本发明涉及机车功率管的故障诊断相关
技术领域：
，特别是指一种逆变器功率管开路故障在线诊断方法。
背景技术：
：逆变器具有将直流转化为交流的能力，在电力机车中具有广泛的应用。研究表明，在电机变频调速系统中，逆变器的故障在所有故障中占据了主要成分，而逆变器故障通常是由于功率管故障引起的。功率管故障包括开路故障与短路故障两种类型，通过在桥臂中串联快速熔断器可以将功率管短路故障转化为开路故障。所以，大多数功率管故障通常以开路故障的形式出现。如果某个功率管发生故障，其他功率管也会接连受到影响，从而有可能导致整个变流系统瘫痪，在某些情况下还会给人身安全带来威胁。因此，研究实时的开路故障诊断方法是很有必要的。目前，少有文献针对我国常见的25t型客车开展空调逆变器故障诊断研究。逆变器开路故障诊断方法根据诊断变量的类型可以分为三类：基于电流的诊断，基于电压的诊断以及基于电压电流等多种信号的诊断。由于采用的诊断变量不同，部分诊断方法不适宜应用到机车逆变器的开路故障诊断中，其原因包括：1)机车上的系统不允许进行随意改装，不容易获取控制信号或加装额外的传感器，部分以控制信号或其他测量信号作为诊断依据的方法不再适用；2)机车逆变器的工作环境非常复杂，大量的计算和复杂的诊断过程需要充足的数据存储空间以及高性能的处理器，在计算和处理的过程中出错的概率相对而言也会更大。因此，当前对于机车逆变器故障诊断依旧存在诊断效率以及准确性的问题，难以快速有效实现故障诊断。技术实现要素：有鉴于此，本发明的目的在于提出一种逆变器功率管开路故障在线诊断方法，能够快速有效的实现逆变器功率管开路故障在线诊断，而且计算量小、准确率高。基于上述目的本发明提供的一种逆变器功率管开路故障在线诊断方法，包括：步骤1：基于逆变器控制电路的基本原理以及调制波与载波的信号关系，推导得到各相的开关控制信号以及线电压与功率管两端电压之间的关系式；步骤2：基于每个线电压，根据步骤1得到的关系分别针对正常工况和故障工况的可能值进行分析，得到开关控制信号、相电流、线电压正常工况的电压值以及线电压故障工况的电压值之间的对应关系列表；步骤3：根据正常工况下线电压正负值出现的概率相同，相应的推导得到每个故障以及对应两个线电压的故障特征关系表；步骤4：通过采集当前逆变器相应的线电压的特征信息，并且查找步骤3中得到的故障特征关系表，确定当前逆变器的故障位置信息。可选的，所述调制波信号表示为：其中，ura(t)、urb(t)、urc(t)分别为三相调制波信号；m为调制深度；fr为调制频率；所述载波信号表示为：其中，k为自然数；tc和fc分别为载波周期和载波频率；所述开关控制信号表示为：其中，phase＝a、b、c；当trigphase(t)＝1时，上桥臂导通，下桥臂关断；当trigphase(t)＝0时，下桥臂导通，上桥臂关断；所述线电压与功率管两端电压之间的关系式表示为：其中，uab(t)、ubc(t)、uca(t)为线电压，uv1(t)、uv2(t)、uv3(t)、uv4(t)、uv5(t)、uv6(t)分别对应为功率管v1、v2、v3、v4、v5、v6两端的电压；ud为输入电压。可选的，所述得到开关控制信号、相电流、线电压正常工况的电压值以及线电压故障工况的电压值之间的对应关系列表的步骤包括：根据电路原理得到线电压输出包含+ud、0以及-ud三种幅值；每个周期内电平都会有规律地交替变换，其值与调制波ura和urb有关，分为两种情况：a)当ura大于或等于urb时，uab等于+ud或0；b)当ura小于urb时，uab等于-ud；根据调制波ura和urb的幅值关系，在一个周期内a与b出现的次数相等，得到电平+ud出现的次数等于-ud出现的次数；假设电流的正方向指向负载，v