一种机车逆变器功率管开路故障在线诊断方法技术

本发明专利技术公开了一种不需要对已有的机车系统进行改造或加装额外的传感器来获取其控制信号；不受谐波影响；不会受机车负载变化的影响，灵敏度更好，准确性更高，可靠性也更高的机车逆变器功率管开路故障在线诊断方法。它包括如下步骤，第一步：根据两相输出电流推导得到数学模型和故障比照图表；第二步：从机车上已有的电流传感器上获取需要进行诊断的机车逆变电源的两相输出电流ia和ib；第三步：对采集的电流数据进行滤波处理；第四步：合成电流轨迹图；第五步：对电流轨迹图进行辨识；当电流轨迹图呈现为完整椭圆时，诊断为功率管正常；当电流轨迹图呈现为非椭圆图形时，根据故障比照图表定位故障的功率管。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种机车逆变器功率管开路故障在线诊断方法。
技术介绍
三相逆变器具有将直流输入转化为三相交流输出的功能，在军队、通信、工厂以及企业中作为大功率不间断电源得到了广泛的应用。然而，作为电源转化装置，功率管的高频开断使得逆变器成为整个系统中较为薄弱的一部分。功率管故障通常以开路故障的形式表现出来。与短路故障相比，功率管开路故障不会产生过电流或者过电压，不会触发保护动作，不容易被检测到，因此存在较大的安全隐患。在许多重要的应用场合，如高速列车的快速运行过程中，需要采用实时的状态监测及故障诊断方法以确保能够迅速发现故障、准确隔离故障并及时采取相应的补救措施，以免造成人员伤亡及财产损失。对于逆变器开路故障的诊断尤其重要。目前，逆变器开路故障诊断已经取得了一定的成果。比如中国专利公布号为CN103869208A的专利技术专利公开了一种相冗余容错结构的三相逆变器开路故障检测方法，但该方法是应用于电动汽车驱动控制系统中的三相逆变器开路故障检测，对于机车的工况要求不一定适用。中国专利公布号为CN104597368A的专利技术专利公开了一种基于电流的三相逆变器开路故障检测方法，适合集成到控制系统中，对于机车的工况要求不一定适用。专利号为201020135717.9的专利技术专利公开了一种逆变器功率管开路故障的在线检测装置及检测方法，该方法中每个功率管开路故障的在线检测电路均由检测用光耦电路、逻辑电路和上升沿延时电路组成；每个功率管开路故障的在线检测电路设置有一路逆变器电路输入端、两路开关信号输入端和两路故障输出端。即在具体实施时需要对机车上的系统进行改造，增加检测电路。专利号为201510020290.0的专利技术专利公开了一种基于电流的三相逆变器开路故障检测方法，该专利需要获取三相电流，对于电机变频调速系统该方法可能不适用，诊断模块可靠性不高。专利号为201510424626.X的专利技术专利公开了一种电机驱动系统中逆变器功率管开路故障实时检测方法，除测量电流外还需要测量电机转速，诊断模块可靠性没有本方案高。综上所述，目前逆变器开路故障诊断研究成果虽然各有优势，但是对于机车逆变器来说仍然存在几个问题有待解决。第一，机车上的系统不允许随意改造，很难通过获取其控制信号或加装额外的电压传感器来对系统进行诊断；第二，牵引变流器负载变化范围大，变化速度快，部分以输出电流作为诊断变量的方法对负载变化较为敏感。第三，由于机车运行环境复杂，且根据规定必须时刻有操作员监视列车状况，目前的逆变器开路故障诊断方法中，如果诊断模块自身发生故障，监视的操作员是无法通过监测由传感器测得的原始电流数据所构成的轨迹进行人工诊断的，因此可靠性方面比较低。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是，提供一种不需要对已有的机车系统进行改造或加装额外的传感器来获取其控制信号；不受谐波影响；不会受机车负载变化的影响，灵敏度更好，准确性更高，可靠性也更高的机车逆变器功率管开路故障在线诊断方法。为解决上述技术问题，本专利技术提供的技术方案为：一种机车逆变器功率管开路故障在线诊断方法，它包括如下步骤，第一步：根据两相输出电流推导得到数学模型和故障比照图表；第二步：从机车上已有的电流传感器上获取需要进行诊断的机车逆变电源的两相输出电流ia和ib；第三步：对采集的电流数据进行滤波处理；第四步：合成电流轨迹图；第五步：对电流轨迹图进行辨识；当电流轨迹图呈现为完整椭圆时，诊断为功率管正常；当电流轨迹图呈现为非椭圆图形时，根据故障比照图表定位故障的功率管。作为优选，步骤一中所述的数学模型的具体推导过程如下：先设定通过PWM控制信号控制三相逆变电源的各相上下桥臂功率管交替导通，逆变器的三相输出电流ia、ib，ic分别为幅值相等，相位互差120°的正弦波，可以表示为公式(1)如下：其中，Iam、Ibm，Icm分别为三相电流幅值，ω为电流角频率，Φ为a，b两相电流之间的相位差；令x＝ia(t),y＝ib(t)，则有公式(2)如下：上式可以写成公式(3)如下：整理式(3)，得到公式(4)如下：公式(4)对两边分别取正弦，可得到公式(5)如下：因为：将式(6)和式(7)代入式(5)，得到公式(8)如下：两边取平方，整理得到公式(9)如下：根据椭圆的一般方程，令由于因此，式(9)符合笛卡尔坐标系下椭圆的一般方程，椭圆的中心位于坐标原点，称之为a-b轨迹，即反应功率管工作状态的电流轨迹图。作为优选，步骤三中滤波器为采用双线性变换法设计的巴特沃思低通数字滤波器。采用上述结构后，本专利技术具有如下有益效果：(1)不需要对已有的机车系统进行改造或加装额外的传感器来获取其控制信号；(2)通过数字滤波技术排除了输出电流中所含谐波的影响；(3)本专利技术不会受机车负载变化的影响，相比于其他在线诊断方法有更好的灵敏度和准确性。(4)即使自动诊断模块自身发生故障，操作员仍然可以通过监测由传感器测得的原始电流数据所构成的轨迹图进行人工诊断，即该方案对自动诊断系统的依赖度低，可靠性要远高于其他方案。综上所述，本专利技术提供了一种不需要对已有的机车系统进行改造或加装额外的传感器来获取其控制信号；不受谐波影响；不会受机车负载变化的影响，灵敏度更好，准确性更高，可靠性也更高的机车逆变器功率管开路故障在线诊断方法。附图说明图1是本专利技术中机车逆变器功率管开路故障在线诊断方法的整体流程示意图。图2是本专利技术具体实施例一中逆变器的电路结构图。图3是本专利技术具体实施例一中单管开路故障和双管开路故障下所有的a-b轨迹图。图4是本专利技术具体实施例一中单个功率管开路故障的a-b轨迹图。图5是本专利技术具体实施例一中两个功率管开路故障的a-b轨迹图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术做进一步的详细说明。一种机车逆变器功率管开路故障在线诊断方法，它包括如下步骤，第一步：根据两相输出电流推导得到数学模型和故障比照图表；第二步：从机车上已有的电流传感器上获取需要进行诊断的机车逆变电源的两相输出电流ia和ib；第三步：对采集的电流数据进行滤波处理；第四步：合成电流轨迹图；即根据数学模型计算出两相输出电流所对应的电流轨迹图。第五步：对电流轨迹图进行辨识；当电流轨迹图呈现为完整椭圆时，诊断为功率管正常；当电流轨迹图呈现为非椭圆图形时，根据故障比照图表定位故障的功率管。作为优选，步骤一中所述的数学模型的具体推导过程如下：先设定通过PWM控制信号控制三相逆变电源的各相上下桥臂功率管交替导通，逆变器的三相输出电流ia、ib，ic分别为幅值相等(此处在表述时，为了表达的完整性，有提到ia、ib，ic三相输出电流，但后续的处理过程中，实际只用到了其中的任意两相特此说明)，相位互差120°的正弦波，可以表示为公式(1)如下：其中，Iam、Ibm，Icm分别为三相电流幅值，ω为电流角频率，Φ为a，b两相电流之间的相位差；令x＝ia(t),y＝ib(t)，则有公式(2)如下：上式可以写成公式(3)如下：整理式(3)，得到公式(4)如下：公式(4)对两边分别取正弦，可得到公式(5)如下：因为：将式(6)和式(7)代入式(5)，得到公式(8)如下：两边取平方，整理得到公式(9)如下：根据椭圆的一般方程，令由于因此，式(9)符合笛卡尔坐标系下椭圆的一般方程，椭圆的中心位于坐标原点，称之为a-b轨本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种机车逆变器功率管开路故障在线诊断方法，其特征在于：它包括如下步骤，第一步：根据两相输出电流推导得到数学模型和故障比照图表；第二步：从机车上已有的电流传感器上获取需要进行诊断的机车逆变电源的两相输出电流ia和ib；第三步：对采集的电流数据进行滤波处理；第四步：合成电流轨迹图；第五步：对电流轨迹图进行辨识；当电流轨迹图呈现为完整椭圆时，诊断为功率管正常；当电流轨迹图呈现为非椭圆图形时，根据故障比照图表定位故障的功率管。

