一种CRH3型动车组牵引逆变器IGBT开路故障诊断方法技术

本发明专利技术公开了一种CRH3型动车组牵引逆变器IGBT开路故障诊断方法，其主要步骤包括：1)采集逆变器输出的三相电流；2)采用谱峭度对三相电流进行故障检测，若发生开路故障，分别采用谱峭度和希尔伯特‑黄变换对故障桥臂进行诊断；3)在确定故障桥臂的基础上，计算故障后下一个周期电流的直流分量实现故障管的定位。本发明专利技术方法不仅可以在任意一个或者两个IGBT发生故障时准确地实现对故障检测和定位，而且不需要额外的传感器等电子设备，操作简单易行。

【技术实现步骤摘要】
一种CRH3型动车组牵引逆变器IGBT开路故障诊断方法
本专利技术涉及牵引传动领域，特别是涉及一种CRH3型动车组牵引逆变器IGBT开路故障诊断方法。
技术介绍
高速列车的运行由于受到复杂可变的环境影响，传感器和逆变器中功率器件极其容易发生故障，严重威胁列车的运行安全。其中，半导体功率器件是电力电子转换器中最脆弱的部件，主要包括开路故障和短路故障。短路故障已经有许多基于硬件的成熟解决方案。一旦IGBT管发生开路故障时，由于电机仍可以在异常状态下运行一段时间，不仅故障难以查找，而且还导致系统的额外故障和损坏。因此，及时对开路故障诊断具有极其重要的意义。目前，对于牵引逆变器IGBT开路故障，已有一些基于信号的方法。这些方法主要可以分为两大类：基于电流和基于电压。基于电流的方法采集电流量进行处理，利用傅里叶变换，直流分量等方法进行故障分析和识别。但是有些方法并不能完全地对单、双管故障进行检测与定位，进而导致无法及时采取有效措施来避免损失的扩大和事故的发生。基于电压的方法采集电压量，构造残差获取特征，在硬件电路上进行故障分析和识别。但这类方法需要额外的电子器件，实际操作复杂。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种CRH3型动车组牵引逆变器IGBT开路故障诊断方法，能够实现一个IGBT或者两个IGBT同时故障的识别与定位，以便能够及时采取容错控制策略，防止故障进一步扩大。为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是：一种CRH3型动车组牵引逆变器IGBT开路故障诊断方法，包括以下步骤：步骤1：采集逆变器输出的三相电流；步骤2：采用基于崔-威廉斯分布的谱峭度进行检测，得到随频率变化的谱峭度图，并选取各自谱峭度的平均幅值作为特征值；若其中至少一个大于某个阈值K时，则判定发生开路故障，其中，i＝A、B或C；步骤3：若发生开路故障，根据三相逆变器电流的峭度平均值呈现的规律，通过选取合适阈值K1、K2，检测该故障是否为单个IGBT管故障或单相故障，其中，K1小于K2；当只存在一个K1＜Ki＜K2时，则判定为单个IGBT管故障，且峭度值满足条件的电流所在桥臂发生故障，其中，i＝A、B或C；当只存在一个K2＜Ki时，则判定为单相故障，且同样峭度值满足条件的电流所在桥臂发生故障，其中，i＝A、B或C；若不满足步骤3的故障条件，则判定为处于不同桥臂的两个IGBT管故障；步骤4：采用集合经验模态分解方法对三相故障电流进行滤波去噪，并采用希尔伯特-黄变换获取具有故障特征的固有模态函数IMF随时间变化的瞬时频率fA(t)、fB(t)、fC(t)和瞬时幅值aA(t)、aB(t)、aC(t)；步骤5：根据瞬时频率和瞬时幅值的变化规律，选取故障频率和幅值的阈值分别为F、A，若存在两相故障电流的IMF分量满足：瞬时幅值ai(t)小于A且瞬时频率fi(t)大于F，则为不同桥臂上不同侧边的两个IGBT管故障，否则为不同桥臂上相同侧边的两个IGBT管故障，同时满足条件的为两相桥臂发生故障，其中，i＝A、B或C。进一步的，还包括步骤6：实现故障桥臂诊断后，通过对故障后下一个周期电流的直流分量进行计算，实现故障管的准确定位；当直流分量为正时，则判定故障桥臂上的下桥臂IGBT管发生故障，反之，则判定故障桥臂上的上桥臂IGBT管发生故障，其中，i＝A、B或C。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：谱峭度作为四阶统计量，希尔伯特-黄变换作为一种自适应时频分析方法，两者适合处理复杂的非线性和非平稳信号；本专利技术结合两种算法的优点，可以有效检测单个IGBT以及两个IGBT管同时发生开路故障情况并对故障IGBT管进行定位，同时不需要额外的电子器件，操作简单易行。附图说明图1是本专利技术CRH3型动车组牵引逆变器IGBT管开路故障的诊断步骤示意图。图2是本专利技术中CRH3型动车组牵引逆变器拓扑结构图。图中，S1、S2、S3、S4、S5、S6为组成逆变器的6个IGBT；D1、D2、D3、D4、D5、D6分别为相应的反并联二极管；iA，iB，iC为逆变器输出的三相电流；ωm为异步电机的转速。图3是无故障情况下的谱峭度结果图。