三相开环Z源逆变器短路故障诊断研究

王梓航 李磊 李建明

摘要：以三相开环Z源逆变器为例，开展了三相开环Z源逆变器短路故障诊断的应用研究。在三相开环Z源逆变器发生功率开关管短路故障及短路故障后逆变器工作状态理论分析基础上，建立三相开环Z源逆变器故障仿真模型。通过仿真实验获得短路故障状态下的输出侧交流电流信号数据，根据故障特征提出一种针对性的短路故障诊断方法直观的得到短路故障功率开关管出现的位置，并通过仿真验证该方法的可行性。

关键词：三相开环Z源逆变器;功率开关管;短路故障诊断;仿真

中图分类号：TM464

文献标识码：A

1 引言

随着电力电子技术的日益发展，电压源逆变器在传动领域中所占份额越来越大，逆变器供电的电机调速系统如今已经成为一个工业标准[1]。据估计，工业应用的交流电机调速系统中的38%的故障来自于功率半导体开关器件的损坏[2]。功率半导体器件的故障通常表现为开路故障和短路故障，这些故障一旦发生，电动机将在非平衡供电状态下工作，电机会发生不同程度的损坏，甚至导致灾害事故的发生。因此通过故障诊断，及时对故障线路进行维修或在线补救，越来越重要[3]。导致功率开关管短路的原因有很多：错误的驱动信号、器件过电压雪崩击穿、热击穿等。但是，由于短路故障存在时间极短，很多时候都来不及诊断出故障的位置整个线路就已经损坏，所以对于电压型逆变器的短路故障通常采用预防措施[4]。而在Z源逆变器中却不同，由于其直通特性（允许同桥臂开关管的同时导通）使得开关管在短路时，整个电路系统不会崩坏，因此能更安全更直观的研究变流器功率开关管的短路故障。与逆变器故障诊断[5-9]不同，目前对于Z源逆变器故障的研究还处于起步阶段，文献[10]中提出一种针对单相Z源逆变器分别在升压和降压时单个开关管发生故障的故障诊断方法，文中采用一种FFT（快速傅立叶变换）频谱分析法，通过对输出电压信号的FFT频谱分析直观判断出故障类型和故障开关管位置。但是，在实际应用中该方法还存在一些缺陷，要想得到输出电压的频谱图是很麻烦的，因此其实用性不强。

以三相开环Z源逆变器为对象，首先，分析三相开环逆变器发生功率开关管短路故障及短路故障后逆变器工作模式特征，建立三相逆变器故障仿真模型。其次，基于仿真实验获得短路故障状态下的输出侧交流电流信号数据，根据故障特征提出一种短路故障诊断方法，直观的得到发生短路故障功率开关管出现的位置，并通过仿真验证该方法的可行性。

2 三相开环Z源逆变器短路故障诊断电路拓扑结构

三相开环Z源逆变器短路故障诊断电路拓扑结构如图1所示。系统拓扑模型主要包括：三相Z源逆变器、逆变器开环控制单元模块、交流侧故障诊断模块、故障结果显示模块。

当上图中某个功率开关管发生短路故障时，输出侧的A、B、C三相交流电信号必然会受到影响（不再是规范的正弦波形）。对于闭环控制的Z源逆变器，当出现短路故障时会反馈自我调整，使得输出侧的交流电压、电流波形畸变得规律很不明显，而开环控制的输出结果不会反馈回来，当出现短路故障时的输出侧畸变电压、电流波形表现的故障特征更明显。为了更直观的观察到故障特征，这里的Z源逆变器的控制采用开环控制。在故障诊断模块中，作为故障特征量的输出侧电流经过故障诊断模块处理（具体方法会在后面的章节具体介绍），再通过显示模块给出短路故障功率开关管出现的位置。

3 三相开环Z源逆变器开关管短路故障分析

逆变器正常工作时，其基本工作方式为1800导电方式，即各个桥臂导电角度都为1800，相同相的上下桥臂交替导电，各相开始导电的角度依次相差120°。这样，在每一时刻都有三个桥臂同时导通。与传统电压逆变器存在的8种开关矢量不同，Z源逆变器多了一种直通零矢量状态，共有9种矢量。当直流电压加到负载上时，Z源逆变器具有6个非零矢量，既有效矢量;当负载端分别被上桥臂或下桥臂三个开關所短路时，这时Z源逆变器有2个零电压矢量;当同一组逆变桥臂的上下开关管同时开通时，Z源逆变器工作于直通零矢量状态。当Z源逆变器工作于直通零矢量时，负载侧被短路，输入二极管处于断开状态;当逆变器工作于有效矢量或者传统零矢量时，逆变桥可看作为一个电流源，在传统零矢量时间段逆变桥为开路，此时可用一个零值的电流源来表示。而对负载来说，直通零矢量与传统零矢量的效果是一样的，不会影响输出波形。由上分析可以看出，直通状态是Z源逆变器的一个特殊的工作状态，正是直通状态的出现才使得Z源逆变器在开关管出现短路故障时整个系统不会立即崩溃从而便于研究其故障特征。因此，当有功率开关管发生短路时输出侧的电压、电流波形会受到影响而发生畸变，但是不会使整个电路的崩溃。

