变频器IGBT开路故障诊断方法
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本文中第一部分对本实验平台做简要介绍，给 出了实验过程中故障模拟方案；第二部分对变频器 逆变桥中 IGBT 的开路故障诊断的几种方法进行了 对比分析，提出了一种基于傅里叶变换的归一化方 法，解决传统方法的负载敏感性问题；第三部分对 全文作出了归纳总结。
1 实验平台
本文搭建了基于 dSPACE 实时仿真系统的硬件 平台，如图 1 所示。应用了一台国内某变频器厂家 生产的变频器，其变频器由控制板、功率板以及 IGBT 模块和整流部分组成，控制板完成 SVPWM 驱动信号的生成、矢量控制算法等功能；功率板含 IGBT 的驱动、开关电源等功能模块。为了验证本 文中提出的故障诊断方法，本平台放弃该变频器的
第9期
于泳等：变频器 IGBT 开路故障诊断方法
31
大的事故。检测出某 IGBT 开路后，才可以采用桥 臂冗余[5-8]、四开关[9]等方式继续安全容错运行。归 纳国内外学者在 IGBT 开路故障诊断方法上所展开 的研究，主要有专家系统法、电流检测法和电压检 测法三种。专家系统法[10-12]基于经验积累，将可能 发生的故障一一列出，归纳出规律并建立知识库， 当发生故障的时候只需要观测故障现象，查询知识 库即可判断故障类型，难点在于难以穷尽所有的故 障现象并得到完备的故障知识库，而有些故障模态 往往与变频器正常运行时的某种状态时非常相似， 造成了难以准确匹配故障。电压检测法[13]通过考察 变频器故障时电机相电压、电机线电压或电机中性 点电压与正常时的偏差来诊断故障。只需要四分之 一基波周期便能检测出故障，大大缩短了诊断时 间，只是这种方法需要增加电压传感器，通用性差。 电流检测法最为常用，其又派生出平均电流 Park 矢量法[14-15]、单电流传感器法[16]和电流斜率法[17] 等，平均电流 Park 矢量法以 Coimbra 大学的 J.A.A Caseiro 教授发表的几篇文章为代表。该方法在 α − β 坐标系下进行，通过 3-2 变换得到 Iα 和 Iβ ， 在一个电流周期内求其平均值，根据平均值求得平 均电流 Park 矢量。故障出现时 Park 矢量将不为零， 通过判断其幅值和相位确定哪只 IGBT 出现故障。 平均电流 Park 矢量法的缺点在于其对负载敏感，负 载不同情况下，Park 矢量电流大小不同，会造成评 价故障的标准不统一。电流矢量斜率法根据故障前 后定子电流矢量轨迹斜率的不同来诊断故障，缺点 在于该方法极易受到干扰而导致误判。
DSPACE 卡
Iu, Iv, Iw 障模拟及驱动接口板框图 Fig. 2 Diagram of the fault simulation and
drive interface board
32
中国电机工程学报
第 31 卷
如图 3 所示，2 台 1.1 kW 异步电机同轴硬连接， 异步电机 1 工作在电动方式，由 dSPACE 卡及驱动 控制板驱动；异步电机 2 为陪试电机，由一台 ABB 变频器驱动，工作在恒转矩方式，为异步电机 1 加载， 两侧直流母线并联，实现电动部分和发电部分的能量 流动。故障模拟及驱动接口板提供 dSPACE 卡和变 频器功率板的接口。本文中实验均基于此平台。
控制板不用，采用 dSPACE 硬件实时仿真系统替代 之，完成原控制板的相应功能。为了完成 IGBT 开 路故障的模拟和建立 dSPACE 与变频器功率板的接 口，设计了一块故障模拟及驱动接口板。
计算机 Simulink
变频器 Matlab/Simulink
dSPACE 卡
异步 电机 2
异步 电机 1
(School of Electrical Engineering and Automation, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, Heilongjiang Province, China)
ABSTRACT: Inverter IGBT open circuit fault diagnosis methods are comparatively studied, through comparison of the average current Park vector method, three-phase average current method and the proposed normalization based on Fourier transform method, experimental results show that the average current Park vector method and three-phase average current method can accurately diagnose IGBT open circuit fault and perform fault location, but wrong diagnosis often occurs in sudden loading or sudden load reduction conditions. The proposed normalization method solves the dynamic wrong diagnosis problem by normalizing the motor current average value according to fundamental component. Experiments based on dSPACE platform demonstrate the validity of the proposed method.
