基于IGBT特征分析的地铁车辆逆变器故障研究
发布时间：2021-03-11 03:06
针对地铁车辆功率逆变器,提出一种改进的基于SVM（支持向量机）的故障状态识别方法。从研究IGBT（绝缘栅双极型晶体管）结温与故障的关系入手,采用多分辨率小波包分解对主电路IGBT特征状态进行提取,特征降维后获得SVM训练集,经SVM学习训练后得到状态分类模型。仿真结果表明:分类模型较为接近实际情况。最后通过试验验证了该方法能有效地识别单个及多个IGBT软故障和硬故障,实现功率逆变器状态识别。
【文章来源】：城市轨道交通研究. 2020,23(09)北大核心
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
ADtranz型辅助逆变器试验装置
实际应用中,IGBT的工作温度是通过其结温进行表征,逆变器的故障通常是IGBT的结温过高引起。如图1所示,现将IGBT的工作状态分为正常状态、单个IGBT故障、两个IGBT故障。两个IGBT故障进一步细分为:同一桥臂上下两管故障(如T1、T4)、不同桥臂异侧两管故障(如T1、T5)和不同桥臂同侧两管故障(如T1、T2)。同时,每种故障又分成硬故障、软故障两种情况。硬故障如IGBT门极信号反馈丢失、功率管击穿损坏等容易排查和辨析的故障。软故障则表现为短时温度升高,且逆变器短时表现正常,但后续逆变器频繁失效,以下将分析该种故障与结温变化之间的关系。以ADtranz型地铁辅助逆变器使用的英飞凌IGBT(型号为FF400R33KF2C)为例,据产品参数可知其比热温升速率为18 K/kW [2],环境温度t0取为25 ℃。假设IGBT工作温度为t且IGBT结温温升全部由电流焦耳热提供,那么由I2r=(t-t0)/18(I为流经IGBT的电流;r为IGBT的结阻值;t为环境温度),可估算出热稳定电阻值。依据原厂技术手册,该辅助逆变器对应的温度保护值为65 ℃,即高于此值可以认为IGBT已经发生故障。这里在仿真计算时考虑了一定的裕量,将IGBT结温的最高值设为75 ℃,并依次设采样点温度如下:30 ℃、40 ℃、50 ℃、55 ℃、60 ℃、65 ℃、70 ℃、75 ℃,并求取个温度值下的热稳定电阻,如表1所示。考虑到实车辅助逆变器中IGBT导通管压降超过8 V系统将给出保护信号,这跟55 ℃的热电阻近似相等,所以将IGBT结温在55～75 ℃范围内定为软故障。仿真采用ode23s算法,采样时间为5 μs,以图1中a、b、c三点电流作为监测变量。各故障情况下三相负载电流的仿真结果如图2所示。
由表2可知,信号在小波分解后其有效部分大多集中在低频部分,高频部分比重很小。为了避免维度灾难[3-4],利用小波方差分别提取每一相特征值的最大值、最小值、平均值和方差,得到新的1行12维的特征向量u=[v′1,v′2,v′3],比原始小波包分解后的特征向量维数减少一半。表3为各类故障经特征降维后的特征向量表。表2 正常状态下电路各相特征向量 信号位置 特征向量 A相(v1) 52 178.313 124.672 43.203 70.639 21.593 27.649 37.152 33.323 B相(v2) 52 065.073 123.131 44.025 69.844 21.519 27.285 36.555 34.972 C相(v3) 51 986.522 119.329 43.976 69.666 21.748 27.058 35.966 34.169
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于标准序列浮动前向特征选择的改进算法研究[J]. 周阳,周炎,周桃,任卉,石玲玲. 计算机测量与控制. 2017(07)
[2]电力电子电路功率器件故障特征参数提取技术综述[J]. 任磊,韦徵,龚春英,沈茜. 中国电机工程学报. 2015(12)
[3]基于中点电压信号分析的逆变器功率管开路故障诊断研究[J]. 郭立炜,周昇龙,安国庆,王雪娇. 河北科技大学学报. 2015(01)
[4]基于小波BP神经网络的城轨列车辅助逆变系统故障诊断[J]. 姚德臣,贾利民,秦勇,彭伟,杨颖. 中国工程机械学报. 2013(06)
[5]基于开关函数模型的逆变器开路故障诊断方法[J]. 安群涛,孙力,赵克,刘超,于丽娜. 中国电机工程学报. 2010(06)
