一种单相级联H桥整流器开关管开路故障诊断方法技术

本发明专利技术公开一种单相级联H桥整流器开关管开路故障诊断方法，根据系统开关控制信号及交流侧电流极性计算正常工作及不同开关管故障下开关函数；根据级联H桥整流器的电路拓扑，得到单相级联H桥整流器模块输出电流计算模型和状态估计模型，得到输出电流的计算值和估计值。基于不同模块电流残差的故障特征被分离、不同故障诊断变量相互独立的特点，将诊断变量和自适应检测阈值比较即可定位任意故障开关管。本发明专利技术可实现在线实时系统中，单相级联H桥整流器在单个或多个开关管故障状态下的实时诊断，而且不受单相级联H桥整流器网压波动、负载变动和运行工况变化的影响；且诊断时间短，可以及时隔离故障，避免系统二次故障的出现。

A Fault Diagnosis Method for Open Circuit of Switch Tube of Single-Phase Cascaded H-Bridge Rectifier

【技术实现步骤摘要】
一种单相级联H桥整流器开关管开路故障诊断方法
本专利技术涉及电力牵引交流传动
，具体为一种单相级联H桥整流器开关管开路故障诊断方法。
技术介绍
交–直–交传动系统以其友好的网侧特性、良好的牵引性能而被广泛应用于轨道交通电力牵引系统。与传统牵引系统中的工频变压器相比，电力电子牵引变压器(PowerElectronicTractionTransformer，PETT)具有重量轻，体积小，效率高和环境友好等优势，成为未来高速动车组轻量化的最佳选择。一项变流器可靠性的工业调查显示，功率半导体器件是变流器中最脆弱的部分。而且电力牵引传动系统装置运行环境复杂，腐蚀、湿度、温度等长期存在的因素，以及电浪涌、静电等不确定因素都会影响其运行状态。作为PETT的输入级，单相级联H桥整流器中的开关管需要在铁路牵引系统高功率、热应力和电磁干扰环境中长期运行，有更高的故障率，使整个牵引传动系统的正常运行存在很大的风险。目前的器件驱动电路大部分已集成了硬件保护和监测装置来进行短路保护。而开关管开路故障会引起电流畸变，不会使系统立即崩溃，但一段时间后会引起二次故障，造成更大的损失。因此，研究单相级联H桥整流器开关管开路故障的实时诊断对及时确定故障源、提高维修效率、降低维护成本具有重要意义。在目前的诊断技术中，能够应用于单相级联H桥整流器的诊断方法很少。对于铁路牵引系统的单相整流器而言，需要在尽量不增加传感器的基础上利用控制系统采集和输出的信号实现故障检测和定位。考虑到变流器系统都是由连续变化事件和离散变化事件驱动的，是一个典型的混杂系统。而混合逻辑动态(MixedLogicalDynamic，MLD)模型是混杂系统的一种建模方法，通过考虑系统的所有控制条件和电流条件，可以建立更精确的系统模型。为此，考虑分析不同H桥模块输出侧电流信息，通过建立模块输出侧电流的计算模型和估计模型，分析不同开关管故障时输出电流残差变化特征，来设计故障诊断算法直接定位故障开关管。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术的目的在于提供一种单相级联H桥整流器开关管开路故障诊断方法，实现单相级联H桥整流器单个或多个开关管开路故障的在线及时诊断，为现有单相级联H桥整流器的故障诊断技术提供新的诊断思路。技术方案如下：一种单相级联H桥整流器开关管开路故障诊断方法，包括以下步骤：步骤1：利用单相级联H桥整流器的开关管控制信号si1、si2、si3、si4以及交流侧电流iN的极性计算正常情况和不同开关管故障下开关函数：将单相级联H桥整流器中n个H桥模块左桥臂记作ai桥臂，右桥臂记作bi桥臂，定义ai、bi桥臂开关函数Sai和Sbi为：其中，Ti1为ai桥臂上方开关管，Ti2为ai桥臂下方开关管；Ti3为bi桥臂上方开关管，Ti4为bi桥臂下方开关管；Di1～Di4分别为各开关管的反并联二极管；用逻辑变量λ描述网侧电流极性变化，并用Gi表示第i个H桥模块的开关函数：其中，iN为网侧电流；根据开关状态表，正常工作情况的系统开关函数计算如下：其中，表示逻辑变量λ取非；1)单个开关管故障情况时，故障H桥模块的开关函数Gi′计算方法为：ai桥臂上开关管Ti1开路故障情况，等效为对应控制信号si1＝0，则ai桥臂上开关管Ti2开路故障情况，等效为对应控制控制信号si2＝0，则bi桥臂上开关管Ti3故障情况，等效为对应控制信