KEY WORDS: inverter; fault diagnosis; IGBT open circuit
摘要：对变频器逆变桥 IGBT 开路故障诊断方法做了对比研 究，比较了平均电流 Park 矢量法、三相平均电流法和本文 提出的基于傅里叶变换的归一化方法，实验结果表明，平均 电流 Park 矢量法和三相平均电流法在稳态时可准确地进行 IGBT 开路故障诊断，定位故障管，但在突加、突减负载时 易出现误诊断，本文提出的方法将电机电流平均值对基波分 量进行归一化，解决了动态时误诊断问题，并采用基于 dSPACE 的系统平台证实了该方法的有效性。
变频器 功率板
故障模拟及 驱动控制
图 1 硬件平台示意图 Fig. 1 Diagram of hardware platform
计算机插槽中插入型号为 DS1104 的 dSPACE 卡，其中集成了 SVPWM 单元、中断控制器、IO 接口、AD 及 DA 转换、定时器等模块，其基于 Matlab/Simulink 设计并实现与之无缝连接，并提供 了方便易用的实现代码生成/下载的试验调试软件 环境 ControlDesk，在整个系统中担任控制器。
产工艺的连续性不允许系统停机，否则将意味着巨 大的经济损失。特别是在一些特殊的应用场合，如 自动化和宇宙空间系统、核能和危险的化学工厂 中，更不允许逆变器因故障停机。由于系统可自动 维护性、生存能力等指标的要求明显提高，近年来 对具有容错能力的控制系统的研究得到了更多的 关注[1-4]。高故障容限控制系统应迅速地进行故障分 析，故障后主动重构系统的软硬件结构，实行冗余、 容错等控制策略，确保整个系统在不损失性能指标 或部分性能指标降低的情况下安全运行，规避异常 停机所造成的巨大经济损失，满足某些特殊行业的 需求。实现高故障容限控制系统的前提条件是准确 的故障诊断，只有准确定位故障，才能据此进行容 错控制，本文将对逆变器中 IGBT 的开路故障诊断 展开研究。
⎨ ⎪⎩
I
β
= (Ib
− Ic) /
3
(1)
然后计算 Iα 和 Iβ 一个周期之内的平均值：
∑ μv
=
1 N
N
iv (n)
n =1
(v = α, β )
(2)
于是可得到平均电流 Park 矢量的模和相角为
⎧⎪μ = μ = ⎨
μα2 + μβ2
变频器 IGBT 开路故障诊断方法
于泳，蒋生成，杨荣峰，王高林，徐殿国
(哈尔滨工业大学电气及自动化学院，黑龙江省 哈尔滨市 150001)
IGBT Open Circuit Fault Diagnosis Method for Inverter
YU Yong, JIANG Shengcheng, YANG Rongfeng, WANG Gaolin, XU Dianguo
故障模拟及驱动接口板用于提供 dSPACE 卡与 变频器功率板的接口，如图 2 所示。将 dSPACE 卡 发出的 PWM 信号经驱动隔离后传至变频器功率 板，并将变频器功率板检测的母线电压、相电流等
信号经预处理之后反馈给 dSPACE。该板具备模拟 IGBT 开路故障的功能。IGBT 开路故障的模拟采用 了用模拟开关断开驱动信号的方式，由 dSPACE 卡 发出信号 con1~6，控制模拟开关为导通状态还是高 阻状态，可将欲开路的 IGBT 对应的驱动信号接至 无效电平，人为使该 IGBT 处于常断状态，等同于 该 IGBT 开路故障。整个系统相当于一个以 dSPACE 为核心的具有故障诊断功能的变频器。
含 dSPACE 卡的计算机
故障 模拟板
变频器
码盘
电机对拖平台
图 3 实验平台照片 Fig. 3 Picture of experiment platform
2 IGBT 开路故障诊断方法及实验结果
2.1 平均电流 Park 矢量法[11]
首先对三相电流 Ia，Ib，Ic 进行 Park 变换：
⎧⎪Iα = Ia
pwm1
pwm2
pwm3 pwm4
pwm5 变 pwm6 频
器
功 Fault1
率
Fault2 Fan
板 Relay
故障模拟及驱动接口板 模拟开关
pwm1
1 实验平台
本文搭建了基于 dSPACE 实时仿真系统的硬件 平台，如图 1 所示。应用了一台国内某变频器厂家 生产的变频器，其变频器由控制板、功率板以及 IGBT 模块和整流部分组成，控制板完成 SVPWM 驱动信号的生成、矢量控制算法等功能；功率板含 IGBT 的驱动、开关电源等功能模块。为了验证本 文中提出的故障诊断方法，本平台放弃该变频器的
第9期
于泳等：变频器 IGBT 开路故障诊断方法
31
