CN104573398B - 功率变换电路故障阈值确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种功率变换电路故障阈值确定方法。该方法首先确定出电路元器件参数与电路性能指标的具体函数关系式，然后基于电路性能指标的允许变化范围，利用区间数学分析理论，确定出元器件参数的变化区间，最终可将任一元器件变化区间的上限值(元器件退化过程中，其参数值增大)或下限值(元器件退化过程中，其参数值减小)作为判定电路健康状况的故障阈值。本发明可用于功率变换电路故障诊断或故障预测技术领域中，电路工作过程中，将实时获取的电路中某一元器件参数，与本发明中求得的该元器件的故障阈值(上限值或下限值)比较，即可判定电路是否故障。本发明为实现功率变换电路的定量分析、有效准确诊断、预测提供了保障。

Description

功率变换电路故障阈值确定方法

技术领域

本发明涉及电路故障预测与健康管理技术领域，尤其涉及一种应用于功率变换电路的故障阈值确定方法。

背景技术

功率变换电路能够实现电能的变换和控制，广泛应用于电源装置、电机驱动、功率补偿等领域，存在于各类机电设备中，其性能优劣直接影响到生产设备工作的连续性、安全性和可靠性。因此，对功率变换电路开展准确有效的故障诊断与预测，能确定当前或预知电路未来的健康状况(如故障、健康还是亚健康等)，可为设备的维护维修提供决策依据，从而降低故障风险，为系统的安全、可靠运行提供保障。电路的故障阈值，是准确判定电路健康状况的前提。目前，对于功率变换电路故障阈值的设定多凭借工程经验或电路整体性能指标，如DC-DC电路的输出电压纹波。然而，电路整体性能指标，如电路输出电压相关参数(输出电压均值、有效值、纹波等)，不仅与电路的退化程度有关，而且受输入电压变化影响，因此以电路整体性能指标作为判定实际工作中电路健康状况的故障阈值准确度不高。

电路的退化或故障本质上是由组成电路的各元器件退化或故障引起的，各元器件的退化程度或故障状态在电路工作中存在复杂的耦合关系，造成各元器件对电路整体性能参数的影响不尽统一。一方面，不同元器件的退化对电路整体性能参数的变换趋势影响可能不同，如A元件的退化使电路某整体性能参数增大，而B元件的退化却使电路的同一整体性能参数减小；另一方面，不同元件的退化程度对电路整体性能参数变化程度的影响不同，如C元件参数达到失效阈值时，对电路整体某性能参数的影响甚微，而D元件参数变化微小时，电路同一整体性能参数的变化却较大。因此，在给定电路性能指标要求下，若明确了各元器件参数变化的相应界限，即可将元器件参数作为电路的故障判定指标，并以该元器件参数的变化界限值作为电路故障阈值。

发明内容

本发明的目的在于提供一种功率变换电路故障阈值确定方法，用于判定功率变换电路的健康状况，为实现高效准确的故障诊断、预测提供保障，以及时采取措施，保障系统的安全可靠运行。

为了达成上述目的，本发明的解决方案是：

一种功率变换电路故障阈值确定方法，包括以下步骤：

(1)采用最小二乘非线性拟合法建立功率变换电路各元器件参数关于电路输入电压均值与输出电压均值的函数，即x_i＝f_i(U_in,U_out)，其中x_i为电路中第i个元器件的参数，U_in、U_out分别为电路输入电压均值和输出电压均值，f_i为所建函数，i＝1,2,…,n，n为电路元器件的个数；

(2)根据电路性能设定所允许的输入电压均值U_in与输出电压均值U_out的变化范围分别作为输入电压均值的变化区间[U_in,min,U_in,max]与输出电压均值的变化区间[U_out,min,U_out,max]；

(3)对步骤(1)所建的元器件参数关于电路输入电压均值与输出电压均值的函数x_i＝f_i(U_in,U_out)利用泰勒级数展开，结合步骤(2)所设定的输入电压均值的变化区间[U_in,min,U_in,max]与输出电压均值的变化区间[U_out,min,U_out,max]，利用区间数学分析方法，求解出对应第i个元器件参数的变化区间[x_i,min,x_i,max]，若第i个元件在退化过程中，其参数值减少，则下限值x_i,min作为电路故障阈值；若第i个元件在退化过程中，其参数值增大，则上限值x_i,max作为电路故障阈值。

