CN109387781A - 开关器件损伤评估方法、装置和设备 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种开关器件损伤评估方法、装置和设备，首先获取开关器件在两相旋转坐标系中的电流值；根据该电流值确定开关器件的电流幅值；再通过两相旋转坐标系中的电流值或者磁场定向指令值，得到磁场定向角度；然后根据电流幅值和磁场定向角度，得到牵引工况和制动工况下的电流观测模型；并通过牵引工况或者制动工况下的电流观测模型的输出电流，确定开关器件的老化电流有效值；最后根据老化电流有效值和预设的等效热循环次数，得到开关器件的损伤程度。本发明通过建立电流观测模型提高了开关器件损伤评估的可靠性，且在列车实际运行中，不会对列车正常运行造成影响，具有普适性。
Description
技术领域
本发明涉及牵引变流器损伤评估技术领域，尤其是涉及一种开关器件损伤评估方法、装置和设备。
背景技术
轨道交通系统作为大中型城市公共交通出行的重要方式，以其载客量大、不受交通拥堵影响的优点日益得到广泛采用。城市轨道交通系统的主要组成部分中，轨道交通列车作为载运工具起着至关重要的作用，而列车牵引变流器通过控制牵引电机，为列车运行提供牵引力或电制动力，其运行可靠性、使用寿命直接影响整个列车。
据统计，功率开关器件的故障率占了牵引变流器电气部件故障率的20％以上，对于运行超过15万公里的车来说，功率开关器件故障率某些车型甚至高于30％；大功率功率开关器件的使用寿命的在线评估与预测需求很大，目前业内对于大功率牵引变流器内开关器件老化状态监测和故障率、寿命预测来说目前存在诸多问题，例如，影响列车正常工作、普适性差和可靠性差等。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种开关器件损伤评估方法、装置和设备，以提高开关器件损伤评估的普适性和准确性。
第一方面，本发明实施例提供了一种开关器件损伤评估方法，该方法包括：获取开关器件在两相旋转坐标系中的电流值；根据电流值，确定开关器件的电流幅值；通过两相旋转坐标系中的电流值或者磁场定向指令值，得到磁场定向角度；根据电流幅值和磁场定向角度，得到牵引工况和制动工况下的电流观测模型；通过牵引工况或者制动工况下的电流观测模型的输出电流，确定开关器件的老化电流有效值；根据老化电流有效值和预设的等效热循环次数，得到开关器件的损伤程度，其中，等效热循环次数包括列车牵引变流器的工作循环次数。
进一步，确定上述开关器件的电流幅值的步骤，包括：当开关器件有电流传感器模型时，采集开关器件的三相输出电流瞬时值iu、iv和iw，其中，iu表示第一相的输出电流瞬时值，iv表示第二相的输出电流瞬时值，iw表示第三相的输出电流瞬时值；对三相输出电流瞬时值iu、iv和iw进行3/2坐标变换处理，得到两相旋转坐标系中的电流值：其中，Id表示d轴的电流值，Iq表示q轴电流值，θe表示磁场定向角度计算得到开关器件的电流幅值。
进一步，确定上述开关器件的电流幅值的步骤，包括：当开关器件无电流传感器模型时，采集列车牵引电机的转差指令值ω* s1、电机转子等效电阻Rr、电机功率P、力矩指令值电机激磁电感Lm和牵引电机并联工作台数n；计算得到两相旋转坐标系中的q轴的电流值计算得到两相旋转坐标系中的d轴的电流值根据q轴的电流值Iqs、d轴的电流值Ids和牵引电机并联工作台数n，得到开关器件的电流幅值
进一步，上述磁场定向角度，通过下述方法之一获得：当开关器件有电流传感器模型时，通过磁场定向指令值获得磁场定向角度；当开关器件无电流传感器模型时，通过q轴的电流值Iqs和d轴的电流值Ids，确定磁场定向角度θe＝arctg(Ids/Iqs)。
进一步，根据电流幅值和磁场定向角度，得到牵引工况下的电流观测模型的步骤，包括：获取电流幅值IM和磁场定向角度θe；计算得到牵引工况下IGBT(Insulated GateBipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)上桥臂的电流观测模型其中，Su表示上桥臂的开关函数，磁场定向角度θe的取值范围为0到2π；计算得到牵引工况下IGBT下桥臂的电流观测模型其中，S1表示下桥臂的开关函数；计算得到牵引工况下FWD(free-wheeling diode，续流二极管)上桥臂的电流观测模型计算得到牵引工况下FWD下桥臂的电流观测模型
