CN110244169A - 一种双重化脉冲整流器功率管多管开路故障快速诊断方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双重化脉冲整流器功率管多管开路故障快速诊断方法，包括以下步骤：步骤1：获取双重化脉冲整流器正常情况下门极信号与线电压的关系；获取单管、双管、多管开路故障模式下门极信号与线电压的关系；步骤2：对比正常情况和故障模式下电流流向和线电压的大小得到发生开路故障时的故障特征；步骤3：根据步骤2得到的故障特征，建立故障特征向量，得到故障诊断拓扑结构；监测网侧输入电流，对整流单元功率管故障进行诊断；本发明可轻松定位相同、不同整流单元和桥臂的多个功率管故障，在针对多管开路故障诊断方面具有显著优势，还适用于其它多重化结构的脉冲整流器功率管开路故障诊断。

Description

一种双重化脉冲整流器功率管多管开路故障快速诊断方法

技术领域

本发明涉及动车组功率管开路故障诊断技术领域，具体涉及一种双重化脉冲整流器功率管多管开路故障快速诊断方法。

背景技术

随着我国高速铁路的快速发展，动车组的安全稳定运行显得尤为重要。一般来说，CRH3型动车组(Electric Multiple Units，EMUs)牵引供电系统中整流部分均采用双重化脉冲整流器拓扑结构。而功率管(IGBT)是双重化脉冲整流器系统中最脆弱的结构。双重化脉冲整流器中的IGBT长期在电磁干扰、多种恶劣环境下运行，极易发生故障。而IGBT作为核心部件，其故障主要分为短路故障和开路故障。现有的IGBT模块驱动电路针对短路故障已集成了硬件保护和监控装置，现有的研究一般不对其进行分析。而开路故障会导致网侧电流畸变、直流侧电压波动，从而引发二次故障。为提高系统的可靠性，实现对IGBT开路故障的有效诊断十分重要。迄今为止，在功率管开路故障诊断方法研究方面，大部分技术人员只对单管故障或单桥臂两个IGBT开路故障进行了研究，很少对多个IGBT故障进行关注，但是对于双重化脉冲整流器来说，其相比于单重化两电平脉冲整流器增加了一个整流单元，存在8个功率开关管，故障定位的难度有所加大，对于双管、多管故障的诊断也不可忽视。此外，在不同功率管发生开路故障后直流侧电压的变化情况均不相同。而主电路发生多管开路故障对直流侧电压的影响很大，在短时间内未达到稳定状态，这将严重影响CRH3型动车组的安全稳定运行。

发明内容

本发明针对现有技术存在的问题提供一种双重化脉冲整流器功率管多管开路故障快速诊断方法。

本发明采用的技术方案是：一种双重化脉冲整流器功率管多管开路故障快速诊断方法，包括以下步骤：

步骤1：获取双重化脉冲整流器正常情况下门极信号与线电压的关系；获取单管、双管、多管开路故障模式下门极信号与线电压的关系；

步骤2：对比正常情况和故障模式下电流流向和线电压的大小，得到发生开路故障时的故障特征；

步骤3：根据步骤2得到的故障特征，建立故障特征向量，得到故障诊断拓扑结构；监测网侧输入电流，区分上、下整流单元，对整流单元功率管故障进行诊断。

进一步的，所述步骤3中的故障特征向量如下：

F_T1＝s₁∩s₃∩M₁

F_T3＝S₁∩s₃∩M₂

式中：F_Ti(i＝1，2，3，4)为第i个功率开关管的故障信号；s₁为a相桥臂上开关器件的门极控制信号，为s₁的互补信号；s₃为b相桥臂上开关器件的门极控制信号，为s₃的互补信号。M₁和M₂为定义的符号，其表示线电压变化情况，线电压U_ab由0变为-U_ab时，M₁＝1，否则M₁＝0；线电压U_ab由0变为+U_ab时，M₂＝1，否则M₂＝0。