1发生开路故障，则uab的值可以步骤1中关系式计算得到，其中，在任何时刻电流ia的方向都为非正；a类情况下各开关状态下uab的值计算如下：当triga＝1，trigb＝1时，如果ia等于0，则uab＝-ud/2；如果ia小于0，则uab＝0；当triga＝1，trigb＝0时，如果ia等于0，则uab＝ud/2；如果ia小于0，则uab＝ud；当triga＝0，trigb＝0时，如果ia等于0，则uab＝ud/2；如果ia小于0，则uab＝0；b类情况下各开关状态下uab的值计算如下：当triga＝1，trigb＝1时，如果ia等于0，则uab＝-ud/2；如果ia小于0，则uab＝0；当triga＝0，trigb＝1时，如果ia等于0，则uab＝-ud/2；如果ia小于0，则uab＝-ud；当triga＝0，trigb＝0时，如果ia等于0，则uab＝ud/2；如果ia小于0，则uab＝0；然后得到v1发生开路故障时，开关控制信号、相电流、线电压正常工况的电压值以及线电压故障工况的电压值之间的对应关系列表；同理可以推导得到其余功率管发生开路故障的关系表。可选的，所述每个故障以及对应两个线电压的故障特征关系表采用正电平上升次数与负电平下降次数的比值作为故障特征，且设定一个波动阈值，使得只要上述比值处于波动阈值范围内，则电压正常，否则电压异常，进而得到故障与对应两个线电压的故障特征关系表。可选的，所述得到每个故障以及对应两个线电压的故障特征关系表的步骤还包括：首选，定义正电平的上升为正上升沿、负电平的下降为负下降沿；其中，上升与下降的幅度均为ud/2；其次，一个周期内正上升沿与负下降沿的数量之比为x；正常情况下，x等于1；考虑噪声及电压波动的影响，给定一个波动范围x∈(1–α，1+α)，其中，α为小于1的波动阈值，其值根据逆变器的运行状态进行调整；当x的值不在正常范围内时，则表示电压出现异常；得到线电压的状态表示为：通过检测电平可以发现故障，并对正上升沿和负下降沿计数一个周期，计算得到各个线电压的故障特征u*(x)值；最后，根据故障特征[uab*，ubc*]以及相应的故障关系得到每个故障以及对应两个线电压的故障特征关系表。从上面所述可以看出，本发明提供的逆变器功率管开路故障在线诊断方法，通过对机车逆变器中相应信号的关系以及故障出现的情况进行分析，进而能够确定故障以及相应线电压之间的特征关系表，最终通过查表即可实现故障的摘现诊断；由于本申请所述方法并不需要对机车做出任何改动，只需要相应的检测一个周期内线电压的变化情况即可实现故障的准确定位，这样不仅能够提高检测效率，而且计算量更小，有利于对现有设备实现同样的诊断。因此，本申请所述逆变器功率管开路故障在线诊断方法，能够快速有效的实现逆变器功率管开路故障在线诊断，而且计算量小、准确率高。附图说明图1为本发明提供的逆变器功率管开路故障在线诊断方法一个实施例的流程图；图2为现有技术中25t型号客车空调逆变器电路结构简图；图3为本发明提供的a类情况下的等效电路；图4为本发明提供的b类情况下的等效电路；图5为本发明提供的验证试验系统的结构简图；图6为本发明提供的t1时刻发生故障后的诊断结果；图7为本发明提供的t2时刻发生故障后的诊断结果；图8为本发明提供的开关频率为2.5khz时的诊断结果；图9为本发明提供的负载变化后的诊断结果。具体实施方式为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。需要说明的是，本发明实施例中所有使用“第一”和“第二”的表述均是为了区分两个相同名称非相同的实体或者非相同的参量，可见“第一”“第二”仅为了表述的方便，不应理解为对本发明实施例的限定，后续实施例对此不再一一说明。