图4是S1、S6故障情况下的谱峭度结果图。图5是无故障下的三相电流希尔伯特-黄变换结果。图6是S1、S6故障下的A相电流希尔伯特-黄变换结果。图7是S1、S6故障下的B相电流希尔伯特-黄变换结果。图8是S1、S6故障下的C相电流希尔伯特-黄变换结果。图9是故障相电流的直流分量计算结果。图10是逆变器IGBT管开路故障的诊断流程图。图中，分别表示三相故障电流谱峭度的平均幅值；aA、aB、aC表示希尔伯特-黄变换后获得的三相电流IMF分量的瞬时幅值；fA、fB、fC表示希尔伯特-黄变换后获得的三相电流IMF分量的瞬时频率；A0、f0表示三相电流无故障情况下的幅值和频率。Rule1：Rule2：中，只存在一个大于10的数；Rule3：中，只存在一个大于5的数；Rule4：aA,aB,aC中存在两个数小于A0幅值的0.25倍，fA,fB,fC中存在两个数大于f0频率2.5倍Rule5：中只存在一个数大于A0的0.3倍。图11是对故障进行准确定位流程图。具体实施方式下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步详细的说明。本专利技术中牵引逆变系统主要由逆变器和异步电机两部分组成，在正常情况下实现“直流—交流”的作用。逆变系统中，逆变器的输入端为直流电压udc，输出端为三相桥臂的电流iA，iB，iC。鉴于三相电流可以实时反映逆变器的故障特征，若逆变器中IGBT管发生故障时，将其作为测量的电气量对故障进行诊断识别。诊断的本实施例以CRH3型动车组中两电平牵引逆变器为例。如图1所示，牵引逆变器IGBT管开路故障诊断主要由四个部分内容组成，包括电气量测量、故障检测、故障桥臂诊断以及故障IGBT管的定位。1、电气量的测量图2为CRH3型动车组牵引逆变器拓扑结构图。由于实际情况中，逆变器中三个IGBT管同时发生故障的可能性很低，所以考虑至多两个IGBT管发生故障。故障的类型可以分为四种：A类故障—单个IGBT管故障；B类故障—处于不同桥臂且不同侧边的两个IGBT管故障；C类故障—处于相同桥臂的两个IGBT管故障；D类故障—处于不同桥臂且相同侧边的两个IGBT管故障。在该逆变系统中，控制直流母线的电压udc＝3000V，在时间t＝3.5秒时进行故障触发。在无故障情况下，通过逆变系统的“直流—交流”作用，逆变器输出的三相电流幅值aA＝aB＝aC＝A0＝170A，fA＝fB＝fC＝f0＝55Hz。当牵引逆变器中的IGBT管S1、S6同时发生故障时，将逆变器输出的三相电流iA，iB，iC作为电气量在采样频率fs＝10kHz进行测量采集。2、基于崔-威廉斯分布的谱峭度故障检测基于崔-威廉斯分布的谱峭度具有时频聚集的良好性能，可以有效反映信号偏离高斯函数的程度。设信号为z(t)，则崔-威廉斯分布可以表示为：z(t)的2阶瞬时谱矩和4阶瞬时谱基于崔-威廉斯分布的谱峭度：式中，τ为时移参数，u表示局部时间，z*指的是z的卷积，f表示频率，t为时间，E{·}k表示求取平均值，k表示采样点的长度。将逆变器的三相故障电流iA，iB，iC作为信号输入，计算在采样频率fs＝10kHz情况下的谱峭度，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种CRH3型动车组牵引逆变器IGBT开路故障诊断方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：采集逆变器输出的三相电流；步骤2：采用基于崔‑威廉斯分布的谱峭度进行检测，得到随频率变化的谱峭度图，并选取各自谱峭度的平均幅值

【技术特征摘要】
1.一种CRH3型动车组牵引逆变器IGBT开路故障诊断方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：采集逆变器输出的三相电流；步骤2：采用基于崔-威廉斯分布的谱峭度进行检测，得到随频率变化的谱峭度图，并选取各自谱峭度的平均幅值作为特征值；若其中至少一个大于某个阈值K时，则判定发生开路故障，其中，i＝A、B或C；步骤3：若发生开路故障，根据三相逆变器电流的峭度平均值呈现的规律，通过选取合适阈值K1、K2，检测该故障是否为单个IGBT管故障或单相故障，其中，K1小于K2；当只存在一个K1＜Ki＜K2时，则判定为单个IGBT管故障，且峭度值满足条件的电流所在桥臂发生故障，其中，i＝A、B或C；当只存在一个K2＜Ki时，则判定为单相故障，且同样峭度值满足条件的电流所在桥臂发生故障，其中，i＝A、B或C；若不满足步骤3的故障条件，则判定为处于不同桥臂的两个IGBT管故障；步骤4：采用集合经验模态分解方法对三相故障电流...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘志刚，林双双，胡珂珽，胡冉冉，
申请(专利权)人：西南交通大学，
类型：发明
国别省市：四川,51