从上面的分析可以看出，有开关管发生短路故障时，对应故障相的相电压不会过0点，当上桥臂发生故障时相电压≥0，当下桥臂发生故障时相电压≤0。对于非故障相的相电压，由于各桥臂的开关管均可正常工作，相电压肯定会经过0点，这里就不再赘述。当负载呈纯电阻负载时，相电压与相电流基本同相位，该特征也存在于相电流中。因此，相电流的这一特点即可作为故障诊断的故障特征。

4 开环Z源逆变器开关管短路故障诊断

根据之前分析得到的规律，为了确定A、B、C三相哪一相出现短路时，只要观测A、B、C三相输出交流电流波形，出现故障的就是波形中不过0的那个。为了确定该项上桥臂还是下桥臂出故障，只需与0比较，若全部大于0，则是上桥臂短路，若是全部小于0，则是下桥臂短路。因此，输出侧的交流电流I_A、I_B、I_C即可作为故障特征。

在搭建故障诊断模块时，分别采集A、B、C三相输出侧的电流信号I_A、I_B、I_C并与连续信号0进行比较，当输出信号大于或等于0时输出高电平1否则输出低电平0，这样得到新的故障信号I_A、I_B、I_C。

当系统正常工作时，输出电流是近似的正弦波形，经过比较后会输出周期性变化的高电平和低电平，假设故障前后的周期都为T，那么这里输出的高、低电平各占1/2T;

当系统上桥臂出现故障时，故障相的输出电流全部是大于0的，因此经过比较后的输出全是高电平1;

当系统下桥臂出现故障时，故障相的输出电流全部是小于0的，因此经过比较后的输出全是低电平0。

由于故障前后，输出波形周期都没变，因此为了加快故障诊断速度，只需对一个周期内的波形进行处理即可得到判定结果。这里在仿真中用到一种定时开关，设定导通时间为一个周期T，即在T内输出前面经过比较后的高低电平，之后输出低电平。经过一个周期的筛选后，再对其求积分，此时，由于高电平的值就是l而低电平的值是0，求积分就是求高电平出现的时间t_a、t_b、t_c：

因此，当上桥臂出故障时，求得积分值应该是及其接近于一个周期T的值;而正常情况下的积分应该是接近于1/2T的值;下桥臂出故障时，积分应该是接近于0的值。这里，再设定一个稍微大于l/2T的值为阈值（3/5T），将积分的结果t_a、t_b、t_c分别与阂值比较，当结果大于阂值时输出高电平l，此时即可判定该相上桥臂出现短路故障。

当下桥臂短路故障时输出结果正好与上桥臂短路时相反（故障相电流全部小于0），所以，在把输出侧的电流I_A、I_B、I_C与0比较时，令其小于0时输出高电平1，大于等于0时输出低电平0。经过相同的处理后，若是输出结果是高电平l，此时即可肯定该相下桥臂出现故障。

最后，为了更直观更迅速的得到故障开关的位置，对A、B、C三相电流分别进行上面提到的上桥臂和下桥臂故障诊断方法，最终6个示波器中显示高低电平分别代表了各相上桥臂和下桥臂对应的开关管，判定标准为，只要有示波器显示了高电平即说明对应的开关管短路。整个流程图如下图3所示。

5 仿真分析

在MATLAB環境下，搭建三相Z源逆变器故障仿真模型，系统采用开环控制方式。其中输入直流电压为100 V，Z源网络电感为1 mH，电容为330 μF，逆变桥的开关频率为10 kHz，直通零矢量占空比D为0.3，根据这些参数在Matlab中生成控制信号，把这一控制信号加载Z源逆变器上，得到如图3所示的仿真结果。

为了模拟功率开关管道短路故障，在仿真中直接将开关管短接，使该桥臂一直导通。这里以A相开关VT1、VT2为例，分别短接后的输出交流电流波形如图4所示。

根据上面的结果显示，可以看出当上桥臂短路时，故障相的电流一直大于0，而当下桥臂短路时，故障相一直小于0，这与之前的理论分析相吻合。

A相短路后的输出交流电经故障检测模块检测模块，在结果显示示波器中显示结果如图5所示。其中VT3、VT4、VT5和VT6分别代表B相的上、下桥臂和C相的上、下桥臂。

由上面的结果可以很直观地看出故障开关的位置，符合理论分析，验证了本文提出的针对三相开环Z源逆变器故障检测方法的可行性和有效性。而且检测结果也在一个周期0.02s后就能显示，体现了该检测方法准确快速的特点。

6 结论

针对三相开环Z源逆变器的短路故障提出了一种故障诊断方法。通过理论分析短路故障发生后交流侧电流的变化：当故障发生在上桥臂时，故障相的电流始终保持大于0，当故障发生在下桥臂时，故障相的电流始终保持小于0而非故障相的电流在保持周期性变化的同时都会经过0点，交流侧电流这样的变化即可故障诊断的故障特征。在MATLAB中搭建三相开环Z源逆变器，仿真验证了该故障特征的准确性。然后，根据该故障特征提出了一种针对三相开环Z源逆变器短路故障的故障诊断方法，利用一个周期内对输出侧交流电流的比较、积分等处理，直观的得到故障开关的所在位置。搭建相应的故障诊断模块，仿真结果验证了理论研究的正确性。

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