CN105301470A - 一种crh5型高速列车牵引传动系统igbt故障诊断方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种CRH5型高速列车牵引传动系统IGBT故障诊断方法，包括：牵引部件键合图建模：分别建立牵引逆变器、牵引电机和齿轮箱键合图模型；系统建模：建立高铁牵引传动系统模型，模拟系统正常和IGBT故障时的运行状态；建立全局解析冗余关系：建立简化后系统全局解析冗余关系，得到故障特征矩阵，分析系统故障传播途径；故障诊断：将系统输出代入全局解析冗余关系形成残差集合和一致性向量，与故障特征矩阵进行对比，检测系统健康状态并定位IGBT故障源。本发明提出用键合图方法诊断高铁牵引系统IGBT故障，利用多键合图建立电机模型，对机电系统进行统一建模并定位出故障IGBT元件，为CRH5型高速列车牵引传动系统建模和IGBT故障诊断提供了解决方案。

Description

一种CRH5型高速列车牵引传动系统IGBT故障诊断方法

技术领域

本发明属于系统故障诊断技术领域，尤其指代一种CRH5型高速列车牵引传动系统IGBT故障诊断方法。

背景技术

高速列车运行系统是一个大型复杂工程系统，和旅客的人身、财产安全息息相关，因此对系统可靠性具有极高要求。牵引传动系统是动车组关键组成部分，由部件间具有复杂能域耦合关系，部件故障容易传播扩散，影响整个系统的正常稳定运行。逆变器IGBT元件是CRH5高速列车牵引系统中十分重要且故障多发的环节，IGBT元件的故障诊断及传播机制研究是当前的研究热点和企业的迫切需求。

现有的逆变器IGBT故障诊断技术存在检测时间长、无法准确隔离故障等不足无法满足实际需求。

键合图法是一种描述功率的传递和转换的系统动力学的建模方法，以图形的形式来描述系统的功率传递以及动态结构，通过具有明确物理意义的键合图元件和严格的因果关系，可以形象地描述系统元件间的信息，深入地描述系统内部状态的变化过程。在键合图建模的基础上构建起来的定量/定性的故障诊断技术，克服了传统故障诊断技术的诸多不足，与传统的基于模型、基于数据等故障诊断方法相比，基于键合图的方法更易揭示设备或系统内部的运行机理，通过已知参数和可测变量信号建立系统全局解析冗余关系式，获得残差集合与故障特征矩阵对比，分析系统故障传播途径，定位故障源。

发明内容

针对于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种可建立牵引系统的伪机理模型、实现准确隔离IGBT故障源的目的及保证系统安全运行的CRH5型高速列车牵引传动系统IGBT故障诊断方法。

为达到上述目的，本发明的一种CRH5型高速列车牵引传动系统IGBT故障诊断方法，包括如下步骤：

1)牵引部件键合图建模：根据各模块结构，分别建立牵引逆变器、牵引电机和齿轮箱键合图模型；

2)系统建模：利用键来连接各键合图模块，建立高铁牵引传动系统模型，模拟系统正常和IGBT故障时的运行状态；

3)建立全局解析冗余关系：根据系统元件因果路径，建立简化后系统全局解析冗余关系，得到故障特征矩阵，分析系统故障传播途径；

4)故障诊断：在列车运行过程中，通过传感器获得系统部件变量输出信号，将系统输出代入全局解析冗余关系形成残差集合和一致性向量，与故障特征矩阵进行对比，检测系统健康状态并定位IGBT故障源。

优选地，上述步骤1)中部件键合图建模具体包括：

11)根据电压型三相逆变器的其电路图，将每个半桥等效成导通电阻和开关串联再并联关断电阻的形式，其中开关由标准键合图元件可调制变换器MTF控制，将导通电阻和开关用键合图SW元件描述；

根据等效电路图拓扑结构，分别采用标准元件势源Se定义逆变器输入直流电压、阻性元件R定义等效电阻、容性元件C定义避免因果关系冲突的辅助元件、0-结/1-结定义并联/串联电路结构，利用能够传递能量的键来连接各元件形成三相逆变器键合图模型；

12)对于三相鼠笼型异步电动机，基于其等效电路，在参考系下建立了牵引电机Park模型，其中静止坐标系与转子磁链定向的两相同步旋转坐标系间的转换关系如式(1)所示，电压方程如式(2)所示，转矩方程如式(3)所示，

