CN106019044B - 电力牵引交流传动两电平单相四象限脉冲整流器开关管开路故障诊断方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电力牵引交流传动两电平单相四象限脉冲整流器开关管开路故障诊断方法，基于两电平单相四象限脉冲整流器的工作原理完成，具体方法包括：电力牵引交流传动两电平单相四象限脉冲整流器在故障状况下的谐波特征提取，基于负载水平对谐波特征进行归一化以及根据不同类型开路故障下的故障特征得到相应的开路故障诊断结果。本方法可实现在线实时系统中，两电平单相四象限脉冲整流器在不同开关管故障状态下的诊断，并且不受整流器负载变动影响。

Description

电力牵引交流传动两电平单相四象限脉冲整流器开关管开路 故障诊断方法

技术领域

本发明属于电力牵引交流传动技术领域，涉及一种电力牵引交流传动两电平单相四象限脉冲整流器开关管开路故障诊断方法。

背景技术

我国高速列车的电力牵引采用交流传动系统，其中的网侧变流器是整个列车牵引系统中的一个重要组成部分。目前在高速列车上广泛使用的网侧变流器是两电平单相四象限脉冲整流器。由于控制策略的原因，整流器中使用的开关管一直处于高频切换状态，损耗与发热非常严重，而开关管又相对脆弱，因此开路或短路故障基本是不可避免的，这对整个传动系统的正常运行存在很大的危害。所以需要实时监控故障，进行快速和有效的诊断。提高交通运输的可靠性的研究是必须的，具有极其重要的现实意义

现今对于传动系统中相应的故障建模以及故障诊断研究越来越被重视，但目前为止，对两电平单相四象限脉冲整流器相应的故障诊断手段较少。

任何电力电子设备都存在正常工作状态以及故障工作状态，对于两电平单相四象限脉冲整流器而言，其正常工作时存在不同桥臂上开关管故障时的情况。两电平单相四象限脉冲整流器不同桥臂上开关管故障情况时，交流侧电流谐波含量必然出现变化，相应的直流侧波动也会不同，这在一定程度上影响整个交直流系统的性能。因此，对可以通过观测交流侧谐波含量的变化，来诊断不同桥臂上开关管的故障。

发明内容

本发明的目的是提供一种电力牵引交流传动两电平单相四象限脉冲整流器开关管开路故障在线实时诊断方法，实现对电力牵引交流传动两电平单相四象限脉冲整流器不同开关管开路故障的实时监测和诊断。

为实现上述发明目的，本发明的具体技术手段为：

电力牵引交流传动两电平单相四象限脉冲整流器开关管开路故障诊断方法，定义单相两电平脉冲整流器左边桥臂为A桥臂，A桥臂上方开关管T1，A桥臂下方开关管T2；右边桥臂为B桥臂,B桥臂上方开关管T3，B桥臂下方开关管T4。

诊断方法包括以下步骤：

(1)对整流器网侧输入电流进行采样，设采样频率为f_s，网侧输入电压基波频率为f＝50Hz，将采样电流值存储为一个采样电流序列，序列长度为N，

(2)每次采样后，对采样电流序列做快速傅里叶变换FFT：

其中,i(n)为第n个采样电流值，a₀为采样电流的直流分量，a_k、 b_k为各次谐波的分量，c_k为该次谐波总量，其中下标k表示谐波次数，取值范围为1到N的正整数，当k＝1时表示的是基波量；

(3)用网侧电流直流含量表征负载水平，对谐波进行归一化：

并设置直流量异常的阈值为K₁，一次开关频率附近谐波量异常的阈值为K₂；

(4)设一次开关频率对应的谐波次数为j，则一次开关频率附近的频率量可表示为

定义两个状态量sign1和sign2，sign1表示开关管T1和T4是否异常、sign2表示开关管T2和T3是否异常，值为1表示发生故障,sign1 与sign2的取值如下；

