CN108206655A - 一种针对退磁故障后逆变器系统延寿控制方法 - Google Patents

一种针对退磁故障后逆变器系统延寿控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明适用于永磁驱动列车的运营维护领域，是一种针对退磁故障后逆变器系统的延寿控制方法。对于由电机退磁导致的转矩分配不均，逆变器损耗急剧上升问题提出了解决方案。其中分为离线的建模仿真与实时监测两个部分。在离线的混合建模仿真中，取若干不同的退磁工况，求解使逆变器系统寿命尽可能长的功率分配系数，并对功率分配系数取牛顿插值法拟合成图。然后在列车的牵引过程中进行退磁状态监测，通过不同的退磁与负载工况下仿真状态特征的相似度匹配，实时的得出列车的退磁程度及其对应的功率分配系数，在保证列车的牵引性能不受到明显影响的前提下，延长逆变器系统的整体寿命。

Description

一种针对退磁故障后逆变器系统延寿控制方法
技术领域
本发明涉及永磁驱动列车的运营维护领域，具体地说，是一种防止永磁同步电机的退磁这一特殊故障形式对逆变器部件造成额外损伤的延寿控制方法。
背景技术
随着轨道交通行业的不断发展，新型的永磁同步电机已经得到了广泛的应用。虽然永磁同步电机具有功率系数高，噪音小等优点，但是其特有的永磁体退磁故障则会给列车带来严重的影响。永磁同步电机的退磁故障会造成电机的输出转矩下降，同一转向架上的两个电机的转矩分配发生了变化，这将会导致故障电机侧的逆变器负载大大增加，从而导致逆变器中的IGBT元件损伤急剧增加，造成了运营过程中的隐患。针对这种问题，采用延寿控制的思想，通过适当的策略，在对于服役性能没有明显影响的前提下，抑制或是缓解关键部件的损伤加剧问题，那么就能增加系统的整体寿命，从而减少维修次数，改善平均故障的间隔时间(MTBF)。这对于运营维护方面有着积极的意义。
发明内容
本发明的目的在于改善永磁同步电机的退磁故障对其逆变器损伤的不利影响，延长逆变器系统的寿命。
为实现以上目的，本发明是通过以下技术方案来实现：
本发明涉及一种针对退磁故障后逆变器系统延寿控制方法，包括以下步骤：
(1)对牵引系统主要部件进行混合离线建模，所述模型包含电机d-q模型、逆变器电热、损伤模型和电机动力学模型；
(2)选取电机在恒转矩阶段加速度，总加速时间以及前后电机在60km/h-70km/h加速阶段的平均q轴电流为步骤(1)所述的四种模型作为识别退磁程度的标志，将四种模型的识识别退磁程度的标志组成一个参数向量，记为yi＝[yi(n1),yi(n2),yi(n3),yi(n4)]；其中：yi(n1)代表当前工况下电机在恒转矩阶段加速度，yi(n2)代表当前工况下总加速时间，yi(n3)代表前电机在60km/h-70km/h加速阶段的平均q轴电流，yi(n4)代表后电机在60km/h-70km/h加速阶段的平均q轴电流；
(3)以步骤(2)中参数向量的格式，在实验室中离线选取电机在健康状况与若干不同退磁状况的参数向量，按退磁程度从小到大组成标准矩阵DT＝[y1,y2,…,yn]；其中：y1,y2,…,yn第1，2直至n次工况下的yi向量，yi定义在步骤(2)中已给出；
(4)获取电机实际运行状态下的参数向量，记为Yin，注意此参数向量Yin是指电机实际工作时通过步骤(2)监测到的参数向量，并非步骤(3)中在实验室中获取的参数向量；
(5)计算Yin对于标准矩阵的相似度权值，记为A＝[a1,a2,…,an]；
Yin与标准矩阵各个向量的马氏距离d、相似性参数a：
(5-2)将相似性参数ai排列为A＝[a1,a2,…,an],n＝3,4,5…；
(6)计算实际运行状态的退磁程度系数Yest；
计算对应向量的权重向量w：
计算反应退磁程度系数Yest：
Yest＝D·w
(7)离线实验获得电机的功率分配图；
(7-1)在若干不同退磁状况下，降低退磁电机的输入功率，直至退磁电机损耗与健康电机损耗相同，计此时退磁电机的输入功率与健康电机的输入功率比为此退磁状况下的理想功率分配系数；
(7-2)取若干不同退磁状况下的理想功率分配系数使用牛顿插值法拟合成图，横坐标为退磁程度，纵坐标为理想功率分配系数，此图为该电机的功率分配曲线；
(8)在功率分配图上使用牛顿插值法得到退磁程度系数Yest对应的功率分配系数；
