中南大學資訊科學與工程學院、中南大學交通運輸工程學院、中國鐵道科學研究院機車車輛研究所的研究人員伍珣、陳特放、成庶等， 在2017年《電工技術學報》增刊2上撰文， 為了適應車載逆變器負載變化範圍大的特點， 相容現有變流器的應用場合， 保障行車安全， 同時提高逆變器開路故障的檢修效率， 提出一種基於兩相輸出電流軌跡的功率管開路故障線上診斷方法。
在三相基本平衡的情況下， 用解析的方法推導得到兩相電流合成的軌跡為笛卡爾坐標系下的一個橢圓， 橢圓的傾角和離心率與電流幅值無關，
三相逆變器具有將直流輸入轉化為三相交流輸出的能力， 在軍隊、通信、工廠以及企業中作為大功率不斷電供應系統得到了廣泛的應用。 然而， 作為電源轉化裝置， 功率管的高頻開斷使得逆變器成為整個系統中較為薄弱的一部分。
以電機變頻調速系統故障為例， 逆變器故障占主要成分[1]， 且大部分情況是由於功率管故障造成的[2]。
在許多重要的應用場合， 如高速列車的快速運行過程中， 需要一種即時的狀態監測及故障診斷方法以確保能夠迅速發現故障、準確隔離故障並及時採取相應的補救措施， 以免造成人員傷亡及財產損失。
目前， 逆變器開路故障診斷已經取得了一定的成果。 針對單相逆變器， 文獻[4-6]提出了不同的診斷方法：文獻[4]將開路故障分為IGBT故障和門極驅動故障， 通過相電流對開路故障進行診斷；文獻[5]採用自我調整神經模糊推理系統，
針對三相逆變器， 文獻[8-10]通過檢測三相輸出電流或定子電流對故障進行診斷。 文獻[11]通過比較實際逆變器與理想模型的差異， 採用神經網路對開路故障進行診斷。 文獻[12]基於零序電壓分量對永磁同步電機及逆變器的斷相故障進行診斷與定位， 分析了正常狀態與斷相狀態下定子繞組中性點的零序電壓分量，
文獻[13]提出了一種三相逆變器單管開路故障診斷方法， 通過建立多個狀態觀測器來檢測故障是否發生， 並提出一種新的容錯控制方法， 可以較好地減小逆變器輸出形變以及過電流問題。 對於多個功率管的開路故障， 該方法存在一定的局限性。
文獻[14]針對電壓源型逆變器（Voltage SourceInverter， VSI）提出了一種單管以及多管開路故障的診斷方法， 利用IGBT開路故障時d軸電壓的形變來檢測故障是否發生， 計算此時電流向量的旋轉角度， 並結合電流弧軌跡的空間位置來進行故障定位， 負載轉矩或轉速發生變化時具有一定的魯棒性。
文獻[15]以VSI為研究物件， 提出了一種新穎的診斷方法及容錯控制技術。 文獻[16]提出了一種基於改進的加權核主成分分析的診斷方法， 通過靈敏度分析以及特徵向量將所有有用資訊的加權成分提取出來， 診斷結果優於傳統的加權核主成分分析方法。 文獻[17]以高速鐵路牽引逆變器為研究物件， 通過比較實驗選出最佳熵形式可以對故障進行診斷。
文獻[18]提出了一種基於功率管誤差電壓的線上診斷方法， 並對由開關延時、死區時間以及測量誤差所造成的影響進行了校正。 文獻[19]針對永磁直驅系統變流器利用機側平均電流的Park向量相位進行單管開路故障診斷。 文獻[20]針對三電平逆變器提出了一種結合小波分析與神經網路的診斷方法。 文獻[21]對多種功率管開路故障診斷演算法進行了詳細的比較與分析。
近期開路故障診斷研究成果雖然各有優勢，但是對於機車逆變器來說仍然存在幾個問題有待解決：①機車上的系統不允許隨意改造，很難通過獲取其控制信號或加裝額外的電壓感測器來對系統進行診斷；②牽引變流器負載變化範圍大，變化速度快，部分以輸出電流作為診斷變數的方法對負載變化較為敏感。
本文以25T型客車空調逆變電源為研究物件，利用已有的電流感測器採集兩相輸出電流ia和ib，推導得到一個精確的數學模型，在假設兩相電流幅值相等的情況下，該數學模型在笛卡爾坐標系中表現為一個中心在原點、傾角固定、離心率與相位差相關的橢圓。
分析發現，橢圓的形狀不受負載影響，僅有橢圓的大小隨負載變化成比例地增大或減小。單個功率管及兩個功率管的開路故障具有不同的軌跡特徵，以此為依據通過觀測或識別技術可以迅速隔離故障並得到準確的診斷資訊，從而及時提醒觀測者採取相應的措施。
