地鐵輔助逆變器原理及故障分析

宋袁雁

摘 要：隨著先進(jìn)技術(shù)的迅速發(fā)展，地鐵車輛的整體性能得到了極大的提高。它給人們的日常生活帶來了極大的便利。然而，地鐵輔助逆變器是車輛的重要組成部分，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜且集成度高。地鐵輔助逆變器是輔助系統(tǒng)（地鐵線路的核心部分，它為除列車牽引以外的一些電氣設(shè)備供電，包括空調(diào)系統(tǒng)、風(fēng)扇系統(tǒng)和各種控制回路）。因此，快速準(zhǔn)確的診斷方法對(duì)于地鐵輔助逆變器至關(guān)重要。

關(guān)鍵詞：地鐵逆變器；原理；故障分析

中圖分類號(hào)：U269 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）30-0123-02

Abstract： With the rapid development of advanced technology， the overall performance of metro vehicles has been greatly improved. It brings great convenience to people's daily life. However， the metro auxiliary inverter is an important part of the vehicle， and its structure is complex and highly integrated. Metro auxiliary inverter is the auxiliary system （the core part of the subway line， which supplies power to some electrical equipment except train traction， including air-conditioning system， fan system and various control loops）. Therefore， the fast and accurate diagnosis method is very important for the auxiliary inverter of metro.

Keywords： subway inverter； principle； fault analysis

1 地鐵輔助逆變器分析

我們知道，分散式供電和集中式供電是輔助逆變器的主要供電類型。一個(gè)地鐵線路的輔助供電系統(tǒng)需要在列車上安裝SIV，此時(shí)使用的就是集中式的供電，在這種方式下，系統(tǒng)裝置包含的部分有：DC-DC斬波裝置一個(gè)、輔助逆變器兩個(gè)、整流裝置一個(gè)。集中式類型采用的輔助逆變電源為SPWM調(diào)制輔助逆變電源，分散式方式則采用的是十二脈沖輔助逆變電源。

如果系統(tǒng)需要電路簡(jiǎn)單，元件少的逆變電路，則可以采用SPWM調(diào)制輔助逆變電源結(jié)構(gòu)。這時(shí)候，系統(tǒng)主要是由三相逆變橋、LC濾波器以及處處隔離變壓器組成。使用SPWN調(diào)制，再配合LC濾波器的功能，我們可以得到包含較少諧波分量的電壓。而什么是SPWN呢？舉例而言，當(dāng)我們使用恒幅不等寬的脈沖列去代替一個(gè)正弦波，則我們將這個(gè)正弦波平均分層一份一份地，一共分為N等分，再將每一等分使用一個(gè)和它的面積相等的等幅矩形脈沖的中心線和它中點(diǎn)重合。我們會(huì)得到高度不變并且寬度按正弦規(guī)律變化的脈沖列，這就是SPWM調(diào)制。

十二階梯波合成逆變電源則分別使用DY和DZ形變壓器的T1和T2共同構(gòu)成，子逆變器的第一二組分別由PWM脈沖和滯后30度的同一PWM脈沖調(diào)制。傳統(tǒng)的三相十二階梯波合成逆變器采用一百八十度的導(dǎo)通方式，其輸出的電壓以為采用的移項(xiàng)調(diào)壓技術(shù)變化，有著很多的缺陷。單邊脈寬調(diào)制可以很好地去減少因采用脈寬調(diào)制導(dǎo)致諧波含量增大的問題。

2 逆變器故障成因

2.1 逆變器IGBT功率管故障的成因

通常逆變器經(jīng)常會(huì)由于通常的電流和電壓原因造成內(nèi)部的電路損壞，此外還可能因?yàn)槟孀兤鲀?nèi)部的元件老化而造成故障。而地鐵輔助逆變器則是一直工作在高頻的情況下，其工作的環(huán)境是比較惡劣的。因此在地鐵運(yùn)行中，逆變器經(jīng)常可能出現(xiàn)故障。而經(jīng)常出現(xiàn)的故障是功率開關(guān)器件的開路故障與直通故障。短路故障一般是由于當(dāng)列車系統(tǒng)發(fā)出錯(cuò)誤的驅(qū)動(dòng)信號(hào)或者雪崩擊穿而造成的。逆變器IGBT電路提供的電壓過小的時(shí)候，IGBT就會(huì)自動(dòng)地退出飽和導(dǎo)通區(qū)然后進(jìn)入線性放大區(qū)，這時(shí)候電阻則會(huì)增大，這直接導(dǎo)致的結(jié)果就是電路元件過熱，從而造成毀壞。而一般器件出現(xiàn)破裂或者焊接脫落和電路板損壞都會(huì)導(dǎo)致開路故障。由于電路內(nèi)部有自動(dòng)保護(hù)的功能，在發(fā)生短路的時(shí)候故障會(huì)被快速地隔離，當(dāng)檢測(cè)困難時(shí)，則會(huì)使用植入熔絲從而轉(zhuǎn)為開路故障進(jìn)行處理。當(dāng)IGBT出現(xiàn)短路故障的時(shí)候，如何去進(jìn)行判斷呢？我們可以通過檢測(cè)IGBT的發(fā)射極與集電極之間的電壓對(duì)故障進(jìn)行判斷。當(dāng)出現(xiàn)短路的時(shí)候，慢關(guān)斷會(huì)使得故障的功率管出現(xiàn)軟關(guān)斷的情況。出現(xiàn)開路的時(shí)候，故障就會(huì)使得功率管的相電壓減小，系統(tǒng)內(nèi)部本身的欠壓保護(hù)是無法全部彌補(bǔ)功率管的功率缺失的。

