電氣自動化專業(yè) 大功率電能變換裝置的故障診斷方法研究

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1、摘要：電能變換技術(shù)是一種將電能進行變換和控制電能的技術(shù),它利用了電力半導(dǎo)體器件來進行能量變換、電力控制和電能傳輸，被廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)、工業(yè)生產(chǎn)、交通運輸和家用電器之中。從上個世紀(jì)70年代以來，電能變換技術(shù)有突飛猛進的發(fā)展,隨著科技的不斷進步,越來越多新能跟高的電力半導(dǎo)體器件被開發(fā),人們也研究出了更多性能更優(yōu)良的電能變換裝置。它不單單促進了電能變換技術(shù)的發(fā)展,還可以促進電氣系統(tǒng)工程，電力系統(tǒng)保護繼電器技術(shù)，半導(dǎo)體材料技術(shù)，電源技術(shù)，自動控制技術(shù)，信息傳輸和處理技術(shù)的不斷改進?？傊?電能變換技術(shù)作為新能源開發(fā)、電子裝置電源的基礎(chǔ)技術(shù),已逐步發(fā)展成了一門多學(xué)科科的綜合技術(shù)，具有有廣闊應(yīng)用前景。由此

2、可見，研究大功率電能變換裝置的故障診斷有著重要意義。狀態(tài)監(jiān)測與精確故障診斷是降低大功率電能變換裝置的故障概率和其維修成本的有效方法。首先，在分析國內(nèi)外的各種故障統(tǒng)計情況的基礎(chǔ)上，找出故障診斷需要優(yōu)先關(guān)注的關(guān)鍵部件（IGBT、電解電容器）；其次，整理大功率電能變換裝置故障診斷的研究現(xiàn)狀；然后，重點研究和分析大功率電能變換裝置關(guān)鍵部件（IGBT、電解電容器）的故障失效機理與故障診斷方法；最后，提出大功率電能變換裝置狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷的研究重點以及日后的研究趨勢。 關(guān)鍵詞：電能變換、故障診斷、評估

3、 Abstract：Electric energy conversion technology is a technology that converts and controls electric energy. It uses power semiconductor devices for energy conversion, power control and power transmission. It is widely used in power system, industrial production, transportation and household appl

4、iances. Since the 1970s, power conversion technology has developed rapidly. With the continuous progress of science and technology, more and more new power semiconductor devices with high performance have been developed, and more power conversion devices with better performance have been developed.

5、It not only promotes the development of power conversion technology, but also promotes the continuous improvement of electrical system engineering, power system protection relay technology, semiconductor material technology, power supply technology, automatic control technology, information transmis

6、sion and processing technology. In short, as the basic technology of new energy development and power supply for electronic devices, power conversion technology has gradually developed into a comprehensive technology of multidisciplinary disciplines, and has broad application prospects. Therefore, i

7、t is of great significance to study the fault diagnosis of high-power power converter. State monitoring and accurate fault diagnosis are effective methods to reduce the failure probability and maintenance cost of high-power electric energy conversion devices. Firstly, based on the analysis of variou

8、s kinds of fault statistics at home and abroad, the key components (IGBT, electrolytic capacitor) which need priority attention in fault diagnosis are found out. Secondly, the research status of fault diagnosis for high-power power power converter is sorted out. Secondly, the failure mechanism and r

9、easons of key components (IGBT, electrolytic capacitor) of high-power converter are studied and analyzed emphatically. Finally, the research emphasis of condition monitoring and fault diagnosis of high-power power converter and the future research trend are put forward. Key Words：Transformation of

10、electrical energy、Fault diagnosis、Assessment 第1章 緒論 1.1課題背景及意義 自從1891年尼古拉 特斯拉發(fā)明了交流電以來,交流電因為便于生產(chǎn)和利用運輸?shù)葍?yōu)點,被人們廣泛進行利用。而大部分家用負載都使用的是直流電，在面對不同直流負載及交流傳送,電能需要在直流和交流之間變換。 隨著越來越多非線性負載的使用,電能質(zhì)量變得越來越差;而且隨著各種用電設(shè)備或單元的數(shù)字化、信息化和多樣化的發(fā)展,需要的供電種類、等級和質(zhì)量要求不斷提高。因此,我們更需要提高電能變換的質(zhì)量。 現(xiàn)代工業(yè)、交通運輸、前沿科學(xué)的

11、發(fā)展以及人類生產(chǎn)能力和生活環(huán)境的改善,都依賴于依賴于高質(zhì)量的電能。跟據(jù)統(tǒng)計。電能中的70%會經(jīng)過電能變換后才被進行使用,而隨著科技的發(fā)展,電能變換的比值將會越來越高。電力電子技術(shù)為電力工業(yè)的發(fā)展和電力應(yīng)用的改善提供了技術(shù)支持,電力電子技術(shù)主要研究的是電能形式的變換和控制,并通過電能變換裝置實現(xiàn)實際應(yīng)用。 在電能變換裝置的發(fā)展初期,把交流電變換為直流電經(jīng)歷了電子管、水印整流器、閘流管整流器的發(fā)展。1957年,美國通用電氣公司（General Electric Company）研發(fā)了硅可控整流器(Silicon Controlled Rectifier,SCR),簡稱可控硅,之后被國際電工學(xué)會正

