学术简报｜单相PWM整流器IGBT及直流侧电容故障诊断方法

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摘要

北京交通大学电气工程学院、中车工业研究院有限公司技术研究部的研究人员刘建强、刘传铎、王轶欧、刘小虎、齐洪峰，在2019年《电工技术学报》增刊1上撰文指出，单相PWM整流器是列车牵引变流器的重要组成部分，主要由IGBT、直流侧电容两大关键部件组成，其运行状态对列车的安全运行至关重要。

针对单相PWM整流器IGBT故障时输入电流畸变特性，提出基于小波变换和D-S证据理论相结合的IGBT故障诊断方法；针对直流侧电容等效电路的阻抗特性，提出基于等效串联电阻（ESR）的直流侧电容故障诊断方法。搭建单相PWM整流器仿真模型和实验平台，分别对所提出的IGBT及直流侧电容故障诊断方法进行仿真和实验研究。仿真和实验结果相符，验证了所提出的IGBT及直流侧电容故障诊断方法的正确性和有效性。

我国铁路建设迅速发展，列车的运营安全备受关注。单相PWM整流器是列车牵引变流器的重要组成部分，一旦出现故障，将影响列车的安全运行，如何对其进行在线智能故障诊断是一个值得深入研究的重要问题。单相PWM整流器主要由IGBT、直流侧电容两大关键部件组成。

IGBT故障包括短路故障和开路故障。IGBT短路会引发过电流，根据过电流能快速诊断出该故障；IGBT开路不会引发大幅过电流或过电压、欠电压等明显现象，诊断和保护相对较难。因此本文对单相PWM整流器IGBT的故障诊断即是对IGBT单管开路进行故障诊断。

针对单相PWM整流器IGBT故障诊断方法，主要有电流诊断法、电压诊断法等。

• 有学者对三相整流器IGBT故障后的三相电流正、负半波功率进行归一化处理，依据得到的特征值进行故障相定位，但该方法在轻载情况下误差较大。

• 有学者对三相电流进行Park变化，依据Park矢量的模和相位作为故障特征进行IGBT开路故障诊断，但该方法在轻载或负载突变时会引起误诊断。

• 有学者利用开关管故障前后输出电压、导通电阻、导通压降、门极电压等故障特征进行开关管的故障诊断，但该方法需额外添加信号采集点，增加了硬件设备成本。针对直流侧电容故障诊断方法，主要有直接测量法、故障特征量辨识法等。

• 有学者采用Agilent 4263B、Agilent 4294等LCR表测量电容等效串联电阻和电容量评判电容状态，但该方法显著增加了硬件设备成本且难以进行在线诊断。

• 有学者指出电容等效串联电阻与电容外壳温度呈指数关系，根据电容外壳温度值计算电容等效串联电阻（Equivalent Series Resistance, ESR）来评估电容状态，但该方法限定了电容的应用环境温度。

• 有学者在Buck电路一个开关周期内采样某两个特定时刻的电容电压值，计算获取C值以及ESR值，但是此方法仅适用于连续导通模态下的Buck电路。

• 有学者通过提取特定谐波电压、谐波电流计算ESR值评估电容状态，但该方法未分析负载功率、开关频率对参数辨识精度的影响。

本文针对单相PWM整流器IGBT故障诊断，分别对小波变换、D-S证据理论进行了论述，在此基础上提出了基于小波变换和D-S证据理论相结合的IGBT故障诊断方法；针对直流侧电容故障诊断，对电容等效电路的阻抗特性进行了分析，在此基础上提出了基于等效串联电阻的直流侧电容故障诊断方法。

通过搭建单相PWM整流器仿真模型和实验平台，分别对所提出的故障诊断方法进行了仿真和实验研究，结果相符，验证了本文所提出故障诊断方法的正确性和有效性。

图14  实验硬件平台实物图

总结

为了实现列车单相PWM整流器故障诊断和在线监测，本文针对单相PWM整流器IGBT元件，利用小波变换的时频特性和证据融合的聚焦作用，提出了基于小波变换和D-S证据理论相结合的IGBT故障诊断方法，此方法能够在IGBT故障后一个基波周期内实现故障对管的准确定位；针对直流侧电容元件，利用电容等效电路的阻抗特性，提出了基于等效串联电阻的直流侧电容故障诊断方法，此方法通过实时监控等效串联电阻值的变化情况，在故障发生时能够立即对故障电容进行诊断。

在所搭建的仿真模型和实验平台上对所提出的方法进行了仿真和实验验证，仿真和实验结果表明，本文所提出的故障诊断方法能够准确地判断出单相PWM整流器IGBT、直流侧电容两大关键部件的健康状态，提高了单相PWM整流器故障诊断的准确性与有效性。