进一步，根据电流幅值和磁场定向角度，得到制动工况下的电流观测模型的步骤，包括：获取电流幅值IM和磁场定向角度θe；计算得到制动工况下IGBT上桥臂的电流观测模型其中，Su表示上桥臂的开关函数，磁场定向角度θe的取值范围为0到2π；计算得到制动工况下IGBT下桥臂的电流观测模型其中，S1表示下桥臂的开关函数；计算得到制动工况下FWD上桥臂的电流观测模型计算得到制动工况下FWD下桥臂的电流观测模型
进一步，上述通过牵引工况或者制动工况下的电流观测模型的输出电流，确定开关器件的老化电流有效值的步骤，包括：获取牵引工况或者制动工况下电流观测模型的电流观测值；根据电流观测值计算得到指定工况下的老化电流有效值其中，i＝1,2,...,Np表示采样点个数，Np表示采样点总数，iGi表示指定工况下IGBT的电流观测模型的电流采样值，iDi表示指定工况下FWD的电流观测模型的电流采样值。
进一步，上述根据老化电流有效值和等效热循环次数，得到开关器件的损伤程度的步骤，包括：根据老化电流有效值Ieq，得到开关器件的等效热循环寿命Nf＝f(Ieq)，其中，f(·)表示等效热循环寿命计算函数；根据开关器件的等效热循环寿命和等效热循环次数，得到开关器件的损伤程度其中，t表示老化时间，Nt表示第t天列车牵引变流器的工作循环次数，Nft表示根据第t天的老化电流有效值计算得到的等效热循环寿命。
第二方面，本发明实施例还提供一种开关器件损伤评估装置，该装置包括：电流值获取模块，用于获取开关器件在两相旋转坐标系中的电流值；幅值确定模块，用于根据电流值，确定开关器件的电流幅值；磁场定向角度确定模块，用于通过两相旋转坐标系中的电流值或者磁场定向指令值，得到磁场定向角度；电流观测模型建立模块，用于根据电流幅值和磁场定向角度，得到牵引工况和制动工况下的电流观测模型；电流有效值确定模块，用于通过牵引工况或者制动工况下的电流观测模型的输出电流，确定开关器件的老化电流有效值；损伤程度确定模块，用于根据老化电流有效值和预设的等效热循环次数，得到开关器件的损伤程度，其中，等效热循环次数包括列车牵引变流器的工作循环次数。
第三方面，本发明实施例还提供一种开关器件损伤评估设备，该设备包括电压电流传感器、调理电路和微处理器；微处理器用于存储执行第一方面所述方法的程序，微处理器还用于执行存储的所述程序。
本发明实施例带来了以下有益效果：
本发明提供了一种开关器件损伤评估方法、装置和设备，首先获取开关器件在两相旋转坐标系中的电流值；根据该电流值确定开关器件的电流幅值；再通过两相旋转坐标系中的电流值或者磁场定向指令值，得到磁场定向角度；然后根据电流幅值和磁场定向角度，得到牵引工况和制动工况下的电流观测模型；并通过牵引工况或者制动工况下的电流观测模型的输出电流，确定开关器件的老化电流有效值；最后根据老化电流有效值和预设的等效热循环次数，得到开关器件的损伤程度。
本发明通过建立电流观测模型提高了开关器件损伤评估的可靠性，且在列车实际运行中，不会对列车正常运行造成影响，具有普适性。
本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，或者，部分特征和优点可以从说明书推知或毫无疑义地确定，或者通过实施本发明的上述技术即可得知。
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施方式，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种开关器件损伤评估方法的流程图；
图2为本发明实施例提供的另一种开关器件损伤评估方法的流程图；
图3为本发明实施例提供的另一种开关器件损伤评估方法的流程图；
图4为本发明实施例提供的一种开关器件损伤评估装置的结构示意图；
图5为本发明实施例提供的一种开关器件损伤评估设备的结构示意图；
图6为本发明实施例提供的另一种开关器件损伤评估设备的结构示意图；
图7为本发明实施例提供的另一种开关器件损伤评估设备的电源电路的工作原理图；
图8为本发明实施例提供的另一种开关器件损伤评估设备的结构示意图；
图9为本发明实施例提供的一种开关器件损伤评估系统的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，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。
现有技术中对大功率牵引变流器内开关器件的老化状态监测和寿命预测方法存在影响列车正常工作、普适性差和可靠性差等问题，基于此，本发明实施例提供的一种开关器件损伤评估方法、装置和设备，该技术可以应用于列车牵引变流器的在线监测和损伤程度评估的场景中。