12、式將其為命名晶閘管(thyristor)。晶閘管的問世,不僅可把交流電變?yōu)橹绷麟?，還能把直流電變?yōu)榻涣麟姾推渌厥獾碾娔苄问?。從那時起，新電力電子器件的性能不斷進行提高，并且每個都有自己的電氣特性和使用特性，用來適應(yīng)不同的應(yīng)用領(lǐng)域和電能變換裝置的設(shè)計要求。 把各種電力電子器件實用、可靠、高效地應(yīng)用于電能變換系統(tǒng),是電能變換應(yīng)用技術(shù)的研究任務(wù)。電能變換裝置是以滿足用電要求為目標(biāo),以電力半導(dǎo)體器件為核心,通過合理的電路拓撲和控制方式,使用相應(yīng)的應(yīng)用技術(shù)實現(xiàn)電能的轉(zhuǎn)換和控制。 電能變換裝置及其控制系統(tǒng)由半導(dǎo)體電力開關(guān)、控制系統(tǒng)和負載組成,它是通過弱電控制強電實現(xiàn)其功能的，向控制系統(tǒng)發(fā)出指令，控制

13、系統(tǒng)對半導(dǎo)體電力開關(guān)發(fā)送控制信號，負載對控制系統(tǒng)進行輸出反饋，半導(dǎo)體電力開關(guān)對控制系統(tǒng)反饋信息監(jiān)測。該控制系統(tǒng)基于所述運行命令和輸入/輸出的各種狀態(tài)，以驅(qū)動相應(yīng)的開關(guān)設(shè)備來執(zhí)行其特定功能的控制信號?？刂葡到y(tǒng)通常采用模擬電路或者數(shù)字電路來實現(xiàn),具有各種特定功能的集成電路和數(shù)字信號處理器DSP等器件的出現(xiàn),為簡化和完善控制系統(tǒng)提供了方便。由于實際的需求不同,所以在電器元件、電路拓撲結(jié)構(gòu)和控制方法上,應(yīng)采用不同的有策略的方案,這就要求設(shè)計人員靈活運用專業(yè)基礎(chǔ)知識，如控制理論、電子技術(shù)、計算機技術(shù)、電力電子技術(shù)等,將其恰當(dāng)?shù)慕Y(jié)合起來進行綜合設(shè)計。 隨著新型電力電子器件不斷的出現(xiàn),電能變換技術(shù)的發(fā)展

14、注入了很大活力,這些高性能元件都為電能變換裝置小型化、可靠性、智能化做出了技術(shù)支持。尤其是近幾十年來各種晶閘管（GTO）、晶體管(BJT、IGBT)的發(fā)明，脈寬調(diào)制技術(shù)(PWM)控制方法的實現(xiàn)、新型開關(guān)拓撲結(jié)構(gòu)的發(fā)明,都大力促進了新型電能變換裝置的發(fā)展,其應(yīng)用范圍從傳統(tǒng)工業(yè)，交通，電力系統(tǒng)，信息和通信，家電，自動化生產(chǎn)等領(lǐng)域，涉及國民經(jīng)濟的幾乎所有部門。 所以，為了保障電力系統(tǒng)正常運行,大功率電能變換裝置的故障診斷尤為重要，在電能變換裝置中IGBT和電解電容器是兩個重要而且容易發(fā)生故障的元件。IGBT作為新型復(fù)合全控器件，他綜合了MOSFET和BJF，開關(guān)速度快、承載電流大、承受電壓高，在電

15、能變換裝置起著重要作用。電解電容器則是電路中最基礎(chǔ)的元件之一，在各種電氣回路中都不可缺少。 1.2本文主要研究內(nèi)容 根據(jù)實際使用要求，用戶有的需要直流有的需要交流，有的需要低頻有的需要高頻。因此需要對電能進行變換，達到電能的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)后，在供給用戶使用，所以大功率電能變換裝置是生產(chǎn)生活的關(guān)鍵。此類裝置的特點是處理功率的隨機波動性，非線性很強，加上工作環(huán)境的復(fù)雜性，使得大功率電能變換裝置中功率模塊受到不平衡的電熱應(yīng)力，這容易引起老化失效等可靠性問題。降低轉(zhuǎn)換器的可靠性和設(shè)備的使用壽命。因此，可靠性問題是大功率電能變換裝置在實際應(yīng)用中需要注意的重要問題。 大功率電能變換裝置可靠性研究主要

16、包括兩個方面：可靠性評估和狀態(tài)控制?？煽啃栽u估是指分析，預(yù)測和識別組件或系統(tǒng)在給定時間間隔內(nèi)和特定條件下持續(xù)實現(xiàn)其功能的能力的一系列工作，包括轉(zhuǎn)換器狀態(tài)監(jiān)測，故障診斷，壽命預(yù)測等。研究內(nèi)容。在可靠性研究中，平均故障間隔時間通常用于測量設(shè)備可靠性。平均故障間隔時間是指從設(shè)備運行到故障的平均時間，反映了產(chǎn)品的時間質(zhì)量以及在指定時間內(nèi)維持產(chǎn)品功能的能力。狀態(tài)監(jiān)測是指檢查和評估運行中的電力電子設(shè)備的技術(shù)狀態(tài)，以確定其運行是否正常，是否存在異常和惡化跡象，或跟蹤異常情況，預(yù)測惡化趨勢，以及確定是否有必要采取相應(yīng)措施的活動。狀態(tài)監(jiān)測的目的是防止故障，減少停機時間，降低維護成本并提高設(shè)備利用率。狀態(tài)監(jiān)測是設(shè)

17、備可靠性評估，故障診斷和壽命預(yù)測的基礎(chǔ)。 IGBT因工作長期工作在大電流和大電壓的環(huán)境之下，容易因大電流和高電壓導(dǎo)致橋臂直通短路和負載側(cè)短路短路。如果無法及時對IGBT的故障進行診斷，對大功率電能變換裝置的正常工作影響重大。根據(jù)數(shù)據(jù)表明，電解電容器的故障率大約為60%，故障率相當(dāng)高，需要重點對其進行故障檢測。 第2章 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與故障特征量分析 2.1主要電能變換裝置系統(tǒng) 2.1.1AC-DC電能變換系統(tǒng) AC-DC轉(zhuǎn)換器也被稱為整流器?？煽卣麟娐吠ǔＳ山涣麟娫?或整流變壓器二次側(cè))、整流主電路濾波電抗器、負載及

