專利名稱：一種基于諧波監(jiān)測的變流器功率模塊在線故障診斷方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種變流器故障診斷方法，可廣泛應(yīng)用到航空、交通、冶金、新能源發(fā)電等對變流器可靠性要求很高的領(lǐng)域，尤其是涉及一種基于諧波監(jiān)測的變流器功率模塊在線故障診斷方法。
背景技術(shù)：
變流器是電能變換的裝置，它通過半導(dǎo)體功率器件(如IGBT，MOSFET等)將一種形式(波形)的電能轉(zhuǎn)換為另一種形式(波形)。變流器的出現(xiàn)使得電能利用更加靈活、方便，因此廣泛應(yīng)用于航空航天、艦船驅(qū)動、冶金機(jī)械傳動、機(jī)車牽引、電動汽車驅(qū)動、高壓直流輸電、風(fēng)力與太陽發(fā)電等重要領(lǐng)域。然而變流器一旦發(fā)生故障將可能導(dǎo)致災(zāi)難性后果(如飛機(jī)墜毀，艦船、高鐵、電動汽車突然失去動力等)，或帶來重大經(jīng)濟(jì)損失和嚴(yán)重社會影響(如引發(fā)電網(wǎng)停電、風(fēng)機(jī)停機(jī)、太陽能電站解列等事故)。對變流器功率模塊實施狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷，可以防止災(zāi)難性事故的發(fā)生并為合理安排運維計劃提供信息，對保障變流器及整個系統(tǒng)安全、可靠、高效運行具有重要意義。以海上風(fēng)電為例，如能有效獲取風(fēng)場中所有風(fēng)機(jī)變流器功率模塊的健康狀態(tài)及剩余壽命信息，就可以統(tǒng)籌安排運維計劃，大大節(jié)省運維費用，減小風(fēng)機(jī)停機(jī)時間，提高風(fēng)場運行的可靠性和經(jīng)濟(jì)性。焊接層老化與引線斷裂是兩種常見的功率模塊故障。它們由熱機(jī)疲勞引起，在功率或溫度循環(huán)作用下材料損傷逐漸累積與發(fā)展，最終導(dǎo)致芯片溫度增加而燒毀。多年來，電力電子器件制造商一直致力于通 過優(yōu)化設(shè)計與工藝不斷提高功率模塊的可靠性，但由于變流器長期工作在大范圍變頻、變載運行狀態(tài)，此類故障始終無法完全避免。焊接層老化和引線斷裂均會引起電力電子器件結(jié)溫上升，因此診斷故障的關(guān)鍵在于準(zhǔn)確獲取器件的結(jié)溫(芯片上最高溫度)信息。傳統(tǒng)的方法包括基于模型的方法以及器件結(jié)溫測量的方法(直接與間接測量法)?；谀Ｐ偷墓β誓K故障診斷與壽命預(yù)測方法利用功率模塊電熱模型估算器件結(jié)溫，并利用模塊可靠性模型通過分析結(jié)溫變化歷史過程對模塊壽命進(jìn)行預(yù)測。該方法簡便、經(jīng)濟(jì)且無需專門硬件電路，但完全依賴于模型?？紤]到實際變流器中器件參數(shù)分散性、故障復(fù)雜多樣以及器件狀態(tài)影響結(jié)溫估算等因素，該方法難以實現(xiàn)變流器故障有效診斷與壽命準(zhǔn)確預(yù)測。理論上，電力電子器件結(jié)溫可通過芯片表面安裝溫度傳感器(如集成二極管、光纖、熱電偶)直接測量。但這種方法不但會增加功率模塊的復(fù)雜性與成本，而且由于芯片表面溫度分布不均，結(jié)溫測量精度受傳感器安裝位置影響很大。另一方面，通過器件溫敏參數(shù)(如通態(tài)電壓VM(m)、電壓變化率dv/dt等)也可間接獲取結(jié)溫信息，然而由于溫敏參數(shù)變化量微小且變流器開關(guān)頻率高(kHz MHz)，因此該方法對測量精度與實時性要求很高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種實現(xiàn)簡單、成本低、故障診斷結(jié)果準(zhǔn)確有效的基于諧波監(jiān)測的變流器功率模塊在線故障診斷方法，該方法結(jié)合了模型法簡單與測量法準(zhǔn)確的優(yōu)點，通過監(jiān)測變流器端部電氣變量低次諧波的變化獲取器件結(jié)溫變化信息，實現(xiàn)功率模塊故障診斷。