CN108075497B - 一种主电路充电不良故障实时诊断方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种主电路充电不良故障实时诊断方法，所述主电路包括依次连接的电源、充电回路、中间回路以及负载；所述充电回路用于为中间回路进行充电，包括充电接触器、充电电阻以及短接接触器，所述充电接触器和充电电阻串联后与短接接触器并联；包括以下步骤：采集主电路输入电流、输入电压值；根据欧姆定律，计算中间回路短路时的等效电阻值；将等效电阻值与充电电阻值进行比较，判断是否存在因中间回路短路导致的充电不良故障。本发明能够避免充电不良故障漏报的情况，并且能进一步判定出充电不良故障产生的原因，诊断快速、精准。

Description

一种主电路充电不良故障实时诊断方法

技术领域

本发明从属于故障诊断技术领域，更具体地，涉及一种主电路充电不良故障实时诊断方法。

背景技术

不管是直流还是交流主电路的充电回路，为了在主电路存在故障(如支撑电容故障、二次谐振电容故障等)及时有效地保护主电路，均需在充电阶段对主电路充电是否正常，即充电不良故障进行判断。若判断出充电不良，应及时保护，以免故障扩大化。

目前机车上充电不良故障诊断方法一般采用固定时间固定电压门槛的充电不良判断方法。如图1所示为一种直流供电传动系统主电路原理，充电相关部分如虚线框内所示，充电时，充电接触器KM1闭合，短接接触器KM2断开，电网电压通过平波电抗器L，经由充电接触器KM1、充电电阻Rchr向中间回路的支撑电容充电。现有技术的充电不良故障诊断方法原理如图3所示，根据中间电压传感器VH1采样值以及充电接触器KM1状态来综合判断，具体方法为：充电接触器KM1闭合一定时间门槛Tth后检测中间电压传感器VH1采样值Ud是否超某一电压门槛值Uth，若Ud＞Uth，则认为充电不良故障，若不成立，则认为充电正常。

然而现有的固定时间固定电压门槛的充电不良诊断方法，只是在充电过程的一个特定时间点的电压值进行门槛判断。如图3中仅在时间点t₂进行充电不良故障诊断，若在t₂至t₃时间段内发生充电不良故障，该方法会发生漏报；此外，为了不发生误报造成机车不正常停机，一般会取时间门槛Tth为一个较长的时间(一般为1s以上)，电压门槛Uth取为一个很保守的值，因此，该方法对充电不良诊断的快速性有很大局限性；并且该充电不良故障诊断方法不能诊断出充电不良故障的类别。

发明内容

本发明为克服上述现有技术所述的至少一种缺陷，提出了能够避免充电不良故障漏报的情况，并且能进一步判定出充电不良故障产生的原因，本发明的技术方案如下，

提供一种主电路充电不良故障实时诊断方法，所述主电路包括依次连接的电源、充电回路、中间回路以及负载；所述充电回路用于为中间回路进行充电，包括充电接触器、充电电阻以及短接接触器，所述充电接触器和充电电阻串联后与短接接触器并联；包括以下步骤：

S1.采集主电路输入电流、输入电压值；根据欧姆定律，计算中间回路短路时的等效电阻值；将等效电阻值与充电电阻值进行比较，判断是否存在因中间回路短路导致的充电不良故障。

本发明根据中间电压和主电路输入电流测量值变化规律，巧妙利用了欧姆定律来进行因中间回路短路而导致的充电不良故障的诊断；当主电路的中间回路发生故障短路时，电源的一端经由充电接触器和充电电阻，再流向电源的另一端，形成一个回路。稳定后，输入电压、输入电流与充电电阻阻值满足欧姆定律。因此可通过此电压电流的规律来判定是否发生了因中间回路短路导致的充电不良。

进一步地，所述步骤S1具体为：

S11.采集主电路输入电压值以及输入电流值，分别记为U_p(k)、I_qc(k)；根据式(1)计算等效充电电阻阻值R_cal(k)；

其中，K为比例系数；

S12.判断R_cal(k)是否在有效阻值范围内，式(2)是否成立；

0.8·R≤R_cal(k)≤1.2·R (2)

