關(guān)于動車組逆變器故障診斷研究

劉志超

摘要：逆變器是動車組上不可或缺的部件，而逆變器故障又是列車運行過程中不可避免的問題，為了能夠快速有效的確定失效逆變器的故障點，最大限度上降低逆變器出現(xiàn)故障的概率，通過將數(shù)學建模與逆變器工作機制相結(jié)合的方式，制定相應(yīng)逆變器模型，模擬逆變器工作狀態(tài)，從而更加快速、準確地確定故障點，解決問題。

關(guān)鍵詞：動車組；逆變器；故障診斷

一、逆變器簡介

動車組所使用的逆變器通常是指三電平逆變器，該類型逆變器在實際應(yīng)用中以脈寬調(diào)制技術(shù)為主，通過特定的控制信號來調(diào)節(jié)12個IGBT與12個二極管之間的相互作用，從而實現(xiàn)逆變器內(nèi)直流線路和交流線路之間的相互轉(zhuǎn)換。該類型逆變器在實際使用中，工作人員常常會為了有效降低逆變器內(nèi)所承受的電壓應(yīng)力而將其內(nèi)部結(jié)構(gòu)中的二極管以并聯(lián)的方式進行設(shè)置，將傳統(tǒng)的兩電平結(jié)構(gòu)調(diào)整為三電平結(jié)構(gòu)，大幅度降低逆變器內(nèi)的諧波信號，從而有效提高逆變器系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性[1]。

二、故障分析

（一）診斷原理

當逆變器出現(xiàn)故障問題時，工作人員首先需要對其故障原因進行診斷，其主要診斷原理是將逆變器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)元件作為標準，制定相應(yīng)的逆變器模型，并且在創(chuàng)建逆變器模型時需要盡可能地確保模型與實體之間數(shù)據(jù)比例的一致性。具體診斷流程如下：第一，建立逆變器處于正常工作狀態(tài)下的故障元件模型；第二，將故障元件模型放入診斷系統(tǒng)中并且進行并行工作；第三，計算和判斷逆變器實體與所創(chuàng)建的模型在并行工作中所輸出的功率表是否具有一致性；第四，對故障發(fā)生的具體位置進行明確，并且對其進行標識[2]。從本質(zhì)上來看，動車組逆變器故障的診斷方法主要采用的是將逆變器進行不同工作狀態(tài)之間的切換，找出該逆變器在不同運行狀態(tài)下所對應(yīng)的離散事件發(fā)生的概率，并且在此基礎(chǔ)上采用殘差分析的方式對逆變器的故障器件進行明確。

（二）診斷模型

1.模型建立

以某動車組所應(yīng)用的逆變器為例，其處于正常運行的狀態(tài)中時，工作人員可以采用常見的數(shù)學模型對逆變器的開啟和關(guān)閉兩種工作狀態(tài)進行準確地描述。以Sa、Sb、Sc來表示逆變器數(shù)學模型中三相功率所表現(xiàn)出的三種不同的工作狀態(tài)，以S1-S12來表示上述我們所提到的逆變器模型中12個不同的IGBT，而與其相并聯(lián)的二極管則由D1-D12來表示。由于該逆變器的數(shù)學模型是以三相對稱的形式所呈現(xiàn)的，因此工作人員可以選擇該數(shù)學模型中的某一特定的橋臂來進行詳細分析[3]。以Sa橋臂電路為例，該逆變器的數(shù)據(jù)模型在Sa相位處的橋臂電路運行狀態(tài)如表1所示。

2.故障建模

上述工作人員所建立的數(shù)學模型主要是表現(xiàn)逆變器在正常工作狀態(tài)下的工作狀態(tài)，為了可以加強對逆變器故障的判斷效果，工作人員需要在上述模型的基礎(chǔ)上再建立故障模型，通過這種方式來進一步提高工作人員對逆變器所可能會出現(xiàn)故障診斷的準確性。仍然以逆變器處于Sa相位時的故障狀態(tài)為例，工作人員需要先將該相位中逆變器所可能發(fā)生的故障類型進行歸類劃分，其中逆變器處于單管開路時可能會發(fā)生4種運行故障，而逆變器處于雙管開路時則會出現(xiàn)3種運行故障，如表2所示。