本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn):一種基于諧波監(jiān)測的變流器功率模塊在線故障診斷方法，該方法通過在線監(jiān)測并分析變流器在某一個或多個工作點運行時電壓或電流低次諧波長期變化的趨勢，診斷變流器功率模塊當(dāng)前運行的健康狀態(tài)、預(yù)測其剩余壽命并在故障發(fā)生前及時預(yù)警并停機(jī)，具體包括以下步驟:I)選擇變流器的一個或多個典型運行工作點作為故障診斷工作點；2)獲得變流器的諧波初始特性，將其作為故障診斷的基準(zhǔn)；3)在變流器運行過程中監(jiān)測并采集變流器功率模塊輸出的電壓或電流信號，并將其通過低通濾波電路，獲得電壓或電流的低次諧波信號，同時采集功率模塊表殼溫度信號，根據(jù)低次諧波信號與功率模塊表殼溫度信號的關(guān)系獲得當(dāng)前諧波特性；4)比較變流器諧波初始特性與當(dāng)前諧波特性，計算變壓器當(dāng)前健康狀態(tài)指數(shù)，根據(jù)健康狀態(tài)指數(shù)判斷是否存在故障，并根據(jù)當(dāng)前諧波變化特點判斷故障類型，當(dāng)健康狀態(tài)指數(shù)達(dá)到設(shè)定的故障限值時發(fā)出報警信號并停機(jī)。所述的獲得變流器的諧波初始特性具體方法為:對剛投運的新變流器測量并記錄變流器在故障診斷工作點運行時電壓或電流低次諧波幅值Mh與功率模塊表殼溫度T。的關(guān)系Mh = f0 (Tc)。
所述的健康狀態(tài)指數(shù)H= AT。/Λ T。-)，其中AT。是相同諧波幅值下功率模塊表殼溫度的變化量，Δ Tc(max)是功率模塊表殼溫度的最大允許變化量。所述的根據(jù)當(dāng)前諧波變化特點判斷故障類型具體為:當(dāng)?shù)痛沃C波幅值持續(xù)變化時，判斷故障為焊接層老化；當(dāng)?shù)痛沃C波幅值發(fā)生突然變化時，判斷故障為引線斷裂。所述的變流器輸出的電壓或電流信號采用電壓或電流霍爾傳感器進(jìn)行測量與隔離；所述的功率模塊表殼溫度信號通過模塊內(nèi)部集成溫度傳感器或外加溫度傳感器獲得。該方法根據(jù)健康狀態(tài)指數(shù)長期變化的規(guī)律與趨勢采用外延法預(yù)測功率模塊的剩余壽命。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果:I)實現(xiàn)簡單、成本低。與開關(guān)頻率相比，變流器低次諧波(如3、5、7次諧波)頻率低，這降低了信號測量與處理對實時性的要求。測量與濾波信號可直接送到變流器控制器進(jìn)行處理與分析而無需專用高速計算機(jī)微處理器與采樣電路，大大節(jié)約了硬件成本。2)故障診斷結(jié)果準(zhǔn)確有效。變流器交流側(cè)電壓與電流低次諧波變化是由結(jié)溫變化導(dǎo)致器件開關(guān)過程發(fā)生變化引起的。由于低頻諧波能夠綜合反映器件開關(guān)過程在整個工作周期(如20ms@50HZ)內(nèi)受溫度影響的總和效應(yīng)，因此大大提高了故障診斷信號(理論上:有效信號提高倍數(shù)=開關(guān)頻率/工作頻率)。另外，本發(fā)明提供的方法是利用器件結(jié)溫變化量而非結(jié)溫絕對值對功率模塊熱機(jī)疲勞性故障進(jìn)行診斷，因此盡管器件參數(shù)分散性會造成同型號功率模塊開關(guān)時間存在一定差異，但它們隨溫度的變化程度卻基本相同，這保證了本方法診斷結(jié)果的準(zhǔn)確性。


圖1是本發(fā)明的原理示意圖；圖2是本發(fā)明變流器故障預(yù)診斷流程圖；圖3是典型的功率模塊加速疲勞實驗結(jié)果(1700V/500A SKiiP3513GB120)；圖4是正電流時PWM變流器相電壓波形圖；其中，(a)為變流器功率模塊示意圖；(b)為變流器各電壓波形圖；圖5是一個工作周期內(nèi)PWM變頻器的相電壓偏差；
