CN113970711A - 一种支撑电容的智能健康诊断方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种支撑电容的智能健康诊断方法，包括利用牵引系统的中间电压传感器和牵引系统控制单元，在牵引系统每次起步工作的充电阶段，监测分析中间电压传感器检测的充电电压波形及幅值，实时计算得出实际电容值，与控制单元中记录的原始容值进行对比，计算支撑电容的容值衰减情况，从而实现对支撑电容健康状况的智能诊断，并且牵引系统控制单元向智能运维系统送出支撑电容健康状况相应的信息代码。本发明可以在列车运行中对支撑电容健康状况进行智能在线诊断，无需列车回库停运后离线进行费时费力的人工检查。

Description

一种支撑电容的智能健康诊断方法

技术领域

本发明涉及轨道交通牵引系统的智能运维领域，尤其涉及一种支撑电容的智能健康诊断方法。

背景技术

目前，我国的交通强国建设方兴未艾，智慧铁路和智慧城轨作为我国智慧交通的重要组成部分，正在成为轨道交通装备行业的技术发展趋势。轨道交通装备技术正在向着智能、快捷、绿色、高安全、高可靠的方向快速发展。

智能运维是轨道交通装备技术智能化的重要体现，是实现对列车运营维护快捷、高效、高安全、高可靠的基本保障。

牵引系统是轨道交通装备的核心动力系统，支撑电容又是牵引系统关键的储能部件，对支撑电容的健康状态进行智能的在线诊断技术是支持实现牵引系统智能运维的重要内容。根据行业的统计和调研报告，支撑电容的容值受到工作温度、工作时间、冲击电流等因素的影响会随着运用产生不可逆转的衰减，其容值衰减到一定程度就会影响到牵引系统的正常稳定工作，极端情况下可能引发IGBT爆炸等重大故障，从而严重影响列车安全运行。

目前，轨道交通行业内对支撑电容的健康状况检查，一般采用的方法是：在列车回库停运后，先可靠断开牵引系统的供电，再给支撑电容可靠放电，然后使用电容测试仪接入支撑电容的引出线，人工检查电容值，并根据容值的衰减情况进行人工判断其健康状况。这种检测方法工作费时费力、效率低；由于检测方法费时费力，所以不适合日常检修工作，一般作为周期较长的定修内容。

发明内容

本发明提供一种支撑电容的智能健康诊断方法，以克服检测支撑电容时需在列车回库停运后人工检测等技术问题。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种支撑电容的智能健康诊断方法，包括以下步骤：

步骤1、在牵引系统开始工作的充电阶段，利用牵引系统控制单元监测充电接触器动作，判断支撑电容是否处于充电过程，若不处于充电过程则停止判断，若处于充电过程则执行步骤2；

步骤2、利用牵引系统的中间电压传感器实时检测支撑电容的充电电压的波形和幅值，计算得出支撑电容实际电容值C”；

步骤3、根据支撑电容实际电容值C”与初始电容值C获得支撑电容衰减率a。

进一步的，步骤4、牵引系统控制单元根据支撑电容衰减率a判断支撑电容健康状态，并向智能运维系统报出支撑电容健康状况相应代码。

进一步的，所述步骤2得出支撑电容实际电容值C”具体步骤为：

步骤2.1、当支撑电容的实时充电电压达到输入电压的第一阈值63％时，记录第一充电时间t₁，进而计算获得支撑电容第一电容值C₁，获得支撑电容第一电容值C₁的公式为t₁＝RC₁，其中R表示充电电阻的阻值；

步骤2.2、当支撑电容的实时充电电压达到输入电压的第二阈值86％时，记录第二充电时间t₂，进而计算获得支撑电容第二电容值C₂，获得支撑电容第二电容值C₂的公式为t₂＝2RC₂；

步骤2.3、当支撑电容的实时充电电压达到输入电压的第三阈值95％时，记录第三充电时间t₃，进而计算获得支撑电容第三电容值C₃，获得支撑电容第三电容值C₃的公式为t₃＝3RC₃；

步骤2.4、根据支撑电容第一电容值C₁、支撑电容第二电容值C₂和支撑电容第三电容值C₃，计算得出支撑电容实际电容值C”。

进一步的，所述步骤2.4根据支撑电容第一电容值C₁、支撑电容第二电容值C₂和支撑电容第三电容值C₃计算得出支撑电容实际电容值C”具体公式为：

C”＝(C₁+C₂+C₃)/3。

进一步的，所述步骤3中根据支撑电容实际电容值C”与初始电容值C获得支撑电容衰减率a具体公式为：

a＝C”/C。

进一步的，步骤4中所述支撑电容健康状况相应代码为：

当支撑电容衰减率a≥0.9时，判断支撑电容健康状况为良好，牵引系统控制单元向智能运维系统送出支撑电容健康状况良好信息代码；

当支撑电容衰减率0.9＞a≥0.8时，判断支撑电容健康状况为一般，牵引系统控制单元向智能运维系统送出支撑电容健康状况一般信息代码；

当支撑电容衰减率0.8＞a≥0.7时，判断支撑电容健康状况为较差，牵引系统控制单元向智能运维系统送出支撑电容健康状况较差信息代码；

当支撑电容衰减率a＜0.7时，判断支撑电容健康状况为不健康，牵引系统控制单元向智能运维系统送出支撑电容健康状况不健康信息代码。

有益效果：

(1)本发明根据支撑电容实际电容值与初始电容值获得支撑电容衰减率，进而获得支撑电容健康状况，因此可以在列车运行中对支撑电容健康状况进行智能在线诊断，无需在列车回库停运后离线进行费时费力的人工检查；