其中：u_a,u_b,u_c为原三相输入电压，u_sM,u_sT,u_so为转换后电压，ρ(t)为M轴和a轴之间的角度；

其中：R_s,R_r分别为定子电阻和转子电阻，u＝[u_sMu_sTu_rMu_rT]^T为每相对应定子转子电压，为每相对应定子转子电流，ω_F为两相坐标系角速度，为每相对应定子转子磁通，p＝d/dt为微分因子；

其中：n_p为极对数；

根据等效电路图拓扑结构，采用多键合图法，将三相电机用矩阵形式描述，类似为单相系统，分别采用阻性元件R定义绕组电阻和摩擦系数、感性元件I定义绕组电感和转动惯量、可调节势源MSe定义反电动势，可调节变换器MTF定义变换矩阵，可调节回转器定义MGY定义电磁转矩系数，0-结/1-结定义并联/串联电路结构，利用能够传递能量的键来连接各元件形成牵引电机键合图模型；

13)对于传动齿轮箱，其方程如式(4)所示，

$m=\frac{\mathrm{\ω}}{{\mathrm{\ω}}_0}---\left(4\right)$

其中：m为传动比，ω为驱动轮角速度，ω₀为从动轮角速度；

在键合图法仿真软件20-sim下，按照齿轮箱结构，采用阻性元件R定义摩擦系数、感性元件I定义刚度和转动惯量、变换器TF定义传动比，0-结/1-结定义机械结构，利用能够传递能量的键来连接各元件形成传动齿轮箱键合图模型。

优选地，上述步骤2)中建立系统键合图模型具体包括：根据CRH5高速列车牵引传动系统原理图，获得各部件输入输出和拓扑结构，以标准键元件和多键合图整合元件为连接，级联各部件键合图模型，形成完整系统模型并与原车一一对应；键合图模型中采用CRH5高速列车牵引系统各部件的实际参数，仿真分析系统无故障以及逆变器IGBT发生单故障下的系统特征。

优选地，上述步骤3)中建立系统全局解析冗余关系具体包括：

31)简化系统模型，将电机和齿轮箱简化成Y连接形式负载；

32)以简化后模型中所有的0-结/1-结为对象，根据各元件因果关系及路径，推导系统全局解析冗余关系，保留结构相互对立的关系式，其个数与系统传感器个数一致；

33)根据全局解析冗余关系式，分析其相关的元件参数，推导出故障特征矩阵，分析系统故障传播途径，获得每个元件参数的可诊断性和可隔离性。

优选地，上述步骤4)中故障诊断方法具体包括：

41)通过传感器获得系统变量信号，将所得输出代入全局解析冗余关系式形成残差集合和一致性向量；

42)将所得一致性向量与故障特征矩阵对比，判断系统健康状态，从相同向量行分析得到对应元件参数，定位故障IGBT位置。

本发明的CRH5型高速列车牵引传动系统IGBT故障诊断方法，针对CRH5高速列车牵引传动系统，基于键合图理论，建立了逆变器、牵引电机和齿轮箱级联键合图模型，仿真系统运行状态和IGBT故障注入技术，采用定量故障诊断方法，通过形成残差来监测系统健康状态，并定位IGBT故障源，保证列车安全运行，及时有效检测开关器件故障的存在。

本发明的有益效果：

一、键合图建模避免了数学建模针对多能域复杂系统建模不易实现的缺点，与真实系统一一对应，搭建图形化模型，系统内部结构清晰明确；

二、搭建了牵引电机多键合图模型，以矩阵的形式简化三相电机在两相坐标系中的键合图模型，更加清晰直观；

三、验证模型正确性的基础上，注入IGBT故障，弥补了传统建模方法特定故障不易模拟的缺点；

四、采用定量分析的方法，通过建立全局解析冗余关系得到故障特征矩阵，从中分析故障传播途径，定位故障IGBT源，解决了因故障传播而导致的诊断故障源不准确。

附图说明

图1为本发明方法流程图；

图2为逆变器等效电路图；

图3为牵引电机等效电路图；

图4为齿轮箱结构图；

图5为牵引传动系统键合图模型图；

图6为简化后系统模型图。

具体实施方式

为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例与附图对本发明作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本发明的限定。

参照图1所示，本发明的一种CRH5型高速列车牵引传动系统IGBT故障诊断方法，首先根据系统实际物理模型搭建系统键合图模型，然后利用定量分析的方法构建残差来进行故障诊断工作，包括如下具体步骤：