【技术特征摘要】
1.一种机车逆变器功率管开路故障在线诊断方法，其特征在于：它包括如下步骤，第一步：根据两相输出电流推导得到数学模型和故障比照图表；第二步：从机车上已有的电流传感器上获取需要进行诊断的机车逆变电源的两相输出电流ia和ib；第三步：对采集的电流数据进行滤波处理；第四步：合成电流轨迹图；第五步：对电流轨迹图进行辨识；当电流轨迹图呈现为完整椭圆时，诊断为功率管正常；当电流轨迹图呈现为非椭圆图形时，根据故障比照图表定位故障的功率管。2.根据权利要求1所述的机车逆变器功率管开路故障在线诊断方法，其特征在于：步骤一中所述的数学模型的具体推导过程如下：先设定通过PWM控制信号控制三相逆变电源的各相上下桥臂功率管交替导通，逆变器的三相输出电流ia、ib，ic分别为幅值相等，相位互差120°的正弦波，可以表示为公式(1)如下：ia(t)=Iamsin(ωt)ib(t)=Ibmsin(ωt+φ)ic(t)=Icmsin(ωt+2φ)---(1)]]>其中，Iam、Ibm，Icm分别为三相电流幅值，ω为电流角频率，Φ为a，b两相电流之间的相位差；令x＝ia(t),y＝ib(t)，则有公式(2)如下：x=Iamcos(π2-ωt)y=Ibmsin(ωt+φ)---(2)]]>上式可以写成公式(3)如下：ωt=π2-cos-1(xIam)ωt=sin-1(yIbm)-φ---(3)]]>整理式(3)，得到公式(4)如下：φ+π2=cos-1(xIam)+sin-1(yIbm)---(4)]]>公式(4)对两边分别取正弦，可得到公式(5)如下：cos(φ)=sin[cos-1(xIam)]&C...

【专利技术属性】
技术研发人员：田睿，成庶，伍珣，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43