圖6是溫度對電力電子器件關(guān)斷過程的影響；圖7是變流器故障預(yù)診斷基本算法示意圖；圖8是本發(fā)明實施例中測得的變流器5次電流諧波初始特性；圖9是本發(fā)明實施例中利用5次電壓諧波診斷功率模塊焊接層故障的實驗結(jié)果。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明如圖1-圖2所示，一種基于諧波監(jiān)測的變流器功率模塊在線故障診斷方法，該方法通過在線監(jiān)測并分析變流器在某一個或多個工作點運行時電壓或電流低次諧波長期變化的趨勢，診斷變流器功率模塊當(dāng)前運行的健康狀態(tài)、預(yù)測其剩余壽命并在故障發(fā)生前及時預(yù)警并停機(jī)，具體包括以下步驟:S1:選擇變流器的一個或多個典型運行工作點作為故障診斷工作點。變流器諧波同時受運行工作點(!；11,1，(:(^( ，￥(1￡；)和器件溫度的影響。為實現(xiàn)故障診斷，必需比較變流器在相同工作點運行時低次諧波變化的情況。實際系統(tǒng)中，應(yīng)盡量選擇變流器運行中經(jīng)常出現(xiàn)的重載運行工作點(如額定工作點)作為故障診斷工作點。這樣不但可以提高在線獲取諧波信號的數(shù)據(jù)量，而且結(jié)溫及諧波變化更為顯著，有助于得到更加準(zhǔn)確有效的故障診斷結(jié)果。選擇多個工作點可以進(jìn)一步提高故障診斷的準(zhǔn)確性。S2:獲得變流器的諧波初始特性，將其作為故障診斷的基準(zhǔn)。對剛投運的新變流器測量并記錄變流器在故障診斷工作點運行時電壓或電流低次諧波幅值Mh與功率模塊表殼溫度T。的關(guān)系Mh = f0 (Tc)。其中，變流器端部電氣變量的測量與隔離可采用工程常用方法(如電壓或電流霍爾傳感器)并通過模擬低通濾波器進(jìn)行濾波，而模塊表殼溫度信號可通過模塊集成溫度傳感器或外加溫度傳感器獲得?？紤]到功率模塊熱機(jī)疲勞發(fā)展緩慢，可積累較長時間(如I月)段的諧波數(shù)據(jù)以獲取準(zhǔn)確的變流器諧波初始特性。所述的變流器輸出的電壓或電流信號采用電壓或電流霍爾傳感器進(jìn)行測量與隔離；所述的功率模塊表殼溫度信號通過模塊內(nèi)部集成溫度傳感器或外加溫度傳感器獲得。3)在變流器運行過程中監(jiān)測并采集變流器功率模塊輸出的電壓或電流信號，并將其通過低通濾波電路，獲得電壓或電流的低次諧波信號，同時采集功率模塊表殼溫度信號，根據(jù)低次諧波信號與功率模塊表殼溫度信號的關(guān)系獲得當(dāng)前諧波特性。在變流器長期運行過程中監(jiān)測并記錄低次諧波與模塊表殼溫度數(shù)據(jù)。為減小數(shù)據(jù)存儲容量并提高精度，可選擇較長時間周期(如I周)并采用周期平均的方法對原始信號進(jìn)行處理。4)比較變流器諧波初始特性與當(dāng)前諧波特性，計算變壓器當(dāng)前健康狀態(tài)指數(shù)，根據(jù)健康狀態(tài)指數(shù)判斷是否存在故障，并根據(jù)當(dāng)前諧波變化特點判斷故障類型，當(dāng)健康狀態(tài)指數(shù)達(dá)到設(shè)定的故障限值時發(fā)出報警信號并停機(jī)。所述的健康狀態(tài)指數(shù)H= ATc/ATc(fflax),其中ΛΤ。是相同諧波幅值(對應(yīng)于相同器件結(jié)溫)下功率模塊表殼溫度的變化量，即相同諧波幅值下當(dāng)前監(jiān)測的功率模塊表殼溫度與初始特性中的功率模塊表殼溫度的差值，Δ Tc(max)是功率模塊表殼溫度的最大允許變化量，如圖7所示。根據(jù)健康狀態(tài)指數(shù)長期變化的趨勢，采用適當(dāng)算法(如外延法)可近似預(yù)測模塊剩余壽命。當(dāng)諧波變化量超過預(yù)先設(shè)定的故障限值(可由功率模塊制造商提供或通過可靠性實驗確定)應(yīng)立即報警并停機(jī)以防止功率模塊燒毀。根據(jù)諧波變化的不同特點可進(jìn)一步診斷出發(fā)生故障的類型。如圖3所示，焊接層老化會引起器件結(jié)溫逐漸增加并造成低次諧波幅值持續(xù)變化直至超過故障限值，而引線斷裂則會引起器件結(jié)溫及諧波幅值突然變化。對于引線斷裂故障，本發(fā)明只適用于多芯片并聯(lián)的功率模塊。為提高容量，大容量功率模塊均采用多個電力電子芯片并聯(lián)而成。變流器長期運行過程中，芯片引線可能依次斷裂并最終導(dǎo)致某個芯片脫落，此時負(fù)載電流將通過其它芯片流過引起結(jié)溫突然上升。上述故障診斷方法的工作原理是基于器件溫度變化引起變流器交流側(cè)電壓與電流低次諧波變化的物理關(guān)系。