整流器主电路开路故障诊断及容错控制研究

成　庶　李　蔚2，　陈特放　丁荣军　张桂新（.中南大学交通运输工程学院　长沙　400752.中南大学信息科学与工程学院　长沙　40075.南车株洲电力机车研究所有限公司　株洲　4200）



整流器主电路开路故障诊断及容错控制研究

成庶1李蔚2，1陈特放1丁荣军3张桂新1
（1.中南大学交通运输工程学院长沙410075
2.中南大学信息科学与工程学院长沙410075
3.南车株洲电力机车研究所有限公司株洲412001）

针对牵引变流器故障中较常见的开关管开路故障，提出一种故障诊断和容错控制新方法，可在不增加传感器的基础上，准确、迅速地诊断/定位任意开关管开路故障，并在此基础上，实施所提出的新型容错控制方案，使得变流器在任一开关管开路情况下，仍能保持全功率运行。其中，诊断/定位方法无需增加任何传感器，利用变流器控制所必须采集的输入和输出电压信号作为参考量，诊断过程与控制触发信号及负载变化无关；容错控制方案需增加5组外部开关，改变变流器与变压器绕组的连接方式，在不改动原有设备的基础上，保障容错控制目标，新加入的开关工作在零电压零电流条件下。通过试验样机和测试结果验证了理论分析的有效性。

变流器故障诊断故障定位容错控制

0　引言

铁路运输不论采取电力还是内燃牵引，电能的传递和变换都离不开变流系统。目前全世界范围内，仍有大量交直流传动机车服役，仅中国就达数千辆，这部分机车运行年限较长，其牵引变流系统出现故障几率较大，且监测、诊断功能单一，值得关注。

国内某铁路局2013年某车型的临修故障统计数据如表1所示，全年发生设备临修故障474次，其中变流系统故障75次，占总故障的15.8%，在三大关键电气子系统中故障率最高。

表1　2013年某局某车型临修故障统计数据Tab.1　Statistical data of temporary repair failure 2013

近期变流器故障诊断和容错控制领域的部分研究成果包括:文献［1-4］讨论了整流器故障诊断，其中文献［1］以电感电流的斜率作为观测对象，对比开关信号与电流升降情况来检测和定位整流器晶闸管开路故障；文献［2］仅依靠相电流进行诊断，同时考虑了整流部分的开路和短路故障。文献［5-14］讨论了逆变器的开路故障诊断方法，其中文献［5］提出基于标准化平均电流的晶闸管开路故障检测和隔离方法；文献［6］用电压偏移观测器预估开路故障在d-q平面上的偏移量，再通过Park逆变换进行永磁同步驱动系统故障的检测和定位；文献［7］根据故障和正常状态下桥臂下管承受电压的不同，采用硬件电路进行故障诊断，诊断延时非常短；文献［8］将PWM周期内ON时线电压与OFF时线电压的差值作为特征量进行故障检测；文献［9］通过电流模式进行故障检测，无需增加传感器；文献［14］根据故障时电流的变化特性，提出了变流器单个器件开路故障的诊断方法。文献［15］根据逆变器开关器件发生开路故障时电网中性点与直流侧负极之间的电压与正常工作时的电压不同来进行故障诊断。文献［16，17］讨论了DC-DC变流器的桥臂开路故障诊断问题，其中文献［16］对DC-DC全桥整流电路提出在特定占空比下进行故障诊断和定位的方法；文献［17］通过观测电感电流斜率进行快速故障诊断。文献［18-20］讨论了变流器关键部件的故障诊断问题，其中文献［18］提出了一种针对传感器故障的诊断方法；文献［19，20］针对IGBT故障分别提出了两种不同的诊断方法。文献［21］从3个层面描述了电力电子系统可靠性。文献［16，22-24］讨论了变流器的容错控制方法。

变流器故障诊断研究的成果各有优势，但针对牵引变流器而言，有两个难以适应的问题:①原有系统不允许随意改造，难以获取控制触发信号作为诊断参考；②牵引变流器负载变化范围较大，变化速度快，部分方法以输出电流作为诊断变量，与负载关系密切。

本文以多段桥式整流器作为研究对象，深入分析其正常与异常工况下的特性，提出一种新型的故障诊断及容错控制方法，与已有方法相比，该方法无需增加传感器，无需获取控制触发脉冲，诊断过程与负载情况无关，可在一个系统工作周期内诊断并定位故障，容错控制可在单桥臂开路的情况下，保持变流器全功率输出。

