電力牽引交流傳動兩電平單相四象限脈沖整流器開關(guān)管開路故障診斷方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種電力牽引交流傳動兩電平單相四象限脈沖整流器開關(guān)管開路故障診斷方法，基于兩電平單相四象限脈沖整流器的工作原理完成，具體方法包括：電力牽引交流傳動兩電平單相四象限脈沖整流器在故障狀況下的諧波特征提取，基于負載水平對諧波特征進行歸一化以及根據(jù)不同類型開路故障下的故障特征得到相應(yīng)的開路故障診斷結(jié)果。本方法可實現(xiàn)在線實時系統(tǒng)中，兩電平單相四象限脈沖整流器在不同開關(guān)管故障狀態(tài)下的診斷，并且不受整流器負載變動影響。
【專利說明】
電力牽引交流傳動兩電平單相四象限脈沖整流器開關(guān)管開路 故障診斷方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于電力牽引交流傳動技術(shù)領(lǐng)域，設(shè)及一種電力牽引交流傳動兩電平單相 四象限脈沖整流器開關(guān)管開路故障診斷方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 我國高速列車的電力牽引采用交流傳動系統(tǒng)，其中的網(wǎng)側(cè)變流器是整個列車牽引 系統(tǒng)中的一個重要組成部分。目前在高速列車上廣泛使用的網(wǎng)側(cè)變流器是兩電平單相四象 限脈沖整流器。由于控制策略的原因，整流器中使用的開關(guān)管一直處于高頻切換狀態(tài)，損耗 與發(fā)熱非常嚴重，而開關(guān)管又相對脆弱，因此開路或短路故障基本是不可避免的，運對整個 傳動系統(tǒng)的正常運行存在很大的危害。所W需要實時監(jiān)控故障，進行快速和有效的診斷。提 高交通運輸?shù)目煽啃缘难芯渴潜仨毜?，具有極其重要的現(xiàn)實意義
[0003] 現(xiàn)今對于傳動系統(tǒng)中相應(yīng)的故障建模W及故障診斷研究越來越被重視，但目前為 止，對兩電平單相四象限脈沖整流器相應(yīng)的故障診斷手段較少。
[0004] 任何電力電子設(shè)備都存在正常工作狀態(tài)W及故障工作狀態(tài)，對于兩電平單相四象 限脈沖整流器而言，其正常工作時存在不同橋臂上開關(guān)管故障時的情況。兩電平單相四象 限脈沖整流器不同橋臂上開關(guān)管故障情況時，交流側(cè)電流諧波含量必然出現(xiàn)變化，相應(yīng)的 直流側(cè)波動也會不同，運在一定程度上影響整個交直流系統(tǒng)的性能。因此，對可W通過觀 測交流側(cè)諧波含量的變化，來診斷不同橋臂上開關(guān)管的故障。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是提供一種電力牽引交流傳動兩電平單相四象限脈沖整流器開關(guān) 管開路故障在線實時診斷方法，實現(xiàn)對電力牽引交流傳動兩電平單相四象限脈沖整流器不 同開關(guān)管開路故障的實時監(jiān)測和診斷。
[0006] 為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明的具體技術(shù)手段為：一種電力牽引交流傳動兩電平 單相四象限脈沖整流器開關(guān)管開路故障診斷方法，定義單相兩電平脈沖整流器左邊橋臂為 A橋臂，A橋臂上方開關(guān)管Tl，A橋臂下方開關(guān)管T2;右邊橋臂為B橋臂，B橋臂上方開關(guān)管T3，B 橋臂下方開關(guān)管T4。
[0007] 診斷方法包括W下步驟：
[000引（1)對整流器網(wǎng)側(cè)輸入電流進行采樣，設(shè)采樣頻率為fs，網(wǎng)側(cè)輸入電壓基波頻率為 f = 50化，將采用電流值存儲為一個采樣電流序列，序列長度為N，
