CN106680647B - 一种动车组逆变器igbt单管断路故障诊断方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种动车组逆变器IGBT单管断路故障诊断方法，包括以下步骤：根据单管故障模式下三相输出电流，构造正交紧支撑复小波；根据构造的复小波变换的实部和虚部得到三相输出电流的幅值和相位分布特征；根据三相输出电流的幅值和相位分布特征，计算复小波分解系数各层相位差均值这一特征量；利用最大互相函数计算相位差均值间相关性；根据各层相位差均值这一特征量及其之间的相关性的对比验证，进行逆变器单管断路故障的诊断；本发明通过对相位差均值间的相关性进行量化求解，并且与相位差均值特征量进行对比，故障诊断的精确度较高。
Description
技术领域
本发明涉及动车组变流器故障诊断领域，具体涉及一种动车组逆变器IGBT单管断路故障诊断方法。
背景技术
目前，动车组列车出现故障时司乘人员只能通过关闭模块电路的方式实现故障的切除，该处理方式直接导致动车组丧失部分动力无法以额定速度运行；针对这种情况，目前的变流器故障诊断技术中，基于信号处理的方法是利用信号模型直接分析信号中的各种特征信息(频率、幅值和相位等)，可分为频谱分析的方法、小波变换方法、主元变换方法等；基于数据驱动的方法，有神经网络诊断方法、故障树诊断方法、粒子群诊断方法、支持向量机诊断方法等；上述诊断方法在变流器的故障诊断中均取得了一定的效果，但根本出发点都是从该系统输出电气量的视频域特征展开的，并没有关注信号相位量隐含的特征。
发明内容
本发明提供一种根据动车组故障模式下的电流信号计算“相位差均值”这一特征量及其之间的相关性进行逆变器IGBT单管断路故障诊断方法。
本发明采用的技术方案是：一种动车组逆变器IGBT单管断路故障诊断方法，包括以下步骤：
根据单管故障模式下三相输出电流，构造正交紧支撑复小波；
根据构造的复小波变换的实部和虚部得到三相输出电流的幅值和相位分布特征；
根据三相输出电流的幅值和相位分布特征，计算复小波分解系数各层相位差特征量；
利用最大互相函数计算“相位差均值”特征量之间相关性；
根据复小波变换后各层“相位差均值”特征量及三相电流相关性计算，进行逆变器单管断路故障的诊断。
进一步的，所述根据构造的复小波变换的实部和虚部得到三相输出电流的幅值和相位分布特征的步骤如下：
正交小波ψ及其对应的尺度函数φ满足下述条件：
紧支正交小波，hn或gn的项数满足下式：
根据上述两个式子，推导得到如下结果：
求取复数序列ch[n]，规范性处理，得到复低通滤波器ch以及对偶复低通滤波器使用复滤波器将信号分解为实部和虚部，如下：
式中：hn、gn分别表示正交小波函数及其对应尺度函数的滤波系数，x为小波基自变量，l为小波基平移量，H(ω)、G(ω)分别为滤波系数傅里叶变换后结果，ω为傅里叶变换频率，z＝e-jω/2，λi为不等于±1的实数，L为形式为z-λi项的个数，M为项的个数，n为h多项式的长度。
进一步的，所述根据三相输出电流的幅值和相位分布特征，计算复小波分解系数各层相位差特征量步骤如下：
考虑电流信号特征频段对应的复小波分解层数为从第r层到第s层，s>r>0，以a相电流为例，经复小波变换后第j层系数分别为：
第j层小波系数的能量为：
a相电流对应的复小波变换第j层系数的剩余M点电流相位序列为：
a相电流与b相电流在第j层相位差均值为：
利用上式，同理可求取三相电流中b、c两相及a、c两相在第j层相位差均值；
根据上式即可得到复小波分解系数各层相位差均值。
进一步的，所述利用最大互相函数计算“相位差均值”特征量之间相关性具体过程如下：
求解公式为：
式中：n为延迟时间序列，r为时间序列，N为采样点数；phIx(r)为第r个时间序列对应的相位差均值，phIy(r+n)为第r+n个时间序列对应的相位差均值。
本发明的有益效果是：
(1)本发明通过采集单管故障模式下三相输出电流，构造正交紧支撑复小波，得到电流幅值和相位信息，对信号信息进行的分析更加精确；
(2)本发明对相位差之间的相关性进行量化求解，故障诊断的精确度较高。
附图说明
图1为动车组量电平逆变主电路图。
图2为T1管断路小波分解系数各层相位差。
图3为T4管断路小波分解系数各层相位差。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。
一种动车组逆变器IGBT单管断路故障诊断方法，包括以下步骤：
根据单管故障模式下三相输出电流，构造正交紧支撑复小波；
根据构造的复小波变换的实部和虚部得到三相输出电流的幅值和相位分布特征；
根据三相输出电流的幅值和相位分布特征，计算复小波分解系数各层相位差特征量；
利用最大互相函数计算相位差特征量之间相关性；
根据复小波变换后各层相位差均值这一特征量及三相电流相关性计算，进行逆变器单管断路故障的诊断。
进一步的，所述根据构造的复小波变换的实部和虚部得到三相输出电流的幅值和相位分布特征的步骤如下：
复小波变换使用复滤波器将信号分解为实部和虚部，使用实部和虚部系数得到幅值和相位信息，来对信号信息进行更为精确的分析
正交小波ψ及其对应的尺度函数φ满足下述条件：
紧支正交小波，hn或gn的项数满足下式：
根据上述两个式子，推导得到如下结果：
求取复数序列ch[n]，规范性处理，得到复低通滤波器ch以及对偶复低通滤波器使用复滤波器将信号分解为实部和虚部，可分别计算出复高通滤波器cg和如下：