(2)本发明利用牵引系统进行检测和计算分析支撑电容的实际电容值，无需增加额外的传感器。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明诊断方法流程图；

图2为支撑电容的充电曲线示意图；

图3为健康电容与不健康电容的充电电压波形对比示意图。

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，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中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作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。

本实施例提供了一种支撑电容的智能健康诊断方法，如图1，包括以下步骤：

步骤1、在牵引系统开始工作的充电阶段，利用牵引系统控制单元监测充电接触器动作，判断支撑电容是否处于充电过程，若不处于充电过程则停止判断，若处于充电过程则执行步骤2；

步骤2、利用牵引系统的中间电压传感器实时检测支撑电容的充电电压的波形和幅值，牵引系统控制单元上位机软件计算得出支撑电容实际电容值C”；所述步骤2得出支撑电容实际电容值C”具体为：

步骤2.1、当支撑电容的实时充电电压达到输入电压的第一阈值63％时，记录第一充电时间t₁，进而计算获得支撑电容第一电容值C₁，获得支撑电容第一电容值C₁的公式为t₁＝RC₁，其中R表示充电电阻的阻值；

步骤2.2、当支撑电容的实时充电电压达到输入电压的第二阈值86％时，记录第二充电时间t₂，进而计算获得支撑电容第二电容值C₂，获得支撑电容第二电容值C₂的公式为t₂＝2RC₂；

步骤2.3、当支撑电容的实时充电电压达到输入电压的第三阈值95％时，记录第三充电时间t₃，进而计算获得支撑电容第三电容值C₃，获得支撑电容第三电容值C₃的公式为t₃＝3RC₃；

步骤2.4、根据支撑电容第一电容值C₁、支撑电容第二电容值C₂和支撑电容第三电容值C₃，计算得出支撑电容实际电容值C”；

其中，选取输入电压的63％、输入电压的86％和输入电压的95％这三个电压百分比对应的充电周期正好为RC、2RC和3RC，得到的电容值更准确；

步骤3、根据支撑电容实际电容值C”与初始电容值C获得支撑电容衰减率a；

所述步骤3中根据支撑电容实际电容值C”与初始电容值C获得支撑电容衰减率a具体公式为：

a＝C”/C；

步骤4、牵引系统控制单元根据支撑电容衰减率a判断支撑电容健康状态，并向智能运维系统报出支撑电容健康状况相应代码。具体的，智能运维系统接受牵引系统控制单元送出的支撑电容健康状况信息代码，依据不同的健康状况等级，智能运维系统自动安排出相应的维修计划。

所述步骤4中支撑电容健康状态判断规则为：

当支撑电容衰减率a≥0.9时，判断支撑电容健康状况为良好，牵引系统控制单元向智能运维系统送出支撑电容健康状况良好信息代码，智能运维系统在显示屏显示“支撑电容健康状况良好”信息，无需安排相应的检修维护工作；

当支撑电容衰减率0.9＞a≥0.8时，判断支撑电容健康状况为一般，牵引系统控制单元向智能运维系统送出支撑电容健康状况一般信息代码，智能运维系统在显示屏显示“支撑电容健康状况一般”信息，无需安排相应的检修维护工作；

当支撑电容衰减率0.8＞a≥0.7时，判断支撑电容健康状况为较差，牵引系统控制单元向智能运维系统送出支撑电容健康状况较差信息代码，智能运维系统在显示屏显示支撑电容健康状况较差信息，安排维护人员进行相应的人工检查和电容维护工作；

当支撑电容衰减率a＜0.7时，判断支撑电容健康状况为不健康，牵引系统控制单元向智能运维系统送出支撑电容健康状况不健康信息代码，智能运维系统在显示屏显示“支撑电容健康状况不健康”信息，安排维护人员进行相应的人工检查和电容更换工作。

其中，支撑电容衰减率0.9＞a≥0.8、支撑电容衰减率0.8＞a≥0.7和支撑电容衰减率a＜0.7判断支撑电容健康状态为本领域工作人员凭借实验经验获取的数值区间，更好的体现衰减率。

本发明利用牵引系统的既有资源即中间电压传感器和牵引系统控制单元，在牵引系统每次起步工作的充电阶段，控制单元监测分析中间电压传感器检测的充电电压情况，依据充电电压波形及幅值计算出实际电容值，与控制单元中记录的设计原始容值进行对比，可以在线计算支撑电容的容值衰减情况，从而实现对支撑电容健康状况的智能诊断。若容值衰减较小，判断电容健康状况良好；若容值衰减较大，判断电容健康状况出现问题。