18、控制電路等基本環(huán)節(jié)組成。其最基本的工作原理是:整流電路從工頻電網(wǎng)吸收電能,通過整流電路轉(zhuǎn)換成直流電能輸送到負載,為了限制輸出電流的脈動,保證輸出電流的連續(xù),改善整流裝置供電的負載特性,在裝置的輸出電路中接人與負載串聯(lián)的濾波電抗器,控制電路實現(xiàn)整流輸出電壓按指令值調(diào)節(jié),以滿足負載的需求。 在實際應(yīng)用中,對一個可控的整流裝置的基本技術(shù)要求為直流輸出電壓可以在很寬的范圍內(nèi)調(diào)整,電壓的諧波含量被控制在規(guī)定范圍內(nèi),負載電流波動小,并且整流器具有很強的負載承載能力。在交流電源側(cè)的功率因數(shù)高，而在當(dāng)前的諧波電流可以在允許范圍內(nèi)進行控制。充分和合理利用的額定電壓和電流分量的最大化整流元件的導(dǎo)通時間。防止變壓

19、器直流磁化，提高變壓器的工作效率。 三相半波可控電路 2.1.2DC-AC電能變換系統(tǒng) DC-AC轉(zhuǎn)換器也被稱為逆變器。它的作用是將直流電變換為交流電。根據(jù)輸出電壓和頻率的變化，可分為兩種類型：恒壓恒頻（CVF）和變壓變頻（VF）,恒壓恒頻逆變器用作穩(wěn)壓電源,變壓變頻逆變器用于交流電機變頻調(diào)速系統(tǒng)。逆變器產(chǎn)品主要基于SPWM（正弦脈沖寬度調(diào)制Sinusoidal Pulse- Width Modulation）控制方法。目前的研究重點是輸出控制技術(shù)、軟開關(guān)技術(shù)和并聯(lián)控制技術(shù)。 逆變技術(shù)除了電能轉(zhuǎn)換的基本任務(wù)之外，變頻技術(shù)還具有節(jié)能低耗的顯著的優(yōu)點，因而在當(dāng)今世界能源緊缺的情況下

20、，逆變技術(shù)有著深遠而顯著意義和廣闊的發(fā)展前景。 三相電壓型橋式逆變電路 2.1.3AC-AC電能變換系統(tǒng) AC-AC變換器的作用是將一種規(guī)格的交流電變換為另一種規(guī)格的交流電，對電壓、電流和頻率等進行改變。不對頻率進行改變的稱為交流電力控制電路,輸入和輸出頻率不同的稱為變頻電路。AC-AC變換器主要使用晶閘管進行控制,主要用于亮度調(diào)節(jié)、溫度調(diào)節(jié)及低速大容量交流電機調(diào)速系統(tǒng)。對于中、小容量電機的驅(qū)動變頻器主要應(yīng)用全控器件,采用交一直一交的接轉(zhuǎn)換方式。近年來提出了基于PWM理論的矩陣變頻方法，這種方法頻率不受電網(wǎng)影響，功率因數(shù)為1，效率十分可觀。 常用的交一直一交PWM變頻器主

21、電路結(jié)構(gòu)如圖所示,左側(cè)是不可控整流橋，將三相交流電整流成電壓恒定的直流電壓，右側(cè)為逆變器，它將直流電壓變換為頻率與電壓都可調(diào)的交流電；中間的濾波環(huán)節(jié)的目的是為了減小直流電壓波動。這種交一直一交PWM變頻器主回路只有一套可控功率級,其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，控制方便,采用脈寬調(diào)制的方法,輸出諧波分量小,其缺點是當(dāng)電機處于回饋制動狀態(tài)時無法將能量進行回饋。目前,出現(xiàn)了高性能的變頻器,他的整流部分使用了全控型器件,就解決了電機制動時不能將能量回饋電網(wǎng)的問題,并能提高功率因數(shù)。 交一直一交PWM變頻器電路 2.1.4DC-DC電能變換系統(tǒng) DC-DC變換器的作用是將一種規(guī)格的直流電變換為另一

22、種規(guī)格的直流電。采用PWM控制的DC-DC交換器被稱為直流斬波器,主要用于直流電機驅(qū)動器和開關(guān)電源。在最近幾年開發(fā)的軟開關(guān)DC-DC變換器已經(jīng)顯著降低開關(guān)損耗和功率器件的電磁干擾,大大增加了開關(guān)電源效率,有利于變換器向高效，小尺寸和低噪聲的方向發(fā)展。 降壓斬波電路又叫Buck變換器，電路原理圖所示,Buck變換器的工作原理為:當(dāng)有源開關(guān)v導(dǎo)通時,無源開關(guān)VD因反偏而截止,此時輸入給輸出濾波電感儲能(或勵磁),向負載提供能量;當(dāng)有源開關(guān)V截止后,由于電感電流無法突變,故使無源開關(guān)VD正偏而導(dǎo)通,此時電感電流經(jīng)二極管續(xù)流,其儲存的能量供向負載,并由輸出電壓對其進行去磁。輸出濾波電容主要用

23、來限制輸出電壓上的開關(guān)頻率紋波分量,使之遠小于穩(wěn)態(tài)的直流輸出電壓。 Buck變換器電路 升壓斬波電路又叫Boost變換器，電路原理如圖所示,Boost變換器的工作原理為:當(dāng)有源開關(guān)V導(dǎo)通時,無源開關(guān)VD因反偏而截止,此時輸入給濾波電感儲能(或勵磁),負載能量由輸出濾波電容提供;當(dāng)有源開關(guān)V截止時,由于電感電流無法突變,故使無源開關(guān)VD正偏而導(dǎo)通,此時電感電流經(jīng)二極管續(xù)流,其儲存的能量除了向負載供電外,還補充輸出濾波電容在前一間隔中損失的能量,并由輸出電壓和輸入電壓的差對電感進行去磁。 Boost變換器電路 2.2主要部件故障原因 2.2.1大功率IGBT的故障 絕