为便于对本实施例进行理解，首先对本发明实施例所公开的一种开关器件损伤评估方法进行详细介绍。
参见图1所示的一种开关器件损伤评估方法的流程图；该方法的具体步骤如下：
步骤S102，获取开关器件在两相旋转坐标系中的电流值。
在列车牵引变流器运行的过程中，通过采集列车牵引部件的运行参数，计算得到开关器件在两相旋转坐标系中的电流值。
步骤S104，根据电流值，确定开关器件的电流幅值。
根据上述两相旋转坐标系中得到的两个电流值，计算该电流值的均方根得到的开关器件的电流幅值。
步骤S106，通过两相旋转坐标系中的电流值或者磁场定向指令值，得到磁场定向角度。
要想获得磁场定向角度，首先需要判断是否具有电流传感器模型，通常情况下，是否具有电流传感器模型是预先知道的；当有电流传感器模型时，通过输入的磁场定向指令中可以获得磁场定向角度；当没有电流传感器模型时，需要通过计算两相旋转坐标系中的电流值，得到磁场定向角度的数值；其中，磁场定向角度的取值范围一般为0到2π。
步骤S108，根据电流幅值和磁场定向角度，得到牵引工况和制动工况下的电流观测模型。
得到电流幅值和磁场定向角度后，根据列车牵引变流器的运行原理，可得牵引工况和制动工况下的电流观测模型；该模型针对不同部件有不同的模型，例如，可以建立IGBT上、下桥臂电流模型、FWD上下桥臂电流模型。
步骤S110，通过牵引工况或者制动工况下的电流观测模型的输出电流，确定开关器件的老化电流有效值。
基于上述牵引工况或者制动工况下电流模型的电流观测值，在列车牵引-惰行-制动的一个工况循环内，可以计算得到开关器件的老化电流有效值。
采用类似的原理，计算可得列车沿线路单程循环一圈以及运行一工作日的等效老化电流。
步骤S112，根据老化电流有效值和预设的等效热循环次数，得到开关器件的损伤程度，其中，等效热循环次数包括列车牵引变流器的工作循环次数。
上述预设的等效热循环次数是由列车牵引-惰行-制动的一个工况的循环次数决定的，通常情况下，在列车单程循环一圈的等效热循环次数是一个定值。
本发明提供了一种开关器件损伤评估方法，首先获取开关器件在两相旋转坐标系中的电流值；根据该电流值确定开关器件的电流幅值；再通过两相旋转坐标系中的电流值或者磁场定向指令值，得到磁场定向角度；然后根据电流幅值和磁场定向角度，得到牵引工况和制动工况下的电流观测模型；并通过牵引工况或者制动工况下的电流观测模型的输出电流，确定开关器件的老化电流有效值；最后根据老化电流有效值和预设的等效热循环次数，得到开关器件的损伤程度。
本发明通过建立电流观测模型提高了开关器件损伤评估的可靠性，且在列车实际运行中，不会对列车正常运行造成影响，具有普适性。
参见图2所示的另一种开关器件损伤评估方法的流程图；该方法在图1所示方法的基础上实现，该方法是在开关器件有电流传感器模型时的开关器件损伤评估方法。该方法包括如下步骤：
步骤S202，当开关器件有电流传感器模型时，采集开关器件的三相输出电流瞬时值iu、iv和iw，其中，iu表示第一相的输出电流瞬时值，iv表示第二相的输出电流瞬时值，iw表示第三相的输出电流瞬时值。
上述三相电流通常是通过三根导线，每根导线作为其他两根的回路，其三个分量的相位差依次为一个周期的三分之一或120°相位角的电流；开关器件的三相输出电流对应着三相静止坐标系，坐标系中的每一项对应着开关器件的一相输出电流。
步骤S204，对上述三相输出电流瞬时值iu、iv和iw进行3/2坐标变换处理，得到两相旋转坐标系中的电流值：其中，Id表示d轴的电流值，Iq表示q轴电流值，θe表示磁场定向角度。
上述3/2坐标变换通常可以是三相静止坐标系向两相静止坐标系转换，或者由三相静止坐标系向两相旋转坐标系转化，其中的转化过程为等效转化。
上述d轴和q轴分别是两相旋转坐标系的两个轴向，有电流传感器模型时，采用常规矢量控制，根据采样得到的三相输出电流瞬时值iu、iv和iw，由3/2变换可得通过3/2坐标变换的计算公式，可以得到d轴和q轴的电流值。
步骤S206，计算得到开关器件的电流幅值
步骤S208，通过磁场定向指令值获得磁场定向角度θe。
当有电流传感器模型时，通过输入的磁场定向指令中可以获得磁场定向角度。
步骤S210，根据电流幅值IM和磁场定向角度θe，得到牵引工况下的电流观测模型。
通过获取电流幅值IM和磁场定向角度θe，计算得到上述牵引工况下IGBT上桥臂的电流观测模型其中，Su表示上桥臂的开关函数，该磁场定向角度θe的取值范围为0到2π；计算得到上述牵引工况下IGBT下桥臂的电流观测模型其中，S1表示下桥臂的开关函数，该磁场定向角度θe的取值范围为0到2π；计算得到上述牵引工况下FWD上桥臂的电流观测模型计算得到上述牵引工况下FWD下桥臂的电流观测模型