[0009] (2)每次采樣后，對采樣電流序列做快速傅里葉變換FFT:
[0010]
[0011]
[0012]其中，i(n)為第n個采樣電流值，a日為采樣電流的直流分量，ak、bk為各次諧波的分 量，Ck為該次諧波總量，其中下標k表示諧波次數(shù)，取值范圍為巧IjN的正整數(shù)，當k=l時表示 的是基波量；
[0013] (3)用網(wǎng)側(cè)電流直流含量表征負載水平，對諧波進行歸一化：
[0014]
[0015] 并設(shè)置直流量異常的闊值為Ki, 一次開關(guān)頻率附近諧波量異常的闊值為拉；
[0016] (4)設(shè)一次開關(guān)頻率對應(yīng)的諧波次數(shù)為j，則一次開關(guān)頻率附近的頻率量可表示為
[0017] 定義兩個狀態(tài)量Signl和sign2，signl表示開關(guān)管Tl和T4是否異常、Sign2表示開 關(guān)管T2和T3是否異常，值為1表示發(fā)生故障，Signl與sign2的取值如下；
[001 引
[0019]
[0020] 當Signl = 1時，表示開關(guān)管Tl和開關(guān)管T4至少有一個開關(guān)管發(fā)生開路故障；sign2 =1時表示開關(guān)管T2和開關(guān)管T3至少有開關(guān)管發(fā)生開路故障；Signl = 1同時sign2= 1時， 則開關(guān)管Tl和開關(guān)管T4至少有一個中有故障發(fā)生，同時開關(guān)管T2和開關(guān)管T3中也至少有一 個故障發(fā)生。
[0021] 實際上，不同的開關(guān)管開路故障亦具有其固有特征，分為如下類型：
[0022] (a)正常工作的整流器：網(wǎng)側(cè)電流中基本不含直流量，在頻域上，高次諧波主要分 布在兩倍開關(guān)頻率的頻率點附近。
[0023] (b)單開關(guān)管故障（如1號管故障）：故障特征為網(wǎng)側(cè)電流中的直流含量出現(xiàn)，一次 開關(guān)頻率附近的高次諧波出現(xiàn)。
[0024] (C)同一橋臂上的雙開關(guān)管故障(如1號管、2號管故障）：故障特征為網(wǎng)側(cè)電流中的 直流含量與正常工作時相似，基本為0, 一次開關(guān)頻率附近的高次諧波大量出現(xiàn)。
[0025] (d)不同一橋臂上的相同位置開關(guān)管故障（如1號管、3號管故障）：故障特征為網(wǎng)側(cè) 電流中的直流含量與正常工作時相似，基本為0,一次開關(guān)頻率附近的高次諧波大量出現(xiàn)。
[0026] (e)不同一橋臂上的不同位置開關(guān)管故障（如1號管、4號管故障）：故障特征為網(wǎng)側(cè) 電流中的直流含量大量出現(xiàn)，一次開關(guān)頻率附近的高次諧波出現(xiàn)。
[0027] 采用本發(fā)明，通過測量整流器網(wǎng)側(cè)電流，就可W檢測出整流器開關(guān)管單管開路故 障，雙管開路故障等多種開路故障，僅使用網(wǎng)側(cè)整流器原有的傳感器，通過算法實現(xiàn)診斷， 從而節(jié)約了測量點，不必在整流器上額外安裝其他傳感器，減少了成本。對于不同的負載水 平，有很好的適應(yīng)性，不會因輕載或重載而導致診斷闊值的額外調(diào)整，具有很好的通用性。 同時實時性好，能夠滿足在線檢測的要求。
【附圖說明】
[0028] 圖1是電力牽引交流傳動兩電平單相四象限脈沖整流器的基本電路圖。
[0029] 圖2是本發(fā)明開關(guān)管開路故障診斷算法的操作流程圖。