（三）故障定位

當建立好逆變器的故障模型之后，工作人員便可以針對該類型逆變器的故障類型進行具體位置的確定。具體流程如下：第一，將逆變器所創(chuàng)設(shè)的數(shù)學模型中涉及到的全部識別量以狀態(tài)向量的形式進行標識；第二，按照上述逆變器數(shù)學模型統(tǒng)計表中的數(shù)據(jù)信息統(tǒng)計結(jié)果，我們可以將狀態(tài)向量設(shè)置為U，且U1-Un標識該逆變器中所發(fā)生的不同故障問題對于的數(shù)學模型；第三，以Sa相位為例，架設(shè)n為5，則Sa相位中所發(fā)生的逆變器故障類型有5中，當逆變器處于不同故障狀態(tài)是，數(shù)學模型中的其他參數(shù)信息也會隨之而發(fā)生相應(yīng)地改變，幫助工作人員明確故障發(fā)生的具體原因和位置；第四，當數(shù)學模型中所測定的殘差值與正常運行狀態(tài)下逆變器數(shù)學模型的殘差值之間存在較大的差異性，我們可應(yīng)用確定該閾值內(nèi)一定發(fā)生了逆變器的運行故障。通過這種數(shù)學模型的檢測方式不僅可以有效地提高逆變器運行故障診斷的效率，同時還可以大幅度提升該逆變器的故障維護質(zhì)量水平，因此該診斷方式也得到了很多工作人員的認可和推廣。

三、故障處理

故障診斷工作完成之后，工作人員便需要對診斷出的故障進行及時地處理，具體措施如下：第一，對于電源類的逆變器故障，工作人員可以先將DCU板進行拆除，對其內(nèi)部的元器件使用性能進行檢測，若元器件出現(xiàn)異常，可以對其進行更換或者維修，若元器件可以正常運行，則使用萬用表對電源的芯片進行測定，所測電阻非常小時，則說明芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)已經(jīng)受到損害，工作人員將電源芯片進行更換即可；第二，針對通訊類的逆變器故障，工作人員可以利用計算機對逆變器中的通信線路端口進行數(shù)據(jù)信息的傳輸，并且使用波形法對通信線路的輸入和輸出行為進行檢測，通過這種方式來判斷出該逆變器中通訊端口處器件的故障位置，并且對其進行更換處理。

四、結(jié)束語

為了更好地提高逆變器故障診斷工作的效率和質(zhì)量，工作人員可以將逆變器與數(shù)學模型相結(jié)合，并且通過對逆變器在正常運行狀態(tài)下與故障運行狀態(tài)下所體現(xiàn)出的不同數(shù)據(jù)參數(shù)信息進行對比分析，來實現(xiàn)逆變器故障的快速診斷和定位，提高診斷效率。該技術(shù)雖然在實際應(yīng)用中還存在一些不足之處，但是相信隨著我國科學技術(shù)的高速發(fā)展，該故障診斷技術(shù)一定會不斷地突破和進步，為我國交通行業(yè)的安全穩(wěn)定運行奠定堅實的技術(shù)基礎(chǔ)。

參考文獻：

[1]胡軻珽，劉志剛，胡冉冉等.一種新型基于模型的動車組牽引逆變器開路故障診斷方法[J].鐵道學報，2018，40（02）：131-138.

[2]嵇平平.動車組NPC三電平逆變器多模式故障診斷技術(shù)研究[D].上海：上海應(yīng)用技術(shù)學院，2015：135-138.

[3]陳丹江，葉銀忠，華容.基于波形實時分析的動車組三電平逆變器故障診斷技術(shù)[J].電工技術(shù)學報，2014，29（06）：106-113.

（作者單位：中車青島四方機車車輛股份有限公司）