其中，iXy_t代表牵引工况下的电流，X取值为G与D，分别对应IGBT与FWD，y取值为u，l，分别对应上、下桥臂；Su与S1分别对应上、下桥臂的开关函数；对应上桥臂开关管导通时对应Su取1，所需未知量均可由微控制器采集计算得出。
步骤S212，根据电流幅值IM和磁场定向角度θe，得到制动工况下的电流观测模型。
通过获取电流幅值IM和磁场定向角度θe，计算得到制动工况下IGBT上桥臂的电流观测模型其中，Su表示上桥臂的开关函数，磁场定向角度θe的取值范围为0到2π；计算得到制动工况下IGBT下桥臂的电流观测模型其中，S1表示下桥臂的开关函数；计算得到制动工况下FWD上桥臂的电流观测模型计算得到制动工况下FWD下桥臂的电流观测模型
其中，iXy_b代表制动工况下的电流，X取值为G与D，分别对应IGBT与FWD，y取值为u，l，分别对应上、下桥臂；Su与S1分别对应上、下桥臂的开关函数；对应上桥臂开关管导通时对应Su取1，所需未知量均可由微控制器采集计算得出。
步骤S214，获取牵引工况或者制动工况下电流观测模型的电流观测值。
步骤S216，根据电流观测值，计算得到指定工况下的老化电流有效值其中，i＝1,2,...,Np表示采样点个数，Np表示采样点总数，iGi表示指定工况下IGBT的电流观测模型的电流采样值，iDi表示指定工况下FWD的电流观测模型的电流采样值。
上述指定工况可以是牵引工况也可以是制动工况。
步骤S218，根据老化电流有效值Ieq，得到开关器件的等效热循环寿命Nf＝f(Ieq)，其中，f(·)表示等效热循环寿命计算函数。
上述等效热循环寿命计算函数可以表示成多种形式，无需限定一个固定的表达式；上述等效热循环寿命与老化时间有关，也可以说与使用时间有关。
步骤S220，根据开关器件的等效热循环寿命和等效热循环次数，得到开关器件的损伤程度其中，t表示老化时间，Nt表示第t天列车牵引变流器的工作循环次数，Nft表示根据第t天的老化电流有效值计算得到的等效热循环寿命。
上述等效热循环次数是由列车牵引-惰行-制动的一个工况的循环次数决定的，通常情况下，在列车单程循环一圈的等效热循环次数是一个定值。
本实施例提供的开关器件损伤评估方法，具有电流传感器模型，在该模型下可对牵引变流器的开关器件的三相电流进行计算，且从控制系统中输入磁场定向角度，所建立的模型能够不依赖于电流采样瞬时值，适合于恶略工况运行条件，同时，采用数字化的老化电流观测装置，根据所得的等效老化电流，可以实现对开关器件损伤度的精确评估。
参见图3所示的另一种开关器件损伤评估方法的流程图；该方法在图1所示方法的基础上实现，该方法是在开关器件没有电流传感器模型时的开关器件损伤评估方法。该方法包括如下步骤：
步骤S302，当开关器件无电流传感器模型时，采集列车牵引电机的转差指令值ω* s1、电机转子等效电阻Rr、电机功率P、力矩指令值电机激磁电感Lm和牵引电机并联工作台数n。
步骤S304，计算得到两相旋转坐标系中的q轴的电流值计算得到两相旋转坐标系中的d轴的电流值
无电流传感器模型时，采用电流传感器容错控制。牵引电机的转差给定值为：
其中，ω* s1为转差指令值，Rr为电机转子等效电阻，Ψr为转子磁链，Lr为电机转子等效电感，Iqs为两相旋转坐标系中q轴的电机定子电流值。电机的转子磁链为：
其中，Ids为两相旋转坐标系中d轴的电机定子电流值，将上述两式进行整合，得到
考虑到电机力矩输出值其中，Lm为电机激磁电感。在力矩控制闭环条件下，可以认为输出力矩与力矩指令值相等，因而，力矩指令值可表示为
通过上述分析，可以得到Iqs与Ids可分别表示如下：
步骤S306，根据q轴的电流值Iqs、d轴的电流值Ids和牵引电机台数n，得到开关器件的电流幅值
结合上述分析，可得到电流幅值为：其中，n表示牵引电机台数，也可以表示为列车中共有n台牵引电机并联工作。
步骤S308，通过q轴的电流值Iqs和述d轴的电流值Ids，确定磁场定向角度θe＝arctg(Ids/Iqs)。
步骤S310，根据电流幅值IM和磁场定向角度θe，得到牵引工况下的电流观测模型。
通过获取电流幅值IM和磁场定向角度θe，计算得到上述牵引工况下IGBT上桥臂的电流观测模型其中，Su表示上桥臂的开关函数，该磁场定向角度θe的取值范围为0到2π；计算得到上述牵引工况下IGBT下桥臂的电流观测模型其中，S1表示下桥臂的开关函数，该磁场定向角度θe的取值范围为0到2π；计算得到上述牵引工况下FWD上桥臂的电流观测模型计算得到上述牵引工况下FWD下桥臂的电流观测模型
