三相三电平整流器的电流传感器微小故障诊断方法技术

本发明专利技术提供了一种三相三电平整流器的电流传感器微小故障诊断方法，属于故障诊断领域。该方法包括构建电压电流基本关系式，建立电流状态方程和微小故障方程并表示成增广形式，构建新型非奇异终端滑模观测器，给定故障状态阈值和检测特征量并进行故障诊断。该方法将原系统的电流状态方程和微小故障方程表示成增广形式，以进行故障重构，让故障对系统的影响更直观的表现出来。该方法利用新型非奇异终端滑模观测器通过合理的参数设计，可以更快的到达滑模面并减小滑模运动的抖振，从而达到更好的跟踪实际情况的效果；该方法利用自适应阈值取代传统的常数阈值，防止漏报或者误报，提高故障诊断的鲁棒性。提高故障诊断的鲁棒性。提高故障诊断的鲁棒性。

【技术实现步骤摘要】
三相三电平整流器的电流传感器微小故障诊断方法


[0001]本专利技术涉及故障诊断领域，尤其涉及一种三相三电平整流器的电流传感器微小故障诊断方法。

技术介绍

[0002]高铁牵引传动系统的牵引整流器是高铁牵引传动系统的核心组成部件之一，极易产生故障，造成严重的人员伤亡与财产损失。牵引整流器为三相三电平整流器，目前，三相三电平整流器的电流传感器微小故障的诊断方法主要有两种：
[0003]1、基于电路模型的诊断方法。这类方法通常包括生成残差和诊断决策两个阶段。首先建立逆变器的混合逻辑动态模型，通过观测器得到故障系统输出的估计值，将估计值与真实值做差，得到残差，之后基于相应的决策规则判断故障类别。相关论文及专利如《基于滑模技术故障诊断和容错控制及应用于高速列车的研究》(张康康，南京航空航天大学，2018年12月)、中国专利技术专利申请公开《新能源电动汽车静止变流器电流传感器微小故障诊断方法》(CN 113534035 A)等，此类方法模型机理清楚、易实现、可进行实时诊断，但其难点在于建立控制系统的精确解析数学模型且尽可能提高模型的可靠性。
[0004]2、基于信号特征的诊断方法。由于不同信号引发的历史故障数据或统计数据集，很难确认适用于何种模型诊断；在研究许多实际的故障预测问题时，建立复杂部件或者系统的数学模型是很困难甚至不可能的，因此系统设计、仿真、运行和维护等各个阶段的测试、传感器历史数据就成为判断系统性能的主要手段，即数据驱动诊断方法，整个阶段分为训练阶段和测试阶段。相关论文及专利如《Data
‑
Driven Incipient Fault Detection via Canonical Variate Dissimilarity and Mixed Kernel Principal Component Analysis》(基于典型变量相异性和混合核主成分分析的数据驱动早期故障检测，吴平，IEEETRANSACTIONS ON INDUSTRIAL INFORMATICS，2021年8月)、中国专利技术专利申请公开《一种用于高铁逆变器的微小故障诊断系统的设计方法》(CN 106959397A)等，此类方法不需要知道系统精确的数学模型，但是需要大量准确的系统数据，以及合适的数据诊断方法。
[0005]综上所述，现有的技术存在诊断周期长、计算量大、发生滑模运动时趋近速率慢且抖动明显、自适应阈值抗干扰性差、数学模型要求高和鲁棒性差等问题。