其中0.8R≤R1≤R，R≤R2≤1.2R，R为充电电阻阻值；按照欧姆定律，若发生中间回路短路，R_cal(k)应等于R，为了避免测量误差对结果进行的干扰，对R的门槛值设有低阈值R1和高阈值R2，以防止误报，进一步提高诊断的准确性；本发明中间回路短路时充电不良故障是以充电电阻阻值是否处于有效范围为标准进行诊断，基于中间回路短路时充电回路电压电流关系，替换成电压或电流是否处于有效范围为标准也可以完成诊断。

S13.若式(2)成立，则置判断有效标志位Valid_Flag1为TRUE，否则置为FALSE；

S14.设定门槛时间，若Valid_Flag1为TRUE的持续时间超过门槛时间，则置充电不良故障标志位Fault_Flag1为TRUE，并判断发生了因中间回路短路导致的充电不良故障。

进一步优选地，所述步骤S11中：根据式(3)，(4)计算单信号周期内U_p(k)、I_qc(k)的峰值U_{p_max}(k)和I_{qc_max}(k)；

U_{p_max}(k)＝Max(|U_p(k)|,|U_p(k-1)|,…,|U_p(k-N+1)|) (3)

I_{qc_max}(k)＝Max(|I_qc(k)|,|I_qc(k-1)|,…,|I_qc(k-N+1)|) (4)

式中，N＝T/T_s，T为信号周期，T_s为U_p(k)、I_qc(k)的采样周期；

根据式(5)计算等效充电电阻阻值R_cal(k)；

本发明中，对电压电流进行采样时，选用了单信号周期内的峰值，能够进一步避免因输入的电压电流小，采样精度对判断结果的影响。

进一步地，当所述电源为直流电源时，所述步骤S2中，K为1。

进一步地，当所述电源为交流电源，并且交流电源通过变压器将电能传送给充电回路时，所述步骤S2中，K为变压器变比，输入电压为变压器次边电压，输入电流为次边绕组输入电流。

进一步地，所述步骤S1之后，还包括步骤S2：

S2.根据输入电压、充电接触器闭合时间、短接接触器闭合时间设定动态电压门槛值；并将中间电压值与动态电压门槛值进行比较；判断是否存在因主电路元器件劣化导致的充电不良故障。

充电正常时，中间电压随时间呈指数函数关系，而当主电路元器件劣化导致充电不良时，中间电压随时间成一次函数关系，根据充电正常时的中间电压和主电路元器件劣化时的中间电压的关系，正常充电过程中中间电压波形将处于非正常时一次函数图像的上方。据此本发明通过设定动态门槛电压值，可判断是否出现了因主电路器件劣化导致的充电不良。

进一步地，所述步骤S1之前设有步骤S0，

S0.检测充电接触器是否闭合，若闭合，则转至下一步骤；否则，继续进行步骤S0；

由于对因中间回路短路故障的步骤较少，判断迅速，当步骤S1中的判定结果为否时才进行步骤S2，否则，返回步骤S0。这样当检测出因中间回路短路造成充电不良时，可以无需进行下一步检测，提高了诊断效率。

进一步地，所述步骤S2具体为：

S21.按式(6)计算动态电压门槛值U_th(k)；

其中，t_on(k)为充电接触器KM1闭合持续时间，t_CHR为充电接触器闭合时间点，t_LB为短接接触器闭合时间点；U₀为充电接触器闭合时起始中间电压，U_LB为短接接触器闭合电压。本发明动态门槛计算以充电和短接时刻的数值拟合成一次函数作为动态门槛基准，也可采用类似的方法进行计算。

S22采集中间回路电压测量值U_d(k)，判断式(7)是否成立；

U_d(k)＞U_th(k) (7)

S23.若式(7)成立，则置判断有效标志位Valid_Flag2为TEUE，否则置为FALSE；

S24.设定门槛时间，若Valid_Flag2为TRUE的持续时间超过门槛时间，则置充电不良故障标志位Fault_Flag2为TRUE，并判断发生了因主电路元器件劣化导致的充电不良故障。