24、緣柵極雙極性晶體管-IGBT主要應(yīng)用在大功率電能量變換裝置中，因為它通態(tài)壓降小、可承受電壓大、載流能力強等特點，成為了實際應(yīng)用的主導(dǎo)器件。IGBT模塊如果沒有能及時在短路故障后進行保護工作，該設(shè)備可能會被損壞，甚至造成經(jīng)濟損失和安全事故。在大功率電能量轉(zhuǎn)換裝置中，IGBT 經(jīng)常在高電壓、大電流的條件下工作。橋臂直通短路被稱作硬短路，負載側(cè)短路被稱作軟短路，這兩種短路和超過規(guī)定的集電極電流所引發(fā)的擎住效應(yīng)是導(dǎo)致IGBT 故障的主要原因。如果不能及時檢測故障并進行故障保護，就會導(dǎo)致IGBT的永久性損壞，這很大程度上降低了系統(tǒng)可靠性，特別是對于故障影響嚴(yán)重、維修成本高的大功率電能變換裝置。

25、 美國電源集成公司POWI（瑞士Concept公司）的1SD536F2型IGBT門極驅(qū)動器使用退飽和檢測電路可進行對IGBT的短路保護，但檢測電路的保護是在IGBT導(dǎo)通8.5μs后再進行退飽和檢測，在IGBT 退飽和電壓大于50 V 時才能檢測出故障。對于IGBT的軟短路故障，此時IGBT導(dǎo)通壓降在集電極電流非常大時仍處于較低的水平，這種情況 Concept驅(qū)動器就不能檢測出故障，而 IGBT在此種條件下運行將容易出行故障；對于橋臂直通硬短路故障，IGBT在導(dǎo)通后約2~3μs就可能進行退飽和，這種情況如果仍在8.5μs后才開始檢測，期間的高電壓對IGBT的損耗將非常大，就算成功檢測成功完成了安

26、全關(guān)閉， IGBT 的工作性能的壽命也將大打折扣。Concept驅(qū)動器的1SD312F2-CM90HB-90H使用阻容分壓電路來進行短路故障的檢測，如果檢測出電壓值超過680 V，就算作驅(qū)動器檢測出短路故障，驅(qū)動器將立刻反應(yīng)對IGBT進行關(guān)斷。從 Concept 驅(qū)動器說明書中對短路故障檢測及保護響應(yīng)時間的說明可以看出其響應(yīng)時間高于使用常規(guī)退飽和檢測1SD536F2系列驅(qū)動器。由于這種阻容分壓網(wǎng)絡(luò)檢測電路的理論基礎(chǔ)依據(jù)仍然是短路故障下IGBT退飽和相關(guān)理論，二者都同樣難以實現(xiàn)軟短路故障檢測及保護。 IPS-INPOWER公司生產(chǎn)的IGBT門極驅(qū)動器通過檢測大功率 IGBT 集電極電

27、流變化率（）實現(xiàn)對大功率IGBT 硬短路故障的故障保護，通過多級退飽和檢測實現(xiàn)對大功率IGBT的短路保護。IPS公司型號為1IPSE1S45-100的數(shù)字驅(qū)動器用于三菱IGBT模塊CM900HB的硬短路故障檢測時，驅(qū)動器在IGBT短路發(fā)生2.16μs左右就能檢測出故障，加快了短路故障檢測的速度，但故障檢測方法主要適用于小電感短路故障，在面對大電感短路時也存在檢測盲區(qū)，其多級退飽和檢測也不容易實現(xiàn)IGBT軟短路故障的快速識別，所以這種短路保護方法不完善。 綜上所述，IGBT故障檢測的保護方法仍有待進一步完善，Concept等電氣公司對于IGBT 軟短路等故障實際上并不能真正實現(xiàn)快速保護

28、，硬短路故障也存在有盲區(qū)。對于IGBT短路故障，一般IGBT的功率模塊可以承受10μs時間的短路，因此如果能在10μs內(nèi)快速檢測出故障并采取對相應(yīng)的保護措施就可避免故障發(fā)生或擴大故障范圍，來降低經(jīng)濟損失或人員傷亡。因此，IGBT短路故障的有效檢測識別對大功率電能量轉(zhuǎn)換裝置的保護和安全運行都至關(guān)重要。 由于主要執(zhí)行IGBT短路測試，因此這里有必要簡要描述一下IGBT短路故障的類型和測試方法。IGBT 短路故障主要可分為硬短路、軟短路和軟硬混合短路故障三種情況。其中橋臂內(nèi)發(fā)生短路為硬短路，短路回路電感很??；橋臂間短路、相間短路或相對地短路為軟短路，短路回路中的電感量稍大一點；發(fā)生硬短路期間再發(fā)生

29、軟短路故障就是軟硬混合短路故障。IGBT發(fā)生三種短路故障的共有特點是IGBT會出現(xiàn)退飽和現(xiàn)象，就是在IGBT導(dǎo)通時，集電極電壓會快速上升到直流母線電壓一致，而IGBT過電流則不會。 IGBT 短路測試電路 IGBT 短路測試電路如圖所示，交流220V電壓同過斷路器、自耦調(diào)壓器、升壓變壓器、整流器，對短路測試平臺支撐的電容器進行充電，充電完成后，斷開斷路器，開始進行測試。IGBT的硬短路測試，使用單相半橋電路進行測試，把粗短銅模短和管集電極-發(fā)射極進行連接，保證IGBT處于關(guān)斷狀態(tài)，給下管 IGBT 發(fā)送脈沖進行測試。這種類型的短路標(biāo)志是在IGBT導(dǎo)通之后，IGBT集電極電壓不會下降到飽

