一种单相级联H桥整流器开关管开路故障诊断方法与流程

本发明涉及电力牵引交流传动技术领域，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。

背景技术：

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。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明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。

本发明的有益效果是：本发明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是基于本发明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是基于本发明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果图。

图5是基于本发明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网压变化20％条件下整流器网侧电压、网侧电流和模块输出电流残差变化结果图。

图6是基于本发明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牵引工况切换到再生工况条件下整流器网侧电压、网侧电流和模块输出电流残差变化结果图。

图7是基于本发明电力牵引交流传动单相级联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额定功率条件下t11开路故障时网侧电流、电流残差、诊断变量和诊断标志的变化结果图。

图8是基于本发明电力牵引交流传动单相级联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额定功率条件下t12开路故障时网侧电流、电流残差、诊断变量和诊断标志的变化结果图。

图9是基于本发明电力牵引交流传动单相级联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50％额定负载条件下t11与t12开路故障时网侧电流、电流残差、诊断变量和诊断标志的变化结果图。

图10是基于本发明电力牵引交流传动单相级联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120％额定网压条件下t11与t21开路故障时网侧电流、电流残差、诊断变量和诊断标志的变化结果图。

图11是基于本发明电力牵引交流传动单相级联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再生制动条件下t11与t22开路故障时网侧电流、电流残差、诊断变量和诊断标志的变化结果图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。本发明提供的单相级联h桥整流器开关管开路故障诊断方法考虑输出侧电流、直流侧电容和负载电流，考虑与开关管反并联二极管的续流作用。同时，将开关器件做理想化处理，忽略开关损耗、导通关断瞬态、导通关断时间、导通管压降、漏电流等因素。

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如图1所示，单相级联h桥整流器的基本工作原理如图2所示。本发明所提出的电力牵引交流传动单相级联h桥整流器在线故障诊断算法的输入量为：网侧电流in、直流侧电压ui、直流侧电流ioi、开关管控制信号si1、si2、si3、si4和控制周期；单相级联h桥整流器故障故障诊断算法的输出量为：估计的输出侧电流iouti_e、计算的输出侧电流iouti_c、电流残差ri、故障诊断变量dij以及故障开关标志fij(i,j＝1,2,3,...,n)；单相级联h桥整流器故障诊断算法需要设定的参变量有直流侧支撑电容ci以及防误判阈值tv。故障诊断的示意图如图3所示。

诊断方法主要包括以下步骤：

(1)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：

定义单相级联h桥整流器中每个h桥模块左桥臂为ai桥臂，右桥臂为bi桥臂。ai桥臂上方开关管ti1，ai桥臂下方开关管ti2；bi桥臂上方开关管ti3，bi桥臂下方开关管ti4，di1～di4分别为各开关管的反并联二极管。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。控制脉冲si1～si4有1、0两个取值，1表示导通信号，0表示关断信号。定义sia、sib分别为ai、bi桥臂开关状态函数，开关函数有1、0、-1三个取值。在单相级联h桥整流器交流侧电流in不同的极性下，各种情况下的开关函数计算方法如下：

首先，定义任意桥臂开关函数sai和sbi为

定义逻辑变量λ描述网侧电流极性变化，并用gi表示第i个h桥的开关函数：

根据开关状态表可知正常工作情况的系统开关函数计算方法：

单个开关管故障情况的开关函数计算方法：

假设第i个h桥故障，为区分正常工作状态和故障状态，故障h桥的开关函数表示为gi′。对于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，开关函数计算方法：

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，开关函数计算方法：

bi桥臂上开关管ti3故障情况，等效为对应控制信号si3＝0，开关函数计算方法：

bi桥臂下开关管ti4故障情况，等效为对应控制信号si4＝0，开关函数计算方法：

多个开关管故障情况的开关函数计算方法：

多igbt故障通常指两个及以上的igbt同时出现开路，而在实际电路中出现3个或3个以上的功率管开路故障的概率远低于双管故障，所以这里只对双开关管开路故障进行分析。根据双igbt故障时对网侧电流畸变的影响范围和发生故障的模块数，可以将故障情况分为两类：a、只会使半个周期电流畸变的双管故障，包括ti1与ti4故障、ti2与ti3故障、ti1与tj1故障、ti4与tj4故障、ti1与tj4故障、ti2与tj2故障、ti3与tj3故障和ti2与tj3故障(i,j＝1,2,…,n,i≠j)；b、使电流整个周期都会发生畸变的双管故障，包括ti1与tj2故障、ti1与tj3故障、ti2与tj4故障、ti3与tj4故障(i,j＝1,2,…,n)。

a、只会使半个周期电流畸变的双管故障：

如果双管故障发生在同一个模块当中，若ti1与ti4故障，则等效为对应控制信号si1＝0与si4＝0，开关函数计算方法：

若ti2与ti3故障，则等效为对应控制信号si2＝0与si3＝0，开关函数计算方法：

如果双管故障发生在不同模块当中，则不同模块的开关函数均会发生改变，形式上就是单模块故障的组合。以ti1与tj4故障为例，等效为对应控制信号si1＝0与sj4＝0，开关函数计算方法：