T_th1、t_LB的取值可根据实际主电路的参数进行选择，进一步优选地，所述t_CHR取充电接触器闭合后延迟T_th1的时间点，t_LB取为短接接触器闭合后的延迟T_th2的时间点，400ms≤T_th1≤500ms，400ms≤T_th2≤500ms。T_th1、T_th2的延迟是为了防止刚闭合充电接触器或短接接触器时，中间电压测量误差造成的误报。

进一步地，所述中间回路电压测量值U_d(k)采样周期为40ìs。

进一步地，门槛时间为100ms至500ms。

进一步地优选地，门槛时间为200ms，此时间既能确保判断的准确，又能限制诊断时间，提高诊断速度。

与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：

本发明开创性地提出了一种主电路充电不良故障的诊断思路，包括基于中间回路短路时电压电流关系的诊断方法、基于动态门槛的诊断方法以及动态门槛的计算方法，使得诊断变得高效而精准。具体地，本发明根据中间回路短路和主电路元器件劣化不同的故障工况下的电压电流的变化规律，在整个充电过程中通过电压电流的采样值及其相关性进行有效性监测，整个充电过程均对充电不良进行连续诊断，克服了传统方法固定时间点判断的缺陷，能实时诊断出充电不良故障，防止了充电不良故障的漏报的同时，提高了充电不良故障诊断的准确性；并且能够进一步判断出引起充电不良的原因，进一步提高了诊断的精确性。

本发明可以广泛应用于交流、直流主电路充电回路，具有重要的推广价值。

附图说明

图1为直流供电传动系统主电路原理图。

图2为牵引变流器典型主电路原理图。

图3为现有技术主电路充电不良故障实时诊断方法原理图。

图4为本发明主电路充电不良故障实时诊断方法原理图。

图5为实施例2主电路充电不良故障实时诊断方法流程图。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以是通过中间媒介间接连接，可以说两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明的具体含义。

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。

实施例1

如图1所示为一种典型的直流传动系统主电路，包括依次连接的直流电源、充电回路、中间回路以及逆变装置；充电回路为中间回路进行充电，经由逆变器外接牵引电机；充电回路包括串联的充电接触器KM1和充电电阻Rchr，与充电接触器KM1和充电电阻Rchr并联连接的短接接触器KM2。

现有技术中，充电不良故障诊断方法一般采用固定时间固定电压门槛的充电不良判断方法，如图3所示，即根据中间电压传感器VH2采样值以及充电接触器KM1状态来综合判断，具体方法为：充电接触器KM1闭合一定时间门槛Tth后检测中间电压传感器VH2采样值Ud是否超某一电压门槛值Uth，若Ud>Uth，则认为充电不良故障，若不成立，则认为充电正常。在充电过程的一个特定时间点的电压值进行门槛判断，如图3所示仅在时间点t₂进行充电不良故障诊断。若在t₂至t₃时间段内发生充电不良故障，该方法会发生漏报。此外，为了不发生误报造成机车不正常停机，一般会取时间门槛Tth为一个较长的时间(一般为1s以上)，电压门槛Uth取为一个很保守的值，因此，该方法对充电不良诊断的快速性也存在很大局限性。并且不能判断出充电不良故障产生的原因。

本实施例基于导致充电不良的不同主电路故障工况时，输入电压、输入电流、中间电压测量值的变化规律，提出了一种充电不良故障的实时诊断方法，诊断原理如下文所述。

当主电路中间回路发生故障短路时，由图1可知，高压电经电抗器L，充电接触器KM1和充电电阻Rchr，再经直流输入电流传感器形成一个回路。由于中间回路短路，中间电压传感器VH2采样值将恒为0附近，且稳定后直流网压、直流输入电流与充电电阻阻值满足欧姆定律。设直流网压传感器VH1、直流输入电流传感器LH1采样值分别为U_p、I_d，则

