孟苓輝，周振威，何世烈，劉俊斌，時(shí)林林，俞鵬飛

（工業(yè)和信息化部電子第五研究所電子元器件可靠性物理及應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東廣州 510610）

隨著我國(guó)高速鐵路的快速發(fā)展，列車(chē)的運(yùn)行速度不斷提高，這對(duì)列車(chē)的安全性和可靠性提出了更高的要求。牽引電傳動(dòng)系統(tǒng)作為電力機(jī)車(chē)的核心動(dòng)力系統(tǒng)，其安全性直接關(guān)系到整車(chē)的可靠性和穩(wěn)定性，對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷是實(shí)現(xiàn)列車(chē)安全容錯(cuò)控制和保障列車(chē)穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。

目前，國(guó)內(nèi)外在牽引逆變器故障診斷方面已經(jīng)開(kāi)展了一些研究。文獻(xiàn)[1]提出一種基于電流殘差的逆變器故障診斷方法，該方法運(yùn)用混合邏輯動(dòng)態(tài)模型和三電平仿真模型經(jīng)過(guò)一系列的數(shù)學(xué)運(yùn)算提取線電流殘差,作為逆變器故障診斷的部分輸入特征；文獻(xiàn)[2]搭建了基于dSPACE 的半實(shí)物仿真試驗(yàn)平臺(tái)，為逆變器的控制及故障測(cè)試模擬打下了基礎(chǔ)；文獻(xiàn)[3]提出一種在電流滯環(huán)控制下逆變器功率管發(fā)生開(kāi)路故障的基于電流的在線診斷方法及容錯(cuò)控制結(jié)構(gòu)；文獻(xiàn)[4]針對(duì)逆變器開(kāi)路故障時(shí)特征信息的冗余性、復(fù)雜性和精確度不高的問(wèn)題，提出一種粗糙集貪心算法來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)離散和屬性約簡(jiǎn)并提取有效規(guī)則表；文獻(xiàn)[5]為解決多電平逆變器的故障診斷問(wèn)題，提出了一種基于深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的多電平級(jí)聯(lián)H 橋逆變器的故障診斷方法；文獻(xiàn)[6]基于道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)典型故障下的動(dòng)作功率曲線變化規(guī)律，提出一種基于灰關(guān)聯(lián)的道岔故障診斷方法；文獻(xiàn)[7]針對(duì)自動(dòng)化檢定設(shè)備系統(tǒng)的集成度和復(fù)雜度越來(lái)越高，依靠傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)維護(hù)變得越發(fā)困難的問(wèn)題，提出了一種基于聚類(lèi)分析的電力計(jì)量自動(dòng)化流水線故障診斷方法；文獻(xiàn)[8-10]分別采用仿真、人工智能及頻譜分析的手段對(duì)不同領(lǐng)域的對(duì)象開(kāi)展相關(guān)特征提取及故障診斷技術(shù)研究；文獻(xiàn)[11-16]分別將灰關(guān)聯(lián)分析理論引進(jìn)到農(nóng)業(yè)、生物、建筑、無(wú)人機(jī)和預(yù)警預(yù)測(cè)等領(lǐng)域，但均未涉及到變流器故障診斷領(lǐng)域。

傳統(tǒng)的故障診斷方法難以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的特征提取及故障辨識(shí)，在針對(duì)牽引逆變器及系統(tǒng)的故障診斷中，普遍采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、小波分析、模糊推理及支持向量機(jī)等基于人工智能學(xué)習(xí)算法的診斷方法，然而這些方法需要大量的樣本進(jìn)行學(xué)習(xí)，計(jì)算較復(fù)雜，而且需要較長(zhǎng)的計(jì)算時(shí)間和較大的硬件成本，硬件實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜，而灰色關(guān)聯(lián)方法計(jì)算量小，無(wú)需大量樣本。因此文中將灰關(guān)聯(lián)方法應(yīng)用到牽引逆變器的故障診斷之中，通過(guò)分析三相輸出交流電流提取故障特征，并通過(guò)dSPACE 半實(shí)物仿真平臺(tái)獲取故障特征樣本，最后經(jīng)過(guò)仿真計(jì)算求得各故障樣本與標(biāo)準(zhǔn)特征的關(guān)聯(lián)度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法可以快速準(zhǔn)確地完成逆變器的故障診斷，并且算法簡(jiǎn)單可靠，具有一定的工程應(yīng)用前景。

