一种基于自适应均值计算的电机调速逆变器开路故障诊断方法
本申请主张2021年4月22日申请的申请号为202110438905.7的“一种基于自适应均值计算的电机调速逆变器开路故障诊断方法”的优先权，原受理机构为中国。
技术领域
本发明涉及电机控制及故障诊断
技术领域
，尤其涉及一种基于自适应均值计算的电机调速逆变器开路故障诊断方法。背景技术
在电机控制中，相对于传统的接触器控制，逆变器控制不仅可实现低机械设备冲击力以及低启动电流的电机软启动，还可实现复杂状况下的电机高平稳变速，因而在电机运动控制中得到了广泛应用。当前，为保证电机设备运行安全，大多数逆变器内部已集成了较为完善的各种故障保护功能，以实现电机或电源故障时候的主动报障，但针对逆变器本身故障的在线诊断相对较少。
目前用于电机调速的逆变器，其主电路通常是由多个功率开关IGBT组成的桥电路，据统计，功率器件故障占据变频器故障的70％以上，因此对逆变器的故障诊断主要为对功率开关管IGBT的故障诊断。功率开关管IGBT的故障通常包括短路故障和开路故障，短路故障通常由集成的限流装置进行保护，而开路故障无法直接实现诊断。
针对功率开关管IGBT开路故障诊断研究已有相关研究，如
发明专利：一种两电平三相电压源逆变器桥臂开路故障诊断方法(CN111381188B)，针对两电平三相电压源逆变器桥臂开路故障，提出了基于电流的功率开关管开路故障诊断方法，由于电机转速变化导致电流频率变化，其在计算开路故障特征的过程中需引入电机转速以消除电流周期变化对故障特征值计算的影响。
发明专利：一种三相电压源逆变器桥臂开路故障实时检测方法(CN111413646B)，针对三相电压源逆变器桥臂开路故障，同样采用基于电流的开路故障诊断方法，其在计算用于开路故障检测的电流向量维度时，同样引入了电机转速以消除电流频率变化的影响。
发明专利：基于瞬时频率的NPC三电平逆变器开路故障诊断方法(CN111077471B)，针对光伏逆变器开关管开路故障诊断，针对定频率周期电流，在进行故障定位时采用的相电流均值法是目前主流的开路故障定位方法，而在电机调速逆变器中，电流频率会发生变化，相关的针对变频率电流信号的周期均值自适应计算方法较少。
发明内容
本发明的目的是要解决上述现有技术中存在的问题，具体的，针对频率变化的相电流信号，提出基于阈值的相电流换向检测策略，选取两次换向之间的相电流样本为一个周期样本，并以当前周期样本内的样本数实现相电流自适应均值更新，直到再次相电流换向，重新选取一个周期样本并更新周期样本内的样本数，用于相电流自适应均值更新。
本发明的目的是这样实现的，本发明提供了一种基于自适应均值计算的电机调速逆变器开路故障诊断方法，该诊断方法涉及的电路拓扑结构包括直流电源E、主逆变电路和永磁同步电机PMSG；
所述主逆变电路为电压源型两电平逆变器电路，包括三相桥臂，每相桥臂包括2个带反向并联二极管的开关管，即三相桥臂共包括6个带反向并联二极管的开关管，将6个带反向并联二极管的开关管分别记为开关管Svolj，其中,vol表示相序，vol＝a,b,c，j表示开关管的序号，j＝1,2；在每相桥臂中，开关管Svol1与开关管Svol2串联后接入直流电源E的直流正母线与直流负母线之间，将开关管Svol1和开关管Svol2的接点记为点Pvol，vol＝a,b,c，点Pa、点Pb、点Pc分别与永磁同步电机PMSG的三相相连接；
所述开路故障诊断方法的步骤如下：
步骤1，在设定的采样周期内对永磁同步电机PMSG的三相输出电流进行N次采样，得到N个永磁同步电机PMSG的三相输出电流采样信号，将第n次采样得到的永磁同步电机PMSG的三相输出电流采样信号记为三相输出电流N为采样周期内的最大采样次数，N为正整数；
步骤2，利用Park矢量变换得到αβ坐标下的电流分量和表达式如下：
利用αβ坐标下的电流分量和对三相输出电流归一化，得到归一化后的三相输出电流其表达式如下
步骤3，自适应判断相电流周期
设置判断阈值thr，记三相输出电流换向标志位为k为相电流换向次数，k＝1,2,3，…，三相输出电流换向标志位计算如下：
若且则表示三相输出电流发生换向，三相输出电流换向标志位
其中，为第n+1次三相输出电流归一化后的三相输出电流；
步骤4，计算归一化后的三相输出电流的周期均值
步骤4.1，设定当k＝2时，得到了三相输出电流的一个完整周期电流信号，将k≥2时的第k-1个三相输出电流周期信号记为Tk-1，此时，将归一化的三相输出电流周期均值记为均值均值的表达式为：
此时，一个电流周期内的样本数为M，
步骤4.2，如果k未发生变化，归一化的三相输出电流均值将更新，将更新后的均值记为更新均值更新均值的表达式为：
在均值更新过程中，一个电流周期内的样本数M保持不变，
如果k发生变化，一个电流周期内的样本数M变化，
步骤5，记开路故障检测变量为D，表达式如下：
步骤6，根据设定的开路故障检测阈值Tsafe、设定的开路故障定位阈值Isafe和步骤5得到的开路故障检测变量D进行开路故障诊断，诊断结果如下：
D<Tsafe，表示无故障；
D≥Tsafe，且且且开关管Sa1故障；
D≥Tsafe，且且且开关管Sa2故障；
D≥Tsafe，且且且开关管Sb1故障；