本实施例基于此特征，实现对中间回路短路时引起的充电不良进行实时诊断。本实施例中间回路短路时充电不良故障是以充电电阻阻值是否处于有效范围为标准进行诊断，基于中间回路短路时充电回路电压电流关系，替换成电压或电流是否处于有效范围为标准也可以完成诊断，

该主电路充电不良故障实时诊断方法，包括以下步骤：

S11.采集主电路输入电压值以及输入电流值，分别记为U_p(k)、I_qc(k)；根据式(1)计算等效充电电阻阻值R_cal(k)；

其中，K为比例系数，本实施例中，K为1。

S12.判断R_cal(k)是否在有效阻值范围内，式(2)是否成立；

R1≤R_cal(k)≤R2 (2)

其中0.8R≤R1≤R，R≤R2≤1.2R，R为充电电阻阻值；按照欧姆定律，若发生中间回路短路，R_cal(k)应等于R，为了避免测量误差对结果进行的干扰，对R的门槛值设有低阈值R1和高阈值R2，以防止误报，进一步提高诊断的准确性；

S13.若式(2)成立，则置判断有效标志位Valid_Flag1为TRUE，否则置为FALSE；

S14.为了防止误判，设定门槛时间，若Valid_Flag1为TRUE的持续时间超过门槛时间，则置充电不良故障标志位Fault_Flag1为TRUE，并判断发生了因中间回路短路导致的充电不良故障。本实施例中，门槛时间为100ms至500ms。

实施例2

如图2所示为一种牵引变流器典型主电路，包括交流电源、变压器、为中间回路充电的充电回路，电能经由中间回路传送到用电设备；充电相关部分如图2中虚线框内所示，包括串联的充电接触器KM1和充电电阻Rchr，与充电接触器和充电电阻并联连接的短接接触器KM2；充电时，充电接触器KM1闭合，短接接触器KM2断开，电网电压通过牵引变压器次边牵引绕组，经由充电接触器KM1、充电电阻Rchr、以及四象限整流模块的反并联不控整流二极管向中间回路的支撑电容充电。

本实施例基于导致充电不良的不同主电路故障时，中间电压及次边绕组输入电压、输入电流测量值的变化规律，提出了一种充电不良故障的实时诊断方法，诊断原理如下文所述。

当主电路中间回路发生故障短路，如支撑电容故障短路、模块IGBT桥臂短路等时，由图2可知，高压电从牵引变压器次边绕组，经充电接触器KM1和充电电阻Rchr，再经次边绕组输入电流传感器形成一个回路。由于中间回路短路，中间电压传感器VH1采样值将恒为0附近，且变压器次边电压、次边绕组输入电流与充电电阻阻值满足欧姆定律。设牵引变压器原边高压电压互感器TA、次边绕组输入电流传感器LH1采样值分别为U_p、I_qc，牵引变压器变比为K、充电电阻阻值为R，则

当主电路元部件劣化时，不会导致中间回路短路，中间电压也会缓慢上升，但不能充至正常值，在此类故障工况下，为了克服现有待定时间点固定门槛诊断方法的缺点，提出了如下动态门槛的全充电过程实时充电不良故障诊断方法，其诊断原理说明如下。

如图4所示，正常情况下，当t₁时刻充电接触器KM1闭合后，由于充电回路可等效为RC阻容电路，中间电压将呈惯性环节响应曲线状。因此，若根据充电时间及短接电压门槛，绘制一条以充电接触器闭合时间点t_CHR(取为充电接触器闭合后的T_th1时间点，此处T_th1的延时是为了防止刚闭合充电接触器时，中间电压测量误差造成的误报)，充电接触器闭合时起始中间电压U₀为起点坐标(t_CHR,U₀)，短接接触器闭合时间点t_LB(t_LB取为短接接触器闭合后的T_th2时间点，此处T_th2的延时是为了防止刚闭合短接接触器时，中间电压测量误差造成的误报)，短接接触器闭合电压门槛U_LB为终点坐标(t_LB,U_LB)的直线，则正常充电过程中中间电压波形将处于直线上方。若判断出在充电过程中中间电压值未满足上述特征，则可诊断为因元器件劣化导致了充电不良故障。