优选的，所述步骤(1)中构建功率变换电路各元器件参数关于电路输入电压与输出电压均值函数的具体步骤为：

(1.1)设定输入电压均值U_in的变化范围为[(100-p₁)％U_in0，(100+p₂)％U_in0]，U_in0为额定输入电压均值，p₁和p₂为设定数值，取值范围0～10；，则在[(100-p₁)％U_in0，(100+p₂)％U_in0]范围内随机选取N个值作为电路计算机仿真时的输入电压U_in,j，其中j＝1,2,…,N；

(1.2)对功率变换电路进行计算机仿真，获取N组电路各元器件参数在规定容差范围内的输出电压均值记为U_out,j，其中j＝1,2,…,N,具体步骤为：

(1.2.1)利用仿真平台，搭建功率变换电路工作原理图；

(1.2.2)设置功率变换电路中各元器件参数的容差范围，则在各元器件参数的容差范围内随机选取N组元器件参数值，记为X_p＝(x_1,p,x_2,p,…,x_n,p),其中p＝1,2,…,N，n为电路元器件的个数；

(1.2.3)设置步骤(1.2.1)中所建功率变换电路原理图中各元器件参数值分别为步骤(1.2.2)中所确定的X_p＝(x_1,p,x_2,p,…,x_n,p)，以步骤(1.1)中选择的输入电压U_in,j作为电路的输入电压，对电路进行计算机仿真，根据仿真结果得到对应的N组输出电压U_out,j，其中，p＝1,2,…,N，j＝1,2,…,N；

(1.2.4)利用步骤(1.2.3)中的仿真数据x_i,p、U_in,j与U_out,j，采用最小二乘函数拟合法建立元器件参数x_i关于输入电压均值U_in与输出电压均值U_out函数，即x_i＝f_i(U_in,U_out)，其中i＝1,2,…,n，p＝1,2,…,N，j＝1,2,…,N，构建函数的表达式为：

x_i＝f_i(U_in,U_out)

＝a_i,3U_in ³+a_i,2U_in ²+a_i,1U_in+b_i,3U_out ³+b_i,2U_out ²+b_i,1U_out+c_i

其中，a_i,3、a_i,2、a_i,1、b_i,3、b_i,2、b_i,1与c_i为待定系数，利用最小二乘法求得。

优选的，所述步骤(1.1)中，p₁＝5，p₂＝5。

优选的，所述步骤(1.2.1)中，仿真平台为Pspice、Saber或Matlab。

优选的，所述步骤(1.2.2)中，各元器件参数的容差范围为各元器标称参数的95％～105％。

优选的，所述步骤(3)中，利用区间数学分析方法，求解出电路元器件参数的变化区间[x_i,min,x_i,max]的计算步骤为：

(3.1)在处对函数x_i＝f_i(U_in,U_out)进行泰勒级数展开，得到：

式(1)

对上式(1)取至右边二阶导数项部分，得到：

式(2)

(3.2)在输入电压均值U_in与输出电压均值U_out的变化区间为[U_in,min,U_in,max]、[U_out,min,U_out,max]时，对上式(2)进行区间运算可得到x_i的变化区间，记为[x_i,min,x_i,max]。

发明的有益效果

该方法首先确定出电路元器件参数与电路性能指标的具体函数关系式，然后基于电路性能指标的允许变化范围，利用区间数学分析理论，确定出元器件参数的变化区间，最终可将任一元器件变化区间的上限值(元器件退化过程中，其参数值增大)或下限值(元器件退化过程中，其参数值减小)作为判定电路健康状况的故障阈值。本发明可用于功率变换电路故障诊断或故障预测技术领域中，电路工作过程中，将实时获取的电路中某一元器件参数，与本发明中求得的该元器件的故障阈值(上限值或下限值)比较，即可判定电路是否故障。本发明为实现功率变换电路的定量分析、有效准确诊断、预测提供了保障。

附图说明

图1是功率变换电路故障阈值确定方法流程图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明，但本发明的保护范围不限于此：

实施例1：

结合图1，一种功率变换电路故障阈值确定方法，包括以下步骤：

(1)采用最小二乘非线性拟合法建立功率变换电路各元器件参数关于电路输入电压均值与输出电压均值的函数，即x_i＝f_i(U_in,U_out)，其中x_i为电路中第i个元器件的参数，U_in、U_out分别为电路输入电压均值和输出电压均值，f_i为所建函数，i＝1,2,…,n，n为电路元器件的个数；