进一步的，所述步骤1中门极信号采集过程中添加延时补偿；

t_on+t_delay+t_s≤t₁≤t_sk-min

t_off+t_delay+t_s≤t₂≤t_sk-min

式中：t₁为添加到门极信号s₁上的延时时间，t₂为添加到门极信号s₃上的延时时间，t_on为IGBT的导通延时，t_off为IGBT的关断延时，t_delay为门极信号产生到IGBT栅极之间的信号延迟，t_s为电压传感器的延时时间，t_sk-min为最小脉冲宽度。

进一步的，所述步骤3中对故障单元诊断过程如下：

将采集得到的线电压U_ab与阈值电压V_th进行比较，若U_ab＜V_th，则M₁＝1，否则M₁＝0若U_ab＞V_th，则M₂＝1，否则，M₂＝0。

本发明的有益效果是：

(1)本发明以双重化脉冲整流器为研究对象，综合考虑了多种功率管开路故障情况，可轻松定位相同、不同整流单元和不同桥臂的多个功率管故障；

(2)本发明能在1/4基波周期或3/4基波周期内迅速实现功率管单管、双管及多管故障的准确定位；

(3)本发明受负载突变影响小，不受闭环控制和负载扰动影响，适应于其它多重化结构的脉冲整流器功率管开路故障诊断。

附图说明

图1为双重脉冲整流器等效结构图。

图2为双重化脉冲整流器上整流单元主电路示意图。

图3为上整流单元T₁管开路故障时仿真波形示意图。

图4为不同功率管故障前后直流侧电压仿真波形示意图。

图5为故障诊断电路拓扑结构示意图。

图6为故障诊断时序分析示意图。

图7为上整流单元T₁管开路故障诊断结果仿真示意图。

图8为上整流单元T₁管开路故障诊断结果验证示意图。

图9为上整流单元T₁、T₄管，下整流单元T₂、T₃管开路故障诊断结果实验验证示意图。

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。

一种双重化脉冲整流器功率管多管开路故障快速诊断方法，包括以下步骤：

步骤1：获取双重化脉冲整流器正常情况下门极信号与线电压的关系；获取单管、双管、多管开路故障模式下门极信号与线电压的关系；

步骤2：对比正常情况和故障模式下电流流向和线电压的大小得到发生开路故障时的故障特征；

步骤3：根据步骤2得到的故障特征，建立故障特征向量，得到故障诊断拓扑结构；监测网侧输入电流，对整流单元功率管故障进行诊断。

双重化脉冲整流器是通过变压器耦合的方式将多个相同结构的整流单元按串联或并联的方式组合。如图1所示，图1中T_i、D_i(i＝1，2，3，4)、T_i′、D_i′(i＝1，2，3，4)分别代表上、下整流单元的功率开关管和反并联二极管，其共同组成一个双重化脉冲整流器，L_N、R_N分别为牵引绕组漏电感和电阻，实现网侧能量的储存与释放。L₂和C₂分别为串联谐振电感和电容，用于滤除整流侧电压中的谐波。C_d为中间直流回路支撑电容，起到稳压的作用。u_ab、u_ab′为上、下整流单元的输入端电压，R_L为直流侧等效负载。

为了便于分析，定义桥臂开关函数S_A、S_B：

由于双重化脉冲整流器上、下整流单元仅在PWM载波相位角方面存在差异，首先对上整流单元进行分析，主电路如图2所示，后续再对上、下整流单元故障进行区分。定义理想开关函数s₁～s₄，分别表示功率开关管T₁～T₄的开关信号。由于脉冲整流器同一桥臂的T₁、T₂不能同时导通，其相应的驱动信号应该互补。在不考虑死区时间的情况下，通过不同的门极信号组合可以在整流器的交流侧产生3种线电压等级(+U_dc，0，-U_dc)。脉冲整流器输入端电压u_ab有如下关系：

u_ab＝(S_A-S_B)U_dc (3)