30、和導(dǎo)通電壓降范圍，并且IGBT直接進入去飽和階段。對于軟短路試驗，基于上述試驗方法，將粗短銅模調(diào)整到一定長度的焊絲進行試驗。這種類型的短路標(biāo)志是在IGBT導(dǎo)通之后，IGBT集電極電壓將下降到約2-4V的飽和導(dǎo)通電壓降值，然后將發(fā)生去飽和。軟硬混合短路故障是這兩種短路故障的組合。 （1）“軟短路”故障狀態(tài)的識別和檢測方法 “軟短路”故障一般會發(fā)生在IGBT處于導(dǎo)通狀態(tài)的情況下，當(dāng)“軟短路”故障發(fā)生時，短路回路的范圍很大，感抗較大，短路電流上升過程比較緩慢。在短路故障過程中，集電極電流會進行上升，上升速度由母線電壓和短路阻抗大小來決定。當(dāng)電流上升到由IGBT跨導(dǎo)和門極電壓共同決定的水平后，IG

31、BT就會發(fā)生退飽和，集電極電壓會上升。于此同時，會產(chǎn)生位移電流，也會開始上升，的上升又導(dǎo)致集電極電流上升，最后集電極會有很大的電流通過，集電極遭受大電流可能會導(dǎo)致IGBT出現(xiàn)擎住效應(yīng)和暫時性失效。由上述分析可知，如果沒有關(guān)斷信號，IGBT就退出飽和區(qū)，就會上升并超過安全限制電壓，這種情況可以認(rèn)為是“軟短路”故障的標(biāo)志。在軟短路故障發(fā)生時，集電極電壓和集電極電流的關(guān)系會遵循IGBT的輸出特性曲線，我們可以依據(jù)IGBT承受短路電流的能力來設(shè)計安全限制電壓。因此，檢測集電極的電壓是軟短路故障的檢測要點。 （2） “硬短路”故障狀態(tài)的識別和檢測方法 “硬短路”（“橋臂短路”）通常會在IGBT的截止

32、狀態(tài)時發(fā)生，假如IGBT在硬短路狀態(tài)下開通，那么IGBT的集電極電流將會大幅上升。它的主要特征為感抗很小，短路回路路徑很短，短路電流大幅上升。和軟短路相比，因為短路電流過大，需要更快的減小電流，所以硬短路的故障狀態(tài)需要被快速檢測。在發(fā)生硬短路時，IGBT集電極-發(fā)射極的電壓會快速下降，之后重新升高到與直流母線電壓一致，其變化沒有像軟短路一樣的退飽這一現(xiàn)象，因此檢測軟短路的檢測電路的的速度無法及時的對硬短路故障做出反應(yīng)，需要更加快速的檢測方法。依據(jù)以上的分析可以發(fā)現(xiàn)，硬短路故障的電流會發(fā)生劇烈的變化，即在短路時很高，我們可以利用大功率IGBT發(fā)射極E與輔助發(fā)射極e兩端的壓降的大小和存在正比關(guān)系。

33、所以，可直接對幅值進行檢測進而反應(yīng)硬短路的故障狀態(tài)。 2.2.2電解電容器的故障 電解電容器是電力系統(tǒng)中一個基礎(chǔ)且重要的電器元件，它作用是改善供電功率因數(shù)。電解電容器得應(yīng)用情況十分廣泛，它的正常運行保證網(wǎng)供電質(zhì)量，所以電解電容器的故障診斷尤為重要。以下為電解電容器的一些常見故障情況。 （1）電容器擊穿故障 如果電容器被擊穿，那么電容器就無法正常的隔斷直流電。在不同的電路電容器擊穿后的電路的具體故障現(xiàn)象是不同的。但相同的是電路無法進行正常的直流工作，也會影響電路的交流工作狀態(tài)。 （2）電容器漏電故障 電容器發(fā)生漏電的故障的原因大多是電容器兩極間的絕緣性能發(fā)生下降，當(dāng)電容器出現(xiàn)漏電

34、時，由于兩極之間的漏電阻，會有一部分直流電流通過電容器，同時電容器的容量發(fā)送下降。如果耦合電容器發(fā)生漏電故障，就會使電路噪聲大。如果濾波電容器發(fā)生漏電故障，電源的直流輸出電壓將會下降，濾波效果明顯減弱。輕微漏電故障常常會導(dǎo)致電路的軟故障，通常很難被檢測。電容器漏電故障的高發(fā)情況是工作頻率比較高的電路。 （3）電容器軟擊穿故障 電容器擊穿是一次性被直接擊穿，造成電容器永久損壞，但電容器的軟擊穿故障是在工作情況下暫時出現(xiàn)擊穿故障，一段時間后故障會回復(fù)。這種故障在檢測時不容易被發(fā)現(xiàn)，如果測量電容器兩端的直流電壓會為0V。軟擊穿故障可能出現(xiàn)電容器溫度上升，工作電壓變大的間接信號。 （4） 運行溫

35、度問題 　　對電解電容器工作影響最大的就是溫度。如果電容器的工作溫度增加10℃，那么電容器的電容大小將以兩倍的速率下降。在高電場強度和高溫下，電容器長期運行將導(dǎo)致電介質(zhì)老化，導(dǎo)致電容器的內(nèi)部溫升超過允許值并產(chǎn)生熱量，從而縮短電容器的使用壽命。在嚴(yán)重的情況下，在高電場強度的作用下會導(dǎo)致電容器的擊穿。為防止電容器因工作溫度過高而降低工作壽命并降低電容，應(yīng)在運行期間隨時注意工作溫度。應(yīng)盡對電容器進行通風(fēng)處理，便于電容器的散熱。為了防止電容器因溫度過高引起的內(nèi)部膨脹進而造成損壞，通常規(guī)定當(dāng)環(huán)境溫度超過+ 300℃時應(yīng)打開通風(fēng)裝置;當(dāng)空氣溫度為+40℃時，電容器外殼溫度不得超過+ 55℃;當(dāng)空氣溫度超

