本發(fā)明涉及牽引傳動領(lǐng)域，特別是涉及一種crh3型動車組牽引逆變器igbt開路故障診斷方法。

背景技術(shù)：

高速列車的運(yùn)行由于受到復(fù)雜可變的環(huán)境影響，傳感器和逆變器中功率器件極其容易發(fā)生故障，嚴(yán)重威脅列車的運(yùn)行安全。其中，半導(dǎo)體功率器件是電力電子轉(zhuǎn)換器中最脆弱的部件，主要包括開路故障和短路故障。短路故障已經(jīng)有許多基于硬件的成熟解決方案。一旦igbt管發(fā)生開路故障時，由于電機(jī)仍可以在異常狀態(tài)下運(yùn)行一段時間，不僅故障難以查找，而且還導(dǎo)致系統(tǒng)的額外故障和損壞。因此，及時對開路故障診斷具有極其重要的意義。

目前，對于牽引逆變器igbt開路故障，已有一些基于信號的方法。這些方法主要可以分為兩大類：基于電流和基于電壓。基于電流的方法采集電流量進(jìn)行處理，利用傅里葉變換，直流分量等方法進(jìn)行故障分析和識別。但是有些方法并不能完全地對單、雙管故障進(jìn)行檢測與定位，進(jìn)而導(dǎo)致無法及時采取有效措施來避免損失的擴(kuò)大和事故的發(fā)生?；陔妷旱姆椒ú杉妷毫?，構(gòu)造殘差獲取特征，在硬件電路上進(jìn)行故障分析和識別。但這類方法需要額外的電子器件，實(shí)際操作復(fù)雜。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種crh3型動車組牽引逆變器igbt開路故障診斷方法，能夠?qū)崿F(xiàn)一個igbt或者兩個igbt同時故障的識別與定位，以便能夠及時采取容錯控制策略，防止故障進(jìn)一步擴(kuò)大。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：

一種crh3型動車組牽引逆變器igbt開路故障診斷方法，包括以下步驟：

步驟1：采集逆變器輸出的三相電流；

步驟2：采用基于崔-威廉斯分布的譜峭度進(jìn)行檢測，得到隨頻率變化的譜峭度圖，并選取各自譜峭度的平均幅值作為特征值；若其中至少一個大于某個閾值k時，則判定發(fā)生開路故障，其中，i＝a、b或c；

步驟3：若發(fā)生開路故障，根據(jù)三相逆變器電流的峭度平均值呈現(xiàn)的規(guī)律，通過選取合適閾值k1、k2，檢測該故障是否為單個igbt管故障或單相故障，其中，k1小于k2；

當(dāng)只存在一個k1＜ki＜k2時，則判定為單個igbt管故障，且峭度值滿足條件的電流所在橋臂發(fā)生故障，其中，i＝a、b或c；

當(dāng)只存在一個k2＜ki時，則判定為單相故障，且同樣峭度值滿足條件的電流所在橋臂發(fā)生故障，其中，i＝a、b或c；

若不滿足步驟3的故障條件，則判定為處于不同橋臂的兩個igbt管故障；

步驟4：采用集合經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解方法對三相故障電流進(jìn)行濾波去噪，并采用希爾伯特-黃變換獲取具有故障特征的固有模態(tài)函數(shù)imf隨時間變化的瞬時頻率fa(t)、fb(t)、fc(t)和瞬時幅值aa(t)、ab(t)、ac(t)；

步驟5：根據(jù)瞬時頻率和瞬時幅值的變化規(guī)律，選取故障頻率和幅值的閾值分別為f、a，若存在兩相故障電流的imf分量滿足：

瞬時幅值ai(t)小于a且瞬時頻率fi(t)大于f，則為不同橋臂上不同側(cè)邊的兩個igbt管故障，否則為不同橋臂上相同側(cè)邊的兩個igbt管故障，同時滿足條件的為兩相橋臂發(fā)生故障，其中，i＝a、b或c。

