.根据权利要求5所述的一种高频电源全桥逆变电路开路故障方法，其特征在于，步骤5)的具体实现方法为：根据步骤4)调制波与三角波的交点a、b点电压方程，得出步骤1)高频电源全桥逆变电路A相电压的时间函数表达式：

其中：

X＝ω_ct、k＝0，1，2，...；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；则得到双重傅里叶积分中A_mn和jB_mn的表达式为：

当m＝n＝0时，

看出桥臂电压中出现了直流分量；当m＝0时，

看出，其存在基波分量，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，

7.根据权利要求6所述的一种高频电源全桥逆变电路开路故障方法，其特征在于，步骤6)的具体实现方法为：采用双重傅里叶积分分析步骤5)A相电压的时间函数表达式，进一步得到高频电源全桥逆变电路左桥臂的输出电压方程：

8.根据权利要求7所述的一种高频电源全桥逆变电路开路故障方法，其特征在于，步骤7)的具体实现方法为：根据步骤6)高频电源全桥逆变电路左桥臂的输出电压方程，进一步得到右桥臂的输出电压方程：

9.根据权利要求8所述的一种高频电源全桥逆变电路开路故障方法，其特征在于，步骤8)的具体实现方法为：将步骤7)得到的右桥臂的输出电压方程与步骤3)高频电源全桥逆变电路线电压方程进行对比分析，当S₁₁发生开路故障时，高频电源全桥逆变电路输出的电压中发生变化：出现幅值为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，得到不同功率元器件开路故障时高频电源全桥逆变电路线电压表达式：

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：

10.根据权利要求9所述的一种高频电源全桥逆变电路开路故障方法，其特征在于，步骤9)的具体实现方法为：对步骤8)不同功率元器件开路故障时高频电源全桥逆变电路线电压表达式进行FFT分析，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°；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高频电源全桥逆变电路开路故障；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S_on(x)的取值范围是：

首先判断直流分量U₀的值为正或负，当U₀＝0时，说明高频电源全桥逆变电路IGBT正常；当U₀为正时，判断出次对角管发生故障，即S₁₂或S₁₃发生故障；当U₀为负时，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，判断是S₁₁还是S₁₄故障。

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