36、過+ 400℃時，電容器應(yīng)停止運行。 電解電容器的兩端的電壓會工作過程中進行波動變化，進行充電和放電，從而產(chǎn)生電流，這種電流就叫做波紋電流。電解電容器的故障不僅與環(huán)境溫度的高低有關(guān)，還與紋波電流的大小有關(guān)系。電解電容器的等效串聯(lián)電阻ESR和波紋電流有關(guān)，ESR大小影響著紋波電流在電解電容器中的發(fā)熱程度，ESR的值和發(fā)熱量成正比。法熱對電解電容器的使用壽命嚴(yán)重很大 ，因此，由紋波電流產(chǎn)生的熱損耗是影響電解電容器使用壽命的重要因素。紋波電流就是流過電解電容器的交流分量電流，它受環(huán)境溫度和交流頻率的影響，根據(jù)環(huán)境溫度的不同，紋波電流的最大值也會改變。在工作溫度保持不變時，流過的紋波電流越大，

37、電解電容器的使用壽命越短。 波紋電流額定值是在定義復(fù)雜的，不同的廠商有不同的考慮。然而，基本的定義原理基本相同，只不過因為廠家生產(chǎn)條件、技術(shù)水平和生產(chǎn)工藝不同，所以給出的數(shù)據(jù)中對紋波電流額定值都有所保留，也就是說廠家給出的其能夠承受的紋波電流比實際的紋波電流最大值要小一些，這提高了電容器工作的可靠性。以紋波電流額定值定義上的共性，目的是為了通過對其額定值制定過程的了解，找出提高紋波電流承受能力的最大值，提高電容器的利用率。 電容器紋波電流的最大值為： ---

38、最大允許紋波電流，即紋波電流額定值； ESR---等效串聯(lián)電阻； ---功率損耗的最大值。 而由下面的公式?jīng)Q定： ---最大允許溫升，也就是內(nèi)部核心溫度與環(huán)境溫度的最大差值； ---電容器內(nèi)部核心到外界環(huán)境的熱阻。 由上面紋波電流額定值的定義中可以發(fā)現(xiàn)，決定紋波電流額定值的因素ESR和都與溫度有關(guān)。這反應(yīng)了紋波電流額定值也與溫度有關(guān)，由前面的公式分析可知，限定最大允許溫升為10℃，基本不變，那么紋波電流額定值就只與ESR有關(guān)。但是實際情況不一定這樣，因為不同額定工作溫度下，最大允許升溫是不同的，一般額定工作溫度與最大允許溫升成反比。電容器在實際使用中，為了可靠性考慮，一般電容中

39、的紋波電流為其額定值的80%。所以我們需要對電容器廠家給出的紋波電流額定值進行計算，以便得到真實的數(shù)據(jù)。 紋波電流額定值的計算系數(shù)入表： 100HZ 120HZ 1K 10K 20K 40K 100K 0.3 0.32 0.5 0.6 0.7 0.8 1.0 第3章 故障診斷算法研究 3.1幾種IGBT短路故障診斷方法 3.1.1常規(guī)退飽和電路檢測方法 Concept驅(qū)動器的常規(guī)去飽和檢測電路

40、 該圖顯示了Concept驅(qū)動器的常規(guī)去飽和檢測原理。當(dāng)IGBT導(dǎo)通時，如果集電極電壓和二極管電壓降之和小于+60V電源電壓，電流源IS將通過二極管VD、IGBT集電極到發(fā)射極形成一個回路，從而測試點a會電位隨著變化，進行IGBT去飽和測試。在接收到8.5μs的導(dǎo)通命令，即Q1關(guān)閉后，測試點a的電壓高于參考電壓，驅(qū)動器輸出短路故障狀態(tài)。故障檢測響應(yīng)時間為9.9-10.5μs。 短路故障下的IGBT退飽和為，在發(fā)生短路故障后，短路電流會大幅上升，同時IGBT的溫度也會上升，由于IGBT的阻抗與溫度成正比，所以IGBT會退出導(dǎo)通狀態(tài)，從飽和區(qū)進入有源區(qū)，結(jié)束退飽和過程。Concept 驅(qū)動器根

41、據(jù)檢測短路時集電極電壓上升來對IGBT的退飽和過程進行判斷 ，從而判斷短路障的發(fā)生。 IGBT退飽和過程 該圖顯示出了電路的測量點a和b之間，當(dāng)IGBT正常導(dǎo)通時的輸出波形，也就是Concept去飽和檢測電路的波形。從圖中可以看出，在正常的傳導(dǎo)過程中，Concept去飽和檢測電路存在一個6μs左右持續(xù)時間的干擾電壓，這就是為什么直到它接收到開通命令8.5μs后才開始故障檢測的原因。 橋臂直通硬短路，散雜電感大 橋臂直通軟短路，散雜電感大 橋臂直通硬短路，散雜電感小 橋臂直通軟短路，散雜電感小 單個IGBT硬短路，散雜電感小 單個IGBT軟

42、短路，散雜電感大 在設(shè)定的10μs短路時間內(nèi)，Concept退飽和檢測電路的輸出電壓沒有都超過門限電壓 50 V，這和短路電流在IGBT內(nèi)部寄生電感產(chǎn)生的感生壓降有關(guān)。 短路故障的理論和大量實驗測試表明，Concept退飽和檢測電路存在著局限性， Concept退飽和檢測電路的缺陷為： （1） 響應(yīng)時間過長 目前普遍使用的大功率IGBT器件一般最久能夠承受10μs短路電流，所以短路故障需要在10μs之內(nèi)得到檢測并進行關(guān)斷。而Concept驅(qū)動器的響應(yīng)時間和IGBT的最大承受時間10μs一樣，IGBT器件存在被燒毀的風(fēng)險。 Concept 驅(qū)動器檢測時間長主要存在兩個主要