[0030] 圖3是基于本發(fā)明電力牽引交流傳動兩電平單相四象限脈沖整流器開關(guān)管開路故 障診斷方法在RT-LAB上做出的實施例的整流器正常工作結(jié)果下的整流器網(wǎng)側(cè)電流波形圖 和診斷信息。
[0031] 圖4是基于本發(fā)明電力牽引交流傳動兩電平單相四象限脈沖整流器開關(guān)管開路故 障診斷方法在RT-LAB上做出的實施例的整流器Tl管故障下的整流器網(wǎng)側(cè)電流波形圖和診 斷信息。
[0032] 圖5是基于本發(fā)明電力牽引交流傳動兩電平單相四象限脈沖整流器開關(guān)管開路故 障診斷方法在RT-LAB上做出的實施例的整流器T2管故障下的整流器網(wǎng)側(cè)電流波形圖和診 斷信息。
[0033] 圖6是基于本發(fā)明電力牽引交流傳動兩電平單相四象限脈沖整流器開關(guān)管開路故 障診斷方法在RT-LAB上做出的實施例的整流器T3管故障下的整流器網(wǎng)側(cè)電流波形圖和診 斷信息。
[0034] 圖7是基于本發(fā)明電力牽引交流傳動兩電平單相四象限脈沖整流器開關(guān)管開路故 障診斷方法在RT-LAB上做出的實施例的整流器T4管故障下的整流器網(wǎng)側(cè)電流波形圖和診 斷信息。
[0035] 圖8是基于本發(fā)明電力牽引交流傳動兩電平單相四象限脈沖整流器開關(guān)管開路 故障診斷方法在RT-LAB上做出的實施例的整流器Tl管和T2管故障下的整流器網(wǎng)側(cè)電流波 形圖和診斷信息。
[0036] 圖9是基于本發(fā)明電力牽引交流傳動兩電平單相四象限脈沖整流器開關(guān)管開路故 障診斷方法在RT-LAB上做出的實施例的整流器Tl管和T3管故障下的整流器網(wǎng)側(cè)電流波形 圖和診斷信息。
[0037] 圖10是基于本發(fā)明電力牽引交流傳動兩電平單相四象限脈沖整流器開關(guān)管開路 故障診斷方法在RT-LAB上做出的實施例的整流器Tl管和T4管故障下的整流器網(wǎng)側(cè)電流波 形圖和診斷信息。
[0038] 圖11是基于本發(fā)明電力牽引交流傳動兩電平單相四象限脈沖整流器開關(guān)管開路 故障診斷方法在RT-LAB上做出的實施例的整流器T2管和T3管故障下的整流器網(wǎng)側(cè)電流波 形圖和診斷信息。
[0039] 圖12是基于本發(fā)明電力牽引交流傳動兩電平單相四象限脈沖整流器開關(guān)管開路 故障診斷方法在RT-LAB上做出的實施例的整流器T2管和T4管故障下的整流器網(wǎng)側(cè)電流波 形圖和診斷信息。
[0040] 圖13是基于本發(fā)明電力牽引交流傳動兩電平單相四象限脈沖整流器開關(guān)管開路 故障診斷方法在RT-LAB上做出的實施例的整流器T3管和T4管故障下的整流器網(wǎng)側(cè)電流波 形圖和診斷信息。
【具體實施方式】
[0041] 下面將結(jié)合附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整的描述，顯然，所 描述的實施例僅是本發(fā)明的一個實施例，而不是全部的實施例。基于本發(fā)明中的實施例，本 領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明 保護的范圍。
[0042] 作為本發(fā)明中一種兩電平單相四象限脈沖整流器開關(guān)管開路故障診斷方法的具 體實施方法，使用的硬件結(jié)構(gòu)為RT-LAB半實物平臺，型號為TMS320F28335的DSP控制器。
[0043] 實施例
[0044] 電力牽引交流傳動兩電平單相四象限脈沖整流器開關(guān)管開路故障診斷可按照本 發(fā)明所敘述方法進行：
[0045] 第1步：在RT-LAB平臺上搭建兩電平單相四象限脈沖整流器正常工作模型，設(shè)定 PWM開關(guān)頻率為500Hz，中間直流側(cè)電壓3000V;在DSP上編寫的脈沖整流器控制程序，實現(xiàn)兩 電平單相四象限脈沖整流器的正常工作，波形如圖3所示；
