基于混杂模型的牵引逆变器开路故障诊断研究

摘要

随着我国高速铁路的迅速发展，牵引交流传动系统作为铁路上重要的动力源泉，其是否可靠对于列车的安全运行有着至关重要的作用。但是目前牵引传动系统主电路中 IGBT 模块经常发生故障，导致列车异常运行，甚至发生停车等突发事故。为了能够快速定位故障，便于后期的维修更换以及降低运行成本，研究牵引传动系统的在线故障诊断技术具有十分重要的意义。考虑现有的基于信号方法和基于解析模型的诊断方法的局限性，本文提出了两种基于混杂模型的牵引逆变器IGBT开路故障诊断方法。 首先，本文针对 CRH3 型动车组牵引逆变器 IGBT 开路故障问题，简要介绍了主电路中IGBT的故障原因。通过对比分析牵引逆变系统在正常状态和IGBT开路故障状态下三相电流的变化，总结出 IGBT 单管故障和双管以及多管同时故障的故障特征，并探究了这些故障对系统所造成的影响，为在线实时故障诊断奠定了理论基础。 其次，本文基于切换系统模型的方法，引入逆变器 IGBT 开关信号作为系统离散变量，建立了牵引逆变器模型估计三相电流残差的变化。根据电流残差的变化规律，通过设定阈值，抑制噪声、测量误差等影响，建立残差信息表定位故障。 然后，本文依据混杂键合图理论，引入受控结点对牵引逆变器进行建模。根据混杂键合图模型元件的因果关系，推导出符合能量守恒的系统行为约束方程。基于系统行为约束方程，利用最小二乘法对系统当前行为进行辨识。通过比较系统的实际行为以及预期行为，产生故障识别向量，从而对IGBT开路故障进行识别和定位。 最后，在MATLAB/Simulink仿真环境下验证了两种诊断方法的有效性。研究结果表明，基于切换系统模型的故障诊断方法简单有效，不需要增加额外的传感器，但只适用于IGBT单管故障在线诊断；基于混杂键合图模型的故障诊断方法，检测速度快，可以检测单管和双管同时故障。

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