式中：hn、gn分别表示正交小波函数及其对应尺度函数的滤波系数，x为小波基自变量，l为小波基平移量，H(ω)、G(ω)分别为滤波系数傅里叶变换后结果，ω为傅里叶变换频率，z＝e-jω/2，λi为不等于±1的实数，L为形式为z-λi项的个数，M为项的个数，n为h多项式的长度。
根据上述分析，构造db7复小波，可利用复小波变换的实部和虚部来综合评价被分析信号的分布特征。
进一步的，所述根据三相输出电流的幅值和相位分布特征，计算复小波分解系数各层相位差特征量步骤如下：
考虑电流信号特征频段对应的复小波分解层数为从第r层到第s层，s>r>0，以a相电流为例，经复小波变换后第j层系数分别为：
第j层小波系数的能量为：
a相电流对应的复小波变换第j层系数的剩余M点电流相位序列为：
a相电流与b相电流在第j层相位差均值为：
利用上式，同理可求取三相电流中b、c两相及a、c两相在第j层相位差均值；
根据上式即可得到复小波分解系数各层相位差均值。完成各功率器件断路模式下数据复小波分解系数各层“相位差均值”特征向量的求取。
进一步的，所述利用最大互相函数计算“相位差均值”特征量之间相关性具体过程如下：
求解公式为：
式中：n为延迟时间序列，r为时间序列，N为采样点数；phIx(r)为第r个时间序列对应的相位差均值，phIy(r+n)为第r+n个时间序列对应的相位差均值。
以动车组两电平逆变主电路为例，推导复高通滤波器，构造db7复小波；统计逆变器IGBT单管断路故障的类型，并推导其触脉冲编码，如表1所示；以a相电流为例，推导其经复小波变换后第j层系数，计算各层系数的相位差；上桥壁T1处对应的IGBT发生断路故障时，b相电流和c相电流相位差PhIbc，a相电流和b相电流相位差PhIab呈现出较为强烈的正相关性；而a相电流和c相电流相位差PhIac信号在经过30层分解后各层分解系数对应的相差稳定在38rad；下桥壁T4处对应的IGBT发生断路故障时，a相电流和c相电流相位差PhIac，a相电流和b相电流相位差PhIab呈现出较为强烈的负相关性；而b相电流和c相电流相位差PhIbc信号在经过30层分解后各层分解系数对应的相差在47rad，如图2、3和表2所示；利用最大互相关函数对应相位差之间的相关性进行量化求解，与上述相位差结果进行对比验证，提高诊断的精确度，相关性结果如表2所示。
表1各时间段主导频率能量幅值分布
表2 IGBT单管断路相差规律及相关性
本发明针对目前动车组逆变器模块功率器件出现故障时司乘人员只能通过关闭整个模块电路的方式实现故障切除，将直接导致动车组丧失部分动力的问题；提出的一种可以精确进行故障诊断的方法；根据采集各单管故障模式下三相输出电流，利用构造的复小波提取电流信号小波分解系数各层相位差均值，结合复小波各层相位差均值之间相关性以及各故障模式下“相位差均值”变化规律实现变流器IGBT断路故障的诊断，为高铁动车组运营维护提供一种技术方案。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种动车组逆变器IGBT单管断路故障诊断方法，其特征在于，包括以下步骤：
根据单管故障模式下三相输出电流，构造正交紧支撑复小波；
根据构造的复小波变换的实部和虚部得到三相输出电流的幅值和相位分布特征；
根据三相输出电流的幅值和相位分布特征，计算复小波分解系数各层相位差均值；
利用互相关函数计算相位差均值之间相关性；
根据复小波变换后各层相位差均值及相位差均值之间相关性，进行逆变器单管断路故障的诊断。
2.根据权利要求1所述的一种动车组逆变器IGBT单管断路故障诊断方法，其特征在于，所述根据构造的复小波变换的实部和虚部得到三相输出电流的幅值和相位分布特征的步骤如下：
正交小波ψ及其对应的尺度函数φ满足下述条件：
紧支正交小波，hn或gn的项数满足下式：
根据上述两个式子，推导得到如下结果：
在此基础上求取复数序列，规范性处理，得到复低通滤波器以及对偶复低通滤波器，使用复滤波器将信号分解为实部和虚部，如下：
式中：hn、gn分别表示正交小波函数及其对应尺度函数的滤波系数，x为小波基自变量，l为小波基平移量，H(ω)、G(ω)分别为滤波系数傅里叶变换后结果，ω为傅里叶变换频率，z＝e-jω/2，λi为不等于±1的实数，L为形式为z-λi项的个数，M为项的个数，n为h多项式的长度。
3.根据权利要求2所述的一种动车组逆变器IGBT单管断路故障诊断方法，其特征在于，所述根据三相输出电流的幅值和相位分布特征，计算复小波分解系数各层相位差特征量步骤如下：
考虑电流信号特征频段对应的复小波分解层数为从第r层到第s层，s>r>0，以a相电流为例，经复小波变换后第j层系数分别为：
第j层小波系数的能量为：
a相电流对应的复小波变换第j层系数的剩余M点电流相位序列为：
a相电流与b相电流在第j层相位差均值为：
利用上式，同理可求取三相电流中b、c两相及a、c两相在第j层相位差均值；
根据上式即可得到复小波分解系数各层相位差均值。
4.根据权利要求3所述的一种动车组逆变器IGBT单管断路故障诊断方法，其特征在于，所述利用互相关函数计算相位差均值间相关性具体过程如下：
求解公式为：
式中：n为延迟时间序列，r为时间序列，N为采样点数；phIx(r)为第r个时间序列对应的相位差均值，phIy(r+n)为第r+n个时间序列对应的相位差均值。
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