D≥Tsafe，且且且开关管Sb2故障；
D≥Tsafe，且且且开关管Sc1故障；
D≥Tsafe，且且且开关管Sc2故障。
与现有技术相比，本发明的有益效果包括：
1、电流信号采集因无需额外传感器，因此用于电机调速逆变器开路故障特征提取的故障特征量获取简单；
2、自适应均值计算法可同时实现开路故障检测与定位，无需过多辅助判断变量，算法实现简单有效；
3、本发明提出的自适应均值算法，可实现频率变化的电流信号的均值自适应计算，因此可有效实现多种情况下的逆变器开路故障的快速检测和定位。
附图说明
图1是本发明故障诊断方法的流程图；
图2是本发明实施例中用于电机调速的逆变器的拓扑图；
图3是本发明实施例中采样获得的电流样本的仿真波形图；
图4是本发明实施例中开路故障检测变量D的计算结果图；
图5是本发明实施例中归一化后的三相输出电流的周期均值的计算结果图；
图6是本发明实施例中逆变控制下开关管Sa1开路故障诊断结果图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明。
图2是本发明实施例中用于电机调速的逆变器的拓扑图，由图2可见，本发明开路故障诊断方法涉及的电路拓扑结构包括直流电源E、主逆变电路和永磁同步电机PMSG。
所述主逆变电路为电压源型两电平逆变器电路，包括三相桥臂，每相桥臂包括2个带反向并联二极管的开关管，即三相桥臂共包括6个带反向并联二极管的开关管，将6个带反向并联二极管的开关管分别记为开关管Svolj，其中,vol表示相序，vol＝a,b,c，j表示开关管的序号，j＝1,2。在每相桥臂中，开关管Svol1与开关管Svol2串联后接入直流电源E的直流正母线与直流负母线之间，将开关管Svol1和开关管Svol2的接点记为点Pvol，vol＝a,b,c，点Pa、点Pb、点Pc分别与永磁同步电机PMSG的三相相连接。
图1是本发明故障诊断方法的流程图，由图1可见，本发明开路故障诊断方法的步骤如下：
步骤1，在设定的采样周期内对永磁同步电机PMSG的三相输出电流进行N次采样，得到N个永磁同步电机PMSG的三相输出电流采样信号，将第n次采样得到的永磁同步电机PMSG的三相输出电流采样信号记为三相输出电流N为采样周期内的最大采样次数，N为正整数；
步骤2，利用Park矢量变换得到αβ坐标下的电流分量和表达式如下：
利用αβ坐标下的电流分量和对三相输出电流归一化，得到归一化后的三相输出电流其表达式如下
步骤3，自适应判断相电流周期
设置判断阈值thr，记三相输出电流换向标志位为k为相电流换向次数，k＝1,2,3，…，三相输出电流换向标志位计算如下：
若且则表示三相输出电流发生换向，三相输出电流换向标志位
其中，为第n+1次三相输出电流归一化后的三相输出电流；
步骤4，计算归一化后的三相输出电流的周期均值
步骤4.1，设定当k＝2时，得到了三相输出电流的一个完整周期电流信号，将k≥2时的第k-1个三相输出电流周期信号记为Tk-1，此时，将归一化的三相输出电流周期均值记为均值均值的表达式为：
此时，一个电流周期内的样本数为M，
步骤4.2，如果k未发生变化，归一化的三相输出电流均值将更新，将更新后的均值记为更新均值更新均值的表达式为：
在均值更新过程中，一个电流周期内的样本数M保持不变，
如果k发生变化，一个电流周期内的样本数M变化，
步骤5，记开路故障检测变量为D，表达式如下：
步骤6，根据设定的开路故障检测阈值Tsafe、设定的开路故障定位阈值Isafe和步骤5得到的开路故障检测变量D进行开路故障诊断，诊断结果如下：
D<Tsafe，表示无故障；
D≥Tsafe，且且且开关管Sa1故障；
D≥Tsafe，且且且开关管Sa2故障；
D≥Tsafe，且且且开关管Sb1故障；
D≥Tsafe，且且且开关管Sb2故障；
D≥Tsafe，且且且开关管Sc1故障；
D≥Tsafe，且且且开关管Sc2故障。
为了验证本发明的技术效果，对本发明进行了仿真。
图3为本发明实施例中采样获得的电流样本的仿真波形图，由该图可见，为模拟电机变频调速过程，在0.02秒到0.05秒，电机的模拟输入发生变化，即对应三相输出电流的频率发生变化。在0.02秒后，a相输出电流幅值为正的部分完全丢失，模拟变频控制下的开关管G1开路故障，此时bc相输出电流和仍近似为完整正弦波。
图4为本发明实施例中开路故障检测变量D的计算结果图，由该图可见，在0.023秒之后，开路故障检测变量D大于设定的开路故障检测阈值Tsafe＝0.01，即检测出开路故障。
图5为本发明实施例中归一化后的三相输出电流的周期均值的计算结果图，由该图可见，在0.023秒之后，abc三相电流均值均发生了变化，相对于bc相电流均值和a相电流均值变化最为显著，所以是a相桥臂开关管发生开路故障，同时，a相电流均值小于开路故障定位阈值-Isafe＝-0.02，表明是a相上桥臂开关管G1发生开路故障。
图6为本发明实施例中逆变控制下开关管Sa1开路故障诊断结果图，由该图可见，在0.023秒之后，检测出开关管Sa1发生开路故障，其它开关管未发生故障。
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