一种机车逆变器功率管开路故障在线诊断方法.pdf

本发明公开了一种不需要对已有的机车系统进行改造或加装额外的传感器来获取其控制信号；不受谐波影响；不会受机车负载变化的影响，灵敏度更好，准确性更高，可靠性也更高的机车逆变器功率管开路故障在线诊断方法。它包括如下步骤，第一步：根据两相输出电流推导得到数学模型和故障比照图表；第二步：从机车上已有的电流传感器上获取需要进行诊断的机车逆变电源的两相输出电流ia和ib；第三步：对采集的电流数据进行滤波处理；第四步：合成电流轨迹图；第五步：对电流轨迹图进行辨识；当电流轨迹图呈现为完整椭圆时，诊断为功率管正常；当电流轨迹图呈现为非椭圆图形时，根据故障比照图表定位故障的功率管。

1.一种机车逆变器功率管开路故障在线诊断方法，其特征在于：它包括如下步骤，
第一步：根据两相输出电流推导得到数学模型和故障比照图表；
第二步：从机车上已有的电流传感器上获取需要进行诊断的机车逆变电源的两相输出
电流ia和ib；
第三步：对采集的电流数据进行滤波处理；
第四步：合成电流轨迹图；
第五步：对电流轨迹图进行辨识；当电流轨迹图呈现为完整椭圆时，诊断为功率管正
常；当电流轨迹图呈现为非椭圆图形时，根据故障比照图表定位故障的功率管。
2.根据权利要求1所述的机车逆变器功率管开路故障在线诊断方法，其特征在于：步骤
一中所述的数学模型的具体推导过程如下：先设定通过PWM控制信号控制三相逆变电源的
各相上下桥臂功率管交替导通，逆变器的三相输出电流ia、ib，ic分别为幅值相等，相位互
差120°的正弦波，可以表示为公式(1)如下：
$\left\{\begin{array}{c}{i}_a\left(t\right)=I_{am}\sin \left(\mathrm{\ω}t\right)\\ i_b\left(t\right)=I_{bm}\sin (\mathrm{\ω}t+\mathrm{\φ})\\ i_c\left(t\right)=I_{cm}\sin (\mathrm{\ω}t+2\mathrm{\φ})\end{array}\right.---\left(1\right)$
其中，Iam、Ibm，Icm分别为三相电流幅值，ω为电流角频率，Φ为a，b两相电流之间的相位
差；
令x＝ia(t),y＝ib(t)，则有公式(2)如下：
$\left\{\begin{array}{c}x=I_{am}cos(\frac{\mathrm{\π}}{2}-\mathrm{\ω}t)\\ y=I_{bm}sin(\mathrm{\ω}t+\mathrm{\φ})\end{array}\right.---\left(2\right)$
上式可以写成公式(3)如下：
$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\ω}t=\frac{\mathrm{\π}}{2}-{\cos }^{-1}\left(\frac{x}{I_{am}}\right)\\ \mathrm{\ω}t={\sin }^{-1}\left(\frac{y}{I_{bm}}\right)-\mathrm{\φ}\end{array}\right.---\left(3\right)$
整理式(3)，得到公式(4)如下：
$\mathrm{\φ}+\frac{\mathrm{\π}}{2}={\cos }^{-1}\left(\frac{x}{I_{am}}\right)+{\sin }^{-1}\left(\frac{y}{I_{bm}}\right)---\left(4\right)$
公式(4)对两边分别取正弦，可得到公式(5)如下：
$\begin{array}{c}cos\left(\mathrm{\φ}\right)=sin\[{\cos }^{-1}\left(\frac{x}{I_{am}}\right)\]\·cos\[{\sin }^{-1}\left(\frac{y}{I_{bm}}\right)\]\\ +\frac{x}{I_{am}}\·\frac{y}{I_{bm}}\end{array}---\left(5\right)$
因为：
$\begin{array}{c}sin\[{\cos }^{-1}\left(\frac{x}{I_{am}}\right)\]=\sqrt{1-{\cos }^2\[{\cos }^{-1}\left(\frac{x}{I_{am}}\right)\]}\\ =\sqrt{1-{\left(\frac{x}{I_{am}}\right)}^2}\end{array}---\left(6\right)$
$\begin{array}{c}cos\[{\sin }^{-1}\left(\frac{y}{I_{bm}}\right)\]=\sqrt{1-{\sin }^2\[{\sin }^{-1}\left(\frac{y}{I_{bm}}\right)\]}\\ =\sqrt{1-{\left(\frac{y}{I_{bm}}\right)}^2}\end{array}---\left(7\right)$
将式(6)和式(7)代入式(5)，得到公式(8)如下：
$cos\left(\mathrm{\φ}\right)-\frac{x}{I_{am}}\·\frac{y}{I_{bm}}=\sqrt{1-{\left(\frac{x}{I_{am}}\right)}^2\]\·\[1-{\left(\frac{y}{I_{bm}}\right)}^2\]}---\left(8\right)$
两边取平方，整理得到公式(9)如下：
$\begin{array}{c}\frac{x^2}{I_{am}^2}+\frac{y^2}{I_{bm}^2}-\frac{2\cos \left(\mathrm{\φ}\right)}{I_{am}\·I_{bm}}\·xy-{\sin }^2\left(\mathrm{\φ}\right)=0\\ x\∈\[-I_{am},I_{am}\],y\∈\[-I_{bm},I_{bm}\]\end{array}---\left(9\right)$
根据椭圆的一般方程，令
$\left\{\begin{array}{c}A=\frac{1}{I_{am}^2}\\ B=-\frac{2cos\left(\mathrm{\φ}\right)}{I_{am}\·I_{bm}}\\ C=\frac{1}{I_{bm}^2}\\ D=E=0\\ F=-{\sin }^2\left(\mathrm{\φ}\right)\end{array}\right.---\left(10\right)$
由于
$B^2-4AC=\frac{4{\cos }^2\left(\mathrm{\φ}\right)}{I_{am}^2\·I_{bm}^2}-\frac{4}{I_{am}^2\·I_{bm}^2}\<0---\left(11\right)$
因此，式(9)符合笛卡尔坐标系下椭圆的一般方程，椭圆的中心位于坐标原点，称之为
a-b轨迹，即反应功率管工作状态的电流轨迹图。
3.根据权利要求1所述的机车逆变器功率管开路故障在线诊断方法，其特征在于：步骤
三中滤波器为采用双线性变换法设计的巴特沃思低通数字滤波器。