当sign1＝1时，表示开关管T1和开关管T4至少有一个开关管发生开路故障；sign2＝1时表示开关管T2和开关管T3至少有开关管发生开路故障；sign1＝1同时sign2＝1时，则开关管T1和开关管T4至少有一个中有故障发生，同时开关管T2和开关管T3中也至少有一个故障发生。

实际上，不同的开关管开路故障亦具有其固有特征，分为如下类型：

(a)正常工作的整流器：网侧电流中基本不含直流量，在频域上，高次谐波主要分布在两倍开关频率的频率点附近。

(b)单开关管故障(如1号管故障)：故障特征为网侧电流中的直流含量出现，一次开关频率附近的高次谐波出现。

(c)同一桥臂上的双开关管故障(如1号管、2号管故障)：故障特征为网侧电流中的直流含量与正常工作时相似，基本为0，一次开关频率附近的高次谐波大量出现。

(d)不同一桥臂上的相同位置开关管故障(如1号管、3号管故障)：故障特征为网侧电流中的直流含量与正常工作时相似，基本为0，一次开关频率附近的高次谐波大量出现。

(e)不同一桥臂上的不同位置开关管故障(如1号管、4号管故障)：故障特征为网侧电流中的直流含量大量出现，一次开关频率附近的高次谐波出现。

采用本发明，通过测量整流器网侧电流，就可以检测出整流器开关管单管开路故障，双管开路故障等多种开路故障，仅使用网侧整流器原有的传感器，通过算法实现诊断，从而节约了测量点，不必在整流器上额外安装其他传感器，减少了成本。对于不同的负载水平，有很好的适应性，不会因轻载或重载而导致诊断阈值的额外调整，具有很好的通用性。同时实时性好，能够满足在线检测的要求。

附图说明

图1是电力牵引交流传动两电平单相四象限脉冲整流器的基本电路图。

图2是本发明开关管开路故障诊断算法的操作流程图。

图3是基于本发明电力牵引交流传动两电平单相四象限脉冲整流器开关管开路故障诊断方法在RT-LAB上做出的实施例的整流器正常工作结果下的整流器网侧电流波形图和诊断信息。

图4是基于本发明电力牵引交流传动两电平单相四象限脉冲整流器开关管开路故障诊断方法在RT-LAB上做出的实施例的整流器T1 管故障下的整流器网侧电流波形图和诊断信息。

图5是基于本发明电力牵引交流传动两电平单相四象限脉冲整流器开关管开路故障诊断方法在RT-LAB上做出的实施例的整流器T2 管故障下的整流器网侧电流波形图和诊断信息。

图6是基于本发明电力牵引交流传动两电平单相四象限脉冲整流器开关管开路故障诊断方法在RT-LAB上做出的实施例的整流器T3 管故障下的整流器网侧电流波形图和诊断信息。

图7是基于本发明电力牵引交流传动两电平单相四象限脉冲整流器开关管开路故障诊断方法在RT-LAB上做出的实施例的整流器T4 管故障下的整流器网侧电流波形图和诊断信息。

图8是基于本发明电力牵引交流传动两电平单相四象限脉冲整流器开关管开路故障诊断方法在RT-LAB上做出的实施例的整流器T1 管和T2管故障下的整流器网侧电流波形图和诊断信息。

图9是基于本发明电力牵引交流传动两电平单相四象限脉冲整流器开关管开路故障诊断方法在RT-LAB上做出的实施例的整流器T1 管和T3管故障下的整流器网侧电流波形图和诊断信息。

图10是基于本发明电力牵引交流传动两电平单相四象限脉冲整流器开关管开路故障诊断方法在RT-LAB上做出的实施例的整流器 T1管和T4管故障下的整流器网侧电流波形图和诊断信息。

图11是基于本发明电力牵引交流传动两电平单相四象限脉冲整流器开关管开路故障诊断方法在RT-LAB上做出的实施例的整流器 T2管和T3管故障下的整流器网侧电流波形图和诊断信息。

图12是基于本发明电力牵引交流传动两电平单相四象限脉冲整流器开关管开路故障诊断方法在RT-LAB上做出的实施例的整流器 T2管和T4管故障下的整流器网侧电流波形图和诊断信息。