其中，iXy_t代表牵引工况下的电流，X取值为G与D，分别对应IGBT与FWD，y取值为u，l，分别对应上、下桥臂；Su与S1分别对应上、下桥臂的开关函数；对应上桥臂开关管导通时对应Su取1，所需未知量均可由微控制器采集计算得出。
步骤S312，根据电流幅值IM和磁场定向角度θe，得到制动工况下的电流观测模型。
通过获取电流幅值IM和磁场定向角度θe，计算得到制动工况下IGBT上桥臂的电流观测模型其中，Su表示上桥臂的开关函数，磁场定向角度θe的取值范围为0到2π；计算得到制动工况下IGBT下桥臂的电流观测模型其中，S1表示下桥臂的开关函数；计算得到制动工况下FWD上桥臂的电流观测模型计算得到制动工况下FWD下桥臂的电流观测模型
其中，iXy_b代表制动工况下的电流，X取值为G与D，分别对应IGBT与FWD，y取值为u，l，分别对应上、下桥臂；Su与S1分别对应上、下桥臂的开关函数；对应上桥臂开关管导通时对应Su取1，所需未知量均可由微控制器采集计算得出。
步骤S314，获取牵引工况或者制动工况下电流观测模型的电流观测值。
步骤S316，根据电流观测值，计算得到指定工况下的老化电流有效值其中，i＝1,2,...,Np表示采样点个数，Np表示采样点总数，iGi表示指定工况下IGBT的电流观测模型的电流采样值，iDi表示指定工况下FWD的电流观测模型的电流采样值。
上述指定工况可以是牵引工况也可以是制动工况。
步骤S318，根据老化电流有效值Ieq，得到开关器件的等效热循环寿命Nf＝f(Ieq)，其中，f(·)表示等效热循环寿命计算函数。
上述等效热循环寿命计算函数可以表示成多种形式，无需限定一个固定的表达式；上述等效热循环寿命与老化时间有关，也可以说与使用时间有关。
步骤S320，根据开关器件的等效热循环寿命和等效热循环次数，得到开关器件的损伤程度其中，t表示老化时间，Nt表示第t天列车牵引变流器的工作循环次数，Nft表示根据第t天的老化电流有效值计算得到的等效热循环寿命。
该技术独立于列车牵引系统的既有设备器件，且对于当前主流功率器件具有普适性，而且，该方法仅对列车牵引系统变流器的开关器件做出精确的在线损伤预测，在列车的实际运行中，不会对列车的正常工作造成影响，可以实现对开关器件损伤度的精确评估。
对应于上述方法实施例，参加图4所示的一种开关器件损伤评估装置的结构示意图，该装置包括：
电流值获取模块40，用于获取开关器件在两相旋转坐标系中的电流值；
幅值确定模块41，用于根据电流值，确定开关器件的电流幅值；
磁场定向角度确定模块42，用于通过两相旋转坐标系中的电流值或者磁场定向指令值，得到磁场定向角度；
电流观测模型建立模块43，用于根据电流幅值和磁场定向角度，得到牵引工况和制动工况下的电流观测模型；
电流有效值确定模块44，用于通过牵引工况或者制动工况下的电流观测模型的输出电流，确定开关器件的老化电流有效值；
损伤程度确定模块45，用于根据老化电流有效值和预设的等效热循环次数，得到开关器件的损伤程度，其中，等效热循环次数包括列车牵引变流器的工作循环次数。
本发明实施例提供的开关器件损伤评估装置，与上述实施例提供的开关器件损伤评估方法具有相同的技术特征，所以也能解决相同的技术问题，达到相同的技术效果。
本实施例还提供了一种与上述方法实施例相对应的一种开关器件损伤评估设备。该设备包括电压电流传感器、调理电路和微处理器；该调理电路分别与电压电流传感器和微处理器相连；该微处理器用于存储执行上述开关器件损伤评估方法的程序，该微处理器还用于执行存储的所述程序。
对应于上述方法实施例，参见图5所示的另一种开关器件损伤评估设备的结构示意图，该设备包括：电压电流传感器50、调理电路51和微处理器52；
上述调理电路51分别与电压电流传感器50和微处理器52相连；电压电流传感器50与待检测的开关器件连接；
上述电压电流传感器50用于检测开关器件的三相电流值、磁场定向电压和PWM(Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制)脉冲信号，将该三相电流值、磁场定向电压和PWM脉冲信号输入至调理电路51；调理电路51用于将三相电流值和磁场定向电压转化为与微处理器相匹配的三相电流值和磁场定向电压值，将PWM脉冲信号以及转化后的三相电流值和磁场定向电压值发送至微处理器52；微处理器52用于接收调理电路51输出的三相电流值、磁场定向电压和PWM脉冲信号，输出开关器件的损伤程度评估结果。