本申请针对机车逆变器故障，尤其是25t型客车空调逆变器提出了一种简单的功率管开路故障在线诊断方法。该方法不仅计算量小，而且不需要多余的传感器，通过利用已有的传感器检测线电压的变化趋势即可对故障进行精确定位。同时试验结果表明，该方法能够有效诊断机车逆变器开路故障，诊断结果对故障发生时间、开关频率以及负载变化具有较好的鲁棒性。参照图1所示，为本发明提供的逆变器功率管开路故障在线诊断方法一个实施例的流程图。所述逆变器功率管开路故障在线诊断方法，包括：步骤1：基于逆变器控制电路的基本原理以及调制波与载波的信号关系，推导得到各相的开关控制信号以及线电压与功率管两端电压之间的关系式；可选的，所述调制波信号表示为：其中，ura(t)、urb(t)、urc(t)分别为三相调制波信号；m为调制深度；fr为调制频率；所述载波信号表示为：其中，k为自然数；tc和fc分别为载波周期和载波频率；所述开关控制信号表示为：其中，phase＝a、b、c；当trigphase(t)＝1时，上桥臂导通，下桥臂关断；当trigphase(t)＝0时，下桥臂导通，上桥臂关断；所述线电压与功率管两端电压之间的关系式表示为：其中，uab(t)、ubc(t)、uca(t)为线电压，uv1(t)、uv2(t)、uv3(t)、uv4(t)、uv5(t)、uv6(t)分别对应功率管v1、v2、v3、v4、v5、v6两端的电压；ud为输入电压。步骤2：基于每个线电压，根据步骤1得到的关系分别针对正常工况和故障工况的可能值进行分析，得到开关控制信号、相电流、线电压正常工况的电压值以及线电压故障工况的电压值之间的对应关系列表；可选的，所述得到开关控制信号、相电流、线电压正常工况的电压值以及线电压故障工况的电压值之间的对应关系列表的步骤包括：根据电路原理得到线电压输出包含+ud、0以及-ud三种幅值；每个周期内电平都会有规律地交替变换，其值与调制波ura和urb有关，分为两种情况：a)当ura大于或等于urb时，uab等于+ud或0；b)当ura小于urb时，uab等于-ud；根据调制波ura和urb的幅值关系，在一个周期内a与b出现的次数相等，得到电平+ud出现的次数等于-ud出现的次数；假设电流的正方向指向负载，v1发生开路故障，则uab的值可以步骤1中关系式计算得到，其中，在任何时刻电流ia的方向都为非正；a类情况下各开关状态下uab的值计算如下：当triga＝1，trigb＝1时，如果ia等于0，则uab＝-ud/2；如果ia小于0，则uab＝0；当triga＝1，trigb＝0时，如果ia等于0，则uab＝ud/2；如果ia小于0，则uab＝ud；当triga＝0，trigb＝0时，如果ia等于0，则uab＝ud/2；如果ia小于0，则uab＝0；b类情况下各开关状态下uab的值计算如下：当triga＝1，trigb＝1时，如果ia等于0，则uab＝-ud/2；如果ia小于0，则uab＝0；当triga＝0，trigb＝1时，如果ia等于0，则uab＝-ud/2；如果ia小于0，则uab＝-ud；当triga＝0，trigb＝0时，如果ia等于0，则uab＝ud/2；如果ia小于0，则uab＝0；然后得到v1发生开路故障时，开关控制信号、相电流、线电压正常工况的电压值以及线电压故障工况的电压值之间的对应关系列表；同理可以推导得到其余功率管发生开路故障的关系表。步骤3：根据正常工况下线电压正负值出现的概率相同，相应的推导得到每个故障以及对应两个线电压的故障特征关系表；可选的，所述每个故障以及对应两个线电压的故障特征关系表采用正电平上升次数与负电平下降次数的比值作为故障特征，且设定一个波动阈值，使得只要上述比值处于波动阈值范围内，则电压正常，否则电压异常，进而得到故障与对应两个线电压的故障特征关系表。