2.2 故障對(duì)系統(tǒng)的影響

當(dāng)輔助逆變器內(nèi)部元件出現(xiàn)開路時(shí)，驅(qū)動(dòng)電壓會(huì)使內(nèi)部元件無法導(dǎo)通，這個(gè)時(shí)候，電壓缺失，輸出電壓的波形不會(huì)像以前的正常工作時(shí)候的波形，而是會(huì)發(fā)生畸變。對(duì)于梯階波合成逆變器來講，造成的影響更多，比如會(huì)造成低次諧波無法被抵消，而增強(qiáng)了輸出電壓中的諧波。當(dāng)輔助逆變器正常工作的時(shí)候，電路中橋臂的輸出功率是較大的，當(dāng)出現(xiàn)故障后則會(huì)大大減少橋臂的輸出功率。

3 故障分析方法

3.1 基于EEMD與BPNN的故障檢測(cè)法

雖然經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ椒纸猓‥MD）方法是一種優(yōu)越的信號(hào)分析方法，尤其適用于非線性和非平穩(wěn)信號(hào)處理。然而，在EMD分解故障信號(hào)的過程中，EMD存在一個(gè)重要的缺點(diǎn)，那就是模式混合。針對(duì)這個(gè)問題，黃光裕等人提供了集成經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ椒纸猓‥EMD）方法。本文應(yīng)用EEMD和能量特征方法從原始故障信號(hào)中提取特征向量。然后特征向量成為BPNN的輸入數(shù)據(jù)。遺傳算法優(yōu)化了BPNN的權(quán)重和閾值。因此GABP具有很強(qiáng)的全局搜索和優(yōu)化能力，克服了BPNN的缺點(diǎn)。最后，利用訓(xùn)練好的GABP對(duì)地鐵輔助逆變器的故障類型進(jìn)行診斷。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法具有較高的精度和較好的效果。EEMD方法的基本思想是：事實(shí)上，所有信號(hào)數(shù)據(jù)都包含噪聲，加性白噪聲序列將均勻分布在整個(gè)時(shí)頻空間。添加白噪聲序列后，不同比例的信號(hào)區(qū)域?qū)⒅鲃?dòng)映射到相應(yīng)的比例，它們是由白噪聲產(chǎn)生的。由于高斯白噪聲的零均值特性，IMFs分別從含有加性白噪聲的信號(hào)中篩選出來。并且所有對(duì)應(yīng)的IMFs已經(jīng)被平均以消除白噪聲的影響。則平均值被認(rèn)為是真實(shí)的IMFs。結(jié)果滿足特征向量提取精度的要求。EEMD算法克服了EMD中的模式混合問題，提高了特征向量提取的準(zhǔn)確性。遺傳算法優(yōu)化了BPNN的權(quán)重和閾值。因此它具有強(qiáng)大的全局搜索和優(yōu)化能力，避免陷入局部最小值，提高收斂速度和泛化能力。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該模型具有較高的診斷精度和較好的性能，可用于地鐵輔助逆變器的故障診斷。通過長(zhǎng)期的研究，作者認(rèn)為所提出的方法應(yīng)用于已知故障的診斷，未知故障需要深入研究。

3.2 基于主成分分析和小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的分析

考慮到地鐵輔助逆變器故障信號(hào)的非線性和診斷精度，提出了基于主成分分析（PCA）和小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（WNN）的故障診斷方法。首先，通過小波包的分解和重構(gòu)提取故障信號(hào)的初始特征向量，然后使用PCA降低初始特征向量的維數(shù)，從而消除冗余數(shù)據(jù)信息。最后，將處理后的特征向量作為小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入樣本進(jìn)行故障診斷。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該方法的可行性和有效性。與直接使用初始特征向量的網(wǎng)絡(luò)相比，所提出的診斷方法具有更高的精度和更強(qiáng)的收斂性。

4 結(jié)束語

總而言之，對(duì)地鐵輔助逆變器的故障分析，首先必須要從輔助逆變器的原理出發(fā)。地鐵逆變器的工作環(huán)境惡劣，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且各集群相互牽制，因此容易發(fā)生故障的點(diǎn)很多。在調(diào)查故障的時(shí)候，如果只看故障的表面現(xiàn)象則會(huì)非常容易出現(xiàn)判斷的失誤，無法找到造成故障的主要原因。而如何正確有效地進(jìn)行故障分析呢，一方面我們需要結(jié)合多種分析方法，從不同角度的數(shù)據(jù)出發(fā)去分析故障的原因，另一方面，我們需要結(jié)合歷史數(shù)據(jù)和歷史故障，對(duì)現(xiàn)有的故障進(jìn)行分析，從而保障故障的解決。

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