图13是基于本发明电力牵引交流传动两电平单相四象限脉冲整流器开关管开路故障诊断方法在RT-LAB上做出的实施例的整流器 T3管和T4管故障下的整流器网侧电流波形图和诊断信息。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一个实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

作为本发明中一种两电平单相四象限脉冲整流器开关管开路故障诊断方法的具体实施方法，使用的硬件结构为RT-LAB半实物平台，型号为TMS320F28335的DSP控制器。

实施例

电力牵引交流传动两电平单相四象限脉冲整流器开关管开路故障诊断可按照本发明所叙述方法进行：

第1步：在RT-LAB平台上搭建两电平单相四象限脉冲整流器正常工作模型，设定PWM开关频率为500Hz，中间直流侧电压3000V；在DSP上编写的脉冲整流器控制程序，实现两电平单相四象限脉冲整流器的正常工作，波形如图3所示；

第2步：通过控制DSP的控制脉冲丢失，实现开关管开路故障的效果；

第3步：每隔一个采样间隔，采样得到一个网侧电流值，添加进网侧电流值队列中；

第4步：对网侧电流值队列做FFT，得到直流量和一次开关频率附近量；

第5步：用直流量对一次开关频率附近量进行标幺；

第6步：判断直流量是否超过阈值K1，是则进行第8步，否则继续进行第7步；

第7步：判断一次开关频率附近量是否超过阈值K2，是则T1/T4 管与T2/T3管同时发生故障，否则未发生故障；输出结果；

第8步：判断直流量的方向，方向为正则1号/4号管故障，方向为负则T2/T3管故障；输出结果。第3步到第8步的流程如图2所示。

基于RT-LAB的试验结果如图4～13所示，图4为T1管故障情况下的试验结果，图5为T2管故障情况下的试验结果，图6为T3 管故障情况下的试验结果，图7为T4管故障情况下的试验结果，图8 为T1与T2管同时故障情况下的试验结果，图9为T1与T3管同时故障情况下的试验结果，图10为T1与T4管同时故障情况下的试验结果，图11为T2与T3管同时故障情况下的试验结果，图12为 T2与T4管同时故障下的试验结果，图13为T3与T4管同时故障情况的试验结果。

以上所述就是本发明的一种实施方式。

Claims (1)

1.电力牵引交流传动两电平单相四象限脉冲整流器开关管开路故障诊断方法，定义单相两电平脉冲整流器左边桥臂为A桥臂，A桥臂上方开关管T1，A桥臂下方开关管T2；右边桥臂为B桥臂,B桥臂上方开关管T3，B桥臂下方开关管T4；其特征在于，诊断方法包括以下步骤：

(1)对整流器网侧输入电流进行采样，设采样频率为f_s，网侧输入电压基波频率为f＝50Hz，将采样电流值存储为一个采样电流序列，序列长度为N，

(2)每次采样后，对采样电流序列做快速傅里叶变换FFT：

其中,i(n)为第n个采样电流值，a₀为采样电流的直流分量，a_k、b_k为各次谐波的分量，c_k为该次谐波总量，其中下标k表示谐波次数，取值范围为1到N的正整数，当k＝1表示基波量；

(3)用网侧电流直流含量表征负载水平，对谐波进行归一化：

并设置直流量异常的阈值为K₁，一次开关频率附近谐波量异常的阈值为K₂；

(4)设一次开关频率对应的谐波次数为j，则一次开关频率附近的频率量可表示为

定义两个状态量sign1和sign2，sign1表示开关管T1和T4是否异常、sign2表示开关管T2和T3是否异常，值为1表示发生故障,sign1与sign2的取值如下；

当sign1＝1时，表示开关管T1和开关管T4至少有一个开关管发生开路故障；sign2＝1时表示开关管T2和开关管T3至少有开关管发生开路故障；sign1＝1同时sign2＝1时，则开关管T1和开关管T4至少有一个中有故障发生，同时开关管T2和开关管T3中也至少有一个故障发生。