1)牵引部件键合图建模：

键合图方法以能量守恒定律为基础，适用于多能量域系统模型建立，其与各能域对应变量表示如表1所示：

表1能量变量和广义状态变量

高速列车牵引传动系统是一种混杂机电系统，首先根据各模块结构，分别建立牵引逆变器、牵引电机和齿轮箱键合图模型。

具体包括如下：

11)对于电压型三相逆变器，其等效电路图如图2，将每个半桥中IGBT和二极管的组合，等效成导通电阻R_on和开关串联再并联关断电阻R_off的形式，其中开关由布尔向量a控制标准键合图元件可调制变换器MTF实现，0和1分别代表开关断开状态和闭合状态，将导通电阻和开关合并成一通口元件SW，其特性方程为f＝a²*(1/R_on)*e；

在键合图法仿真软件20-sim下，按照逆变器等效电路图拓扑结构，利用结点法建立键合图模型，方法如下：a.在电路中每个并联节点处放置0-结；b.在源元件和0-结之间或者每两个0-结之间放置一个1-结，每个1-结上连接串联支路的所有元件；c.所有元件之间用键来连接，其方向与功率流向一致；d.键合图简化；分别采用标准元件势源Se定义逆变器输入直流电压、阻性元件R定义等效电阻、容性元件C定义避免因果关系冲突的辅助元件，利用能够传递能量的键来连接各元件形成三相逆变器键合图模型；

12)对于三相鼠笼型异步电动机，其等效电路图如图3，在参考系下建立了牵引电机Park模型，其中静止坐标系(a-b-c)与转子磁链定向的两相同步旋转坐标系(M-T)间的转换关系如式(1)所示，磁通方程如式(2)所示，电压方程如式(3)所示，转矩方程如式(4)所示，

其中：u_a,u_b,u_c为原三相输入电压，u_sM,u_sT,u_so为转换后输入电压，ρ为M轴和a轴之间的角度，M_s为坐标轴变换矩阵；

其中：为每相对应定子转子磁通，L_ls,L_lr,L_m分别为定子漏磁感，转子漏磁感和互感，L_s＝L_ls+L_m，L_r＝L_lr+L_m分别为定子自感和转子自感，i＝[i_sMi_sTi_rMi_rT]^T为每相对应定子转子电流；

其中：R_s,R_r分别为定子电阻和转子电阻，u＝[u_sMu_sTu_rMu_rT]^T为每相对应定子转子电压，为两相坐标系角速度，n_p为极对数，p＝d/dt为微分因子；

在键合图法仿真软件20-sim下，按照等效电路图拓扑结构，采用多键合图法，将三相电机用矩阵形式描述，类似为单相系统，直观便捷，分别采用多键合图阻性元件R定义绕组电阻和摩擦系数、感性元件I定义绕组电感和转动惯量、可调节势源MSe定义反电动势，可调节变换器MTF定义坐标轴变换矩阵，可调节回转器MGY定义电磁转矩系数，定义MGY的比例系数，0-结/1-结定义并联/串联电路结构，按照步骤11)中结点法建模，利用能够传递能量的键来连接各元件形成牵引电机键合图模型；

13)对于传动齿轮箱，其结构图如图4，其方程如式(5)所示，

$m=\frac{\mathrm{\ω}}{{\mathrm{\ω}}_0}---\left(5\right)$

其中：m为传动比，ω为驱动轮角速度，ω₀为从动轮角速度；

在键合图法仿真软件20-sim下，按照齿轮箱结构，采用阻性元件R定义摩擦系数、感性元件I定义刚度和转动惯量、变换器TF定义传动比，0-结/1-结定义机械结构，利用能够传递能量的键来连接各元件形成传动齿轮箱键合图模型。

2)系统建模：

参考CRH5高速列车牵引传动系统原理图，根据各部件输入输出和拓扑结构，以标准键元件和多键合图整合元件为连接，级联各部件键合图子模块，注入实际系统参数，建立如图5的高铁牵引传动系统键合图模型并与原车一一对应，调试并验证所搭系统模型的正确性，在模型基础上注入IGBT故障，仿真系统故障时运行状态，了解系统故障模式及后果。

3)建立全局解析冗余关系：

混杂系统故障诊断方法是通过已知的输入、传感器数据和参数等建立约束关系实现的，这种包含所有开关状态的约束关系即全局解析冗余关系。CRH5高速列车牵引传动系统是一个多能域耦合、非线性复杂大系统，变流器部件存在多种开关模式，IGBT异常是系统易发难解决故障，因此本发明根据系统元件因果路径，通过获取直流侧电流、三相输出电压以及负载三相电流输出，建立简化后系统全局解析冗余关系，得到故障特征矩阵，分析系统故障传播途径。