号si3＝0，则bi桥臂下开关管Ti4故障情况，等效为对应控制信号si4＝0，则2)多个开关管故障情况时，故障H桥模块的开关函数Gi′计算方法为：a)只会使半个周期电流畸变的双管故障：若双管故障发生在同一个模块当中，且Ti1与Ti4故障，等效为对应控制信号si1＝0与si4＝0，则若Ti2与Ti3故障，等效为对应控制信号si2＝0与si3＝0，则若双管故障发生在不同模块当中，如Ti1与Tj4故障，等效为对应控制信号si1＝0与sj4＝0，则K′j为第j个H桥模块在故障时的开关函数；b)使电流整个周期都会发生畸变的双管故障：若双管故障发生在同一个模块当中，且Ti1与Ti2故障，等效为对应控制信号si1＝0与si2＝0，则若Ti1与Ti3故障，等效为对应控制信号si1＝0与si3＝0，则若Ti2与Ti4故障，等效为对应控制信号si2＝0与si4＝0，则若Ti3与Ti4故障，等效为对应控制信号si1＝0与si3＝0，则若双管故障发生在不同模块当中，如Ti1与Tj2故障，等效为对应控制信号si1＝0与sj2＝0，则：步骤2：计算不同故障情况下的单相级联H桥整流器各模块的输出电流状态估计模型，并根据系统结构得到模块输出电流实际值计算模型：列出单相级联H桥整流器模块输出电流计算模型：其中，Ci为每个H桥模块输出侧支撑电容；ui为输出侧支撑电容两端的电压；ioi为输出侧负载电流；不同故障情况下的单相级联H桥整流器各模块的输出电流状态估计模型为：iouti_e＝GiiN,i＝1,2,...,n其中，iN为网侧电流；经上述状态估计方程计算得各个H桥模块的输出电流；步骤3：获取系统残差：系统各模块输出电流计算值减去估计值得到输出电流残差ri：ri＝iouti_c-iouti_e考虑到正常状态下，H桥整流器模块输出电流计算值应该和状态估计值相等，即：故障状态下，故障开关的开关信号可等效为0，也就对应故障条件下的开关函数Gi′，所以故障状态下，输出电流计算值对应的开关函数表达式变化为：根据不同故障条件下的开关函数Gi′和正常条件下的开关函数Gi，并考虑不同H桥模块的故障，得到不同模块电流残差的理论表达式为：ri＝(G′i-Gi)iN,rj＝(K′j-Kj)iN；i,j＝1,2,...,n其中，rj为第j个H桥模块的电流残差；K′j为第j个H桥模块在故障时的开关函数；Kj为第j个H桥模块的开关函数；步骤4：建立故障诊断算法，实现对单个或双开关管开路故障的准确定位。更进一步的，所述步骤4具体方法为：根据故障下的电流残差特征，设计不同开关管的检测变量为：考虑网侧电流在零电流阶段对故障特征提取产生可能的影响，选择网侧电流额定值的1％作为阈值提取正确的故障诊断特征量：将获取的故障诊断特征量KTij与网侧电流的50％作比较：如果KTij大于阈值并持续3个控制周期，即GTij等于1并保持3个控制周期，则判断出对应的开关管Tij发生开路故障。本专利技术的有益效果是：本专利技术可实现在线实时系统中，单相级联H桥整流器在单个或多个开关管故障状态下的实时诊断，而且诊断方法不受单相级联H桥整流器网压波动、负载变动和运行工况变化的影响，具有很好的通用性；且诊断时间短，可以及时隔离故障，避免系统二次故障的出现；而且检测信号全部来源于原有控制系统，不需要额外的硬件设备，实时性好，能够满足在线检测的要求。附图说明图1是电力电子牵引变压器前级-单相级联H桥整流器的基本电路拓扑图。图2是电力电子牵引变压器前级-单相级联H桥整流器正常工作时的基本工作原理图。图3是基于本专利技术电力电子牵引变压器前级-单相级联H桥整流器故障诊断方法在DSP程序中的算法流程图。图4是基于本专利技术电力电子牵引变压器前级-单相级联H桥整流器故障诊断方法在RT-LAB硬件在环测试平台下做出的实施例在负载变化50％条件下整流器网侧电流和模块输出电流残差变化结本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种单相级联H桥整流器开关管开路故障诊断方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：利用单相级联H桥整流器的开关管控制信号si1、si2、si3、si4以及交流侧电流iN的极性计算正常情况和不同开关管故障下开关函数：将单相级联H桥整流器中n个H桥模块左桥臂记作ai桥臂，右桥臂记作bi桥臂，定义ai、bi桥臂开关函数Sai和Sbi为：