基于基尔霍夫定律对电路进行分析，可以得到脉冲整流器主电路数学模型：

则该脉冲整流器数学模型的状态方程为：

用逻辑变量δ来描述网侧电流条件变迁，δ表示网侧电流i_N的方向。δ＝1表示i_N＞0。δ＝0表示i_N＜0。因此针对每个整流单元均有8种开关模式。由于同一桥臂上下IGBT不能同时导通，所以在研究IGBT正常和故障工作模式下门极信号与交流侧线电压的变化情况，只考虑不同桥臂的门极信号s₁和s₃。

以双重化脉冲整流器上整流单元T₁管开路故障为例，首先对故障特征产生区域进行分析。若网侧电流i_N为正，电流可经二极管D₁续流，整流器仍可正常工作。而若网侧电流i_N为负，二极管D₁无法正常导通，此时电路拓扑结构将发生变化。所以当T₁管开路故障时，其故障特征主要集中在网侧电流i_N＜0的半个周期内。其次对故障前后线电压的变化情况进行分析。若s₁＝1，s₃＝1，结点a通过二极管D₂接到了直流侧负极，结点b通过二极管D₃接到了直流侧正极，此时线电压U_ab由原来的0变为-U_dc。若s₁＝1，s₃＝0，结点b通过二极管D₄接到了直流侧负极，此时线电压U_ab由原来的+U_dc变为0。

与T₁管开路故障分析时类似，T₂、T₃、T₄管发生开路故障时，也可得出相应的故障特征，如表1所示。其中“/”代表该功率管没有参与相应周期的电流的流通。“—”代表IGBT没有导通，即门极信号s_j＝0。由于IGBT未导通，所以其发生故障后对整个系统没有影响，此处不再进行分析。

表1.正常和故障工作模式下的门极信号和线电压

图3为上整流单元T₁管开路故障时网侧电压、电流，直流侧电压仿真波形，当t＝3.5s时，T₁管发生开路故障，由于i_N＜0部分没有流通路径，导致其负半周期基本为0，而网侧电流正向流通路径不受T₁管开路故障影响。同时，直流侧电压在发生故障后有所下降。

由于上下两桥臂工作在互补的模式下，若T₂管发生开路故障，其故障特征与T₁管开路故障相反。根据分析可知，T₁管与T₄管、T₂管与T₃管开路故障特征类似，此处不再进行赘述。

值得关注的是，在不同功率管发生开路故障后直流侧电压的变化情况均不相同。如图4所示，当t＝3.50s，某一整流单元发生故障时，双管开路故障时直流侧电压下降绝对值、波动程度均比单管开路故障时大。而上下整流单元发生多管故障相比某一整流单元发生故障时对直流侧电压的影响更大。且在短时间内未达到稳定状态，这将严重影响CRH3型动车组的安全稳定运行。所以对双重化脉冲整流器功率管多管开路故障快速定位显得尤为重要。

由表1可以看出，在双重化脉冲整流器正常工作时，无论网侧电流i_N方向如何，一种开关组合仅对应一个线电压值。所以每个功率管的故障可以用唯一的门极信号和线电压关系来进行表示。以T₂管为例，在门极信号相同的情况下，U_ab存在由-U_dc变为0或者由0变为+U_ddc两种变化状态。因此当s₁＝0，s₃＝1且U_ab＝0时或s₁＝0，s₃＝0且U_ab＝+U_dc时可作为T₂管开路故障的唯一依据。所以可根据门极信号和线电压的变化情况来建立功率开关管IGBT开路故障的故障特征向量。

每个功率管都存在两种故障特征向量表征其故障信号，为了简化诊断电路。本发明中每个功率管均选取一种故障特征向量来代表其故障信号。为建立逻辑判断关系，定义M_i(i＝1，2)代表线电压U_ab的变化情况。若i＝1，U_ab由0变为-U_dc时，M₁＝1，否则M₁＝0。若i＝2，U_ab由0变为+U_ddc时，M₂＝1，否则M₂＝0。