进一步，所述得到每个故障以及对应两个线电压的故障特征关系表的步骤还包括：首选，定义正电平的上升为正上升沿、负电平的下降为负下降沿；其中，上升与下降的幅度均为ud/2；其次，一个周期内正上升沿与负下降沿的数量之比为x；正常情况下，x等于1；考虑噪声及电压波动的影响，给定一个波动范围x∈(1–α，1+α)，其中，α为小于1的波动阈值，其值根据逆变器的运行状态进行调整；当x的值不在正常范围内时，则表示电压出现异常；得到线电压的状态表示为：通过检测电平可以发现故障，并对正上升沿和负下降沿计数一个周期，计算得到各个线电压的故障特征u*(x)值；最后，根据故障特征[uab*，ubc*]以及相应的故障关系得到每个故障以及对应两个线电压的故障特征关系表。步骤4：通过采集当前逆变器相应的线电压的特征信息，并且查找步骤3中得到的故障特征关系表，确定当前逆变器的故障位置信息。由上述实施例可知，本申请所述逆变器功率管开路故障在线诊断方法，通过对机车逆变器中相应信号的关系以及故障出现的情况进行分析，进而能够确定故障以及相应线电压之间的特征关系表，最终通过查表即可实现故障的摘现诊断；由于本申请所述方法并不需要对机车做出任何改动，只需要相应的检测一个周期内线电压的变化情况即可实现故障的准确定位，这样不仅能够提高检测效率，而且计算量更小，有利于对现有设备实现同样的诊断。因此，本申请所述逆变器功率管开路故障在线诊断方法，能够快速有效的实现逆变器功率管开路故障在线诊断，而且计算量小、准确率高。在本申请一些可选的实施例中，以我国25t型号客车空调逆变器为例进行详细说明。参照图2所示，为25t型客车空调逆变器的电路结构简图。输入为600v直流电压，输出为三相380v交流电压。采用spwm调制，开关频率为3khz。km1、l1和r5为充电缓冲电路，c1～c4和r1～r4为直流侧功率组件，起到稳定电压的作用，km2和r6为放电电路。v1～v6为6个分别带有反并联二极管的igbt。调制波ura、urb、urc以及载波uc通过调制电路产生控制信号。逆变器输出端可用传感器包括三相电流传感器用于测量三相电流，以及两个线电压传感器分别测量线电压uab和线电压ubc。基于三相spwm通常采用相位互差120°的正弦波作为调制波，因此调制波信号可以表示为：其中，ura(t)、urb(t)、urc(t)分别为三相调制波信号；m为调制深度；fr为调制频率；载波信号表示为：其中，k为自然数；tc和fc分别为载波周期和载波频率；各相的由上述两个公式推导得到，开关控制信号表示为：其中，phase＝a、b、c；当trigphase(t)＝1时，上桥臂导通，下桥臂关断，上桥臂承受的电压为ud；当trigphase(t)＝0时，下桥臂导通，上桥臂关断，下桥臂承受的电压为ud；根据基尔霍夫定律，线电压与功率管两端电压之间的关系式表示为：其中，uab(t)、ubc(t)、uca(t)为线电压，uv1(t)、uv2(t)、uv3(t)、uv4(t)、uv5(t)、uv6(t)分别对应为功率管v1、v2、v3、v4、v5、v6两端的电压；ud为输入电压。进一步，对线电压在正常工况和开路故障的情况下的可能值进行分析。以线电压uab为例，其他线电压的分析方法相似推导。正常情况下，线电压输出包含+ud、0以及-ud三种幅值。每个周期内电平都会有规律地交替变换，其值与调制波ura和urb有关，分为两种情况：a)当ura大于或等于urb时，uab等于+ud或0；b)当ura小于urb时，uab等于-ud。根据调制波ura和urb的幅值关系，在一个周期内a与b出现的次数相等，即电平+ud出现的次数等于-ud出现的次数。