主电路充电不良故障实时诊断方法，包括以下步骤。

S0.检测充电接触器是否闭合，若闭合，则转至下一步骤；否则，继续进行步骤S0；

S1.采集主电路输入电流、输入电压值；根据欧姆定律，计算中间回路短路时的等效电阻值；将等效电阻值与充电电阻值进行比较，判断是否存在因中间回路短路导致的充电不良故障；

步骤S1具体包括：

S11..采集主电路输入电压值以及输入电流值，分别记为U_p(k)、I_qc(k)；根据式(1)计算等效充电电阻阻值R_cal(k)；

其中，K为变压器变比，输入电压为变压器次边电压，输入电流为次边绕组输入电流；

具体地，计算单信号周期内U_p(k)、I_qc(k)的峰值U_{p_max}(k)和I_{qc_max}(k)；

U_{p_max}(k)＝Max(|U_p(k)|,|U_p(k-1)|,…,|U_p(k-N+1)|) (3)

I_{qc_max}(k)＝Max(|I_qc(k)|,|I_qc(k-1)|,…,|I_qc(k-N+1)|) (4)

式中，N＝0.02/T_s，0.02为信号周期；T_s为U_p(k)、I_qc(k)的采样周期；本实施例中T_s为40ìs；

根据式(5)计算等效充电电阻阻值R_cal(k)；

S12.判断R_cal(k)是否在有效阻值范围内，式(2)是否成立；

0.8·R≤R_cal(k)≤1.2·R (2)

其中，R为充电电阻阻值；

S13.若式(2)成立，则置判断有效标志位Valid_Flag1为TRUE，否则置为FALSE；

S14.设定门槛时间，若Valid_Flag1为TRUE的持续时间超过门槛时间，则置充电不良故障标志位Fault_Flag1为TRUE，并判断发生了因中间回路短路导致的充电不良故障；

当步骤S1中的判定结果为没有发生因中间回路短路导致的充电不良故障时，才进行步骤S2，否则，返回步骤S0；

S2.根据输入电压、充电接触器闭合时间、短接接触器闭合时间设定动态电压门槛值；并将中间电压值与动态电压门槛值进行比较；判断是否存在因主电路元器件劣化导致的充电不良故障。

其中，S2的具体步骤为：

S21.按式(6)计算动态电压门槛值U_th(k)；

其中，t_on(k)为充电接触器KM1闭合持续时间，t_CHR为充电接触器闭合时间点，t_LB为短接接触器闭合时间点；U₀为充电接触器闭合时起始中间电压，U_LB为短接接触器闭合电压；本实施例中，t_CHR取充电接触器闭合后延迟T_th1的时间点，t_LB取为短接接触器闭合后的延迟T_th2的时间点；T_th1为500ms，T_th2为500ms。

S22.采集中间回路电压测量值U_d(k)，判断式(7)是否成立；

U_d(k)＞U_th(k) (7)

其中，U_d(k)采样周期为40ìs。

S23.若式(7)成立，则置判断有效标志位Valid_Flag2为TRUE，否则置为FALSE；

S24.设定门槛时间，若Valid_Flag2为TRUE的持续时间超过门槛时间，则置充电不良故障标志位Fault_Flag2为TRUE，并判断发生了因主电路元器件劣化导致的充电不良故障。

本实施例中的门槛时间为200ms。

相比于传统故障诊断方法，本发明在整个充电过程均对充电不良进行诊断，克服了传统方法固定时间点判断的缺陷，提高了故障诊断的有效性；并且能有效区分造成充电不良故障的原因，提高了诊断的精确性。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。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，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种主电路充电不良故障实时诊断方法，所述主电路包括依次连接的电源、充电回路、中间回路以及负载；所述充电回路用于为中间回路进行充电，包括充电接触器、充电电阻以及短接接触器，所述充电接触器和充电电阻串联后与短接接触器并联；其特征在于，包括以下步骤：S1.采集主电路输入电流、输入电压值；根据欧姆定律，计算中间回路短路时的等效电阻值；将等效电阻值与充电电阻值进行比较，判断是否存在因中间回路短路导致的充电不良故障；还可包括步骤S2.根据输入电压、充电接触器闭合时间、短接接触器闭合时间设定动态电压门槛值，并将中间电压值与动态电压门槛值进行比较，判断是否存在因主电路元器件劣化导致的充电不良故障；