大的事故。检测出某 IGBT 开路后，才可以采用桥 臂冗余[5-8]、四开关[9]等方式继续安全容错运行。归 纳国内外学者在 IGBT 开路故障诊断方法上所展开 的研究，主要有专家系统法、电流检测法和电压检 测法三种。专家系统法[10-12]基于经验积累，将可能 发生的故障一一列出，归纳出规律并建立知识库， 当发生故障的时候只需要观测故障现象，查询知识 库即可判断故障类型，难点在于难以穷尽所有的故 障现象并得到完备的故障知识库，而有些故障模态 往往与变频器正常运行时的某种状态时非常相似， 造成了难以准确匹配故障。电压检测法[13]通过考察 变频器故障时电机相电压、电机线电压或电机中性 点电压与正常时的偏差来诊断故障。只需要四分之 一基波周期便能检测出故障，大大缩短了诊断时 间，只是这种方法需要增加电压传感器，通用性差。 电流检测法最为常用，其又派生出平均电流 Park 矢量法[14-15]、单电流传感器法[16]和电流斜率法[17] 等，平均电流 Park 矢量法以 Coimbra 大学的 J.A.A Caseiro 教授发表的几篇文章为代表。该方法在 α − β 坐标系下进行，通过 3-2 变换得到 Iα 和 Iβ ， 在一个电流周期内求其平均值，根据平均值求得平 均电流 Park 矢量。故障出现时 Park 矢量将不为零， 通过判断其幅值和相位确定哪只 IGBT 出现故障。 平均电流 Park 矢量法的缺点在于其对负载敏感，负 载不同情况下，Park 矢量电流大小不同，会造成评 价故障的标准不统一。电流矢量斜率法根据故障前 后定子电流矢量轨迹斜率的不同来诊断故障，缺点 在于该方法极易受到干扰而导致误判。
DSPACE 卡
Iu, Iv, Iw 障模拟及驱动接口板框图 Fig. 2 Diagram of the fault simulation and
drive interface board
32
中国电机工程学报
第 31 卷
如图 3 所示，2 台 1.1 kW 异步电机同轴硬连接， 异步电机 1 工作在电动方式，由 dSPACE 卡及驱动 控制板驱动；异步电机 2 为陪试电机，由一台 ABB 变频器驱动，工作在恒转矩方式，为异步电机 1 加载， 两侧直流母线并联，实现电动部分和发电部分的能量 流动。故障模拟及驱动接口板提供 dSPACE 卡和变 频器功率板的接口。本文中实验均基于此平台。
控制板不用，采用 dSPACE 硬件实时仿真系统替代 之，完成原控制板的相应功能。为了完成 IGBT 开 路故障的模拟和建立 dSPACE 与变频器功率板的接 口，设计了一块故障模拟及驱动接口板。
计算机 Simulink
变频器 Matlab/Simulink
dSPACE 卡
异步 电机 2
异步 电机 1
(School of Electrical Engineering and Automation, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, Heilongjiang Province, China)
ABSTRACT: Inverter IGBT open circuit fault diagnosis methods are comparatively studied, through comparison of the average current Park vector method, three-phase average current method and the proposed normalization based on Fourier transform method, experimental results show that the average current Park vector method and three-phase average current method can accurately diagnose IGBT open circuit fault and perform fault location, but wrong diagnosis often occurs in sudden loading or sudden load reduction conditions. The proposed normalization method solves the dynamic wrong diagnosis problem by normalizing the motor current average value according to fundamental component. Experiments based on dSPACE platform demonstrate the validity of the proposed method.