一种机车逆变器功率管开路故障在线诊断方法

技术领域

本发明涉及一种机车逆变器功率管开路故障在线诊断方法。

背景技术

三相逆变器具有将直流输入转化为三相交流输出的功能，在军队、通信、工厂以及
企业中作为大功率不间断电源得到了广泛的应用。然而，作为电源转化装置，功率管的高频
开断使得逆变器成为整个系统中较为薄弱的一部分。功率管故障通常以开路故障的形式表
现出来。与短路故障相比，功率管开路故障不会产生过电流或者过电压，不会触发保护动
作，不容易被检测到，因此存在较大的安全隐患。在许多重要的应用场合，如高速列车的快
速运行过程中，需要采用实时的状态监测及故障诊断方法以确保能够迅速发现故障、准确
隔离故障并及时采取相应的补救措施，以免造成人员伤亡及财产损失。对于逆变器开路故
障的诊断尤其重要。

目前，逆变器开路故障诊断已经取得了一定的成果。比如中国专利公布号为
CN103869208A的发明专利公开了一种相冗余容错结构的三相逆变器开路故障检测方法，但
该方法是应用于电动汽车驱动控制系统中的三相逆变器开路故障检测，对于机车的工况要
求不一定适用。

中国专利公布号为CN104597368A的发明专利公开了一种基于电流的三相逆变器
开路故障检测方法，适合集成到控制系统中，对于机车的工况要求不一定适用。

专利号为201020135717.9的发明专利公开了一种逆变器功率管开路故障的在线
检测装置及检测方法，该方法中每个功率管开路故障的在线检测电路均由检测用光耦电
路、逻辑电路和上升沿延时电路组成；每个功率管开路故障的在线检测电路设置有一路逆
变器电路输入端、两路开关信号输入端和两路故障输出端。即在具体实施时需要对机车上
的系统进行改造，增加检测电路。

专利号为201510020290.0的发明专利公开了一种基于电流的三相逆变器开路故
障检测方法，该专利需要获取三相电流，对于电机变频调速系统该方法可能不适用，诊断模
块可靠性不高。

专利号为201510424626.X的发明专利公开了一种电机驱动系统中逆变器功率管
开路故障实时检测方法，除测量电流外还需要测量电机转速，诊断模块可靠性没有本方案
高。