技术实现思路

[0006]本专利技术所要解决的技术问题是
技术介绍
中提出的问题，具体的，提出一种三相三电平整流器的电流传感器微小故障诊断方法，首先将原系统的状态方程和故障表示成增广形式，进行故障重构，让故障对系统的影响更直观的表现出来；其次利用新型非奇异终端滑模观测器通过合理的参数设计，以更快的到达滑模面并减小滑模运动的抖振，从而达到更好的跟踪实际情况的效果；同时，在基于电流的特征量进行故障诊断时，通过设计自适应阈值来抑制系统固有或外部的不确定扰动，增加诊断方法的准确性，提高诊断精度；
[0007]为了实现上述的目的，本专利技术提供了一种三相三电平整流器的电流传感器微小故
障诊断方法，该方法所涉及的电路拓扑结构包括三相网侧电压源、三相网侧等效电感和三相网侧等效电阻、三相三电平整流器、两个相同的支撑电容、直流侧负载、电流传感器和控制模块，两个支撑电容串联后并联在直流侧负载的直流正母线和直流负母线之间；
[0008]所述三相三电平整流器分为三相桥臂，三相桥臂均与直流侧负载并连；将三相桥臂记为k相桥臂，k表示相序，k＝a，b，c；在三相桥臂中，每相桥臂由4个带反并联二极管的开关管串联组成，即三相三电平整流器共包含12个带反并联二极管的开关管，将12个开关管记为开关管V
kn
，n表示开关管的序号，n＝1，2，3，4；在三相桥臂的每相桥臂中，开关管V
k1
、开关管V
k2
、开关管V
k3
、开关管V
k4
依次串联，其中，开关管V
k2
和开关管V
k3
的连接点记为整流桥输入点τ
k
；
[0009]将所述三相网侧等效电感记为L
k
、三相网侧等效电阻记为R
k
、三相网侧电压源记为E
k
，所述三相网侧等效电感L
k
的一端接整流桥输入点τ
k
，另一端接三相网侧等效电阻R
k
，三相网侧等效电阻R
k
的另一端接三相网侧电压源E
k
的正极，三相网侧电压源E
k
的负极接地；
[0010]所述电流传感器的检测端分为三相，记为检测端Γ
k
，检测端Γ
k
接在整流桥输入点τ
k
和三相网侧等效电感L
k
之间，电流传感器的输出端连接控制模块的输入端，所述控制模块的输出端分别连接12个开关管V
kn
；
[0011]所述诊断方法包括以下步骤：
[0012]步骤1，将三相三电平整流器记为整流器，建立整流器的混合逻辑动态模型，其表达式为：其中，为k相桥臂的相电压U
ko
的估计值，δ
k
为k相桥臂的开关函数；
[0013]步骤2，采样流过三相网侧等效电阻R
k
的三相电流，并记为网测等效电流i
a
，i
b
，i
c
，采样三相网侧电压源处E
k
的三相电压，并记为网侧电压U
a
，U
b
，U
c
；采样直流侧负载处的电压，并记为直流侧电压U
dc
；
[0014]建立整流器的状态空间方程，其表达式为：
[0015][0016]其中，为网测等效电流i
a
，i
b
，i
c
的导数，R为三相网侧等效电阻Rk的电阻值，L为三相网侧等效电感L
k
的电感值，D为系数矩阵1，F为整流器的未知扰动信号；
[0017]步骤3，定义电流传感器的微小故障为微小故障f，建立微小故障方程，其表达式为：其中，为微小故障f的导数，A
f
为Hurwitz矩阵，ξ为微小故障的激励信号；
[0018]步骤4，采用状态增广法对微小故障方程和整流器的状态空间方程建立增广系统，
增广系统的表达式如下：
[0019][0020]步骤5，给定状态变量x
i
，i＝1，2，3，4，状态变量x
i
的表达式为：
[0021][0022]将状态变量x
i
的导数记为状态变量导数则状态变量导数与增广系统输出y的表达式分别如下；
[0023][0024][0025本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种三相三电平整流器的电流传感器微小故障诊断方法，该方法所涉及的电路拓扑结构包括三相网侧电压源、三相网侧等效电感和三相网侧等效电阻、三相三电平整流器、两个相同的支撑电容、直流侧负载、电流传感器和控制模块，两个支撑电容串联后并联在直流侧负载的直流正母线和直流负母线之间；所述三相三电平整流器分为三相桥臂，三相桥臂均与直流侧负载并连；将三相桥臂记为k相桥臂，k表示相序，k＝a，b，c；在三相桥臂中，每相桥臂由4个带反并联二极管的开关管串联组成，即三相三电平整流器共包含12个带反并联二极管的开关管，将12个开关管记为开关管V
km
，n表示开关管的序号，n＝1，2，3，4；在三相桥臂的每相桥臂中，开关管V
k1
、开关管V
k2
、开关管V
k3
、开关管V
k4
依次串联，其中，开关管V
k2
和开关管V
k3
的连接点记为整流桥输入点τ
k
；将所述三相网侧等效电感记为L
k
、三相网侧等效电阻记为R
k
、三相网侧电压源记为E
k
，所述三相网侧等效电感L
k
的一端接整流桥输入点τ
k
，另一端接三相网侧等效电阻R
k
，三相网侧等效电阻R
k
的另一端接三相网侧电压源E
k
的正极，三相网侧电压源E
k
的负极接地；所述电流传感器的检测端分为三相，记为检测端Γ
k
，检测端Γ
k
接在整流桥输入点τ
k
和三相网侧等效电感L
k
之间，电流传感器的输出端连接控制模块的输入端，所述控制模块的输出端分别连接12个开关管V
kn
；其特征在于，所述诊断方法包括以下步骤：步骤1，将三相三电平整流器记为整流器，建立整流器的混合逻辑动态模型，其表达式为：其中，为k相桥臂的相电压U
ko
的估计值，δ
k
为k相桥臂的开关函数；步骤2，采样流过三相网侧等效电阻R
k
的三相电流，并记为网测等效电流i
a
，i
b
，i
c
，采样三相网侧电压源处E
k
的三相电压，并记为网侧电压U
a
，U
b
，U
c
；采样直流侧负载处的电压，并记为直流侧电压U
dc
；建立整流器的状态空间方程，其表达式为：其中，为网测等效电流i
a
，i
b
，i
c
的导数，R为三相网侧等效电阻R
k
的电阻值，L为三相网侧等效电感L
k
的电感值，D为系数矩阵1，F为整流器的未知扰动信号；步骤3，定义电流传感器的微小故障为微小故障f，建立微小故障方程，其表达式为：其中，为微小故障f的导数，A
f
为Hurwitz矩阵，ξ为微小故障的激励信号；步骤4，采用状态增广法对微小故障方程和整流器的状态空间方程建立增广系统，增广系统的表达式如下：
步骤5，给定状态变量x
i
，i＝1，2，3，4，状态变量x
i
的表达式为：将状态变量x
i
的导数记为状态变量导数则状态变量导数与增广系统输出y的表达式分别如下；式分别如下；步骤6，将...

【专利技术属性】
技术研发人员：许水清，陈新阳，杨微，孔慧芳，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：