進(jìn)一步的，還包括步驟6：實(shí)現(xiàn)故障橋臂診斷后，通過對故障后下一個周期電流的直流分量進(jìn)行計算，實(shí)現(xiàn)故障管的準(zhǔn)確定位；當(dāng)直流分量為正時，則判定故障橋臂上的下橋臂igbt管發(fā)生故障，反之，則判定故障橋臂上的上橋臂igbt管發(fā)生故障，其中，i＝a、b或c。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：譜峭度作為四階統(tǒng)計量，希爾伯特-黃變換作為一種自適應(yīng)時頻分析方法，兩者適合處理復(fù)雜的非線性和非平穩(wěn)信號；本發(fā)明結(jié)合兩種算法的優(yōu)點(diǎn)，可以有效檢測單個igbt以及兩個igbt管同時發(fā)生開路故障情況并對故障igbt管進(jìn)行定位，同時不需要額外的電子器件，操作簡單易行。

附圖說明

圖1是本發(fā)明crh3型動車組牽引逆變器igbt管開路故障的診斷步驟示意圖。

圖2是本發(fā)明中crh3型動車組牽引逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。圖中，s1、s2、s3、s4、s5、s6為組成逆變器的6個igbt；d1、d2、d3、d4、d5、d6分別為相應(yīng)的反并聯(lián)二極管；ia，ib，ic為逆變器輸出的三相電流；ωm為異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

圖3是無故障情況下的譜峭度結(jié)果圖。

圖4是s1、s6故障情況下的譜峭度結(jié)果圖。

圖5是無故障下的三相電流希爾伯特-黃變換結(jié)果。

圖6是s1、s6故障下的a相電流希爾伯特-黃變換結(jié)果。

圖7是s1、s6故障下的b相電流希爾伯特-黃變換結(jié)果。

圖8是s1、s6故障下的c相電流希爾伯特-黃變換結(jié)果。

圖9是故障相電流的直流分量計算結(jié)果。

圖10是逆變器igbt管開路故障的診斷流程圖。圖中，分別表示三相故障電流譜峭度的平均幅值；aa、ab、ac表示希爾伯特-黃變換后獲得的三相電流imf分量的瞬時幅值；fa、fb、fc表示希爾伯特-黃變換后獲得的三相電流imf分量的瞬時頻率；a0、f0表示三相電流無故障情況下的幅值和頻率。

rule1：

rule2：中，只存在一個大于10的數(shù)；

rule3：中，只存在一個大于5的數(shù)；

rule4：aa,ab,ac中存在兩個數(shù)小于a0幅值的0.25倍，fa,fb,fc中存在兩個數(shù)大于f0頻率2.5倍

rule5：中只存在一個數(shù)大于a0的0.3倍。

圖11是對故障進(jìn)行準(zhǔn)確定位流程圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。本發(fā)明中牽引逆變系統(tǒng)主要由逆變器和異步電機(jī)兩部分組成，在正常情況下實(shí)現(xiàn)“直流—交流”的作用。逆變系統(tǒng)中，逆變器的輸入端為直流電壓udc，輸出端為三相橋臂的電流ia，ib，ic。鑒于三相電流可以實(shí)時反映逆變器的故障特征，若逆變器中igbt管發(fā)生故障時，將其作為測量的電氣量對故障進(jìn)行診斷識別。

診斷的本實(shí)施例以crh3型動車組中兩電平牽引逆變器為例。如圖1所示，牽引逆變器igbt管開路故障診斷主要由四個部分內(nèi)容組成，包括電氣量測量、故障檢測、故障橋臂診斷以及故障igbt管的定位。

1、電氣量的測量

圖2為crh3型動車組牽引逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。由于實(shí)際情況中，逆變器中三個igbt管同時發(fā)生故障的可能性很低，所以考慮至多兩個igbt管發(fā)生故障。故障的類型可以分為四種：a類故障—單個igbt管故障；b類故障—處于不同橋臂且不同側(cè)邊的兩個igbt管故障；c類故障—處于相同橋臂的兩個igbt管故障；d類故障—處于不同橋臂且相同側(cè)邊的兩個igbt管故障。

在該逆變系統(tǒng)中，控制直流母線的電壓udc＝3000v，在時間t＝3.5秒時進(jìn)行故障觸發(fā)。在無故障情況下，通過逆變系統(tǒng)的“直流—交流”作用，逆變器輸出的三相電流幅值aa＝ab＝ac＝a0＝170a，fa＝fb＝fc＝f0＝55hz。當(dāng)牽引逆變器中的igbt管s1、s6同時發(fā)生故障時，將逆變器輸出的三相電流ia，ib，ic作為電氣量在采樣頻率fs＝10khz進(jìn)行測量采集。

