电机是风机、泵、压缩机、机床、传输带等各种设备的驱动装置，是用电量最大的耗电设备。因此，保障电机及其驱动系统的安全性、稳定性，提升电机系统性能已成为当今工业界与学术界的研究热点。由功率开关器件所导致的逆变器故障占比21%，位居第二。因此，逆变器开路故障诊断方法研究在降低经济损失、提高驱动系统稳定性等方面具有重要意义。

研究背景

在传统基于解析模型的故障诊断方案中，以下的两个问题长时间被视为一种挑战。首先是在故障检测环节中对于阈值的设定，其次是如何有效地提取残差信号中的故障信息。如何解决上述两个问题，成为优化基于解析模型故障诊断技术中待解决的问题。

论文所解决的问题及意义

本文提出一种基于残差性能评价的逆变器开路故障诊断方法。相较于传统方案，通过残差性能评价设定的故障报警阈值是根据标准评价函数计算所得，相比于人工先验阈值更加具有客观性，并且考虑了外部干扰与不确定性所带来的影响。同时，残差性能评价方案通过生成残差信号的特征，显化并提取故障信息，实现残差信号对噪声扰动具有鲁棒性，但对故障信号具备敏感性。

论文方法及创新点

1、面向残差评价逆变器开路故障诊断策略

图1 面向残差评价的NPC逆变器开路故障诊断框图

首先，采用空间矢量脉冲调制技术产生控制12个功率开关管的脉宽调制开关信号，从而逆变生成三相电流输出至电机；然后，在基于混合逻辑动态法的电机系统状态空间模型基础上，构建诊断观测器对被控系统进行等价，作为逆变器正常情况下的估计电流输出，当逆变器发生故障时，实际电流值与观测器所估计的正常电流值相减形成三相电流残差；最后，在获得电流残差信号后，通过评价函数生成残差信号相关特征与自适应阈值实现故障诊断。

2、基于范数的残差评价开路故障诊断方案

在故障诊断与分离技术领域内，范数的一个直接应用就是对残差进行评价，生成残差的特征。在实际工程应用中，将会在线计算范数意义下的残差特征信号，然后生成基于特征的自适应阈值进行比较，从而成功实现故障诊断。

图2 基于范数的残差性能评价故障诊断流程

图3 VTc2VTc4故障下残差评价函数与阈值及故障标志位信号

图4 VTb2VTc2故障下残差评价函数与阈值及故障标志位信号

3、基于电流残差特性的故障隔离

针对四种具体的开路故障类型，首先得到故障状态下的三相开关信号，记为δ′，代入逆变器状态空间表达式，得到故障电流表达式；其次，将健康状态下的三相电流与故障三相电流表达式相减，得到对应故障状态下三相电流残差的数学表达式；最后，根据此获得三相电流残差信号的代数特征，实现故障定位及隔离。

图5 VTc2VTc4双管故障情况下三相电流残差仿真结果

图6 VTb2VTc2双管故障情况下三相电流残差仿真结果

结论

本文以NPC型三电平逆变器为研究对象，从残差评价角度出发，通过基于范数的标准评价函数计算残差性能指标与阈值，通过两者间对比实现故障检测。在后续的故障隔离中，根据逆变器功率开关器件的不同开路故障类型，求解三相电流残差表达式，得到三相电流残差间的数值特性从而实现精准故障隔离与定位。仿真结果表明，采用残差评价的故障检测方法缩短了诊断时间，使得故障诊断速度提高80%以上。

团队介绍

西安工业大学电子信息工程学院自主无人系统智能化测试与协同控制创新团队是一支拥有丰富的国际科技合作与交流经历和富有团队协作精神的科研创新队伍。团队主要从事自动检测、故障诊断及容错控制、自主系统、机器视觉与图像处理等方面的研究和技术创新工作。

高嵩，二级教授，博士生导师。主要研究方向为自主智能无人系统、工业自动化与控制、目标探测与识别、新能源并网逆变等

陈超波，三级教授，博士生导师。主要研究方向为智能控制、分数阶系统、故障诊断与容错控制。

本工作成果发表在2024年第21期《电工技术学报》，论文标题为“面向残差评价的中点钳位型逆变器开路故障诊断方法“。本课题得到国家重点研发计划和陕西高校青年创新团队项目的支持。