1　系统总揽

1.1系统基本拓扑结构

图1　系统拓扑结构Fig.1　Topology of the proposed system

图1为变流器拓扑以及所提出的故障诊断和容错控制系统，其中VD1～VD4为二极管，VT1～VT6为晶闸管，F为熔断器，a1b1x1和a2x2为牵引变压器牵引绕组，75R/76R为空载电阻，L2为平波电抗器，K1～K5为用于容错控制的开关组及其控制线包，u1（t）为系统输出电压，ud（t）为变流器输入电压，其中a2x2绕组上的电压为 ud（t）/2，a1b1和 b1x1上的电压为ud（t）/4，这里定义u2（t）=ud（t）/4。

1.2系统工作原理

由于有熔断器F，桥臂短路故障在极短时间内可转变为开路故障。开路故障会导致变流器输出发生明显变化，以固定周期缺失部分波形，同时结合其他信号进行综合分析，可精确定位故障开关管。所提出的新理论分3个阶段工作:阶段1为变流器正常阶段，本系统实时监测变流器故障特征变量；阶段2为故障诊断，通过提出的新理论定位故障开关管；阶段3为容错控制，通过K1～K5改变变压器与变流器的连接方式，适当调整控制，保持变流器全功率输出。

1.3诊断信号的选择

为保证所提出理论的实用性，必须在系统已有信号中选取故障特征信号，最小化系统改动。选取与负载无关的输出电压U1获取最直观的故障信息；为区分同桥臂上下开关管故障，选取输入电压U2作为诊断参考量。这两个变量在运用多年的老变流器上也已是采集过的变量，无需改动原有系统，保障了该方法的可行性。

2　故障诊断及容错控制

在保障理论分析有效性的前提下假设:①器件是理想的，系统已工作在稳态；②牵引电机可被视为电阻、电感和反电动势组合的负载；③由于输出电感足够大，输出电流瞬态计算时可被视为恒流源。

2.1正常工作状态分析

正常工作时，K1～K5都在位置1，图2为系统正常工作时的波形。根据投入的变压器绕组数量，变流器工作可分为以下3个阶段。

图2　正常工况下的系统波形Fig.2　System waveforms under normal operation

模式1（t1～t2）:此阶段为输入电压正半周，t1时刻VT6导通，电流流向为a2→VD3→负载→VD2→VD1→VT6→x2。开关管通态压降可忽略，75R/76R阻值大，i2（t）亦可忽略，简化后的等效电路如图3a所示。

由基尔霍夫定律列出环路方程

式中

此阶段，u1（t）略小于ud（t）/2，变流器向负载输出能量，t2时刻，输入电压自然过零，进入模式2。

模式2（t2～t3）:VT6承受反向电压自然关断，电流通过VD2→VD1→VD4→VD3→负载续流，u1（t）=0，直至t3时刻VT5导通。

由式（1）和图3b可得

模式3（t3～t4）:根据负载选定VT5导通时刻t3，电流流经 x2→VT5→负载→VD2→VD1→VD4→a2。u1（t）和i1（t）与模式1情况一致。t4时刻VT5关断，进入模式4。

模式4（t4～t5）:与模式2一致，直至t5时刻VT6导通，系统进入下一工作周期。

图3　模式1和模式2下的等效电路Fig.3　Equivalent-circuit diagram in mode 1 and mode 2

2）输出电压增大到 ud（t）/2时（t6），变流器与a1b1绕组相连的部分开始工作。

3）当系统负载继续增大，输出电压达到3ud（t）/4时（t10），绕组b1x1投入。第2、3阶段基本参数如表2所示。

表2　第2、3阶段8个模式的关键参数Tab.2　Key parameters in 8 modes of the 2nd and 3rd phase

2.2开路故障模型的提出与分析

桥式整流器的本质即在负载需要时，导通相应开关管，使输入电压直接作用在负载上，因此，输出与输入电压关系为

式中，g（x）为传递函数。提出故障电压传递模型描述如式（5）所示，此模型可通用于各类全桥整流电路。

式中，fdx（t）为开关管触发函数，下标 x=1，2，3；fd1（t）、fd2（t）、fd3（t）分别代表 VT5/VT6、VT1/VT2、VT3/VT4的触发状态；ffx（t）为续流函数，下标x=1，2；ff1（t）代表VD1和VD2同时故障；ff2（t）代表VD3和VD4同时故障；fx（t）为故障函数，下标x=1，2，3；f1（t）、f2（t）、f3（t）分别代表 VT5/VT6、VT1/VT2、VT3/VT4的故障状态。

以VT4开路为例，开路故障多发生在负载较大时，假设fd1（t）=fd2（t）=1，有f1（t）=1，f2（t）=1，ff1（t）=ff2（t）=1。由式（5）可得u1（t）