如圖4所示，受死區(qū)與開關(guān)時間等因素影響，PWM變流器實際產(chǎn)生的相電壓與理想值之間存在一定偏差M。如圖5所示，偏差電壓AV的極性隨電流極性而變化形成近似方波的電壓，從而產(chǎn)生一系列低次諧波(如3、5、7次諧波)。溫度變化會影響電力電子器件的開關(guān)過程，其中主要影響關(guān)斷過程中的關(guān)斷延遲時間td(()ff)，如見圖6所示。這將影響變流器各相橋臂實際產(chǎn)生的PWM電壓占空比以及偏差電壓AV，從而改變電壓與電流低次諧波的大小。 盡管開關(guān)時間隨溫度變化的絕對量很小(約幾十納秒)，但高頻運行PWM變流器在一個工作周期內(nèi)有多個開關(guān)事件，因此本方法可大大提高故障診斷信號(理論上:有效信號提高倍數(shù)=開關(guān)頻率/工作頻率)。理論分析與實驗研究表明:對于常規(guī)變流器，本方法能根據(jù)低次電壓或電流諧波幅值的變化準(zhǔn)確提取器件結(jié)溫變化信息，實現(xiàn)故障有效診斷。下面結(jié)合感應(yīng)電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)變頻器故障預(yù)診斷實例，對本發(fā)明的具體實施方式
做進(jìn)一步詳細(xì)描述。感應(yīng)電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)采用380V/2.2kff感應(yīng)電機(jī)，其額定轉(zhuǎn)速為1420r/min。變流器由西門康公司的1200V/35AIGBT功率模塊SK35⑶126ET組成，其開關(guān)頻率fsw = 8kHz、直流電壓Vd。= 535V、死區(qū)時間td = 4μ S。為模擬功率模塊焊接層老化故障，實驗中在模
塊表殼與散熱器之間加入一層導(dǎo)熱墊-GapPadl500 (見圖9),該材料熱阻值等于模塊內(nèi)
部熱阻(RthU-s) = 1.05ff/°C)的20%，與典型焊接層老化故障引起模塊內(nèi)部熱阻增加的程度相當(dāng)。實驗中設(shè)定的故障診斷工作點為:工作頻率f = 25Hz、電壓有效值U = 196V、電流有效值I = 2.1A、功率因素cos(p=0.83，實驗結(jié)果如圖8-9所示。圖8是實驗測得的變流器5次電流諧波的初始特性，其中變流器5次電流諧波幅值隨模塊表殼溫度的變化而單調(diào)變化。進(jìn)一步利用溫度變化與電流諧波幅值變化的物理關(guān)系就可以準(zhǔn)確獲取器件結(jié)溫變化信息實現(xiàn)故障診斷。圖9是利用變流器5次電壓諧波實現(xiàn)焊接層老化故障診斷的實驗結(jié)果。實驗中采用導(dǎo)熱墊模擬焊接層老化故障。實驗結(jié)果表明，在相同諧波(對應(yīng)于相同器件結(jié)溫)條件下，焊接層老化前后功率模塊表殼溫度下降了6°C，這反映了焊接層老化造成模塊內(nèi)部熱阻增加的程度。一旦表殼溫度變化量超過預(yù)先設(shè)定的故障限值，變流器控制器應(yīng)立即報警并停機(jī)。從實例實驗可知，本發(fā)明提供的方法可通過對變流器端部變量進(jìn)行簡單測量與濾波，準(zhǔn)確獲取電力電子器件結(jié)溫變化信息，對功率模塊熱機(jī)疲勞性故障實現(xiàn)有效診斷。以上實例僅用于解釋本發(fā)明的具體實施方案，本發(fā)明的使用范圍并不受該實例限制。針對實際運行中不同變流器系統(tǒng)，根據(jù)本發(fā)明提供的基本方法可制定出不同的技術(shù)方案。所有這些技術(shù)方案同 樣屬于本發(fā)明的范疇，本發(fā)明的專利保護(hù)范圍由權(quán)利要求限定。
權(quán)利要求