(9)根据对应的功率分配系数更改列车运行时具有退磁故障电机的最大输出功率。
本发明中，所述的步骤(2)中，恒转矩阶段的加速度由0-10km/h的加速状况得出，60-70km/h的平均q轴电流由三相电流经过park变换及clark变换得到。
本发明中，所述的步骤(3)中，采用等差的方式选取退磁状况的磁通量，其退磁的最大程度取决于维修方案的退磁失效标准，取空载时电流大于额定值1.5倍时视为永磁体失效。
考虑不同的负载状况与退磁工况，通过离线仿真的方式获取牵引过程中逆变器损伤随着退磁变化的特性曲线，在此基础上采取功率分配的方式，通过减小退磁电机的输出功率，从而获得尽可能长的逆变器系统整体寿命。
功率分配的具体数值来源于对牵引系统的混合离线建模，通过在若干退磁状况下更改功率分配的方式，得到功率分配对于逆变器整体寿命的影响。
采用牛顿插值法的拟合方式将离散的功率分配系数拟合成图。
优化的目标是使得逆变器系统的寿命尽可能的延长。
逆变器的寿命模型由Coffin-Manson-Arrhenius模型与逆变器损耗模型决定，可以用更为准确的加速实验代替。
通过数值仿真，获取不同载荷工况和退磁工况下的列车牵引阶段运行数据，包括空气弹簧所测得的质量、d-q电流以及加速到最大速度所花的时间等，构成历史数据矩阵。列车在途监测得到的数据与历史数据进行基于相似度匹配后，生成相似度权值，即可得到在途列车的电机磁通量。
在离线仿真得到的功率分配曲线中取得实时监测到的退磁工况所对应的功率分配，即可获得列车牵引时的功率分配系数。
本发明所述的一种针对退磁故障后逆变器系统延寿控制的方法，通过离线仿真，实时监测的方式，使得永磁驱动列车在载荷变化的情况下，自适应的改变电机之间的功率分配，从而改善由于退磁产生的逆变器损耗增加的问题。
本发明与现有技术的不同之处在于，现有技术只关心列车牵引系统的服役性能，而本发明在不影响牵引系统服役性能的基础上，考虑的牵引系统在退磁的工作环境下，能够获得更长的使用寿命。
附图说明
图1为本发明整体框架；
图2为混合建模的具体流程。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行说明。
实施例1：如图1所示，本发明的实现需要通过离线仿真，实时监测两条路线实施。
步骤一：首先需要对电机系统进行混合建模，永磁同步电机的模型，本发明采取d-q模型仿真永磁同步电机的运行情况。
其中，Lq和Ld为q轴和d轴上的电感(H)；Rs为定子电阻(ohm)；iq和id为q轴和d轴上的电流(A)；uq和ud为q轴和d轴上的电压(V)；ωr为转子角速度(rad/s)；是永磁体所产生的磁通(Wb)；np是极对数。
永磁同步电机的输出转矩Te可表示为：
IGBT的电热模型如下：
IGBT损耗主要由开关损耗与通态损耗两部分组成。
其中Pcond是IGBT的通态损耗(W)，由IGBT的饱和电压降Vce(sat)(V)、峰值电流Ic(A)和占空比DT决定，Psw是IGBT的开关损耗(W)，由PWM波的频率fPWM、IGBT的开通损耗Eon(W)与关断损耗Eoff(W)决定，IGBT总损耗是通态损耗与开关损耗的累积。
IGBT损耗与其结温Tj的关系如下：
Tj＝Tc+PIGBTRth(j-c)
其中Tc是IGBT的基板温度(℃)，Rth(j-c)是IGBT的结壳热阻(K/KW)。
IGBT损伤模型即Coffin-Manson模型如下：
当IGBT的热阻增大20％且集电极发射极电压增加5％以上时，被视为IGBT失效的标志。
Nf＝A*(ΔTj)α*exp(Q/RTm)
其中Q是材料的激活能，R是玻尔兹曼常数，A与ɑ是与IGBT有关的参数，可以在生产商处或通过加速寿命实验得到，ΔTj与Tm是结温单次循环下的差值与均值。而整体逆变器系统的寿命取决于损伤快的部件，
即：
N＝min(Nfault,Nhealth)
步骤二&三：仿真在Labview中进行，分别记录在不同的载荷与退磁工况下的状态特性，构成历史状态矩阵D:
其中Yn(n1)为第n个工况下，电机恒转矩阶段列车的加速度；Yn(n2),Yn(n3)为第n个工况下，电机恒功率阶段三相电流经坐标变换后所得到的q轴电流；Yn(n4)为第n个工况下列车加速到最高速度所用的时间。
步骤四：实时监测的过程中需要实时采集列车牵引阶段的特征向量：