建立的故障特征向量如表2所示。

表2.各管开路故障时的故障特征向量

根据表2，用F_Ti(i＝1，2，3，4)来表示第i个功率开关管的故障信号，则：

F_T1＝S₁∩S₃∩M₁ (6)

F_T3＝S₁∩S₃∩M₂ (8)

式中：F_Ti(i＝1，2，3，4)为第i个功率开关管的故障信号；s₁为a相桥臂上开关器件的门极控制信号，为s₁的互补信号；s₃为b相桥臂上开关器件的门极控制信号，为s₃的互补信号。M₁和M₂为定义的符号表示线电压变化情况，线电压U_ab由0变为-U_ab时，M₁＝1，否则M₁＝0；线电压U_ab由0变为+U_ab时，M₂＝1，否则M₂＝0。

根据故障特征向量和式(6)～(9)建立故障诊断方案，其拓扑结构如图5所示。从图中可以看出，该诊断电路主要分为3个部分：信号采集、比较环节和故障生成。信号采集包括门极信号和线电压的采集。比较环节Comp中需要将采集到的线电压U_ab与阈值电压V_th进行比较。若U_ab＜V_th，则M₁＝1，否则M₁＝0。U_ab＞V_th，则M₂＝1，否则M₂＝0。

在实际的电路中，考虑到直流侧电压波动的影响，线电压U_ab不会精确地等于(+U_dc，0，-U_dc)。因此阈值电压V_th需要谨慎选取。由于直流侧电压稳定在3000V附近，所以选取V_th为2700V。

由于实际电路中存在死区时间，若某一时刻s₃处于高电平，从而在s₁上升沿系统容易产生误诊断的情况。如图6所示。需要在门极信号的采集过程中添加延时补偿来进行改进。延迟时间补偿由下式得到：

t_on+t_delay+t_s≤t₁≤t_sk-min (10)

t_off+t_delay+t_s≤t₂≤t_sk-min (11)

式中：t₁为添加到门极信号s₁上的延时时间，t₂为添加到门极信号s₃上的延时时间，t_on为IGBT的导通延时，t_off为IGBT的关断延时，t_delay为门极信号产生到IGBT栅极之间的信号延迟，t_s为电压传感器的延时时间，t_sk-min为最小脉冲宽度。

由此，新的故障信号可以表示为：

F_T1＝S₁∩S₃∩M₁ (12)

F_T3＝S₁∩S₃∩M₂ (14)

式中：S₁′和s₃′为添加延时补偿模块后的门极信号。

为了更好地对双重化脉冲整流器功率管进行故障诊断，区分上、下整流单元功率开关管故障，此处采用对网侧输入电流进行监测的方式。由于功率管发生故障后，网侧电流会发生畸变，用i_N、i_N′分别代表上、下整流单元网侧输入电流，一旦某个瞬间网侧输入电流变为0或发生较大畸变则代表该整流单元发生故障。在确定具体某个整流单元发生故障后，再利用本发明方法进行故障定位。

图7为上整流单元T₁管在发生开路故障后的故障诊断结果。为验证本发明中提出的双重化脉冲整流器功率管多管开路故障快速诊断方法的正确性，采用硬件在环测试系统HIL和快速原型控制器RCP的半实物平台进行测试验证。双重化脉冲整流器的主电路模型是在电磁瞬态仿真软件StarSim中开发的。运行在基于NI-PXIe-FPGA-7868R的实时HIL系统上。其控制算法模型是运行在基于NI-PXIe-8821-7846R的快速原型控制器RCP上。IO板卡上包含许多IO通道，可实现HIL与RCP两者间的通信。示波器可对脉冲整流器网侧电压电流、直流侧电压、故障特征信号等信号进行观测。主控操作平台实现整个平台的操控工作。搭建好半实物测试平台后，对提出的诊断方法进行验证。