其余情况下的开关函数也就是不同模块单管故障的开关函数组合。

b、使电流整个周期都会发生畸变的双管故障

如果双管故障发生在同一个模块当中，若ti1与ti2故障，则等效为对应控制信号si1＝0与si2＝0，开关函数计算方法：

若ti1与ti3故障，则等效为对应控制信号si1＝0与si3＝0，开关函数计算方法：

若ti2与ti4故障，则等效为对应控制信号si2＝0与si4＝0，开关函数计算方法：

若ti3与ti4故障，则等效为对应控制信号si1＝0与si3＝0，开关函数计算方法：

如果双管故障发生在不同模块当中，则不同模块的开关函数均会发生改变，形式上就是单模块故障的组合。以ti1与tj2故障为例，等效为对应控制信号si1＝0与sj2＝0，开关函数计算方法：

其余情况下的开关函数也是不同模块单管故障的开关函数组合。

(2)根据(1)所得开关函数，计算不同情况下的单相级联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：

根据单相级联h桥整流器电路拓扑及脉冲整流器工作原理，列出单相级联h桥整流器模块输出电流计算模型：

根据(1)所得开关函数，可获得不同情况下的单相级联h桥整流器各模块的输出电流状态估计模型：

iouti_e＝giin,i＝1,2,...,n

由于开关函数gi包含了系统的离散特征，输入交流交流电流in是系统的连续变化量，因此这也是一个混合逻辑动态(mixedlogicaldynamic，mld)模型。经上述状态估计方程计算可得各个h桥模块的输出电流。

(3)获取系统残差。系统各模块输出电流计算值减去估计值即可获得输出电流残差：

ri＝iouti_c-iouti_e

根据(1)中得到的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，可以得到电流残差的理论表达式为：

ri＝(g′i-gi)in,i＝1,2,...,n

(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。首先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可能对故障特征提取产生影响，选择网侧电流额定值的1％作为阈值tv提取正确的故障特征量：

接着将获取的故障诊断特征量kij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，则可判断出对应的开关管tij发生了开路故障。由于故障特征信息相互独立，不同开关管之间的诊断变量不会相互影响，由此可以快速直接地定位故障模块中所有的故障开关管。

作为本发明中一种单相级联h桥整流器在线故障诊断方法的具体实施方法，使用的硬件结构为rt-lab硬件在环测试平台，型号为tms320f28335的dsp控制器。实例步骤如下：

第1步：在rt-lab平台上搭建单相3级联h桥整流器正常工作模型，设定pwm开关频率为500hz，网侧电压有效值4500v，直流侧参考电压3000v；在dsp上编写单相级联h桥整流器控制程序，实现单相级联h桥整流器的正常工作，并将故障诊断算法嵌入其中，进行在线的故障监测；

第2步：通过控制dsp发出的控制信号丢失，模拟开关管开路故障的效果；

第3步：每隔一个采样间隔，采样得到网侧电流in、直流侧电压ui和直流侧电流ioi的实时值，根据编写的故障诊断算法程序在每个控制周期计算模块输出电流的估计值和实际值；

第4步：根据计算的实测值和估计值，计算得到各模块电流残差ri，进行单相级联h桥模块的在线状态监测；

第5步：判断开关管诊断变量dtij(i,j＝1,2,3)的值是否超过防误判阈值tv，是则输出诊断变量dtij的值与自适应阈值——网侧电流的50％做比较，并进行第6步，否则未发生故障，返回第3步和第4步继续进行状态监测；

第6步：如果对应的诊断变量超过自适应阈值，也就是网侧电流的50％，并保持3个控制周期即3tc，则对应开关的故障诊断标志跳变到1，不同开关的诊断变量相互独立，即可对不同开关单独进行诊断定位。若不满足判断条件则返回第3步和第4步继续进行状态监测。整个诊断算法的流程如图3所示。

基于rt-lab硬件在环测试平台进行上述诊断算法测试，电力电子牵引变压器前级-单相级联h桥整流器正常工作和不同开关管故障下的测试结果如图4～11所示(图4为负载变化50％条件下系统输出和电流残差的测试结果，图5为网压变化20％条件下系统输出和电流残差的测试结果，图6为牵引工况切换到再生工况条件下系统输出和电流残差的测试结果，图7为额定功率条件下t11开路故障的诊断测试结果，图8为额定功率条件下t12开路故障的诊断测试结果，图9为50％额定负载条件下t11与t12开路故障的诊断测试结果，图10为120％额定网压条件下t11与t21开路故障的诊断测试结果，图11为再生制动条件下t11与t22开路故障的诊断测试结果)。