31)由于研究逆变器部件IGBT单故障，故简化系统模型得如图6，将电机和齿轮箱简化成Y连接形式负载；

32)定义a_i表示每个开关元件的状态(i＝{1,...,q},q为开关元件个数)，定义N表示所有传感器{De,Df}个数；

33)定义n_i表示i开关节点上的键个数；定义受控1-结上n_i个键的流变量表示为a_i·f_i ^j(j＝1,...,n_i)，定义受控0-结上n_i个键的势变量表示为

34)以简化后模型中所有的0-结/1-结为对象，根据各元件因果关系及路径，推导系统全局解析冗余关系，保留结构相互对立的关系式，其个数与系统传感器个数一致；

35)选择一个结点，基于特性方程列出其解析冗余关系，根据因果路径将未知变量用已知参数和可测变量表示，直到解析冗余关系不含未知变量；

36)重复步骤35)直到键合图中所有结点均被考虑，最后保留N个结构独立的全局解析冗余关系式，分别源于结点0₂，0₉，0₁₁，0₁₃，1₁₀，1₁₂，1₁₄，全局解析冗余关系式如式(6)：

GARRS1＝I_s1-a₁(Se-U_a)/R_on1-(Se-U_a)/R_off1-a₃(Se-U_b)/R_on3

-(Se-U_b)/R_off3-a₅(Se-U_c)/R_on5-(Se-U_c)/R_off5

GARRS2＝a₁(S_e-U_a)/R_on1+(S_e-U_a)/R_off1-a₄(U_a-S_e1)/R_on4

-(U_a-S_e1)/R_off4-I_a

GARRS3＝a₃(S_e-U_b)/R_on3+(S_e-U_b)/R_off3-a₆(U_b-S_e1)/R_on6

-(U_b-S_e1)/R_off6-I_b

GARRS4＝a₄(S_e-U_c)/R_on4+(S_e-U_c)/R_off4-a₂(U_c-S_e1)/R_on2

-(U_c-S_e1)/R_off2-I_c

$GARRS5=U_a-R_1{I}_a-L_1\frac{{\mathrm{dI}}_a}{dt}-U_n$

$GARR6=U_b-R_2{I}_b-L_2\frac{{\mathrm{dI}}_b}{dt}-U_n$

$GARRS7=U_c-R_3{I}_c-L_3\frac{{\mathrm{dI}}_c}{dt}-U_n---\left(6\right)$

全局解析冗余关系式中包含的元件具有可检测性，根据这一特性可推导出故障特征矩阵，每一行可看成二进制向量称为一致性向量C＝[c₁,...,c_N]，其中一致性向量唯一的行对应元件具有可分离性，如表2：

表2三相逆变器的故障特征矩阵

通过上表可以获得每个元件参数的可诊断性和可隔离性，分析系统故障传播途径。

4)故障诊断：

全局解析冗余关系式的数值即残差，用于诊断故障源位置。在列车运行过程中，通过传感器获得系统部件变量输出信号，将系统输出代入全局解析冗余关系形成残差集合和一致性向量，与故障特征矩阵进行对比，检测系统健康状态并定位故障IGBT源。

41)通过传感器获得系统变量信号，将所得输出代入全局解析冗余关系式形成残差集合；

42)当无故障时，所有残差值趋于0，当出现故障时，相应残差超出阈值，阈值具体为根据对象进行试验确定，由于仿真试验干扰较小，认为阈值为0。一致性向量C＝[c₁,...,c_N]中的每一个元素c_i的判断规则如下：

其中r_i为对应残差值，ε_i为相应阈值；

43)将所得一致性向量与故障特征矩阵对比，判断系统健康状态，从相同向量行分析得到对应元件参数，定位故障IGBT位置。

本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种CRH5型高速列车牵引传动系统IGBT故障诊断方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)牵引部件键合图建模：根据各模块结构，分别建立牵引逆变器、牵引电机和齿轮箱键合图模型；