同样可计算其他开路故障时输出电压及波形如表3和图4所示。

2.3基于开路故障模型的故障诊断

2.3.1故障诊断/定位方法

表3　开路故障时系统工作状态Tab.3　Converter states under open-circuit fault

图4　开路故障波形Fig.4　Waveforms of open-circuit fault

定义t1～t5五个时刻如下

表4　VT6开路的故障分析Tab.4　Fault feature table under VT6open-circuit fault

同时，定义“过零”为:当函数值从小于等于0到大于0，或从大于0到小于等于零。提出故障诊断方程用以计算故障特征方程的过零次数

然后设计过零次数矢量及其转换矢量如式（12）、式（13）所示，并构建故障矢量算子如式（14）所示。

将表4代入式（11）～式（14），可得VT6开路故障矢量C（m）为001100。同样推理，可得表5状态矢量。

表5　状态矢量Tab.5　State vector table

运行状态基本可区分，但VT5/VT6和VD4/VD3开路无法区分。重新定义约束条件方程为

用式（5）和式（9）在式（15）的约束下重新计算zcx（t）（x=4，5，6），并代入式（11）～式（14），可得VT5、VT6、VD4和VD3开路故障辅助诊断状态矢量，如表6所示。

表6　辅助故障诊断Tab.6　Auxiliary fault diagnosis table

表6与表5不同是因为当VT5（VT6）开路故障时，VD4（VD3）续流，只要正向电压超过其门槛电压就会导通，过零迅速；而当VD4（VD3）开路时，VT5（VT6）续流，其导通受控于触发，有至少0.28 ms的延迟。

因此，故障诊断过程分为两阶段，首先以约束条件式（10）定义下的故障诊断编码作为诊断依据，可诊断/定位的状态包括正常状态、VT1开路、VT2开路、VT3开路、VT4开路、VD1开路、VD2开路、VD4（VD3）开路以及VT5（VT6）开路9种；若诊断故障为VD4（VD3）开路以及VT5（VT6）开路，辅助以约束条件式（15）定义下的辅助故障编码进行二次诊断，定位VD3、VD4、VT5及VT6开路。

2.3.2故障诊断/定位电路

图5　诊断定位系统框图Fig.5　Block diagram of fault diagnosis and location system

2.3.3故障诊断方法的性能

1）故障定位最长延时:故障定位需待系统进入新稳态。从开路故障发生到故障诊断/定位延时最长的是VDx开路故障，其定位可在故障发生后的两个系统工作周期内完成。

2）特殊情况分析:当系统满负荷工作时，正常状态编码为［000000］，此时若VT4或VT2开路，故障编码也是［000000］，但VT4或VT2开路对输出电压的影响程度不通，可据此消除正常状态的误警。

2.4容错控制策略分析

单管开路故障定位后，可改变牵引变压器与变流器的连接方式，利用余下器件，实现变流器原有功率。下面分别在各开关管开路情况下，分析所提出的容错控制策略。注意VT2（1）开路时，系统结构无需调整亦可全功率输出。

2.4.1VT4开路

将K5切换至位置2，K4切换至位置4，a1x1绕组被连接至VD1、VD2、VT1和VT2上，变流器变为上下两个串联变流单元，如图6所示。无需调整触发脉冲，即可使得输出电压全范围调整，仅在ud（t）/2～ud（t）区间电压调整步长稍大，不影响牵引变流器全功率运行。调整后的工作原理与系统正常工况下几乎一致，这里不再详述。

图6　VT4开路故障容错控制结构Fig.6　Tolerance control structure under VT4open-circuit

2.4.2VD2开路

K3切换至位置2，K4切换至位置3，a1x1与VT1、VT2、VT3和VT4组成新变流结构，同时互换VT1和VT2的触发，可保变流器全功率输出。

2.4.3VT6或VD4开路

K1切换到位置2，K2切换到位置3，K3切换到位置3，K4切换到位置2，K5不变，系统切换为由a1x1、a2x2和VD1、VD2、VT1、VT2、VT3和VT4组成的新结构，VD3和VD4起续流作用。VD4开路情况相似，但需同时满触发VT5和VT6续流。

2.4.4控制策略

1）容错控制开关位置

执行VT4开路故障的容错控制策略时，VT3也被排除在新拓扑之外。因此，VT3开路故障可采取相同容错控制策略。同理，VT2和VT1、VT6和VT5、VD2和VD1、VD4和VD3也相同。由此可得单管开路故障的容错控制策略如表7所示。

