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  • 頭條單相PWM整流器IGBT及直流側(cè)電容故障的診斷方法
    2020-07-25 作者:劉建強(qiáng)、劉傳鐸、王軼歐、劉小虎、齊洪峰  |  來源:《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》  |  點(diǎn)擊率:
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    導(dǎo)語北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院、中車工業(yè)研究院有限公司技術(shù)研究部的研究人員劉建強(qiáng)、劉傳鐸、王軼歐、劉小虎、齊洪峰,在2019年《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》增刊1上撰文指出,單相PWM整流器是列車牽引變流器的重要組成部分,主要由IGBT、直流側(cè)電容兩大關(guān)鍵部件組成,其運(yùn)行狀態(tài)對列車的安全運(yùn)行至關(guān)重要。 針對單相PWM整流器IGBT故障時(shí)輸入電流畸變特性,提出基于小波變換和D-S證據(jù)理論相結(jié)合的IGBT故障診斷方法;針對直流側(cè)電容等效電路的阻抗特性,提出基于等效串聯(lián)電阻(ESR)的直流側(cè)電容故障診斷方法。搭建單相PWM整流器仿真模型和實(shí)驗(yàn)平臺,分別對所提出的IGBT及直流側(cè)電容故障診斷方法進(jìn)行仿真和實(shí)驗(yàn)研究。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符,驗(yàn)證了所提出的IGBT及直流側(cè)電容故障診斷方法的正確性和有效性。

    我國鐵路建設(shè)迅速發(fā)展,列車的運(yùn)營安全備受關(guān)注。單相PWM整流器是列車牽引變流器的重要組成部分,一旦出現(xiàn)故障,將影響列車的安全運(yùn)行,如何對其進(jìn)行在線智能故障診斷是一個(gè)值得深入研究的重要問題。單相PWM整流器主要由IGBT、直流側(cè)電容兩大關(guān)鍵部件組成。

    IGBT故障包括短路故障和開路故障。IGBT短路會(huì)引發(fā)過電流,根據(jù)過電流能快速診斷出該故障;IGBT開路不會(huì)引發(fā)大幅過電流或過電壓、欠電壓等明顯現(xiàn)象,診斷和保護(hù)相對較難。因此本文對單相PWM整流器IGBT的故障診斷即是對IGBT單管開路進(jìn)行故障診斷。

    針對單相PWM整流器IGBT故障診斷方法,主要有電流診斷法、電壓診斷法等。

    • 有學(xué)者對三相整流器IGBT故障后的三相電流正、負(fù)半波功率進(jìn)行歸一化處理,依據(jù)得到的特征值進(jìn)行故障相定位,但該方法在輕載情況下誤差較大。
    • 有學(xué)者對三相電流進(jìn)行Park變化,依據(jù)Park矢量的模和相位作為故障特征進(jìn)行IGBT開路故障診斷,但該方法在輕載或負(fù)載突變時(shí)會(huì)引起誤診斷。
    • 有學(xué)者利用開關(guān)管故障前后輸出電壓、導(dǎo)通電阻、導(dǎo)通壓降、門極電壓等故障特征進(jìn)行開關(guān)管的故障診斷,但該方法需額外添加信號采集點(diǎn),增加了硬件設(shè)備成本。針對直流側(cè)電容故障診斷方法,主要有直接測量法、故障特征量辨識法等。
    • 有學(xué)者采用Agilent 4263B、Agilent 4294等LCR表測量電容等效串聯(lián)電阻和電容量評判電容狀態(tài),但該方法顯著增加了硬件設(shè)備成本且難以進(jìn)行在線診斷。
    • 有學(xué)者指出電容等效串聯(lián)電阻與電容外殼溫度呈指數(shù)關(guān)系,根據(jù)電容外殼溫度值計(jì)算電容等效串聯(lián)電阻(Equivalent Series Resistance, ESR)來評估電容狀態(tài),但該方法限定了電容的應(yīng)用環(huán)境溫度。
    • 有學(xué)者在Buck電路一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)采樣某兩個(gè)特定時(shí)刻的電容電壓值,計(jì)算獲取C值以及ESR值,但是此方法僅適用于連續(xù)導(dǎo)通模態(tài)下的Buck電路。
    • 有學(xué)者通過提取特定諧波電壓、諧波電流計(jì)算ESR值評估電容狀態(tài),但該方法未分析負(fù)載功率、開關(guān)頻率對參數(shù)辨識精度的影響。

    本文針對單相PWM整流器IGBT故障診斷,分別對小波變換、D-S證據(jù)理論進(jìn)行了論述,在此基礎(chǔ)上提出了基于小波變換和D-S證據(jù)理論相結(jié)合的IGBT故障診斷方法;針對直流側(cè)電容故障診斷,對電容等效電路的阻抗特性進(jìn)行了分析,在此基礎(chǔ)上提出了基于等效串聯(lián)電阻的直流側(cè)電容故障診斷方法。

    通過搭建單相PWM整流器仿真模型和實(shí)驗(yàn)平臺,分別對所提出的故障診斷方法進(jìn)行了仿真和實(shí)驗(yàn)研究,結(jié)果相符,驗(yàn)證了本文所提出故障診斷方法的正確性和有效性。

    學(xué)術(shù)簡報(bào)|單相PWM整流器IGBT及直流側(cè)電容故障的診斷方法

    圖14 實(shí)驗(yàn)硬件平臺實(shí)物圖

    總結(jié)

    為了實(shí)現(xiàn)列車單相PWM整流器故障診斷和在線監(jiān)測,本文針對單相PWM整流器IGBT元件,利用小波變換的時(shí)頻特性和證據(jù)融合的聚焦作用,提出了基于小波變換和D-S證據(jù)理論相結(jié)合的IGBT故障診斷方法,此方法能夠在IGBT故障后一個(gè)基波周期內(nèi)實(shí)現(xiàn)故障對管的準(zhǔn)確定位;針對直流側(cè)電容元件,利用電容等效電路的阻抗特性,提出了基于等效串聯(lián)電阻的直流側(cè)電容故障診斷方法,此方法通過實(shí)時(shí)監(jiān)控等效串聯(lián)電阻值的變化情況,在故障發(fā)生時(shí)能夠立即對故障電容進(jìn)行診斷。

    在所搭建的仿真模型和實(shí)驗(yàn)平臺上對所提出的方法進(jìn)行了仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,本文所提出的故障診斷方法能夠準(zhǔn)確地判斷出單相PWM整流器IGBT、直流側(cè)電容兩大關(guān)鍵部件的健康狀態(tài),提高了單相PWM整流器故障診斷的準(zhǔn)確性與有效性。

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