综上所述，目前逆变器开路故障诊断研究成果虽然各有优势，但是对于机车逆变
器来说仍然存在几个问题有待解决。第一，机车上的系统不允许随意改造，很难通过获取其
控制信号或加装额外的电压传感器来对系统进行诊断；第二，牵引变流器负载变化范围大，
变化速度快，部分以输出电流作为诊断变量的方法对负载变化较为敏感。第三，由于机车运
行环境复杂，且根据规定必须时刻有操作员监视列车状况，目前的逆变器开路故障诊断方
法中，如果诊断模块自身发生故障，监视的操作员是无法通过监测由传感器测得的原始电
流数据所构成的轨迹进行人工诊断的，因此可靠性方面比较低。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，提供一种不需要对已有的机车系统进行改造或加装
额外的传感器来获取其控制信号；不受谐波影响；不会受机车负载变化的影响，灵敏度更
好，准确性更高，可靠性也更高的机车逆变器功率管开路故障在线诊断方法。

为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案为：一种机车逆变器功率管开路故
障在线诊断方法，它包括如下步骤，

第一步：根据两相输出电流推导得到数学模型和故障比照图表；

第二步：从机车上已有的电流传感器上获取需要进行诊断的机车逆变电源的两相
输出电流ia和ib；

第三步：对采集的电流数据进行滤波处理；

第四步：合成电流轨迹图；

第五步：对电流轨迹图进行辨识；当电流轨迹图呈现为完整椭圆时，诊断为功率管
正常；当电流轨迹图呈现为非椭圆图形时，根据故障比照图表定位故障的功率管。

作为优选，步骤一中所述的数学模型的具体推导过程如下：先设定通过PWM控制信
号控制三相逆变电源的各相上下桥臂功率管交替导通，逆变器的三相输出电流ia、ib，ic分
别为幅值相等，相位互差120°的正弦波，可以表示为公式(1)如下：

其中，Iam、Ibm，Icm分别为三相电流幅值，ω为电流角频率，Φ为a，b两相电流之间的
相位差；

令x＝ia(t),y＝ib(t)，则有公式(2)如下：

上式可以写成公式(3)如下：

整理式(3)，得到公式(4)如下：

公式(4)对两边分别取正弦，可得到公式(5)如下：

因为：

将式(6)和式(7)代入式(5)，得到公式(8)如下：

两边取平方，整理得到公式(9)如下：

根据椭圆的一般方程，令

由于

因此，式(9)符合笛卡尔坐标系下椭圆的一般方程，椭圆的中心位于坐标原点，称
之为a-b轨迹，即反应功率管工作状态的电流轨迹图。

作为优选，步骤三中滤波器为采用双线性变换法设计的巴特沃思低通数字滤波
器。

采用上述结构后，本发明具有如下有益效果：

(1)不需要对已有的机车系统进行改造或加装额外的传感器来获取其控制信号；

(2)通过数字滤波技术排除了输出电流中所含谐波的影响；

(3)本发明不会受机车负载变化的影响，相比于其他在线诊断方法有更好的灵敏
度和准确性。

(4)即使自动诊断模块自身发生故障，操作员仍然可以通过监测由传感器测得的
原始电流数据所构成的轨迹图进行人工诊断，即该方案对自动诊断系统的依赖度低，可靠
性要远高于其他方案。

综上所述，本发明提供了一种不需要对已有的机车系统进行改造或加装额外的传
感器来获取其控制信号；不受谐波影响；不会受机车负载变化的影响，灵敏度更好，准确性
更高，可靠性也更高的机车逆变器功率管开路故障在线诊断方法。

附图说明

图1是本发明中机车逆变器功率管开路故障在线诊断方法的整体流程示意图。

图2是本发明具体实施例一中逆变器的电路结构图。

图3是本发明具体实施例一中单管开路故障和双管开路故障下所有的a-b轨迹图。

图4是本发明具体实施例一中单个功率管开路故障的a-b轨迹图。

图5是本发明具体实施例一中两个功率管开路故障的a-b轨迹图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。

一种机车逆变器功率管开路故障在线诊断方法，它包括如下步骤，

第一步：根据两相输出电流推导得到数学模型和故障比照图表；

第二步：从机车上已有的电流传感器上获取需要进行诊断的机车逆变电源的两相
输出电流ia和ib；

第三步：对采集的电流数据进行滤波处理；

第四步：合成电流轨迹图；即根据数学模型计算出两相输出电流所对应的电流轨
迹图。

第五步：对电流轨迹图进行辨识；当电流轨迹图呈现为完整椭圆时，诊断为功率管
正常；当电流轨迹图呈现为非椭圆图形时，根据故障比照图表定位故障的功率管。

作为优选，步骤一中所述的数学模型的具体推导过程如下：先设定通过PWM控制信
号控制三相逆变电源的各相上下桥臂功率管交替导通，逆变器的三相输出电流ia、ib，ic分
别为幅值相等(此处在表述时，为了表达的完整性，有提到ia、ib，ic三相输出电流，但后续
的处理过程中，实际只用到了其中的任意两相特此说明)，相位互差120°的正弦波，可以表
示为公式(1)如下：