Yin＝[Yin(n1),Yin(n2),Yin(n3),Yin(n4)]t
步骤五：通过与历史矩阵D的相似度匹配，计算出相应的相似度权值：
其中运算符号代表了在对象的各个向量之间依次做相似度计算，一般依据马氏距离的相似度计算：
步骤六：利用权值向量对设定的退磁工况进行加权求和得到退磁的估计量：
ψest＝D·ω
步骤七：离线实验，在电机位于一定程度的退磁工况时，降低电机输入功率，直至电机损耗与健康工况相同，记此时电机输入功率与健康状况输入功率比为当前退磁工况下的理想功率分配系数。
案例中退磁工况取3％、6％、9％、12％、15％的退磁量进行离线实验。
将以上5种退磁工况的理想功率分配系数使用牛顿插值法拟合，得到功率分配曲线。
步骤八：得到功率分配曲线，并结合步骤六实时监测中估计的剩余磁通量，通过牛顿插值法即可得到对应的功率分配系数。
步骤九：通过更改电机的分配功率，即故障电机输出功率的最大值，就可以更改牵引状况下IGBT的损伤。当转向架上的两个电机对应的IGBT寿命一致时，就能够延长整体逆变器系统的寿命。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种针对退磁故障后逆变器系统延寿控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)对牵引系统主要部件进行混合离线建模，所述模型包含电机d-q模型、逆变器电热、损伤模型和电机动力学模型；
(2)选取电机在恒转矩阶段加速度，总加速时间以及前后电机在60km/h-70km/h加速阶段的平均q轴电流为步骤(1)所述的四种模型作为识别退磁程度的标志，将四种模型的识识别退磁程度的标志组成一个参数向量，记为yi＝[yi(n1),yi(n2),yi(n3),yi(n4)]；其中：yi(n1)代表当前工况下电机在恒转矩阶段加速度，yi(n2)代表当前工况下总加速时间，yi(n3)代表前电机在60km/h-70km/h加速阶段的平均q轴电流，yi(n4)代表后电机在60km/h-70km/h加速阶段的平均q轴电流；
(3)以步骤(2)中参数向量的格式，在实验室中离线选取电机在健康状况与若干不同退磁状况的参数向量，按退磁程度从小到大组成标准矩阵DT＝[y1,y2,…,yn]；其中：y1,y2,…,yn第1，2直至n次工况下的yi向量，yi定义在步骤(2)中已给出；
(4)获取电机实际运行状态下的参数向量，记为Yin，注意此参数向量Yin是指电机实际工作时通过步骤(2)监测到的参数向量，并非步骤(3)中在实验室中获取的参数向量；
(5)计算Yin对于标准矩阵的相似度权值，记为A＝[a1,a2,…,an]；
Yin与标准矩阵各个向量的马氏距离d、相似性参数a：
(5-2)将相似性参数ai排列为A＝[a1,a2,…,an],n＝3,4,5…；
(6)计算实际运行状态的退磁程度系数Yest；
计算对应向量的权重向量w：
计算反应退磁程度系数Yest：
Yest＝D·w
(7)离线实验获得电机的功率分配图；
(7-1)在若干不同退磁状况下，降低退磁电机的输入功率，直至退磁电机损耗与健康电机损耗相同，计此时退磁电机的输入功率与健康电机的输入功率比为此退磁状况下的理想功率分配系数；
(7-2)取若干不同退磁状况下的理想功率分配系数使用牛顿插值法拟合成图，横坐标为退磁程度，纵坐标为理想功率分配系数，此图为该电机的功率分配曲线；
(8)在功率分配图上使用牛顿插值法得到退磁程度系数Yest对应的功率分配系数；
(9)根据对应的功率分配系数更改列车运行时具有退磁故障电机的最大输出功率。
2.根据权利要求1所述的一种针对退磁故障后逆变器系统延寿控制方法，其特征在于，所述的步骤(2)中，恒转矩阶段的加速度由0-10km/h的加速状况得出，60-70km/h的平均q轴电流由三相电流经过park变换及clark变换得到。
3.根据权利要求1所述的一种针对退磁故障后逆变器系统延寿控制方法，其特征在于，所述的步骤(3)中，采用等差的方式选取退磁状况的磁通量，其退磁的最大程度取决于维修方案的退磁失效标准，取空载时电流大于额定值1.5倍时视为永磁体失效。
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