(2)电路性能设定所允许的输入电压均值U_in与输出电压均值U_out的变化范围分别作为输入电压均值的变化区间[U_in,min,U_in,max]与输出电压均值的变化区间[U_out,min,U_out,max]；

(3)对步骤(1)所建的元器件参数关于电路输入电压均值与输出电压均值的函数x_i＝f_i(U_in,U_out)利用泰勒级数展开，结合步骤(2)所设定的输入电压均值的变化区间[U_in,min,U_in,max]与输出电压均值的变化区间[U_out,min,U_out,max]，利用区间数学分析方法，求解出对应第i个元器件参数的变化区间[x_i,min,x_i,max]，若第i个元件在退化过程中，其参数值减少，则下限值x_i,min作为电路故障阈值；若第i个元件在退化过程中，其参数值增大，则上限值x_i,max作为电路故障阈值。

实施例2：

如实施例1一种功率变换电路故障阈值确定方法，所述步骤(1)中构建功率变换电路各元器件参数关于电路输入电压与输出电压均值函数的具体步骤为：

(1.1)设定输入电压均值U_in的变化范围为[(100-p₁)％U_in0，(100+p₂)％U_in0]，U_in0为额定输入电压均值，p₁和p₂为设定数值，取值范围0～10；，则在[(100-p₁)％U_in0，(100+p₂)％U_in0]范围内随机选取N个值作为电路计算机仿真时的输入电压U_in,j，其中j＝1,2,…,N；

(1.2)对功率变换电路进行计算机仿真，获取N组电路各元器件参数在规定容差范围内的输出电压均值记为U_out,j，其中j＝1,2,…,N,具体步骤为：

(1.2.1)利用仿真平台，搭建功率变换电路工作原理图；

(1.2.2)设置功率变换电路中各元器件参数的容差范围，则在各元器件参数的容差范围内随机选取N组元器件参数值，记为X_p＝(x_1,p,x_2,p,…,x_n,p),其中p＝1,2,…,N，n为电路元器件的个数；

(1.2.3)设置步骤(1.2.1)中所建功率变换电路原理图中各元器件参数值分别为步骤(1.2.2)中所确定的X_p＝(x_1,p,x_2,p,…,x_n,p)，以步骤(1.1)中选择的输入电压U_in,j作为电路的输入电压，对电路进行计算机仿真，根据仿真结果得到对应的N组输出电压U_out,j，其中，p＝1,2,…,N，j＝1,2,…,N，n为电路元器件的个数；

(1.2.4)利用步骤(1.2.3)中的仿真数据x_i,p、U_in,j与U_out,j，采用最小二乘函数拟合法建立元器件参数x_i关于输入电压均值U_in与输出电压均值U_out函数，即x_i＝f_i(U_in,U_out)，其中i＝1,2,…,n，p＝1,2,…,N，j＝1,2,…,N，构建函数的表达式为：

x_i＝f_i(U_in,U_out)

＝a_i,3U_in ³+a_i,2U_in ²+a_i,1U_in+b_i,3U_out ³+b_i,2U_out ²+b_i,1U_out+c_i

其中，a_i,3、a_i,2、a_i,1、b_i,3、b_i,2、b_i,1与c_i为待定系数，利用最小二乘法求得。

实施例3：

如实施例2一种功率变换电路故障阈值确定方法，所述步骤(1.1)中，p₁＝5，p₂＝5。

实施例4：

如实施例2一种功率变换电路故障阈值确定方法，所述步骤(1.2.1)中，仿真平台为Pspice、Saber或Matlab。

实施例5：

如实施例2一种功率变换电路故障阈值确定方法，所述步骤(1.2.2)中，各元器件参数的容差范围为各元器标称参数的95％～105％。

实施例6：

如实施例1～5任一种功率变换电路故障阈值确定方法，所述步骤(3)中，利用区间数学分析方法，求解出电路元器件参数的变化区间[x_i,min,x_i,max]的计算步骤为：

(3.1)在处对函数x_i＝f_i(U_in,U_out)进行泰勒级数展开，得到：

式(1)

对上式(1)取至右边二阶导数项部分，得到：

式(2)

(3.2)在输入电压均值U_in与输出电压均值U_out的变化区间为[U_in,min,U_in,max]、[U_out,min,U_out,max]时，对上式(2)进行区间运算可得到x_i的变化区间，记为[x_i,min,x_i,max]。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神做举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (2)

