开路器

当电路中两点间的支路开路时，该两点间的电位差称"开路电压"，可用电压表测量。通常又叫断路(但也有区别，开路，是电路没有接通;断路，是不知道的某个地方没有接通)，是指因为电路中某一处因断开而使电阻无穷大，电流无法正常通过，导致电路中的电流为零。 中断点两端电压为电源电压，一般对电路无损害。如有可能是导线断了，或用电器(如灯泡中的灯丝断了)与电路断开等等。

装甲兵工程学院控制工程系的研究人员马晓军、李敏裕等，在2018年第10期《电工技术学报》上撰文，为实现T型逆变器的开路故障诊断，对T型逆变器开路故障情况下的负载电流和母线电容电压变化规律进行理论分析，归纳出不同开关管开路时的故障特征，提出一种基于负载电流和母线电容电压变化规律的故障诊断策略。

该策略首先通过检测母线电容电压来判断逆变器是否发生故障，在检测到故障后将调制比限制为0.25，然后通过判断参考矢量在不同扇区时负载电流和母线电容电压的变化规律来实现故障开关管的精确定位。所提故障诊断策略不需要额外增加传感器，运算量较小，易于工程实现，仿真和实验结果验证了所提故障诊断策略的有效性。

T型逆变器由Conergy公司的Knaup P于2007年提出，目前已经广泛应用于光伏逆变、电机驱动等领域[1-5]，其拓扑结构如图1所示。T型逆变器的开关管数量众多，因此发生故障的概率也较大，则相应的故障诊断研究显得尤为重要。

在逆变器故障中，逆变桥IGBT的开路和短路故障占了相当大的比重，据统计，38%的逆变器故障是由逆变器的开关管引起的[6]，开关管的短路故障一般需要在微秒级的时间内检测到并给予排除，目前主要采用成熟的硬件检测和保护方案，本文不予讨论。

开关管的开路故障可能由驱动板故障、线路接触不良或过电流烧毁等原因造成，此时往往不会立刻造成严重的后果，但会出现逆变器输出波形谐波增大、开关管承受电压电流应力增大、母线电容电压不平衡等问题，若不及时发现并排除故障，有可能会对逆变器造成进一步的损害。

此前，国内外学者对逆变器故障诊断作了许多卓有成效的研究，主要可以分为基于电流、基于电压以及基于智能算法三类故障诊断方法[6-8]。

文献[9]提出一种基于傅里叶变换的归一化方法，实现了两电平逆变器单管开路故障诊断，解决了传统平均电流法在负载突变时容易发生误诊断的问题。文献[10]将归一化负载电流和负载电流在过零区域所持续的时间结合起来实现了两电平逆变器的多开关管开路诊断，比传统的归一化负载电流方法具有更高的可靠性。

文献[11]将一个电流周期内的负载电流均值和负载电流绝对值均值结合起来实现了多开关管开路故障诊断，有效提高了故障诊断的鲁棒性。文献[12]利用电流矢量轨迹半径的变化实现了中点钳位（Neutral Point Clamped, NPC）型三电平逆变器的单管开路故障精确定位。文献[13,14]以逆变器输出侧负载电压和电流极性为故障特征，实现了NPC型三电平逆变器多开关管的开路故障诊断，具有诊断速度快、准确率高等优点，但需要额外增加电压传感器。

文献[15]提出一种基于支持向量机的故障诊断方法，利用故障电流轨迹的二维相对质心特征对故障进行分类，实现了两电平逆变器单管开路故障的准确定位，但小波分解和样本训练的运算量较大。

文献[16,17]以逆变器输出电压为故障特征，采用神经网络对故障进行分类，实现了NPC型三电平逆变器开路故障的快速、准确诊断，但需要额外增加多个电压传感器，并且运算量较大。

综上所述，基于电压的故障诊断方法增加了电路的复杂性；基于智能算法的故障诊断方法会大大增加故障诊断的运算和处理时间；基于电流的故障诊断方法不需要额外增加传感器，也不需要对采样信号作复杂的变换，只要提取一段时间内故障电流的信息，就能实现准确的故障诊断。

本文在详细分析T型逆变器开路故障特征的基础上提出一种基于负载电流和母线电容电压变化规律的故障诊断策略。该诊断策略首先通过判断母线电容电压变化规律来判定逆变器是否发生故障；在确定逆变器发生故障后，将调制比限制为0.25；最后通过判断参考矢量位于不同扇区内时三相负载电流和母线电容电压的变化规律来实现故障开关管的精确定位。

所提故障诊断策略不需要额外增加传感器，诊断算法运算量小，易于工程实现。

图1 T型逆变器拓扑结构