2)系统建模：利用键来连接各键合图模块，建立高铁牵引传动系统模型，模拟系统正常和IGBT故障时的运行状态；

3)建立全局解析冗余关系：根据系统元件因果路径，建立简化后系统全局解析冗余关系，得到故障特征矩阵，分析系统故障传播途径；

4)故障诊断：在列车运行过程中，通过传感器获得系统部件变量输出信号，将系统输出代入全局解析冗余关系形成残差集合和一致性向量，与故障特征矩阵进行对比，检测系统健康状态并定位IGBT故障源。

2.根据权利要求1所述的CRH5型高速列车牵引传动系统IGBT故障诊断方法，其特征在于，上述步骤1)中部件键合图建模具体包括：

11)根据电压型三相逆变器的电路图，将每个半桥等效成导通电阻和开关串联再并联关断电阻的形式，其中开关由标准键合图元件可调制变换器MTF控制，将导通电阻和开关用键合图SW元件描述；

根据等效电路图拓扑结构，分别采用标准元件势源Se定义逆变器输入直流电压、阻性元件R定义等效电阻、容性元件C定义避免因果关系冲突的辅助元件、0-结/1-结定义并联/串联电路结构，利用能够传递能量的键来连接各元件形成三相逆变器键合图模型；

12)对于三相鼠笼型异步电动机，基于其等效电路，在参考系下建立了牵引电机Park模型，其中静止坐标系与转子磁链定向的两相同步旋转坐标系间的转换关系如式(1)所示，电压方程如式(2)所示，转矩方程如式(3)所示，

其中：u_a,u_b,u_c为原三相输入电压，u_sM,u_sT,u_so为转换后电压，ρ(t)为M轴和a轴之间的角度；

其中：R_s,R_r分别为定子电阻和转子电阻，u＝[u_sMu_sTu_rMu_rT]^T为每相对应定子转子电压，为每相对应定子转子电流，ω_F为两相坐标系角速度，为每相对应定子转子磁通，p＝d/dt为微分因子；

其中：n_p为极对数；

根据等效电路图拓扑结构，采用多键合图法，将三相电机用矩阵形式描述，类似为单相系统，分别采用阻性元件R定义绕组电阻和摩擦系数、感性元件I定义绕组电感和转动惯量、可调节势源MSe定义反电动势，可调节变换器MTF定义变换矩阵，可调节回转器定义MGY定义电磁转矩系数，0-结/1-结定义并联/串联电路结构，利用能够传递能量的键来连接各元件形成牵引电机键合图模型；

13)对于传动齿轮箱，其方程如式(4)所示，

$m=\frac{\mathrm{\ω}}{{\mathrm{\ω}}_0}---\left(4\right)$

其中：m为传动比，ω为驱动轮角速度，ω₀为从动轮角速度；

在键合图法仿真软件20-sim下，按照齿轮箱结构，采用阻性元件R定义摩擦系数、感性元件I定义刚度和转动惯量、变换器TF定义传动比，0-结/1-结定义机械结构，利用能够传递能量的键来连接各元件形成传动齿轮箱键合图模型。

3.根据权利要求1所述的CRH5型高速列车牵引传动系统IGBT故障诊断方法，其特征在于，上述步骤2)中建立系统键合图模型具体包括：根据CRH5高速列车牵引传动系统原理图，获得各部件输入输出和拓扑结构，以标准键元件和多键合图整合元件为连接，级联各部件键合图模型，形成完整系统模型并与原车一一对应；键合图模型中采用CRH5高速列车牵引系统各部件的实际参数，仿真分析系统无故障以及逆变器IGBT发生单故障下的系统特征。

4.根据权利要求1所述的CRH5型高速列车牵引传动系统IGBT故障诊断方法，其特征在于，上述步骤3)中建立系统全局解析冗余关系具体包括：

31)简化系统模型，将电机和齿轮箱简化成Y连接形式负载；

32)以简化后模型中所有的0-结/1-结为对象，根据各元件因果关系及路径，推导系统全局解析冗余关系，保留结构相互对立的关系式，其个数与系统传感器个数一致；

33)根据全局解析冗余关系式，分析其相关的元件参数，推导出故障特征矩阵，分析系统故障传播途径，获得每个元件参数的可诊断性和可隔离性。

5.根据权利要求1所述的CRH5型高速列车牵引传动系统IGBT故障诊断方法，其特征在于，上述步骤4)中故障诊断方法具体包括：

41)通过传感器获得系统变量信号，将所得输出代入全局解析冗余关系式形成残差集合和一致性向量；

42)将所得一致性向量与故障特征矩阵对比，判断系统健康状态，从相同向量行分析得到对应元件参数，定位故障IGBT位置。