基于残差变革率的单相级联H桥整流器IGBT开路故障诊断_故障_暗记

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磁浮技能与磁浮列车教诲部重点实验室（西南交通大学）、西南交通大学电气工程学院的研究职员谢东、葛兴来，为实现单相级联H桥整流器（SPCHBR）的IGBT开路故障实时诊断，提出一种基于残差变革率的IGBT开路故障诊断方法。

首先建立SPCHBR的稠浊逻辑动态模型（MLD），天生网侧电流残差。
然后从理论和仿真剖析IGBT故障时的残差特色，结合电流残差变革率，定义不同开关旗子暗记隔离下的归一化诊断变量。
通过设定阈值可以实现不同模块单个或双IGBT开路故障的检测和定位。

基于残差变革率的单相级联H桥整流器IGBT开路故障诊断_故障_暗记科学

所提方法不须要额外的传感器，诊断旗子暗记来自于掌握系统，且诊断速率较快，在其他参数不变的条件下不受网压、负载和运行工况变革的影响。
末了，通过硬件在环（HIL）测试系统验证了该诊断方法的有效性和可行性。

与工频变压器比较，电力电子牵引变压器（Power Electronic Traction Transformer, PETT）具有质量轻、体积小、效率高和环境友好等上风[1,2]，成为未来高速动车组（Electric Multiple Units, EMUs）轻量化的最佳选择。

而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薄弱的部分，失落效率达31%[3]。
作为PETT的输入级，单相级联H桥整流器（Single-Phase Cascaded H-Bridge Rectifier, SPCHBR）中的IGBT须要在铁路牵引系统高功率、热应力和电磁滋扰环境中长期运行，有更高的故障率。

IGBT作为核心部件，短路故障和开路故障是它紧张的故障类型。
由于任何短路故障须要在10s内检测才能避免半导体器件的破坏和直通故障的涌现[4]，驱动电路集成了硬件保护和监控装置以防止短路故障，但这不包括对开路故障的保护。
开路故障不会导致系统立即崩溃，但会使电流失落真乃至其他组件发生二次故障。
因此，为提高SPCHBR的可靠性和掩护效率，实现IGBT开路故障的有效诊断非常主要。

目前的故障诊断方法可以分为基于旗子暗记[5-15]、基于知识[16-18]和基于模型[19-24]三类诊断方法。
基于旗子暗记的方法常日提取输出旗子暗记的紧张特色用于故障诊断，故障特色的提取方法因拓扑构造特点而有所不同。

在两电平变换器中，利用Park矢量[5]、电流矢量特色[6]、傅里叶变换[7]、电流轨迹[8]以及采样理论[9]来获取电流旗子暗记中的故障信息，检测单个或多个IGBT故障。

而基于电压旗子暗记的诊断技能有更短的检测韶光[10,11]，在模块化多电平变换器中也拓展了相应的诊断方法[12-15]。
文献[12]中通过增加冗余电压传感器，比较丈量得到子模块输出电压与打算出的参考电压实现开路故障、短路故障和电压传感器故障的检测和定位。
考虑到半桥子模块故障前后下桥臂承受电压不同，一种硬件检测电路被提出[13]。

对付H桥子模块，通过剖析电流波形和零电压开关状态来实现故障单元和故障开关的定位[14]。
考虑诊断方法不受掌握技能和系统对称性的影响，文献[15]做出了改进，但要为系统的每个岔路支路添加电压和电流传感器。
基于旗子暗记的方法对系统输入旗子暗记关注较少，诊断性能可能受未知输入滋扰的影响。

基于知识的方法常日与旗子暗记处理相结合，利用神经网络[16,17]、支持向量机[18]、等智能算法实现故障检测。
由于高度依赖大量历史数据进行演习，基于知识的方法打算本钱很高，增大了掌握器的打算包袱，在线实现困难。

此外，Luenberger不雅观测器[19]、滑模不雅观测器[20]、卡尔曼滤波器[21]、稠浊逻辑动态（Mixed Logic Dynamic, MLD）[22-24]等基于模型的方法也被广泛提出。
文献[20]将测得的环流与不雅观测器的打算值进行比较，通过假设-验证的方法可以定位模块化多电平变换器的开路故障。
而对付运用在铁路牵引系统的单相整流器而言，须要在只管即便不增加传感器的根本上利用掌握系统采集和输出的旗子暗记实现故障检测和定位。

考虑到变流器系统都是由连续变革事宜和离散变革事宜驱动的，是一个范例的殽杂系统[25]，而且MLD模型是殽杂系统的一种建模方法，通过考虑系统的所有掌握条件、电压和电流条件，即掌握变迁和条件变迁，它可以建立更精确的系统模型。

为此，基于MLD建模的方法被运用到网侧两电平和三电平变流器的故障诊断中[22-24]，对铁路牵引系统的故障定位有很好的适应性，能有效避免系统其他部件涌现二次故障。
基于模型的诊断方法对负载变革不敏感，不须要额外的硬件。
但建立模型的精确性受到参数变革的显著影响，检测阈值的选择也是这类诊断方法的关键问题。

SPCHBR比较于两电平整流器有更多的H桥单元，这增加了故障定位的难度，为此，本文针对SPCHBR模块内与模块间的IGBT开路故障，研究了一种基于电流残差变革率的故障诊断方案。
首先建立考虑掌握变迁和条件变迁的SPCHBR系统MLD模型，并在此根本上得到网侧电流残差。

通过剖析不同IGBT故障时的残差变革率特色建立特定驱动旗子暗记隔离的归一化诊断变量，诊断变量相互独立，可实现对SPCHBR的单个或双IGBT开路故障的实时诊断。
末了通过硬件在环（Hardware in the Loop, HIL）测试系统验证了该诊断方法的有效性和可行性。

图1 单相级联H桥整流器示意图

图10 硬件在环测试平台

结论

本文研究了一种基于残差变革率的单相级联H桥整流器IGBT开路故障诊断方法，可以实现级联H桥模块的单个或双IGBT开路故障的有效诊断，硬件在环测试结果证明了该方法的有效性和鲁棒性。
所构建MLD模型能较为准确地估计网侧电流，故障时能在1/4基波周期内实现单管的故障定位，在1个基波周期内实现双管故障的准确定位。

提出的诊断方法不须要额外硬件设备，所有诊断旗子暗记来自于现有的掌握系统。
由于归一化诊断变量的利用，该诊断算法在其他参数不变的条件下对网压、负载和运行工况的突变不敏感，适用于其他含级联H桥构造的功率变换系统。

本文的不敷之处是：①建立的MLD模型未考虑零电流状态，电流估计的准确性有待提高；②提出的诊断算法没有考虑模型中电感参数的变革对诊断算法的影响；③诊断变量根据不同模块驱动旗子暗记的隔离来建立，随着级联模块的增多，诊断变量会更加繁芜。
针对以上不敷，将在往后做进一步的剖析和研究。

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