- 頭條單相PWM整流器IGBT及直流側電容故障的診斷方法2020-07-25 作者：劉建強、劉傳鐸、王軼歐、劉小虎、齊洪峰 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語北京交通大學電氣工程學院、中車工業研究院有限公司技術研究部的研究人員劉建強、劉傳鐸、王軼歐、劉小虎、齊洪峰，在2019年《電工技術學報》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、直流側電容兩大關鍵部件組成，其運行狀態對列車的安全運行至關重要。 針對單相PWM整流器IGBT故障時輸入電流畸變特性，提出基于小波變換和D-S證據理論相結合的IGBT故障診斷方法；針對直流側電容等效電路的阻抗特性，提出基于等效串聯電阻（ESR）的直流側電容故障診斷方法。搭建單相PWM整流器仿真模型和實驗平臺，分別對所提出的IGBT及直流側電容故障診斷方法進行仿真和實驗研究。仿真和實驗結果相符，驗證了所提出的IGBT及直流側電容故障診斷方法的正確性和有效性。
我國鐵路建設迅速發展，列車的運營安全備受關注。單相PWM整流器是列車牽引變流器的重要組成部分，一旦出現故障，將影響列車的安全運行，如何對其進行在線智能故障診斷是一個值得深入研究的重要問題。單相PWM整流器主要由IGBT、直流側電容兩大關鍵部件組成。
IGBT故障包括短路故障和開路故障。IGBT短路會引發過電流，根據過電流能快速診斷出該故障；IGBT開路不會引發大幅過電流或過電壓、欠電壓等明顯現象，診斷和保護相對較難。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。
- 有學者對三相整流器IGBT故障后的三相電流正、負半波功率進行歸一化處理，依據得到的特征值進行故障相定位，但該方法在輕載情況下誤差較大。
- 有學者對三相電流進行Park變化，依據Park矢量的模和相位作為故障特征進行IGBT開路故障診斷，但該方法在輕載或負載突變時會引起誤診斷。
- 有學者利用開關管故障前后輸出電壓、導通電阻、導通壓降、門極電壓等故障特征進行開關管的故障診斷，但該方法需額外添加信號采集點，增加了硬件設備成本。針對直流側電容故障診斷方法，主要有直接測量法、故障特征量辨識法等。
- 有學者采用Agilent 4263B、Agilent 4294等LCR表測量電容等效串聯電阻和電容量評判電容狀態，但該方法顯著增加了硬件設備成本且難以進行在線診斷。
- 有學者指出電容等效串聯電阻與電容外殼溫度呈指數關系，根據電容外殼溫度值計算電容等效串聯電阻（Equivalent Series Resistance, ESR）來評估電容狀態，但該方法限定了電容的應用環境溫度。
- 有學者在Buck電路一個開關周期內采樣某兩個特定時刻的電容電壓值，計算獲取C值以及ESR值，但是此方法僅適用于連續導通模態下的Buck電路。
- 有學者通過提取特定諧波電壓、諧波電流計算ESR值評估電容狀態，但該方法未分析負載功率、開關頻率對參數辨識精度的影響。
本文針對單相PWM整流器IGBT故障診斷，分別對小波變換、D-S證據理論進行了論述，在此基礎上提出了基于小波變換和D-S證據理論相結合的IGBT故障診斷方法；針對直流側電容故障診斷，對電容等效電路的阻抗特性進行了分析，在此基礎上提出了基于等效串聯電阻的直流側電容故障診斷方法。
通過搭建單相PWM整流器仿真模型和實驗平臺，分別對所提出的故障診斷方法進行了仿真和實驗研究，結果相符，驗證了本文所提出故障診斷方法的正確性和有效性。
圖14 實驗硬件平臺實物圖
總結
為了實現列車單相PWM整流器故障診斷和在線監測，本文針對單相PWM整流器IGBT元件，利用小波變換的時頻特性和證據融合的聚焦作用，提出了基于小波變換和D-S證據理論相結合的IGBT故障診斷方法，此方法能夠在IGBT故障后一個基波周期內實現故障對管的準確定位；針對直流側電容元件，利用電容等效電路的阻抗特性，提出了基于等效串聯電阻的直流側電容故障診斷方法，此方法通過實時監控等效串聯電阻值的變化情況，在故障發生時能夠立即對故障電容進行診斷。
在所搭建的仿真模型和實驗平臺上對所提出的方法進行了仿真和實驗驗證，仿真和實驗結果表明，本文所提出的故障診斷方法能夠準確地判斷出單相PWM整流器IGBT、直流側電容兩大關鍵部件的健康狀態，提高了單相PWM整流器故障診斷的準確性與有效性。