【技术特征摘要】
1.一种单相级联H桥整流器开关管开路故障诊断方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：利用单相级联H桥整流器的开关管控制信号si1、si2、si3、si4以及交流侧电流iN的极性计算正常情况和不同开关管故障下开关函数：将单相级联H桥整流器中n个H桥模块左桥臂记作ai桥臂，右桥臂记作bi桥臂，定义ai、bi桥臂开关函数Sai和Sbi为：其中，Ti1为ai桥臂上方开关管，Ti2为ai桥臂下方开关管；Ti3为bi桥臂上方开关管，Ti4为bi桥臂下方开关管；Di1～Di4分别为各开关管的反并联二极管；用逻辑变量λ描述网侧电流极性变化，并用Gi表示第i个H桥模块的开关函数：Gi＝Sai-Sbi其中，iN为网侧电流；根据开关状态表，正常工作情况的系统开关函数计算如下：其中，表示逻辑变量λ取非；1)单个开关管故障情况时，故障H桥模块的开关函数Gi′计算方法为：ai桥臂上开关管Ti1开路故障情况，等效为对应控制信号si1＝0，则ai桥臂上开关管Ti2开路故障情况，等效为对应控制控制信号si2＝0，则bi桥臂上开关管Ti3故障情况，等效为对应控制信号si3＝0，则bi桥臂下开关管Ti4故障情况，等效为对应控制信号si4＝0，则2)多个开关管故障情况时，故障H桥模块的开关函数Gi′计算方法为：a)只会使半个周期电流畸变的双管故障：若双管故障发生在同一个模块当中，且Ti1与Ti4故障，等效为对应控制信号si1＝0与si4＝0，则若Ti2与Ti3故障，等效为对应控制信号si2＝0与si3＝0，则若双管故障发生在不同模块当中，如Ti1与Tj4故障，等效为对应控制信号si1＝0与sj4＝0，则Kj′为第j个H桥模块在故障时的开关函数；b)使电流整个周期都会发生畸变的双管故障：若双管故障发生在同一个模块当中，且Ti1与Ti2故障，等效为对应控制信号si1＝0与si2＝0，则若Ti1与Ti3故障，...

【专利技术属性】
技术研发人员：葛兴来，谢东，
申请(专利权)人：西南交通大学，
类型：发明
国别省市：四川,51