表7　容错控制开关位置Tab.7　Switch position of fault tolerance control strategy

2）系统切换时刻

单管开路故障后的切换过程涉及5套切换开关的动作，其同步性难以确定，为避免不必要的冲击电压电流，保护故障系统剩余的可用器件，切换必须在电流完全回零后进行。

3）新结构的电压电流应力分析

VD4/3和VT6/5开路故障时，各开关管承受的电压电流最大。以VD4开路为例，正常工况下，VT1（2）仅开关 ud（t）/4的电压，故障时则需开关 ud（t）/2；VT3（4）在正常状态下开关ud（t）/2，而故障时需要开关ud（t）。所有开关管都承受两倍正常电压，约1 400 V。但系统本身器件的电压等级最小为2 800 V［25］。因此，提出的容错控制策略可在不更改系统原有器件的情况下，满足系统全负载输出的需求。

3　实验验证

为验证所提出的故障诊断及容错控制方法，搭建与牵引变流器主电路结构一致的试验平台，并增加10个接触器用于模拟开路故障。试验系统样机如图7所示。系统关键参数如表8所示。

VT6开路故障波形如图8所示。VT1开路故障波形如图9所示。VD3开路故障波形如图10所示。VD3开路导致电流失去通路，感性负载产生反电压，使相应的同步电压互感器输出反向饱和。封锁触发后，负载电流没有释放回路，VT5无法关断，电流通过VD1/VD2/VD4/a2x2/VT5续流，因此，输出电压为ud（t）/2，电流逐渐减小，直至VT5关断，此时K1～K5在无电流流过的情况下动作。此后，牵引变流器重启，电流迅速上升。

图7　试验系统原型机Fig.7　Prototype of the experimental system

表8　样机系统主要参数Tab.8　Key parameters of the prototype

图8　VT6开路故障及容错控制波形Fig.8　Waveforms under VT6open-circuit fault

图9　VT1开路故障及容错控制波形Fig.9　Waveforms under VT1open-circuit fault

图10　VD3开路故障及容错控制波形Fig.10　Waveforms under VD3open-circuit fault

由实验波形可见，所有故障后的两个周期内，诊断系统完成了触发脉冲封锁，并在接触器K1～K5转移到相应位置后，重启变流器，在此过程中，K1～K5无需开断电流。由于输出电流在诊断/定位和容错控制过程中不断下降，低于设定值，因此重启后，直接满触发，使输出电流迅速回升。开关管满开放时，故障矢量C（m）为［000000］。因此，在实际诊断定位算法中，对于［000000］这种状态需结合输出电压进行判断，即检测到［000000］矢量时，输出电压约为xud（t）（x=1/4，1/2，3/4）。

4　结论

所提出的故障诊断方法通过理论分析、仿真和半实物实验验证了其正确性和有效性，可在较短时间内，不增加变流器传感器和复杂程度的基础上，实现任一开关管开路的快速诊断/定位，且与触发信号、负载变化无关，可在容错控制策略的作用下，保持故障变流器的全负载输出。

由于试验条件受限，无法在与实物完全一致的设备上进行测试，下一步争取装车测试诊断及定位功能。在系统诊断与定位功能稳定后，再进行容错控制策略的实物测试。

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成庶男，1981年生，讲师，研究方向为电力牵引与传动控制、故障诊断技术。

E-mail:6409020@qq.com

李蔚男，1969年生，教授级高级工程师，研究方向为机车电力牵引控制、列车网络控制技术。

Research on Open-Circuit Fault Diagnosis and Fault-Tolerant Control Scheme for Rectifier Main Circuits

Cheng Shu1Li Wei2，1Chen Tefang1Ding Rongjun3Zhang Guixin1
（1.School of Traffic&Transportation Engineering of Central South UniversityChangsha410075China
2.School of Information Science and Engineering of Central South UniversityChangsha410075China
3.CSR Zhuzhou Institute Co.LtdZhuzhou412001China）

A novel open circuit fault diagnosis method and the corresponding fault tolerant scheme are proposed in this paper to prevent traction converters breakdown from one leg open circuit fault.When an open circuit occurs in any leg of the traction converter，the newly proposed method can generate an indication accurately to the faulty leg rapidly without additional sensor.Furthermore，the faulty converter can be reconfigured to maintain its full rate operation.The fault diagnosis and locate process only utilize the converter's input/output voltages，which are the most common parameters in the converter control.No extra sensors are needed.The diagnosis process and the control triggering signal are not related to the load variation.The fault tolerant process employs 5 additional switches to reconfigure the connection between the traction converter and the traction transformer without changing the original devices.All the 5 switches are working under the zero voltage and zero current condition.Simulation and experiment are proceeded to verify the effectiveness of the theoretical analysis.

Rectifier，fault diagnosis，fault locate，fault tolerant control

TM46

国家自然科学基金资助项目（61273158）。

2015-03-23改稿日期 2015-06-04