本发明诊断原理方案为：在牵引系统每次起步工作的充电阶段，由于有固定阻值的充电电阻的限流作用，接通输入电源后，对支撑电容有一个限流充电过程。由于支撑电容的容值一般都比较大，支撑电容不至于瞬间充饱，电容电压从零开始随着充电电流的持续充入而逐渐上升。在充电过程中支撑电容电压逐渐上升直至充电电压接近于输入电压即达到电容充饱。在电容充饱后，牵引系统方可启动控制脉冲驱动变频器工作。

支撑电容的充电过程计算如下：已知输入电源电压Uin、充电电阻R，支撑电容上的初始电压为0，Vt为任意时刻t时支撑电容上的电压值，可以得到如下的计算公式：

Vt＝Uin*[1–exp(-t/RC)]

由上述公式可知：当t＝RC时，Vt＝0.63Vin；当t＝2RC时，Vt＝0.86Vin；当t＝3RC时，Vt＝0.95Vin。以上为本发明计算实际容值的依据，支撑电容的充电曲线如图2所示。

一般地，设计中认为经过4至5个RC时间后，充电过程基本结束。

在上述充电过程中，利用牵引系统的中间电压传感器，牵引系统控制单元分析中间电压传感器检测的充电电压的波形及幅值，在线计算出实际电容值，与记录在控制单元中的设计原始容值进行对比，计算出容值衰减率，以此判断支撑电容的健康状况。

支撑电容的容值衰减越大，支撑电容的健康状况越差。依据监测的不同容值衰减率，对应报出电容健康状况相应的不同等级，从而实现对支撑电容健康状况的智能诊断。

健康电容与不健康电容的充电电压波形对比示意图如图3所示。健康状况良好的支撑电容其充电时间符合设计值，健康状况变差的支撑电容其充电时间明显缩短。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各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：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (6)

1.一种支撑电容的智能健康诊断方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、在牵引系统开始工作的充电阶段，利用牵引系统控制单元监测充电接触器动作，判断支撑电容是否处于充电过程，若不处于充电过程则停止判断，若处于充电过程则执行步骤2；

步骤2、利用牵引系统的中间电压传感器实时检测支撑电容的充电电压的波形和幅值，计算得出支撑电容实际电容值C”；

步骤3、根据支撑电容实际电容值C”与初始电容值C获得支撑电容衰减率a。

2.如权利要求1所述的一种支撑电容的智能健康诊断方法，其特征在于，还包括：

步骤4、牵引系统控制单元根据支撑电容衰减率a判断支撑电容健康状态，并向智能运维系统报出支撑电容健康状况相应代码。

3.如权利要求1所述的一种支撑电容的智能健康诊断方法，其特征在于，所述步骤2得出支撑电容实际电容值C”具体步骤为：

步骤2.1、当支撑电容的实时充电电压达到输入电压的第一阈值63％时，记录第一充电时间t₁，进而计算获得支撑电容第一电容值C₁，获得支撑电容第一电容值C₁的公式为t₁＝RC₁，其中R表示充电电阻的阻值；

步骤2.2、当支撑电容的实时充电电压达到输入电压的第二阈值86％时，记录第二充电时间t₂，进而计算获得支撑电容第二电容值C₂，获得支撑电容第二电容值C₂的公式为t₂＝2RC₂；

步骤2.3、当支撑电容的实时充电电压达到输入电压的第三阈值95％时，记录第三充电时间t₃，进而计算获得支撑电容第三电容值C₃，获得支撑电容第三电容值C₃的公式为t₃＝3RC₃；

步骤2.4、根据支撑电容第一电容值C₁、支撑电容第二电容值C₂和支撑电容第三电容值C₃，计算得出支撑电容实际电容值C”。

4.如权利要求3所述的一种支撑电容的智能健康诊断方法，其特征在于，所述步骤2.4根据支撑电容第一电容值C₁、支撑电容第二电容值C₂和支撑电容第三电容值C₃计算得出支撑电容实际电容值C”具体公式为：

C”＝(C₁+C₂+C₃)/3。

5.如权利要求1所述的一种支撑电容的智能健康诊断方法，其特征在于，所述步骤3中根据支撑电容实际电容值C”与初始电容值C获得支撑电容衰减率a具体公式为：

a＝C”/C。

6.如权利要求2所述的一种支撑电容的智能健康诊断方法，其特征在于，步骤4中所述支撑电容健康状况相应代码为：

当支撑电容衰减率a≥0.9时，判断支撑电容健康状况为良好，牵引系统控制单元向智能运维系统送出支撑电容健康状况良好信息代码；

当支撑电容衰减率0.9＞a≥0.8时，判断支撑电容健康状况为一般，牵引系统控制单元向智能运维系统送出支撑电容健康状况一般信息代码；

当支撑电容衰减率0.8＞a≥0.7时，判断支撑电容健康状况为较差，牵引系统控制单元向智能运维系统送出支撑电容健康状况较差信息代码；

当支撑电容衰减率a＜0.7时，判断支撑电容健康状况为不健康，牵引系统控制单元向智能运维系统送出支撑电容健康状况不健康信息代码。

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