圖1 25T型客車逆變器結構圖
圖4 實驗台整體圖
結論
本文以25T型客車空調逆變電源為模型進行了詳細的數學模型推導，在理論上證明了正常情況下由輸出電流ia和ib構成的軌跡為一個以原點為中心，傾角固定、離心率與相位差相關的橢圓，並由此證明負載變化只影響橢圓的相對大小，不影響橢圓的形狀和相對位置。經過嚴謹的數學分析，發現兩個及以下功率管發生開路故障時，模型的軌跡呈現明顯的變化，21種故障類型分別對應21種不同的軌跡特徵。對這些軌跡進行觀測或辨識可以達到線上監測及隔離故障的目的。最後，通過dSPACE實驗平臺驗證了該數學模型的準確性以及診斷方法的有效性與可靠性。
與其他方法相比，本文提出的方法考慮到機車上已經固化的裝備，只需要檢測任意兩相電流即可對單個功率管以及兩個功率管的開路故障進行診斷與定位，不需要對機車原有的結構進行改裝以獲取系統控制信號或加裝額外的感測器；由於電流軌跡可以通過感測器測量的資料直接得到，在診斷系統自身發生故障時仍然可以通過人工觀察及時診斷故障，該方法適於機車等對安全性與可靠性要求非常高的場合。
同時，本文也存在一些不足之處有待改進。對於開路瞬間電機故障相繞組電流經過二極體續流的情況，此方法可能不一定立即適用。儘管如此，這個過程非常短暫，對即時性的影響並不明顯。此外，本文提出的方法在電機繞組中性點不接地的情況下是有效的，針對其他情況，該方法還需要進一步研究與完善。
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文獻[21]對多種功率管開路故障診斷演算法進行了詳細的比較與分析。近期開路故障診斷研究成果雖然各有優勢，但是對於機車逆變器來說仍然存在幾個問題有待解決：①機車上的系統不允許隨意改造，很難通過獲取其控制信號或加裝額外的電壓感測器來對系統進行診斷；②牽引變流器負載變化範圍大，變化速度快，部分以輸出電流作為診斷變數的方法對負載變化較為敏感。
本文以25T型客車空調逆變電源為研究物件，利用已有的電流感測器採集兩相輸出電流ia和ib，推導得到一個精確的數學模型，在假設兩相電流幅值相等的情況下，該數學模型在笛卡爾坐標系中表現為一個中心在原點、傾角固定、離心率與相位差相關的橢圓。
分析發現，橢圓的形狀不受負載影響，僅有橢圓的大小隨負載變化成比例地增大或減小。單個功率管及兩個功率管的開路故障具有不同的軌跡特徵，以此為依據通過觀測或識別技術可以迅速隔離故障並得到準確的診斷資訊，從而及時提醒觀測者採取相應的措施。
圖1 25T型客車逆變器結構圖
圖4 實驗台整體圖
結論
本文以25T型客車空調逆變電源為模型進行了詳細的數學模型推導，在理論上證明了正常情況下由輸出電流ia和ib構成的軌跡為一個以原點為中心，傾角固定、離心率與相位差相關的橢圓，並由此證明負載變化只影響橢圓的相對大小，不影響橢圓的形狀和相對位置。經過嚴謹的數學分析，發現兩個及以下功率管發生開路故障時，模型的軌跡呈現明顯的變化，21種故障類型分別對應21種不同的軌跡特徵。對這些軌跡進行觀測或辨識可以達到線上監測及隔離故障的目的。最後，通過dSPACE實驗平臺驗證了該數學模型的準確性以及診斷方法的有效性與可靠性。
與其他方法相比，本文提出的方法考慮到機車上已經固化的裝備，只需要檢測任意兩相電流即可對單個功率管以及兩個功率管的開路故障進行診斷與定位，不需要對機車原有的結構進行改裝以獲取系統控制信號或加裝額外的感測器；由於電流軌跡可以通過感測器測量的資料直接得到，在診斷系統自身發生故障時仍然可以通過人工觀察及時診斷故障，該方法適於機車等對安全性與可靠性要求非常高的場合。
同時，本文也存在一些不足之處有待改進。對於開路瞬間電機故障相繞組電流經過二極體續流的情況，此方法可能不一定立即適用。儘管如此，這個過程非常短暫，對即時性的影響並不明顯。此外，本文提出的方法在電機繞組中性點不接地的情況下是有效的，針對其他情況，該方法還需要進一步研究與完善。
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