假设电流的正方向指向负载，v1发生开路故障，则uab的值可以通过线电压与功率管两端电压之间的关系式计算得到，其中，在任何时刻ia的方向都为非正。具体的，a类情况下的等效电路如图3所示。各开关状态下uab的值计算如下：当triga＝1，trigb＝1时，如果ia等于0，则uab＝-ud/2；如果ia小于0，则uab＝0；当triga＝1，trigb＝0时，如果ia等于0，则uab＝ud/2；如果ia小于0，则uab＝ud；当triga＝0，trigb＝0时，如果ia等于0，则uab＝ud/2；如果ia小于0，则uab＝0；b类情况下的等效电路如图4所示。各开关状态下uab的值计算如下：当triga＝1，trigb＝1时，如果ia等于0，则uab＝-ud/2；如果ia小于0，则uab＝0；当triga＝0，trigb＝1时，如果ia等于0，则uab＝-ud/2；如果ia小于0，则uab＝-ud；当triga＝0，trigb＝0时，如果ia等于0，则uab＝ud/2；如果ia小于0，则uab＝0。v1开路故障时，线电压uab所有的可能值如表1和表2所示。在正常情况以及部分故障情况下，ia等于零的情况仅存在于过零的瞬间，这种情况在表格中可以忽略。可以看出，开路故障导致新的电平产生。当triga＝1，trigb＝1时，a类和b类情况都存在uab＝-ud/2。当triga＝1，trigb＝0时a类情况存在uab＝ud/2。当triga＝0，trigb＝1时b类情况存在uab＝-ud/2。在一个周期内，负电平出现的次数明显增加且大于正电平出现的次数。表1a类情况下的可能值表2b类情况下的可能值根据线电压之间的关系，任何一相的故障都可以由任意两个线电压确定，如线电压uab和ubc。它们可以表示故障特征，如[uabubc]＝[01]和[uabubc]＝[10]，其中零状态代表正常，非零状态代表异常。逆变器单个功率管开路故障一共存在6种情况，因此，要表示所有故障特征，其中的每个线电压至少需要3种状态。这3种状态根据上述分析可以得到。定义正电平的上升为正上升沿，负电平的下降为负下降沿。其中，上升与下降的幅度均为ud/2。一个周期内正上升沿与负下降沿的数量之比为x。正常情况下，x接近于1。考虑到噪声以及电压波动的影响，认为x∈(1-α，1+α)时都是正常的，其中，α为小于1的正数，根据逆变器的运行状态进行调整。当x的值不在正常范围内时，认为电压出现异常。线电压的状态可以表示为：在逆变器投入运行后，对线电压电平进行不间断检测。发生故障时，线电压产生异常电平。通过检测电平可以立刻发现故障并对正上升沿和负下降沿计数一个周期，计算得到x后由上式确定各个线电压的u*(x)值。最后，由故障特征[uab*ubc*]对故障进行定位。例如，v1开路故障使得线电压uab产生异常电平，由于负下降沿的数量大于正上升沿的数量，所以x的值小于正常范围，则uab*＝-1，而线电压ubc没有受到明显的影响，x接近于1，有ubc*＝0。因此，可以得到唯一区分v1开路故障的故障特征[uab*ubc*]＝[-10]。表3列出了所有功率管的开路故障特征。表3功率管的开路故障特征开路故障uab*ubc*v1-10v20-1v31-1v410v501v6-11本申请提出的方法不受故障发生时间的影响。线电压电平监测在逆变器工作时一直进行，一旦线电压电平发送异常就可以检测到故障发生。由于在定位故障之前总是检测一个完整的周期，x的值基本不会变化，由此得到的诊断结果也不会受到影响。负载的改变会引起线电压的波动，正上升沿和负下降沿的数量会发生变化，x的值也会有所变化，但是其变化的趋势仍是一样的，因此也不会影响到诊断结果。