43、問題，一個是正常工作時檢測電路波形存在干擾，為避免這種干擾，就需要在8.5μs后才開始檢測。另一個是為了避免出現(xiàn)故障情況被錯誤判斷，電路測試點a處一般會加上RC電路進行延時處理，因此波形滯后于實際的波形。 （2） 如果退飽和過程沒有發(fā)生就無法進行短路故障 在測試中，存在短路工況IGBT導(dǎo)通壓降沒有高壓規(guī)定電壓，就不會有退飽和過程發(fā)生。IGBT出現(xiàn)短路故障時在10μs不會一定伴隨著退飽和過程。因此單純依靠退飽和電路不一定在10μs內(nèi)檢測出所有的短路故障狀態(tài)，這一點時故障檢測和保護的一個嚴(yán)重的漏洞。 3.1.2IGBT集電極電壓分立檢測 完成對IGBT集電極電壓的測量電路如圖，圖中的作

44、用是測量IGBT集電極電壓的開關(guān)暫態(tài)和IGBT關(guān)斷時的電壓，的作用是幫助完成IGBT集電極電壓導(dǎo)通穩(wěn)態(tài)電壓的測量，是集電極電壓的值。電流源與相同，當(dāng)IGBT導(dǎo)通時，二極管VD1正偏導(dǎo)通，和二極管VD2流過的電流相同，這時差分放大電路的輸出電壓與IGBT兩端電壓相同；在IGBT開關(guān)暫態(tài)及關(guān)斷穩(wěn)態(tài)時，通過阻容分壓電路，其經(jīng)運算放大器阻抗隔離后的電壓與集電極電壓關(guān)系為 IGBT集電極電壓分立檢測電路 測試主要為了得到IGBT在正常導(dǎo)通時、軟短路時、硬短路時和軟硬混合短路情況下的各種脈沖波形。是IGBT的集電極電壓，為的IGBT集電極電流，/4就是把集電極電流縮小4倍。 測試裝置

45、 使用不同得負載進行本次測試，測試脈沖如下圖： IGBT正常情況測試脈沖 IGBT單管硬短路或軟短路測試脈沖 IGBT雙管同時硬短路測試脈沖 IGBT軟硬管混合短路測試脈沖 因為IGBT集電極的導(dǎo)通電壓數(shù)值不大，不便于在圖中進行清楚地顯示，因此測得的導(dǎo)通壓降電路的輸出電壓放大了200倍;；集電極開關(guān)暫態(tài)電壓及關(guān)斷穩(wěn)態(tài)電壓測量電路輸出電壓為根據(jù)阻容分壓比對IGBT實際的集電極電壓進行了縮小，所以需要在計算中根據(jù)阻容分壓比進行還原，以便真實反映IGBT集電極電壓大小情況，還原后分別用、進行表示。 在母線電壓為2kV的情況下，

46、使用IGBT單管硬短路或軟短路測試脈沖，負載為0.32mH、0.5mH和1mH的測試結(jié)果如下圖： 全圖 第1個脈沖開通暫態(tài) 第2個脈沖開通暫態(tài) 可以看出的是，在第1個脈沖開通暫態(tài)，導(dǎo)通壓降下降到2.5V約使用了5μs，下降到50V以內(nèi)約使用了1μs；在第2個脈沖開通暫態(tài)（穩(wěn)態(tài)集電極電流1.5-2KA），降到5V約使用了8μs，幅值在其開通后，延遲下降的時間隨集電極電流的增加而加長，這一點為IGBT軟短路故障檢測提供了機會，但因為延遲時間大約為10μs，所以還是存在IGBT短路故障的盲區(qū)，但是可以用于IGBT過電流故障檢測。從開關(guān)暫態(tài)波形分析得出，能完美地反應(yīng)實際集電極電

47、壓的變化，在IGBT開通約2μs后，幅值小于50V。 在使用測試裝置分別在1.5KV,1.8KV和2.0KV的電壓下進行測試的結(jié)果如下： 單管硬短路測試結(jié)果 雙管硬短路測試結(jié)果 單管軟短路測試結(jié)果 軟、硬混合短路測試結(jié)果 從單管硬短路測試結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，在IGBT開通2μs后，幅值約為700V，正常在無電流下開通暫態(tài)值小于50V，這個值遠大于正常情況。所以在IGBT開通暫態(tài)的過程中，可以較好地跟蹤集電極電壓的變化，所以可以利用檢測來實現(xiàn)單管硬短路故障的快速識別。 從雙管硬短路測試結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，幅值在IGBT導(dǎo)通3μs后達到500V，這個超出了正常工作情況下的

48、導(dǎo)通壓降值，所以可以利用檢測幅值實現(xiàn)IGBT的保護。但這時位于集電極的電流大于8kA，不能再集電極電流較小的情況下檢測故障。 從單管軟短路測試結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，要想發(fā)現(xiàn)短路故障需要等幅值退出飽和區(qū)，在導(dǎo)通7μs左右后才達到500V，不能完成IGBT軟短路快速保護。在IGBT發(fā)生短路和導(dǎo)通之間，有著7~8μs的延遲時間，在不同負載電流下，延遲時間不一樣，所以同樣不能識別次類型短路故障。 從軟、硬混合短路測試結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)、幅值在導(dǎo)通時間 7 μs時都會上升到 500 V，我們可以利用這個時間進行檢測；硬短路測試比軟短路測試的 、幅值更高，所以可以識別這種故障。 3.1.3集電極電流檢測