上述电压电流传感器50，通常为一种检测装置，是能感受被测电压和被测电流，并能按一定规律变换成为符合一定标准需要的电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。
通过上述电压电流传感器50检测磁场定向角度对应的磁场定向电压值、每相桥臂的开关器件的三相电流值(iu、iv、iw)和PWM脉冲信号，其中，磁场定向电压值与磁场定向角度成正比关系，也就是磁场定向电压值越大磁场定向角度越大。
上述调理电路51的主要作用就是信号调理，通常为信号处理电路，把模拟信号变换为用于数据采集、控制过程、执行计算显示读出或其他目的的数字信号。电压电流传感器50可检测多个参数，但是由于传感器信号不能直接转换为数字数据，传感器输出是相当小的电压、电流或电阻变化，因此，在变换为数字信号之前必须进行调理；调理就是放大、缓冲或着定标模拟信号等，使其适合于模数转换器(analog to digital converter，ADC)的输入，然后，ADC对模拟信号进行数字化，并把数字信号送到微处理单元(MicrocontrollerUnit，MCU)或着其他数字器件，以便用于系统的数据处理。
上述调理电路51将接收的电压电流传感器50传输的三相电流值、磁场定向电压和PWM脉冲信号转化为与微处理器52相匹配的三相电流值和磁场定向电压值。
上述微控制器52包括老化电流观测模块和损伤评估模块，将检测得到的磁场定向电压以及每个开关模块的电流瞬时值及PWM脉冲信号作为老化电流观测装置的输入，利用微处理器52的模数转换功能实现对转化后的三相电流值、磁场定向电压和PWM脉冲信号的采集；将所采集得到的电压电流信息作为老化电流观测模型的输入量，老化电流观测模型输出量为老化等效电流作为损伤评估模型输入，经过损伤评估模型得到损伤程度的评估结果。
本实施例提供了一种开关器件损伤评估设备，该设备包括电压电流传感器、调理电路和微处理器；电压电流传感器检测开关器件的三相电流值、磁场定向电压和PWM脉冲信号，将该三相电流值、磁场定向电压和PWM脉冲信号输入至调理电路；然后调理电路将三相电流值和磁场定向电压转化为与微处理器相匹配的三相电流值和磁场定向电压值，将PWM脉冲信号以及转化后的三相电流值和磁场定向电压值发送至微处理器；最后微处理器接收调理电路输出的三相电流值、磁场定向电压和PWM脉冲信号，输出开关器件的损伤程度评估结果。该技术可以适用于恶略工况条件下的运行，具有普适性，进而提高了开关器件损伤评估的准确性。
参见图6所示的另一种开关器件损伤评估设备的结构示意图；该设备在图5所示设备的基础上实现，该设备包括：电压电流传感器50、调理电路51和微处理器52。
具体地，该设备还包括电源电路60；该电源电路60分别与电压电流传感器50、调理电路51和微处理器52相连；该电源电路60用于为电压电流传感器50、调理电路51和微处理器52供电。
进一步地，上述电源电路60包括第一电源转换模块、第二电源转换模块、第三电源转换模块和第四电源转换模块，如图7所示为电源电路的工作原理图。
上述第一电源转换模块分别与第二电源转换模块和调理电路相连；第三电源转换模块分别与述电压电流传感器50和第一电源转换模块相连；第四电源转换模块分别与微处理器52、第一电源转换模块和第三电源转换模块相连；第一电源转换模块用于为调理电路51供电；第二电源转换模块用于为电压电流互感器50供电；第三电源转换模块用于转换电压电流大小；第四电源转换模块用于为微处理器52供电。
进一步地，上述第一电源转换模块用于将220V交流电压转换为15V直流电压，输出15V直流电源的负端接模拟地。
220V AC(Alternating current，交流电源)经第一电源转换模块转换为15V DC(direct current，直流电源)，以为调理电路51供电，其中15V DC电源模块输出负端接模拟地。
进一步地，上述第三电源转换模块用于将15V直流电压转换为5V直流电压；第四电源转换模块用于将15V直流电压转换为3.3V直流电压；输出5V直流电压的负端和输出直流电压的负端接数字地。
220V AC经第二电源转换模块转换为+15V DC和-15VDC，以为电压电流传感器50供电。
第一电源转换模块输出的15V DC经第三电源转换模块转换为5V DC，以为微处理器52供电，其中5V DC电源模块输出负端接数字地。
