摘要
近年来，中点钳位型(Neutral Point Clamped，NPC)三电平逆变器具有灵活控制、性能稳定和谐波含量少的优点，在工业场合中应用越来越广泛。但是因其自身的脆弱性、复杂和恶劣的工作环境，逆变器中的绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)极易发生开路故障，严重时会导致设备损毁和人员损失。因此，研究NPC型逆变器IGBT开路故障诊断，对提高系统的可靠性和安全性，具有重要理论和工程意义。本文研究了NPC型逆变器开路故障诊断方法，具体工作内容如下: 首先，在分析NPC型逆变器拓扑结构和工作原理的基础上，建立了正常运行下的基于牛顿插值法、基于开关函数法和基于混合逻辑动态系统法(Mixed Logic Dynamic，MLD)的逆变器数学模型，并分析了三种数学模型之间的联系和区别。根据IGBT通断状态和实际运行情况分为无故障、单管、同相双管和异相双管四种故障类型，并建立了基于MLD的NPC型逆变器故障数学模型。通过Matlab/Simulink验证了三种数学模型和基于MLD的NPC型逆变器故障数学模型，仿真结果表明，三种模型的输出结果一致，说明了三种模型的准确性和有效性。基于三种数学模型特征和仿真结果，最终采用混合逻辑法逆变器数学模型，用于IGBT开路故障诊断。 其次，针对基于经典滑模观测器的逆变器开路故障诊断方法存在抖振大的问题，提出基于扩展观测器的逆变器开路故障诊断方法，该方法在故障和正常时的NPC-MLD模型基础上设计了电流扩展观测器。通过比较观测器的电流估计值和电机驱动系统的电流实际值获得负二倍残差进行故障诊断。同时为了消除外部扰动、测量误差和噪声等对IGBT故障诊断产生的影响，设计自适应阈值和多级阂值相结合的方式，克服了传统阈值误诊断的问题。通过Matlab/Simulink进行负载突变的开路故障诊断方法仿真验证，并与经典滑模观测器对比，仿真结果表明，本方法无需增加额外的传感器，且在负载突变时本文的诊断方法精度更高、鲁棒性更强。 最后，搭建了NPC型逆变器IGBT开路故障诊断半实物平台。将上述诊断方法应用于该平台，通过分析实验波形和数据，说明基于MLD的NPC型逆变器故障数学模型和故障诊断方法的可行性和有效性。
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