其中，Iam、Ibm，Icm分别为三相电流幅值，ω为电流角频率，Φ为a，b两相电流之间的
相位差；

令x＝ia(t),y＝ib(t)，则有公式(2)如下：

上式可以写成公式(3)如下：

整理式(3)，得到公式(4)如下：

公式(4)对两边分别取正弦，可得到公式(5)如下：

因为：

将式(6)和式(7)代入式(5)，得到公式(8)如下：

两边取平方，整理得到公式(9)如下：

根据椭圆的一般方程，令

由于

因此，式(9)符合笛卡尔坐标系下椭圆的一般方程，椭圆的中心位于坐标原点，称
之为a-b轨迹，即反应功率管工作状态的电流轨迹图。

作为优选，步骤三中滤波器为采用双线性变换法设计的巴特沃思低通数字滤波
器。

具体实施时，作为进一步优选，所述的硬件电路自动识别是指通过人工神经网络、
支持向量机或检测电流轨迹质心的算法，使计算机对第三步中得出的电流轨迹图进行自动
辨识。另外作为进一步的优选，可以将编号的功率管用图形的形式体现出来，正常的功率管
用绿色表示，异常的功率管用红色表示，这样当计算机完成自动检测后可以更加直观的把
检测结果直接显示出来。用户不用自动去检索故障比照图表了。

具体实施例一

下面结合附图2到附图5，以25T型客车空调逆变电源为例，对本发明进一步说明。

附图2为逆变器结构。直流侧输入电压为DC600V，输出电压为三相AC380V，输出频
率为50Hz。采用SPWM控制，开关频率为3kHz。L1、R5和KM1为充电缓冲电路，C1～C4和R1～R4
为充放电功率组件，R6和KM2为放电电路，当直流电压Ud低于DC500V时，主接触器KM1断开，
放电接触器KM2闭合，交流输出接触器KM3断开，待电容电压上升后，吸合主接触器，放电接
触器自动断开，开始预充电。预充电完成后，吸合交流输出接触器，逆变器启动输出。T1～T6
分别为带有反并联二极管D1～D6的全控型功率管。C5～C7分别为各相无感电容。三相电流
ia、ib，ic由电流传感器TA1测量，EMI为输出滤波器。

在理想情况下，通过PWM控制信号控制各相上下桥臂的功率管交替导通，三相输出
电流ia、ib，ic分别为幅值相等，相位互差120°的正弦波，可以表示为

其中，Iam、Ibm，Icm分别为三相电流幅值，ω为电流角频率，Φ为a，b两相电流之间
的相位差。

令x＝ia(t),y＝ib(t)，经过推算可得，

由于

因此，式(2)符合笛卡尔坐标系下椭圆的一般方程，椭圆的中心位于坐标原点，称
之为a-b轨迹。

附图3包含单管开路故障和双管开路故障的所有情况下的a-b轨迹。L1～L12分别
对应轨迹的12个部分。单个功率管开路故障以及两个功率管开路故障共21种故障类型，其
对应的a-b轨迹也有21种不同的轨迹特征，均可以从L1～L12中分拆出来。具体分析过程如
下：

1、单个功率管开路故障下的a-b轨迹进行分析：

对于两个以上的大量功率管开路故障情况，意味着逆变器基本失效，没有过多的
研究意义，本发明将不予考虑。

T1发生开路故障时，输出电流ia和ib可以表示为

ib(t)＝Ibmsin(ωt+φ) ωt∈[2kπ,2kπ+2π) (5)

其中，k为自然数。此时x∈[-Iam,0]，y∈[-Ibm,Ibm]，椭圆已经发生畸变，根据式
(2)可以得到畸变的轨迹表达式

T1开路故障的a-b轨迹可以表示为FAULT_T1＝[L4L5L6L7L10]。同理可推其他单个
功率管开路故障的轨迹表达式，如表1所示。附图4为单个功率管开路故障的a-b轨迹图。