此外，在理论上，载波频率的变化会引起正上升沿和负下降沿按相同的比例发生变化，x的值基本不变，诊断结果不会受到影响。如果载波频率非常小，使得调制得到的波形不规则时，才会导致方法出现误诊断。此外，在实际列车运行过程中，如果载波频率过高，ad采样能够分辨出每个脉冲的难度也会增大，此时可能需要加装高性能的ad转换器。基于上述分析可知，本申请提出的方案具有很好的稳定性。为了验证方法的可行性，本申请还搭建了三相逆变器模型如图5所示。所述实验装置主要包括整流器、电压型逆变器以及dspace系统。控制信号由dspace系统产生，经i/o接口传送至逆变器。相关的传感器信号由a/d接口进行传输。诊断模块对线电压进行监测，并将数据送至计算机进行处理。主要的实验参数如表4所示，本实验主要以v1开路故障为例对方法进行验证。表4主要实验参数分别在t1～t6时刻设置开路故障，其中t1～t6分别对应一个周期内的不同时刻，诊断结果表5所示。发生故障后，线电压uab的负下降沿数量增多，xab的值主要分布在0.68～0.69附近，xbc的值接近于1。图7和图8给出了t1和t2时刻发生故障后的诊断结果，图中一共有4个通道，uab与ubc分别表示两个线电压，1000v/div表示每一格为1000v；uab*与ubc*分别表示两个线电压的异常状态，5v/div表示每一格为5v。可以看出，在故障发生后的t1时刻检测出故障，经过一个周期后，通过故障特征对故障进行定位，整个过程耗时约一个线电压周期。表5不同故障发生时间的诊断结果因此，本申请提出的方法在大部分情况下可以对故障进行快速检测，并且在检测到故障后约一个线电压周期可以完成故障定位。只有在某些特殊情况下，从故障发生到检测到故障可能需要一个短暂的过渡，如电流从故障功率管的反并联二极管续流时或功率管在控制关断的时间段内发生故障。此时线电压电平在这短暂的时间内表征仍然正常，故障对系统造成的影响甚微或者不造成影响。当线电压发生畸变时，检测方法会立即做出反应并采取下一步诊断措施。图8和图9给出了开关频率对方法的影响。随着开关频率的变化，正上升沿和负下降沿以相同的比例变化，xab和xbc的值基本不变，诊断结果没有受到影响。表6和图9所示为不同负载情况下的诊断结果。可以看出，不同的负载情况得到的xab的值不同。负载增加一倍时，xab的值从0.69上升至0.84，仍然低于正常范围，xbc的值并未受到影响，两种情况下的诊断结果是一致的。表7给出了所有功率管的诊断结果。每一种开路故障都有唯一的故障特征，故障由此可以被检测与定位。表6不同负载情况下的诊断结果表7所有功率管的开路故障诊断结果开路故障xabxbc[uab*ubc*]正常1.021.01[00]v10.681.02[-10]v21.030.63[0-1]v31.650.61[1-1]v41.830.98[10]v51.021.18[01]v60.661.59[-11]综上可知，本申请提出了一种基于线电压脉冲沿检测的逆变器功率管开路故障诊断方法。以25t型客车空调逆变器为例，分析了线电压所有的可能值。根据电平的变化特征定义了正上升沿与负下降沿，由两者之比得到各功率管的开路故障特征，由此对故障进行诊断与定位。与已有的诊断方法相比，该方法所需的计算量较少，不需要加装额外的传感器，不需要改动机车现有结构，具有简单、易于实现的特点，在一定程度上降低了故障检测成本。同时，诊断结果不受故障发生时间和负载情况的影响，对不同的开关频率具有一定的鲁棒性。所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。本发明的实施例旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。当前第1页12