[6]小波方差与小波熵在信号特征提取中的应用[J]. 李建勋,柯熙政,郭华. 西安理工大学学报. 2007(04)
硕士论文
[1]电力电子电路故障特征参数提取与健康预报研究[D]. 吴祎.南京航空航天大学 2013
本文编号：3075752
【文章来源】：城市轨道交通研究. 2020,23(09)北大核心
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
ADtranz型辅助逆变器试验装置
实际应用中,IGBT的工作温度是通过其结温进行表征,逆变器的故障通常是IGBT的结温过高引起。如图1所示,现将IGBT的工作状态分为正常状态、单个IGBT故障、两个IGBT故障。两个IGBT故障进一步细分为:同一桥臂上下两管故障(如T1、T4)、不同桥臂异侧两管故障(如T1、T5)和不同桥臂同侧两管故障(如T1、T2)。同时,每种故障又分成硬故障、软故障两种情况。硬故障如IGBT门极信号反馈丢失、功率管击穿损坏等容易排查和辨析的故障。软故障则表现为短时温度升高,且逆变器短时表现正常,但后续逆变器频繁失效,以下将分析该种故障与结温变化之间的关系。以ADtranz型地铁辅助逆变器使用的英飞凌IGBT(型号为FF400R33KF2C)为例,据产品参数可知其比热温升速率为18 K/kW [2],环境温度t0取为25 ℃。假设IGBT工作温度为t且IGBT结温温升全部由电流焦耳热提供,那么由I2r=(t-t0)/18(I为流经IGBT的电流;r为IGBT的结阻值;t为环境温度),可估算出热稳定电阻值。依据原厂技术手册,该辅助逆变器对应的温度保护值为65 ℃,即高于此值可以认为IGBT已经发生故障。这里在仿真计算时考虑了一定的裕量,将IGBT结温的最高值设为75 ℃,并依次设采样点温度如下:30 ℃、40 ℃、50 ℃、55 ℃、60 ℃、65 ℃、70 ℃、75 ℃,并求取个温度值下的热稳定电阻,如表1所示。考虑到实车辅助逆变器中IGBT导通管压降超过8 V系统将给出保护信号,这跟55 ℃的热电阻近似相等,所以将IGBT结温在55～75 ℃范围内定为软故障。仿真采用ode23s算法,采样时间为5 μs,以图1中a、b、c三点电流作为监测变量。各故障情况下三相负载电流的仿真结果如图2所示。
由表2可知,信号在小波分解后其有效部分大多集中在低频部分,高频部分比重很小。为了避免维度灾难[3-4],利用小波方差分别提取每一相特征值的最大值、最小值、平均值和方差,得到新的1行12维的特征向量u=[v′1,v′2,v′3],比原始小波包分解后的特征向量维数减少一半。表3为各类故障经特征降维后的特征向量表。表2 正常状态下电路各相特征向量 信号位置 特征向量 A相(v1) 52 178.313 124.672 43.203 70.639 21.593 27.649 37.152 33.323 B相(v2) 52 065.073 123.131 44.025 69.844 21.519 27.285 36.555 34.972 C相(v3) 51 986.522 119.329 43.976 69.666 21.748 27.058 35.966 34.169
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于标准序列浮动前向特征选择的改进算法研究[J]. 周阳,周炎,周桃,任卉,石玲玲. 计算机测量与控制. 2017(07)
[2]电力电子电路功率器件故障特征参数提取技术综述[J]. 任磊,韦徵,龚春英,沈茜. 中国电机工程学报. 2015(12)
[3]基于中点电压信号分析的逆变器功率管开路故障诊断研究[J]. 郭立炜,周昇龙,安国庆,王雪娇. 河北科技大学学报. 2015(01)
[4]基于小波BP神经网络的城轨列车辅助逆变系统故障诊断[J]. 姚德臣,贾利民,秦勇,彭伟,杨颖. 中国工程机械学报. 2013(06)
[5]基于开关函数模型的逆变器开路故障诊断方法[J]. 安群涛,孙力,赵克,刘超,于丽娜. 中国电机工程学报. 2010(06)
[6]小波方差与小波熵在信号特征提取中的应用[J]. 李建勋,柯熙政,郭华. 西安理工大学学报. 2007(04)
硕士论文
[1]电力电子电路故障特征参数提取与健康预报研究[D]. 吴祎.南京航空航天大学 2013
本文编号：3075752
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