1 灰色關(guān)聯(lián)模型

設(shè)參考序列為X0（k），比較序列為Xi（k），對(duì)其進(jìn)行無(wú)量綱化處理得到序列{x0（k）}、{xi（k）}，其中：

灰色關(guān)聯(lián)分析中一般關(guān)聯(lián)度模型計(jì)算公式為：

則γ（X0,Xi）滿足灰色關(guān)聯(lián)四公理，其中，ξ為分辨系數(shù)，通常取為0.5。γ（X0,Xi）為X0與Xi的灰色關(guān)聯(lián)度。因此，灰色關(guān)聯(lián)度的計(jì)算步驟可以分為五步。

第1 步求一個(gè)序列的初值像。令：

第2 步求差序列。記：

第3 步求（i=0,1,2,…,m）兩極最大差與最小差。記：

第4 步求關(guān)聯(lián)系數(shù)。

第5 步計(jì)算關(guān)聯(lián)度。

輸出關(guān)聯(lián)度向量γ=[γ01,γ02,…,γ0m]，若γi=max{γ01,γ02,…,γ0m}，則X0與Xi關(guān)聯(lián)度最大，系統(tǒng)發(fā)生的故障為第i種故障。

2 灰色關(guān)聯(lián)模型在逆變器故障診斷中的應(yīng)用

2.1 識(shí)別對(duì)象

研究的電力牽引系統(tǒng)主電路原理如圖1 所示，主要以牽引逆變器的開(kāi)關(guān)管開(kāi)路故障為例進(jìn)行故障分析與算法驗(yàn)證，即主要對(duì)IGBT（T1～T6）進(jìn)行故障仿真試驗(yàn)分析，提取主要故障特征，并采用灰色關(guān)聯(lián)分析進(jìn)行故障診斷及模式識(shí)別，具體流程如圖2所示。

圖1 dSPACE實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主電路原理圖

圖2 基于灰色關(guān)聯(lián)模型的逆變器故障識(shí)別框圖

2.2 逆變器故障特征提取

逆變器開(kāi)關(guān)管故障時(shí)，三相輸出電流可以反映出其具體的故障信息，根據(jù)輸出電流的時(shí)頻域信號(hào)處理及統(tǒng)計(jì)分析可以提取其故障特征，并完成逆變器6 個(gè)開(kāi)關(guān)管（T1～T6）的故障診斷。對(duì)三相輸出電流的平均值進(jìn)行標(biāo)幺化處理，采用交流側(cè)矢量幅值作為標(biāo)幺化的基值，因此三相電流的標(biāo)幺化均值表達(dá)式為：

3 仿真與實(shí)驗(yàn)

在實(shí)驗(yàn)室搭建dSPACE 半實(shí)物仿真平臺(tái)的異步電機(jī)矢量控制實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)，以dSPACE 實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)作為控制系統(tǒng)的核心，以此來(lái)模擬開(kāi)關(guān)器開(kāi)路故障。該平臺(tái)主要由PC 機(jī)、dSPACE 軟件系統(tǒng)、dSPACE 硬件控制板DS1104 PPC、dSPACE 硬件控制面板CP1104、電壓和電流傳感器以及光電編碼器構(gòu)成的信號(hào)檢測(cè)單元與功率智能模塊IPM 組成，其控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖3 所示。圖中左上方為基于PC機(jī)的dSPACE 軟件系統(tǒng)，通過(guò)它進(jìn)行設(shè)計(jì)并建立基于dSPACE 的用于實(shí)時(shí)仿真的矢量控制模型，并在軟件中分別中斷開(kāi)關(guān)管T1～T6 的脈沖，用以觸發(fā)IPM 中的功率開(kāi)關(guān)管發(fā)生開(kāi)路，將經(jīng)過(guò)三相不可控二極管全橋整流電路變換后的直流電壓逆變?yōu)榻涣麟妷骸D4 為搭建的基于dSPACE 平臺(tái)的實(shí)時(shí)仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)物圖。

