基于混合逻辑动态模型的单相PWM整流器IGBT开路故障诊断

随着我国高速动车组大规模服役,高速动车组运营的安全保障成为苛待完善的重要环节。电力牵引传动系统是高速动车组的核心系统之一,其安全保障至关重要。在电力牵引传动系统中,网侧变流器—单相脉冲(Pulse Width Modulation,PWM)整流器的核心器件绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)故障率较高。因此,研究单相PWM整流器的IGBT故障诊断对于提升高速动车组安全保障技术具有重要意义。本文以广泛应用于高速动车组的单相两电平整流器和单相三电平二极管中点箝位型(Neutral Point Clamped,NPC)整流器为研究对象,研究IGBT开路故障诊断方法。首先,对单相PWM整流器在所有可能开关信号、不同网侧电流条件、网侧电压与直流侧电压条件下的电路状态进行分析。将控制变迁和条件变迁的离散事件运用逻辑函数表达,与系统连续状态方程融合,建立单相PWM整流器的混合逻辑动态模型。然后,利用混合逻辑动态模型估计网侧电流,实测值与估计值比较生成残差,通过理论和仿真分析电压、电流和残差在每种IGBT开路故障运行下的特征。对单相两电平整流器每个IGBT故障,以开关信号相互隔离下的残差变化率为诊断变量,设定阈值,与阈值比较实现诊断。对单相三电平NPC整流器,以残差变化率为诊断变量,采用特定开关信号注入的方法,提取出独立有效的故障信息,制定相应的故障评价规则,实现故障IGBT的定位。最后,通过仿真和基于现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)的硬件在环仿真平台对所提出的IGBT开路故障诊断方法进行了验证。结果表明,所构建估计器能准确估计网侧电流,所提出方法对单相两电平整流器和单相三电平NPC整流器IGBT开路故障均能有效快速诊断,而且对负载变化、网压变化、工况切换不敏感。