第一电源转换模块输出的-15V DC经第四电源转换模块转换为3.3V DC，以为微处理器52供电，其中3.3V DC电源模块输出负端接数字地。
进一步地，上述调理电路51通过ADC通道与微处理器52的老化电流观测单元相连，以使微处理器52处理的三相电流值和磁场定向电压值输入至老化电流观测单元。
进一步地，上述微处理器52包括DSP芯片。
本实施例提供的开关器件损伤评估设备，可以有效地评估开关器件的损伤程度，为列车的正常运行提供了保障，同时，该设备也具有普适性，不会影响列车的正常运行。
参见图8所示的另一种开关器件损伤评估设备的结构示意图；该设备在图5所示设备的基础上实现。
图8中，电源电路为电压电流传感器、调理电路和微处理器供电，该开关器件损伤评估设备的原理为：通过电压电流传感器检测磁场定位角所对应的磁场定向电压uf、每相桥臂的开关器件的电流值(相当于上述三相电流值)(iu、iv、iw)以及PWM脉冲信号；将检测得到的磁场定向电压、每相桥臂的开关器件的电流值以及PWM脉冲信号作为微处理器中老化电流观测模型的输入，利用微处理器的模数转换功能及捕获功能实现对电压、电流及脉冲电平的采集；然后将所采集及捕获得到的电压电流信息作为老化电流观测模型的输入量，老化电流观测模型输出量为老化等效电流Ieq，将Ieq作为损伤评估模型输入，经过微处理器的损伤评估模型得到损伤程度M(t)，以评估开关器件的损伤情况。
本实施例提供的开关器件损伤评估设备，可实现对单个功率器件的电流幅值、开关状态以及磁场定位电压进行在线状态监控，以检测开关器件的损伤评估结果，提高了在线检测开关器件损伤的准确性。
对应于上述设备实施例，图9提供了一种开关器件损伤评估系统的结构示意图，该系统包括开关器件损伤评估设备90，还包括损伤评估上位机81；
该开关器件损伤评估设备90与损伤评估上位机91相连；该损伤评估上位机91用于显示开关器件损伤的评估结果。
进一步地，开关器件损伤评估设备90与损伤评估上位机91通过无线通讯线连接。
本发明实施例所提供的开关器件损伤评估方法、装置和设备的计算机程序产品，包括存储了程序代码的计算机可读存储介质，所述程序代码包括的指令可用于执行前面方法实施例中所述的方法，具体实现可参见方法实施例，在此不再赘述。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的设备和/或装置的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
另外，在本发明实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“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，也可以通过中间媒介间接相连，可以是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中的具体含义。
所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种开关器件损伤评估方法，其特征在于，所述方法包括：
获取开关器件在两相旋转坐标系中的电流值；
根据所述电流值，确定所述开关器件的电流幅值；
通过两相旋转坐标系中的所述电流值或者磁场定向指令值，得到磁场定向角度；
根据所述电流幅值和所述磁场定向角度，得到牵引工况和制动工况下的电流观测模型；
通过所述牵引工况或者制动工况下的电流观测模型的输出电流，确定所述开关器件的老化电流有效值；
根据所述老化电流有效值和预设的等效热循环次数，得到所述开关器件的损伤程度，其中，等效热循环次数包括列车牵引变流器的工作循环次数。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，确定所述开关器件的电流幅值的步骤，包括：
当所述开关器件有电流传感器模型时，采集所述开关器件的三相输出电流瞬时值iu、iv和iw，其中，iu表示第一相的输出电流瞬时值，iv表示第二相的输出电流瞬时值，iw表示第三相的输出电流瞬时值；
对所述三相输出电流瞬时值iu、iv和iw进行3/2坐标变换处理，得到两相旋转坐标系中的所述电流值：
其中，Id表示d轴的电流值，Iq表示q轴电流值，θe表示磁场定向角度；
计算得到开关器件的电流幅值
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，确定所述开关器件的电流幅值的步骤，包括：