所述步骤S2具体为：

S21.按式(6)计算动态电压门槛值U_th(k)；

其中，t_on(k)为充电接触器KM1闭合持续时间，t_CHR为充电接触器闭合时间点，t_LB为短接接触器闭合时间点；U₀为充电接触器闭合时起始中间电压，U_LB为短接接触器闭合电压；

S22.采集中间回路电压测量值U_d(k)，判断式(7)是否成立；

U_d(k)＞U_th(k) (7)

S23.若式(7)成立，则置判断有效标志位Valid_Flag2为TRUE，否则置为FALSE；

S24.设定门槛时间，若Valid_Flag2为TRUE的持续时间超过门槛时间，则置充电不良故障标志位Fault_Flag2为TRUE，并判断发生了因主电路元器件劣化导致的充电不良故障。

2.根据权利要求1所述的主电路充电不良故障实时诊断方法，其特征在于，所述步骤S1具体为：

S11.采集主电路输入电压值以及输入电流值，分别记为U_p(k)、I_qc(k)；根据式(1)计算等效充电电阻阻值R_cal(k)；

其中，K为比例系数；

S12.判断R_cal(k)是否在有效阻值范围内，式(2)是否成立；

R1≤R_cal(k)≤R2 (2)

其中0.8R≤R1≤R，R≤R2≤1.2R，R为充电电阻阻值；

S13.若式(2)成立，则置判断有效标志位Valid_Flag1为TRUE，否则置为FALSE；

S14.设定门槛时间，若Valid_Flag1为TRUE的持续时间超过门槛时间，则置充电不良故障标志位Fault_Flag1为TRUE，并判断发生了因中间回路短路导致的充电不良故障。

3.根据权利要求2所述的主电路充电不良故障实时诊断方法，其特征在于，所述步骤S11中，根据式(3)，(4)计算单信号周期内U_p(k)、I_qc(k)的峰值U_{p_max}(k)和I_{qc_max}(k)；

U_{p_max}(k)＝Max(|U_p(k)|,|U_p(k-1)|,…,|U_p(k-N+1)|) (3)

I_{qc_max}(k)＝Max(|I_qc(k)|,|I_qc(k-1)|,…,|I_qc(k-N+1)|) (4)

式中，N＝T/T_s，T为信号周期，T_s为U_p(k)、I_qc(k)的采样周期；

根据式(5)计算等效充电电阻阻值R_cal(k)；

4.根据权利要求2所述的主电路充电不良故障实时诊断方法，其特征在于，当所述电源为直流电源时，所述步骤S11中，K为1；当所述电源为交流电源，并且交流电源通过变压器将电能传送给充电回路时，所述步骤S11中，K为变压器变比，输入电压为变压器次边电压，输入电流为次边绕组输入电流。

5.根据权利要求1所述的主电路充电不良故障实时诊断方法，其特征在于，所述步骤S1之前还设有步骤S0，

S0.检测充电接触器是否闭合，若闭合，则转至下一步骤；否则，继续进行步骤S0；

当所述步骤S1中的判定结果为否时才进行下一步骤，否则，返回步骤S0。

6.根据权利要求1所述的主电路充电不良故障实时诊断方法，其特征在于，所述t_CHR取充电接触器闭合后延迟T_th1的时间点，t_LB取为短接接触器闭合后的延迟T_th2的时间点，400ms≤T_th1≤500ms，400ms≤T_th2≤500ms。

7.根据权利要求1所述的主电路充电不良故障实时诊断方法，其特征在于，所述中间回路电压测量值U_d(k)采样周期为

8.根据权利要求1或6或7任意一项所述的主电路充电不良故障实时诊断方法，其特征在于，所述门槛时间为100ms至500ms。

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