49、 檢測的原理為： 為門極電流 由運算放大器的原理可以得知和的關(guān)系為： 帶入 當(dāng)IGBT處于開關(guān)暫態(tài)時，和的變化是在不同時間發(fā)生的，所以只要在暫態(tài)前，把電容復(fù)位，就能消除對的影響，公式可以改變?yōu)椋? 為 選擇合適的參數(shù)使 得到的關(guān)系。 當(dāng)上述公式在所有頻率都成立，情況下在時成立，情況下在時成立。 硬短路時集電極電流測試結(jié)果 軟短路時集電極電流測試結(jié)果 通過軟短路、硬短路測試測試結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，IGBT集電極電流的估計值的實際值趨勢基本相同，相位大致相同，但估計值幅值偏小，這說明集電極電流檢測電路的測量精度很高。在I

50、GBT關(guān)斷后，集電極電流估計值的下降比實際值更慢，因為運算放大器芯片在關(guān)短后放電，所以能過通過檢測的集電極電流來及時發(fā)現(xiàn)IGBT的短路故障，可以通過頻率范圍不同反映不同的故障情況，是故障檢測更加靈活。由于本方法直接檢測集電極電流進行短路故障分析，不存在其他方法的保護盲區(qū)。故障檢測電路由運算放大器、電容和電阻構(gòu)成，結(jié)構(gòu)簡單，組成部件常見，容易裝置在大功率電能變換系統(tǒng)中，為實現(xiàn)大功率IGBT的故障診斷提供了一種優(yōu)秀的方法。 3.2 電解電容器的故障診斷方法 3.2.1電解電容器ESR的檢測 電解電容器的故障診斷的核心問題就是檢測信號，需要找到電解電容器的一個參數(shù)來和檢測信號建立聯(lián)系，電解

51、電容的等效串聯(lián)電阻ESR是電解電容器的故障診斷的重要參數(shù)，我們將利用這個來進行電解電容器的故障診斷。 電解電容可以通過其他元件進行等效。ESR為等效串聯(lián)電阻,ESL為等效串聯(lián)電感,C為等效串聯(lián)電容,RL為電容器等效泄漏并聯(lián)電阻。因為大功率電能變換裝置一般在中、低頻工作,所以RL很小,ESL比ESR小很多,RL、ESL的影響可以不計,其等效電路模型為C和ESR的串聯(lián)。 電解電容器的等效電路 電解電容器ESR隨工作溫度、時間變化的表達式為： ESR(t)是在溫度T下電解電容器的ESR值;T是電容器內(nèi)部溫度;ESR(0)是電容初始時刻的ESR值;k為電容設(shè)計和結(jié)構(gòu)所決定的常數(shù)

52、。 ESR的大小我們沒有辦法直接測量，所以需要測量其他容易測量的值然后通過他們的ESR的大小進行計算。電容器在大功率電能變換裝置中一般進行能量儲存和變換工作,所以可以選擇電容器的輸出紋波電壓、電容電流作為檢測對象,使用FFT展開、頻域特征提取,用來計算ESR。 通過FFT頻率f下的分量為、,根據(jù)幅頻、相頻特性得到、的幅值、和相位、。等效阻抗Z的公式為： 頻率為f時，公式可以化簡為 使用此公式就可以完成對電解電容器ESR的計算，以此來進行故障診斷。 3.2.2用LS-SVM回歸預(yù)測進行故障檢測 LS-SVM是最小二乘支持向量機，它可以用于模式分類以及函數(shù)回歸預(yù)測，基本思想是通

53、過線性約束的二次規(guī)劃來得出最優(yōu)解。它常被應(yīng)用于解決小樣本、非線性等實際問題, 適用模型廣泛、預(yù)測十分精準(zhǔn)。 SVM回歸函數(shù)表達式： 最小化上述公式把不等式約束轉(zhuǎn)化成等式約束： 為誤差;C為常數(shù);為輸入樣本，為輸出樣本 建立拉格朗日方程： 根據(jù)Karush-Kuhn-Tucker定理,最后可得LS-SVM函數(shù)為： 3.2.3電解電容器故障判別方法 通過LS-SVM回歸預(yù)測，我們可以通過計算得到ESR的大小，以此來判斷電解電容器是否的故障。當(dāng)檢測出ESR的值大于設(shè)定值的3倍大小的情況下，就可以認(rèn)為電解電容器發(fā)

54、生了故障。 第四章 算例分析 使用simulink對IGBT的故障診斷進行仿真： 發(fā)生故障時的電壓波形 發(fā)生故障時的電流波形 故障診斷的脈沖信號 第五章 總結(jié) 大功率電能變換裝置在生活的應(yīng)用十分廣泛，所以研究大功率電能變換裝置的故障診斷有著重要意義。IGBT和電解電容器是大功率電能變換裝置之中重要且基礎(chǔ)的電器元件。本文就以這兩只元件著手分析大功率電能變換裝置的故障。 完成了大功率電能變換裝置中IGBT和電解電容器的故障失效機理分

55、析、常見故障原因、故障特征量檢測方法和故障診斷算法研究。 介紹的IGBT的故障診斷有常規(guī)退飽和電路檢測方法、集電極電壓分立檢測和集電極電流檢測。常規(guī)退飽和電路檢測方法存在盲區(qū)，無法檢測出所有的短路故障狀態(tài)，對故障檢測和保護有一定影響，集電極電壓分立檢測也不能應(yīng)對所有故障情況，只有集電極電流檢測方法沒有工作盲區(qū)，且檢測電路使用的元件簡易，容易加在電路中。電解電容器的故障診斷使用的是LS-SVM回歸預(yù)測對電解電容的等效串聯(lián)電阻ESR進行計算，進而判斷電解電容器的故障情況，檢測精準(zhǔn)度高，易于實現(xiàn)。

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