当所述开关器件无电流传感器模型时，采集列车牵引电机的转差指令值ω* s1、电机转子等效电阻Rr、电机功率P、力矩指令值Te *、电机激磁电感Lm和牵引电机并联工作台数n；
计算得到所述两相旋转坐标系中的q轴的电流值
计算得到所述两相旋转坐标系中的d轴的电流值
根据所述q轴的电流值Iqs、所述d轴的电流值Ids和所述牵引电机并联工作台数n，得到所述开关器件的电流幅值
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述磁场定向角度，通过下述方法之一获得：
当所述开关器件有电流传感器模型时，通过所述磁场定向指令值获得所述磁场定向角度；
当所述开关器件无电流传感器模型时，通过所述q轴的电流值Iqs和所述d轴的电流值Ids，确定所述磁场定向角度θe＝arctg(Ids/Iqs)。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述电流幅值和所述磁场定向角度，得到牵引工况下的电流观测模型的步骤，包括：
获取所述电流幅值IM和所述磁场定向角度θe；
计算得到所述牵引工况下IGBT上桥臂的电流观测模型其中，Su表示上桥臂的开关函数，所述磁场定向角度θe的取值范围为0到2π；
计算得到所述牵引工况下IGBT下桥臂的电流观测模型其中，S1表示下桥臂的开关函数；
计算得到所述牵引工况下FWD上桥臂的电流观测模型
计算得到所述牵引工况下FWD下桥臂的电流观测模型
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述电流幅值和所述磁场定向角度，得到制动工况下的电流观测模型的步骤，包括：
获取所述电流幅值IM和所述磁场定向角度θe；
计算得到所述制动工况下IGBT上桥臂的电流观测模型其中，Su表示上桥臂的开关函数，所述磁场定向角度θe的取值范围为0到2π；
计算得到所述制动工况下IGBT下桥臂的电流观测模型其中，S1表示下桥臂的开关函数；
计算得到所述制动工况下FWD上桥臂的电流观测模型
计算得到所述制动工况下FWD下桥臂的电流观测模型
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述通过所述牵引工况或者制动工况下的电流观测模型的输出电流，确定所述开关器件的老化电流有效值的步骤，包括：
获取牵引工况或者制动工况下电流观测模型的电流观测值；
根据所述电流观测值，计算得到指定工况下的老化电流有效值其中，i＝1,2,...,Np表示采样点个数，Np表示采样点总数，iGi表示指定工况下IGBT的电流观测模型的电流采样值，iDi表示指定工况下FWD的电流观测模型的电流采样值。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述老化电流有效值和等效热循环次数，得到所述开关器件的损伤程度的步骤，包括：
根据所述老化电流有效值Ieq，得到所述开关器件的等效热循环寿命Nf＝f(Ieq)，其中，f(·)表示等效热循环寿命计算函数；
根据所述开关器件的等效热循环寿命和所述等效热循环次数，得到所述开关器件的损伤程度其中，t表示老化时间，Nt表示第t天列车牵引变流器的工作循环次数，Nft表示根据第t天的老化电流有效值计算得到的等效热循环寿命。
9.一种开关器件损伤评估装置，其特征在于，所述装置包括：
电流值获取模块，用于获取开关器件在两相旋转坐标系中的电流值；
幅值确定模块，用于根据所述电流值，确定所述开关器件的电流幅值；
磁场定向角度确定模块，用于通过两相旋转坐标系中的所述电流值或者磁场定向指令值，得到磁场定向角度；
电流观测模型建立模块，用于根据所述电流幅值和所述磁场定向角度，得到牵引工况和制动工况下的电流观测模型；
电流有效值确定模块，用于通过所述牵引工况或者制动工况下的电流观测模型的输出电流，确定所述开关器件的老化电流有效值；
损伤程度确定模块，用于根据所述老化电流有效值和预设的等效热循环次数，得到所述开关器件的损伤程度，其中，等效热循环次数包括列车牵引变流器的工作循环次数。
10.一种开关器件损伤评估设备，其特征在于，所述设备包括电压电流传感器、调理电路和微处理器；所述调理电路分别与所述电压电流传感器和所述微处理器相连；所述微处理器用于存储执行权利要求1至8任一项所述方法的程序，所述微处理器还用于执行存储的所述程序。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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