1.一種基于諧波監(jiān)測的變流器功率模塊在線故障診斷方法，其特征在于，該方法通過在線監(jiān)測并分析變流器在某一個或多個工作點運行時電壓或電流低次諧波長期變化的趨勢，診斷變流器功率模塊當(dāng)前運行的健康狀態(tài)、預(yù)測其剩余壽命并在故障發(fā)生前及時預(yù)警并停機(jī)，具體包括以下步驟: 1)選擇變流器的一個或多個典型運行工作點作為故障診斷工作點； 2)獲得變流器的諧波初始特性，將其作為故障診斷的基準(zhǔn)； 3)在變流器運行過程中監(jiān)測并采集變流器功率模塊輸出的電壓或電流信號，并將其通過低通濾波電路，獲得電壓或電流的低次諧波信號，同時采集功率模塊表殼溫度信號，根據(jù)低次諧波信號與功率模塊表殼溫度信號的關(guān)系獲得當(dāng)前諧波特性； 4)比較變流器諧波初始特性與當(dāng)前諧波特性，計算變壓器當(dāng)前健康狀態(tài)指數(shù)，根據(jù)健康狀態(tài)指數(shù)判斷是否存在故障，并根據(jù)當(dāng)前諧波變化特點判斷故障類型，當(dāng)健康狀態(tài)指數(shù)達(dá)到設(shè)定的故障限值時發(fā)出報警信號并停機(jī)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于諧波監(jiān)測的變流器功率模塊在線故障診斷方法，其特征在于，所述的獲得變流器的諧波初始特性具體方法為: 對剛投運的新變流器測量并記錄變流器在故障診斷工作點運行時電壓或電流低次諧波幅值Mh與功率模塊表殼溫度T。的關(guān)系Mh = f0 (Tc)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于諧波監(jiān)測的變流器功率模塊在線故障診斷方法，其特征在于，所述的健康狀態(tài)指數(shù)H= Λ TyA I^max)，其中AT。是相同諧波幅值下功率模塊表殼溫度的變化量，Δ Tc(max)是功率模塊表殼溫度的最大允許變化量。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于諧波監(jiān)測的變流器功率模塊在線故障診斷方法，其特征在于，所述的根據(jù)當(dāng)前諧波變化特點判斷故障類型具體為: 當(dāng)?shù)痛沃C波幅值持續(xù)變化時，判斷故障為焊接層老化；當(dāng)?shù)痛沃C波幅值發(fā)生突然變化時，判斷故障為引線斷裂。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于諧波監(jiān)測的變流器功率模塊在線故障診斷方法，其特征在于，所述的變流器輸出的電壓或電流信號采用電壓或電流霍爾傳感器進(jìn)行測量與隔離；所述的功率模塊表殼溫度信號通過模塊內(nèi)部集成溫度傳感器或外加溫度傳感器獲得。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于諧波監(jiān)測的變流器功率模塊在線故障診斷方法，其特征在于，該方法根據(jù)健康狀態(tài)指數(shù)長期變化的規(guī)律與趨勢采用外延法預(yù)測功率模塊的剩余壽命。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于諧波監(jiān)測的變流器功率模塊在線故障診斷方法，包括以下步驟1)選擇變流器的一個或多個典型運行工作點作為故障診斷工作點；2)獲得變流器的諧波初始特性，將其作為故障診斷的基準(zhǔn)；3)在變流器運行過程中監(jiān)測并采集變流器功率模塊輸出的電壓或電流信號，獲得電壓或電流的低次諧波信號，同時采集功率模塊表殼溫度信號，獲得當(dāng)前諧波特性；4)比較變流器諧波初始特性與當(dāng)前諧波特性，計算變壓器當(dāng)前健康狀態(tài)指數(shù)，根據(jù)健康狀態(tài)指數(shù)判斷是否存在故障，并根據(jù)當(dāng)前諧波變化特點判斷故障類型，當(dāng)健康狀態(tài)指數(shù)達(dá)到設(shè)定的故障限值時發(fā)出報警信號并停機(jī)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明實現(xiàn)簡單、成本低、故障診斷結(jié)果準(zhǔn)確有效。
文檔編號G01R31/42GK103226185SQ20131009989
公開日2013年7月31日 申請日期2013年3月26日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月26日
發(fā)明者向大為 申請人:同濟(jì)大學(xué)