1.一种功率变换电路故障阈值确定方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)采用最小二乘非线性拟合法建立功率变换电路各元器件参数关于电路输入电压均值与输出电压均值的函数，即x_i＝f_i(U_in,U_out)，其中x_i为电路中第i个元器件的参数，U_in、U_out分别为电路输入电压均值和输出电压均值，f_i为所建函数，i＝1,2,…,n，n为电路元器件的个数；步骤(1)中构建功率变换电路各元器件参数关于电路输入电压与输出电压均值函数的具体步骤为：

(1.1)设定输入电压均值U_in的变化范围为[(100-p₁)％U_in0，(100+p₂)％U_in0]，U_in0为额定输入电压均值，p₁和p₂为设定数值，取值范围0～10；则在[(100-p₁)％U_in0，(100+p₂)％U_in0]范围内随机选取N个值作为电路计算机仿真时的输入电压U_in,j，其中j＝1,2,…,N；p₁＝5，p₂＝5；

(1.2)对功率变换电路进行计算机仿真，获取N组电路各元器件参数在规定容差范围内的输出电压均值记为U_out,j，其中j＝1,2,…,N,具体步骤为：

(1.2.1)利用仿真平台，搭建功率变换电路工作原理图；

(1.2.2)设置功率变换电路中各元器件参数的容差范围为各元器标称参数的95％～105％，则在各元器件参数的容差范围内随机选取N组元器件参数值，记为X_p＝(x_1,p,x_2,p,…,x_n,p),其中p＝1,2,…,N，n为电路元器件的个数；

(1.2.3)设置步骤(1.2.1)中所建功率变换电路原理图中各元器件参数值分别为步骤(1.2.2)中所确定的X_p＝(x_1,p,x_2,p,…,x_n,p)，以步骤(1.1)中选择的输入电压U_in,j作为电路的输入电压，对电路进行计算机仿真，根据仿真结果得到对应的N组输出电压U_out,j，其中，p＝1,2,…,N，j＝1,2,…,N，n为电路元器件的个数；

(1.2.4)利用步骤(1.2.3)中的仿真数据x_i,p、U_in,j与U_out,j，采用最小二乘函数拟合法建立元器件参数x_i关于输入电压均值U_in与输出电压均值U_out函数，即x_i＝f_i(U_in,U_out)，其中i＝1,2,…,n，p＝1,2,…,N，j＝1,2,…,N，构建函数的表达式为：

x_i＝f_i(U_in,U_out)

＝a_i,3U_in ³+a_i,2U_in ²+a_i,1U_in+b_i,3U_out ³+b_i,2U_out ²+b_i,1U_out+c_i

其中，a_i,3、a_i,2、a_i,1、b_i,3、b_i,2、b_i,1与c_i为待定系数，利用最小二乘法求得；

(2)电路性能设定所允许的输入电压均值U_in与输出电压均值U_out的变化范围分别作为输 入电压均值的变化区间[U_in,min,U_in,max]与输出电压均值的变化区间[U_out,min,U_out,max]；

(3)对步骤(1)所建的元器件参数关于电路输入电压均值与输出电压均值的函数x_i＝f_i(U_in,U_out)利用泰勒级数展开，结合步骤(2)所设定的输入电压均值的变化区间[U_in,min,U_in,max]与输出电压均值的变化区间[U_out,min,U_out,max]，利用区间数学分析方法，求解出对应第i个元器件参数的变化区间[x_i,min,x_i,max]，若第i个元件在退化过程中，其参数值减少，则下限值x_i,min作为电路故障阈值；若第i个元件在退化过程中，其参数值增大，则上限值x_i,max作为电路故障阈值；所述步骤(3)中，利用区间数学分析方法，求解出电路元器件参数的变化区间[x_i,min,x_i,max]的计算步骤为：

(3.1)在处对函数x_i＝f_i(U_in,U_out)进行泰勒级数展开，得到：

对上式(1)取至右边二阶导数项部分，得到：

(3.2)在输入电压均值U_in与输出电压均值U_out的变化区间为[U_in,min,U_in,max]、[U_out,min,U_out,max]时，对上式(2)进行区间运算可得到x_i的变化区间，记为[x_i,min,x_i,max]。

2.如权利要求1所述功率变换电路故障阈值确定方法，其特征在于，所述步骤(1.2.1)中，仿真平台为Pspice、Saber或Matlab。