2、基于崔-威廉斯分布的譜峭度故障檢測

基于崔-威廉斯分布的譜峭度具有時頻聚集的良好性能，可以有效反映信號偏離高斯函數(shù)的程度。設(shè)信號為z(t)，則崔-威廉斯分布可以表示為：

z(t)的2階瞬時譜矩和4階瞬時譜

基于崔-威廉斯分布的譜峭度：

式中，τ為時移參數(shù)，u表示局部時間，z^*指的是z的卷積，f表示頻率，t為時間，e{·}k表示求取平均值，k表示采樣點(diǎn)的長度。

將逆變器的三相故障電流ia，ib，ic作為信號輸入，計算在采樣頻率fs＝10khz情況下的譜峭度，同時將其譜峭度平均幅值作為特征值。圖3和圖4分別表示在無故障以及s1、s6同時故障下的譜峭度結(jié)果。若無故障，三相電流的峭度值幾乎相同，即若s1、s6發(fā)生故障時，存在兩個數(shù)大于閾值因此，基于崔-威廉斯分布的譜峭度結(jié)果說明此時逆變器中至少存在一個igbt管的故障。

3、故障橋臂的診斷

三相電流的峭度值在不同故障情況下呈現(xiàn)不同的規(guī)律特點(diǎn)。峭度值的變化一方面用于檢測故障的發(fā)生，另一方面在診斷單個igbt管和單相故障時具有明顯的特征變化。選取閾值k1,k2(k1＝5,k2＝10)分別用于診斷單個igbt管和單相故障。圖3和圖4的結(jié)果中存在不滿足單個igbt故障和單相故障閾值條件，則判定為處于不同橋臂的兩個igbt管發(fā)生故障。接著采用希爾伯特-黃變換對去噪的三相電流進(jìn)行故障診斷。希爾伯特-黃變換由經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解(emd)和希爾伯特變換兩部分組成。通過emd分解獲得具有故障特征的imf分量，接著對imf分量進(jìn)行希爾伯特變換得到具有故障特征的瞬時幅值和瞬時頻率。

圖5至圖8表示無故障和s1、s6開路故障下的希爾伯特-黃變換變換結(jié)果。首先將三相電流ia，ib，ic進(jìn)行濾波，避免噪音或高頻成分對處理結(jié)果的干擾。然后將濾波信號進(jìn)行4層emd分解，選取具有明顯的故障特征的imf2分量進(jìn)行希爾伯特變換，得到瞬時頻率fa(t),fb(t),fc(t)和瞬時幅值aa(t),ab(t),ac(t)。無故障情況下獲得的瞬時頻率fi(t)＝f0(i＝a,b,c)，瞬時幅值ai(t)＝a0(i＝a,b,c)。當(dāng)故障發(fā)生時，故障電流的imf分量的瞬時頻率和幅值在故障時間點(diǎn)會發(fā)生相應(yīng)的瞬變。根據(jù)瞬時頻率和幅值的變化規(guī)律，選取故障頻率和幅值的閾值為f、a，其中，f為正常信號頻率f0的2.5倍，a為正常信號幅值a0的0.25倍。此時存在a、b兩相故障電流的imf分量滿足：瞬時幅值ai(t)＝a0(i＝a,b,c)小于閾值a且瞬時頻率fi(t)＝f0(i＝a,b,c)大于閾值f的條件，則判定為b類故障,即不同橋臂且不同側(cè)邊的兩個igbt管發(fā)生故障，同時滿足閾值條件的a、b兩相橋臂發(fā)生故障。

4、故障igbt管的定位

通過希爾伯特-黃變換診斷出故障igbt管所在的橋臂，但卻不能對故障igbt管進(jìn)行準(zhǔn)確的定位，需要計算故障后下一個周期電流的直流分量進(jìn)行上、下橋臂故障的區(qū)分。鑒于a、b兩相橋臂上的igbt管發(fā)生故障，因此對a、b兩相電流進(jìn)行直流分量的計算，如圖9所示。由于滿足即a相故障電流的直流分量為負(fù)，b相故障電流的直流分量為正，則a相上橋臂和b相下橋臂對應(yīng)的igbt管s1、s6發(fā)生故障。

圖10是本發(fā)明中故障診斷的主要流程，只需要對逆變器輸出三相故障電流進(jìn)行測量采集，將譜峭度和希爾伯特-黃變換結(jié)合直流分量的計算，通過合理的閾值設(shè)定，可以有效地對單個igbt管和兩個igbt故障進(jìn)行準(zhǔn)確的診斷。