圖3 實(shí)時(shí)仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

圖4 基于dSPACE平臺(tái)的矢量控制實(shí)時(shí)仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)物圖

380 V 三相交流額定電壓輸入經(jīng)二極管不可控整流時(shí)，中間直流電壓平均值的范圍為：

Udc=（1.35～1.414）×380=513～537 V

由于逆變器輸出是額定功率為2.2 kW 的異步電機(jī)負(fù)載，中間電流的最大值為：

中間直流電路的最大電流為4.29 A，考慮取1.8倍的測(cè)量裕量，直流電流傳感器最小測(cè)量范圍為±7.72 A。異步電機(jī)定子側(cè)的額定電流為5 A，電流的幅值為7.07 A。

通過(guò)多次的實(shí)驗(yàn)?zāi)M，并經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)分析，可以得出逆變器輸出電流的標(biāo)準(zhǔn)故障特征如表1 所示，其中T0代表系統(tǒng)正常，T1～T6分別代表1～6 管開(kāi)路故障。

表1 逆變器開(kāi)關(guān)管標(biāo)準(zhǔn)故障特征向量表

在獲取故障特征標(biāo)準(zhǔn)向量后，通過(guò)dSPACE 控制系統(tǒng)模擬T0～T6各狀態(tài)，并采樣獲取另外一組實(shí)際故障逆變器的輸出電流信號(hào)，經(jīng)過(guò)信號(hào)處理與特征提取，利用Matlab2011b 編程計(jì)算與標(biāo)準(zhǔn)故障特征的關(guān)聯(lián)度，如表2 所示。

表2 逆變器開(kāi)關(guān)管故障診斷灰關(guān)聯(lián)度

由表2 可知，分別取每行的最大值γi=max{γ01,γ02…,γ06}，如第一行系統(tǒng)狀態(tài)為T(mén)0，而關(guān)聯(lián)度最大值為γ00，因此可以診斷出系統(tǒng)為T(mén)0狀態(tài)，即與系統(tǒng)實(shí)際狀態(tài)相符；同理可以觀測(cè)到在故障狀態(tài)T1～T6，最大關(guān)聯(lián)度分別為γ01～γ06，見(jiàn)表2 中加粗?jǐn)?shù)據(jù)，可診斷出系統(tǒng)的狀態(tài)分別為T(mén)1～T6發(fā)生開(kāi)路故障。該方法簡(jiǎn)單實(shí)用、準(zhǔn)確可靠，在列車(chē)電力牽引系統(tǒng)故障診斷與模式識(shí)別領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景和實(shí)際意義。

4 結(jié)論

牽引逆變器故障模式復(fù)雜，傳統(tǒng)故障診斷技術(shù)在診斷過(guò)程中存在一定的缺陷，診斷率低且診斷故障單一。文中將灰色關(guān)聯(lián)分析的方法應(yīng)用于逆變器開(kāi)關(guān)器件的故障診斷。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該算法在逆變器診斷中具有很好的穩(wěn)定性和分辨率，另外，利用灰關(guān)聯(lián)分析方法進(jìn)行故障識(shí)別，原理清楚、計(jì)算簡(jiǎn)單、便于在工程上應(yīng)用，進(jìn)而可以實(shí)現(xiàn)牽引電傳動(dòng)系統(tǒng)的在線故障識(shí)別和診斷。

文中只以牽引電傳動(dòng)系統(tǒng)開(kāi)關(guān)器件為例，對(duì)灰關(guān)聯(lián)算法在逆變器故障診斷中的應(yīng)用進(jìn)行了仿真分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，后續(xù)還需對(duì)牽引電傳動(dòng)系統(tǒng)的故障模式進(jìn)行更全面的深入分析和特征識(shí)別，進(jìn)而完成對(duì)牽引電傳動(dòng)系統(tǒng)的在線故障診斷，為系統(tǒng)的故障容錯(cuò)控制和列車(chē)的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供重要的保障。