表1单个功率管开路故障的a-b轨迹

故障编号
开路故障
a-b轨迹
1
T1
FAULT_T1＝[L4L5L6L7L10]
2
T2
FAULT_T2＝[L5L6L1L8L11]
3
T3
FAULT_T3＝[L6L1L2L9L12]
4
T4
FAULT_T4＝[L1L2L3L10L7]
5
T5
FAULT_T5＝[L2L3L4L11L8]
6
T6
FAULT_T6＝[L3L4L5L12L9]

2、两个功率管开路故障的a-b轨迹：

逆变器的6个功率管在拓扑结构上是互相独立的，其相关系数为零。因此，两个功
率管发生开路故障可以视为相应的单个功率管发生开路故障的叠加。两个功率管开路的a-
b轨迹可以由下式得到：

FAULT_Ti&Tj＝FAULT_Ti∩FAULT_Tj (7)

其中，Ti和Tj分别为逆变器中两个不同的功率管，符号“∩”表示对FAULT_Ti围成
的区域与FAULT_Tj围成的区域取交集，取交集后的区域的边界轨迹即为FAULT_Ti&Tj。例
如，T1与T4发生开路故障时，由式(7)可以得到：

FAULT_T1&T4＝FAULT_T1∩FAULT_T4

＝[L7L10L10L7]

同理可得任何两个功率管发生开路故障的轨迹描述式，见表2和轨迹图(见附图
5)。

表2两个功率管开路故障的a-b轨迹

即在实际判断时，只要椭圆的图形发生畸变，即可诊断出功率管发生了开路故障。
具体识别是哪一个或哪两个功率管发生故障时，对照具体的轨迹表格即可。单个功率管开
路故障以及两个功率管开路故障共21种故障类型，其对应的a-b轨迹也有21种不同的轨迹
特征。单个功率管开路故障a相上、下桥臂开路故障的a-b轨迹分别位于x轴的左右两侧，b相
上、下桥臂开路故障的a-b轨迹分别位于y轴的上下两侧，而c相上、下桥臂开路故障的a-b轨
迹则分别位于直线x+y＝0的两侧，每一种开路故障的a-b轨迹都各有区别。任何两个功率管
发生开路故障时，其a-b轨迹在形状以及相对位置上各不相同。两个功率管开路故障的a-b
轨迹存在对称性，即任意两相各有一个功率管发生开路故障，则这种情况下的a-b轨迹与这
两相中相反桥臂的两个功率管发生开路故障所产生的a-b轨迹是关于原点对称的。

另外需要特别说明的是，本发明专利申请保护的主体，不只是诊断出功率管发生
了故障，还会通过故障比照图表，精确定位出发生开路故障的是具体哪个或哪两个功率管。
一个逆变器一共包含六个功率管，本专利申请对六个功率管进行编号和诊断，但诊断时只
诊断一个或两个功率管出现开路的情况，因为一个或两个功率管出现开路时，还可以通过
一些调整措施来确保逆变器继续运作。但是超过两个的情况下，整个逆变器基本报废，也就
是说，超出两个的情况下，实际意义不大。在实际操作中，只对两个以内的情况进行诊断。

本发明中所指不需要对已有的机车系统进行改造或加装额外的传感器来获取其
控制信号，是指对用于检测的电流信号不用加装额外的传感器，而是从已有的电流传感器
上获取需要进行诊断的机车逆变电源的两相输出电流ia和ib。即是一种非侵入式诊断方
式，是指不破坏/修改逆变器的系统结构。现有技术中大部分的诊断方法是通过获取逆变器
控制信号完成诊断，而机车上产生的控制信号是通过已经做好的固定接口传给逆变器的，
这种情况下外部想要获得这个信号就必须重新换掉这个接口，也就是对机车上原有的装置
做了改动。而本发明中申请的方法是通过已有的传感器测量得到信号，通过硬件电路完成
诊断，将这些硬件电路添加到机车上是不会存在问题的，它没有对机车原有的结构造成改
动或破坏。关于所述的已有的电流传感器，是机车上自带的传感器。本发明涉及的诊断方法
获取电流信号后的滤波处理，所涉及的采用双线性变换法设计的巴特沃思低通数字滤波
器，实际可以是一个滤波处理的程序，也可以是搭载了这个程序的硬件，具体实施时，一般
是将滤波程序加载到硬件中。另外基于本发明的基础上，所做出的一些简单替换，比如替换
滤波器，替换公式中的字母或表达方式等，这些均没有脱离本发明的核心方法的变化均在
本专利申请的保护范围内。