[0046] 第2步:通過控制DSP的控制脈沖丟失，實現(xiàn)開關(guān)管開路故障的效果；
[0047] 第3步:每隔一個采樣間隔，采樣得到一個網(wǎng)側(cè)電流值，添加進網(wǎng)側(cè)電流值隊列中；
[0048] 第4步:對網(wǎng)側(cè)電流值隊列做FFT，得到直流量和一次開關(guān)頻率附近量；
[0049] 第5步:用直流量對一次開關(guān)頻率附近量進行標么；
[0050] 第6步:判斷直流量是否超過闊值Kl，是則進行第8步，否則繼續(xù)進行第7步；
[0051 ]第7步：判斷一次開關(guān)頻率附近量是否超過闊值K2,是則T1/T4管與T2/T3管同時 發(fā)生故障，否則未發(fā)生故障;輸出結(jié)果；
[0052] 第8步:判斷直流量的方向，方向為正則1號/4號管故障，方向為負則T2/T3管故障； 輸出結(jié)果。第3步到第8步的流程如圖2所示。
[0053] 基于RT-LAB的試驗結(jié)果如圖4~13所示，圖4為Tl管故障情況下的試驗結(jié)果，圖5為 T2管故障情況下的試驗結(jié)果，圖6為T3管故障情況下的試驗結(jié)果，圖7為T4管故障情況下的 試驗結(jié)果，圖13為Tl與T2管同時故障情況下的試驗結(jié)果。
[0054] W上所述就是本發(fā)明的一種實施方式。
【主權(quán)項】
1. 一種電力牽引交流傳動兩電平單相四象限脈沖整流器開關(guān)管開路故障診斷方法，定 義單相兩電平脈沖整流器左邊橋臂為A橋臂，A橋臂上方開關(guān)管Tl，A橋臂下方開關(guān)管T2;右 邊橋臂為B橋臂，B橋臂上方開關(guān)管T3，B橋臂下方開關(guān)管T4;診斷方法包括以下步驟： (1) 對整流器網(wǎng)側(cè)輸入電流進行采樣，設(shè)采樣頻率為fs，網(wǎng)側(cè)輸入電壓基波頻率為f = 50Hz，將采用電流值存儲為一個采樣電流序列，序列長度為N (2) 每次采樣后，對采樣電流序列做快速傅里葉變換FFT:其中，i (η)為第η個米樣電流值，ao為米樣電流的直流分量，ak、bk為各次諧波的分量，Ck 為該次諧波總量，其中下標k表示諧波次數(shù)，取值范圍為1到N的正整數(shù)，當k= 1表示基波量； (3) 用網(wǎng)側(cè)電流直流含量表征負載水平，對諧波進行歸一化：并設(shè)置直流量異常的閾值為K1，一次開關(guān)頻率附近諧波量異常的閾值為K2; (4) 設(shè)一次開關(guān)頻率對應(yīng)的諧波次數(shù)為j，則一次開關(guān)頻率附近的頻率量可表示為定義兩個狀態(tài)量signl和s ign2, signl表示開關(guān)管Tl和T4是否異常、sign2表示開關(guān)管 T2和T3是否異常，倌為〗衷示發(fā)牛故瞳，si ml與si m2的取倌如下：當signl = 1時，表示開關(guān)管Tl和開關(guān)管T4至少有一個開關(guān)管發(fā)生開路故障；sign2 = 1 時表示開關(guān)管T2和開關(guān)管T3至少有開關(guān)管發(fā)生開路故障；signl = 1同時sign2 = 1時，則開 關(guān)管Tl和開關(guān)管T4至少有一個中有故障發(fā)生，同時開關(guān)管T2和開關(guān)管T3中也至少有一個故 障發(fā)生。
【文檔編號】G01R31/02GK106019044SQ201610312606
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年5月11日
【發(fā)明人】葛興來, 田子思, 熊成林, 宋文勝, 馮曉云
【申請人】西南交通大學