KEY WORDS: inverter; fault diagnosis; IGBT open circuit
摘要：对变频器逆变桥 IGBT 开路故障诊断方法做了对比研 究，比较了平均电流 Park 矢量法、三相平均电流法和本文 提出的基于傅里叶变换的归一化方法，实验结果表明，平均 电流 Park 矢量法和三相平均电流法在稳态时可准确地进行 IGBT 开路故障诊断，定位故障管，但在突加、突减负载时 易出现误诊断，本文提出的方法将电机电流平均值对基波分 量进行归一化，解决了动态时误诊断问题，并采用基于 dSPACE 的系统平台证实了该方法的有效性。
变频器 功率板
故障模拟及 驱动控制
图 1 硬件平台示意图 Fig. 1 Diagram of hardware platform
计算机插槽中插入型号为 DS1104 的 dSPACE 卡，其中集成了 SVPWM 单元、中断控制器、IO 接口、AD 及 DA 转换、定时器等模块，其基于 Matlab/Simulink 设计并实现与之无缝连接，并提供 了方便易用的实现代码生成/下载的试验调试软件 环境 ControlDesk，在整个系统中担任控制器。
产工艺的连续性不允许系统停机，否则将意味着巨 大的经济损失。特别是在一些特殊的应用场合，如 自动化和宇宙空间系统、核能和危险的化学工厂 中，更不允许逆变器因故障停机。由于系统可自动 维护性、生存能力等指标的要求明显提高，近年来 对具有容错能力的控制系统的研究得到了更多的 关注[1-4]。高故障容限控制系统应迅速地进行故障分 析，故障后主动重构系统的软硬件结构，实行冗余、 容错等控制策略，确保整个系统在不损失性能指标 或部分性能指标降低的情况下安全运行，规避异常 停机所造成的巨大经济损失，满足某些特殊行业的 需求。实现高故障容限控制系统的前提条件是准确 的故障诊断，只有准确定位故障，才能据此进行容 错控制，本文将对逆变器中 IGBT 的开路故障诊断 展开研究。
⎨ ⎪⎩
I
β
= (Ib
− Ic) /
3
(1)
然后计算 Iα 和 Iβ 一个周期之内的平均值：
∑ μv
=
1 N
N
iv (n)
n =1
(v = α, β )
(2)
于是可得到平均电流 Park 矢量的模和相角为
⎧⎪μ = μ = ⎨
μα2 + μβ2
变频器 IGBT 开路故障诊断方法
于泳，蒋生成，杨荣峰，王高林，徐殿国
(哈尔滨工业大学电气及自动化学院，黑龙江省 哈尔滨市 150001)
IGBT Open Circuit Fault Diagnosis Method for Inverter
YU Yong, JIANG Shengcheng, YANG Rongfeng, WANG Gaolin, XU Dianguo
故障模拟及驱动接口板用于提供 dSPACE 卡与 变频器功率板的接口，如图 2 所示。将 dSPACE 卡 发出的 PWM 信号经驱动隔离后传至变频器功率 板，并将变频器功率板检测的母线电压、相电流等
信号经预处理之后反馈给 dSPACE。该板具备模拟 IGBT 开路故障的功能。IGBT 开路故障的模拟采用 了用模拟开关断开驱动信号的方式，由 dSPACE 卡 发出信号 con1~6，控制模拟开关为导通状态还是高 阻状态，可将欲开路的 IGBT 对应的驱动信号接至 无效电平，人为使该 IGBT 处于常断状态，等同于 该 IGBT 开路故障。整个系统相当于一个以 dSPACE 为核心的具有故障诊断功能的变频器。
含 dSPACE 卡的计算机
故障 模拟板
变频器
码盘
电机对拖平台
图 3 实验平台照片 Fig. 3 Picture of experiment platform
2 IGBT 开路故障诊断方法及实验结果
2.1 平均电流 Park 矢量法[11]
首先对三相电流 Ia，Ib，Ic 进行 Park 变换：
⎧⎪Iα = Ia
pwm1
pwm2
pwm3 pwm4
pwm5 变 pwm6 频
器
功 Fault1
率
Fault2 Fan
板 Relay
故障模拟及驱动接口板 模拟开关
pwm1
