基于信号处理的城轨能馈系统IGBT开路故障诊断方法研究

摘要

城市轨道交通具有运量大、安全、便捷等优点，是解决各城市交通拥堵问题的首选方法。随着我国城轨运营里程快速增加，其城轨再生制动能量回馈系统也大量随之投入运行。城轨再生制动能量回馈系统运行环境复杂多变，频繁的处于开、停机状态，并且受到较高电压的冲击。因此，在实际运行中，再生制动能量回馈系统中逆变器的功率元件IGBT极易发生故障。通常逆变器中IGBT故障主要包括IGBT短路故障和IGBT开路故障。由于IGBT短路故障存在时间非常短，通常为微秒级，并且会导致系统出现过电流现象，很难用算法完成诊断，一般采用硬件电路来处理，将短路器件断开。但是IGBT开路故障发生时不易被及时发现，并且长时间运行会引发二次故障，带来更严重的破坏。目前对IGBT开路故障诊断方法研究较多的是离线诊断，这对于城轨的安全运行是不可行的。因此，对城轨再生制动能馈系统中IGBT开路故障展开实时、在线的诊断方法研究具有十分重要的意义。　　首先，本文搭建了城市轨道交通牵引供电系统+再生制动能量回馈系统+机车+接触网+回流系统的动态耦合统一模型。基于搭建的模型进行正常运行仿真，通过与现场运行数据进行对比，验证了本模型的正确性。其次，在搭建的模型上进行IGBT单管、双管开路故障仿真，对牵引网电压、再生制动能馈系统输出电流、电压进行分析。　　通过对城轨再生制动能馈系统输出电流进行三维轨迹图分析，得到IGBT单管开路故障情况发生时的故障特征；通过主元分析方法提取输出故障电流三维轨迹的故障特征量，并编写了实时、在线的单管开路故障诊断算法，在仿真模型上进行仿真测试验证了本方法的有效性。　　然后，提出了一种基于主元分析和神经网络的IGBT单管和双管故障情况下的诊断方法。采用主元分析提取单管、双管故障情况下的故障特征量，并构造相应的故障向量表；通过对BP、Elman神经网络进行训练、测试，对比分析两种网络在本算法中的优缺点。　　最后，基于RT-Box半实物实时仿真平台对以上诊断算法进行了实验验证，实验结果表明，本文提出的诊断算法可以准确的实现IGBT开路故障定位。

目录

声明

第1 章绪论

1.1 课题的背景与意义

1.2 IGBT故障诊断的研究现状

1.2.1 基于解析模型的方法

1.2.2 基于信号处理的方法

1.2.3 基于知识归类的方法

1.3 本文研究内容及章节安排

第2 章城轨再生制动能馈系统建模及故障分析

2.1 引言

2.2 城轨再生制动能馈系统的拓扑及运行原理

2.3 城轨再生制动能馈系统的主电路设计

2.4 城轨再生制动能馈系统的控制系统设计

2.4.1 电压型 PWM变流器数学模型

2.4.2 控制策略设计

2.4.3 PI参数设计

2.5 系统验证

2.5.1 仿真数据分析

2.5.2 现场测试数据分析

2.6 城轨能馈系统中 IGBT开路故障仿真分析

2.7 本章小结

第3 章基于主元分析的单管开路故障诊断方法

3.1 引言

3.2 基于主元分析的故障诊断思路

3.2.1 主元分析数学原理

3.2.2 主元分析诊断的几何解释

3.3 输出电流三维轨迹分析

3.4 基于主元分析的故障特征提取

3.5 诊断模型及方案

3.6 仿真结果分析

3.7 本章小结

第4 章 基于主元分析和神经网络的IGBT故障诊断方法

4.1 引言

4.2 单管和双管开路的故障特征提取

4.3 诊断模型及方案

4.4 诊断结果分析

4.5 本章小结

第5 章实验验证

5.1 引言

5.2 实验平台介绍

5.3 实验结果分析

5.4 本章小结

结论与展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果