上整流单元T₁管在发生开路故障后，在i_N＜0区域迅速产生故障信号，并且准确地指示T₁管发生率故障。而其它F_Ti(i＝2，3，4)不产生故障信号。如图8所示。由图可以看出，此类型的单管故障，可以在1/4基波周期内实现有效诊断，而对于与之互补桥臂的单管故障，在故障发生后3/4基波周期内产生故障信号。

图9为上整流单元T₁、T₄管、下整流单元T₂、T₃管开路故障诊断结果，如图9a中F_T1、F_T4在i_N＜0区域产生信号。图9b中F_T2、F_T3在i_N＞0区域产生信号。本发明方法在多管故障时会生成多个不同的故障信号，最多在3/4基波周期内实现多管的故障定位。

本发明以双重化脉冲整流器为研究对象，综合考虑了多种功率管开路故障情况，通过对比故障前后门极信号与线电压的变化情况，根据故障和正常态器件承受电压的不同，提出的一种双重化脉冲整流器功率管开路故障诊断方法。可轻松定位相同、不同整流单元和桥臂的多个功率管故障，在针对多管开路故障诊断方面具有显著优势。能在1/4基波周期或3/4基波周期内迅速实现功率单管、双管及多管故障的准确定位。受负载突变影响小，不受闭环控制和负载扰动影响，还适用于其它多重化结构的脉冲整流器功率管开路故障诊断。

Claims (4)

1.一种双重化脉冲整流器功率管多管开路故障快速诊断方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：获取双重化脉冲整流器正常情况下门极信号与线电压的关系；获取单管、双管、多管开路故障模式下门极信号与线电压的关系；

步骤2：对比正常情况和故障模式下电流流向和线电压的大小得到发生开路故障时的故障特征；

步骤3：根据步骤2得到的故障特征，建立故障特征向量，得到故障诊断拓扑结构；监测网侧输入电流，对整流单元功率管故障进行诊断。

2.根据权利要求1所述的一种双重化脉冲整流器功率管多管开路故障快速诊断方法，其特征在于，所述步骤3中的故障特征向量如下：

F_T1＝s₁∩s₃∩M₁

F_T3＝s₁∩s₃∩M₂

式中：F_Ti(i＝1,2,3,4)为第i个功率开关管的故障信号；s₁为a相桥臂上开关器件的门极信号，为s₁的互补信号；s₃为b相桥臂上开关器件的门极信号，为s₃的互补信号；M₁和M₂为定义的符号，其表示线电压变化情况，线电压U_ab由0变为-U_ab时，M₁＝1，否则M₁＝0；线电压U_ab由0变为+U_ab时，M₂＝1，否则M₂＝0。

3.根据权利要求2所述的一种双重化脉冲整流器功率管多管开路故障快速诊断方法，其特征在于，所述步骤1中门极信号采集过程中添加延时补偿；

t_on+t_delay+t_s≤t₁≤t_sk-min

t_off+t_delay+t_s≤t₂≤t_sk-min

式中：t₁为添加到门极信号s₁上的延时时间，t₂为添加到门极信号s₃上的延时时间，t_on为IGBT的导通延时，t_off为IGBT的关断延时，t_delay为门极信号产生到IGBT栅极之间的信号延迟，t_s为电压传感器的延时时间，t_sk-min为最小脉冲宽度。

4.根据权利要求2所述的一种双重化脉冲整流器功率管多管开路故障快速诊断方法，其特征在于，所述步骤3中对故障单元诊断过程如下：

将采集得到的线电压U_ab与阈值电压V_th进行比较，若U_ab＜V_th，则M₁＝1，否则M₁＝0若U_ab＞V_th，则M₂＝1，否则，M₂＝0。