我國鐵路建設(shè)迅速發(fā)展，列車的運(yùn)營安全備受關(guān)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(xiàn)故障，將影響列車的安全運(yùn)行，如何對其進(jìn)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(cè)電容兩大關(guān)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(fā)過電流，根據(jù)過電流能快速診斷出該故障；IGBT開路不會引發(fā)大幅過電流或過電壓、欠電壓等明顯現(xiàn)象，診斷和保護(hù)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(jìn)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(xué)者對三相整流器IGBT故障后的三相電流正、負(fù)半波功率進(jìn)行歸一化處理，依據(jù)得到的特征值進(jìn)行故障相定位，但該方法在輕載情況下誤差較大。
• 有學(xué)者對三相電流進(jìn)行Park變化，依據(jù)Park矢量的模和相位作為故障特征進(jìn)行IGBT開路故障診斷，但該方法在輕載或負(fù)載突變時會引起誤診斷。
• 有學(xué)者利用開關(guān)管故障前后輸出電壓、導(dǎo)通電阻、導(dǎo)通壓降、門極電壓等故障特征進(jìn)行開關(guān)管的故障診斷，但該方法需額外添加信號采集點(diǎn)，增加了硬件設(shè)備成本。針對直流側(cè)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(xué)者采用Agilent 4263B、Agilent 4294等LCR表測量電容等效串聯(lián)電阻和電容量評判電容狀態(tài)，但該方法顯著增加了硬件設(shè)備成本且難以進(jìn)行在線診斷。
• 有學(xué)者指出電容等效串聯(lián)電阻與電容外殼溫度呈指數(shù)關(guān)系，根據(jù)電容外殼溫度值計(jì)算電容等效串聯(lián)電阻（Equivalent Series Resistance, ESR）來評估電容狀態(tài)，但該方法限定了電容的應(yīng)用環(huán)境溫度。
• 有學(xué)者在Buck電路一個開關(guān)周期內(nèi)采樣某兩個特定時刻的電容電壓值，計(jì)算獲取C值以及ESR值，但是此方法僅適用于連續(xù)導(dǎo)通模態(tài)下的Buck電路。
• 有學(xué)者通過提取特定諧波電壓、諧波電流計(jì)算ESR值評估電容狀態(tài)，但該方法未分析負(fù)載功率、開關(guān)頻率對參數(shù)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(jù)理論進(jìn)行了論述，在此基礎(chǔ)上提出了基于小波變換和D-S證據(jù)理論相結(jié)合的IGBT故障診斷方法；針對直流側(cè)電容故障診斷，對電容等效電路的阻抗特性進(jìn)行了分析，在此基礎(chǔ)上提出了基于等效串聯(lián)電阻的直流側(cè)電容故障診斷方法。

通過搭建單相PWM整流器仿真模型和實(shí)驗(yàn)平臺，分別對所提出的故障診斷方法進(jìn)行了仿真和實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果相符，驗(yàn)證了本文所提出故障診斷方法的正確性和有效性。

圖14 實(shí)驗(yàn)硬件平臺實(shí)物圖

總結(jié)

為了實(shí)現(xiàn)列車單相PWM整流器故障診斷和在線監(jiān)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(jù)融合的聚焦作用，提出了基于小波變換和D-S證據(jù)理論相結(jié)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(nèi)實(shí)現(xiàn)故障對管的準(zhǔn)確定位；針對直流側(cè)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(lián)電阻的直流側(cè)電容故障診斷方法，此方法通過實(shí)時監(jiān)控等效串聯(lián)電阻值的變化情況，在故障發(fā)生時能夠立即對故障電容進(jìn)行診斷。

在所搭建的仿真模型和實(shí)驗(yàn)平臺上對所提出的方法進(jìn)行了仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文所提出的故障診斷方法能夠準(zhǔn)確地判斷出單相PWM整流器IGBT、直流側(cè)電容兩大關(guān)鍵部件的健康狀態(tài)，提高了單相PWM整流器故障診斷的準(zhǔn)確性與有效性。