车载牵引变流系统故障诊断与容错控制综述

车载牵引变流系统作为高速列车的动力源,其安全可靠性对保障高速列车安全、高效、可靠的运行和维护至关重要。在非线性、强耦合和多工况等复杂条件和恶劣环境中长期运行,牵引变流系统中的各类部件都会出现不同程度的劣化失效,引发各类故障,给高速列车的安全运行带来极大挑战。为此,针对高速列车车载牵引变流系统功率器件、牵引控制单元、传感器和中间直流环节等故障率高的部件进行了故障诊断与容错控制方法的调研和总结,对比分析不同方法的研究思路和适用条件。最后,讨论车载牵引变流系统故障诊断与容错控制研究中亟待解决的问题,并对未来的研究做出展望。     

基于电压残差的逆变器实时开路故障诊断

逆变器是各类变频调速系统的重要组成部分,它的安全性和可靠性是保证系统稳定运行的关键。但其故障率通常较高。针对逆变器的IGBT开路故障,通过分析比较逆变器在正常状态与开路故障状态下的三相电压,提出了一种以线电压为检测对象的简易实时诊断方法,即利用实际的线电压和开关信号得到三相电压及其残差,并根据三相电压残差间的关系进行故障识别。仿真结果表明,该方法能够在线准确地实现逆变器IGBT单管及双管开路故障诊断,且不受闭环和负载扰动影响。     

三电平SVPWM与CBPWM算法的内在联系研究

由于三电平中点钳位逆变器能有效提高逆变器系统容量和耐压水平,减少输出电压的谐波,所以其在中高压大容量电能变换领域中得到了广泛应用。为了揭示三电平中点钳位逆变器空间矢量脉宽调制(SVPWM)和载波脉宽调制(CBPWM)算法的内在联系,本文首先分析了三电平SVPWM算法的原理,并根据调制度的大小将整个线性调制范围分为3段,然后根据脉宽调制的规则采样法,分别推导出了3个调制段内与SVPWM等效的CBPWM调制函数形式。理论研究表明:三电平SVPWM算法是一种特殊形式的CBPWM算法。最后仿真和实验结果证明了理论分析的正确性和有效性。     

基于有限元分析的动车组牵引电机转子断条故障特性分析

以CRH2型动车组的牵引电机为例,定义了电机转子非对称运行时的电磁场计算模型。基于数值分析的基本原理,利用有限元分析软件Jmag,对牵引电机故障前后的磁场、导条电流进行了计算,并分析了转子断条对电机磁场、气隙磁密、导条电流的影响。同时根据动车组的运行特点,对故障电机在牵引特性曲线上不同工作点下的运行状态进行了仿真,分析了断条故障特征分量随着电机工作点的变化情况,为后续动车组牵引电机断条故障检测技术的研究奠定了基础。     

过调制区内两电平SVPWM与CBPWM算法的内在联系研究

在低压电机驱动控制系统中,通常采用过调制方式来提高直流电压利用率,进而扩展电机运行范围。为揭示电机驱动控制算法中过调制区内空间矢量脉宽调制(space vector pulse width modu lation,SVPWM)和载波脉宽调制(carrier-base PWM,CBPWM)算法的内在联系,该文首先分析基于叠加原理的SVPWM过调制算法;然后根据脉宽调制的规则采样法,分别推导出了过调制I段和II段与SVPWM等效的CBPWM调制函数形式;最后给出随着调制度变化相应的等效调制函数的变化规律。理论研究表明:在线性调制区和过调制区内SVPWM都是一种特殊形式的CBPWM算法。仿真和实验结果验证了理论分析的正确性和有效性。     

电力牵引传动系统的三电平直接转矩控制算法的半实物实验研究

针对高速动车组中三电平二极管中性点钳位(NPC)逆变器供电的牵引传动系统,探讨了一种基于PI控制器和60°坐标系空间矢量调制算法(SVPWM)的异步牵引电机低速域的直接转矩控制(DTC)驱动方案。直接转矩控制性能好坏的决定因素之一就是磁链观测器的准确性,为了获得较好的转矩控制性能,本文首先采用了一种改进U-I积分模型为定子磁链观测器,并给出了基于PI控制器的转矩控制器和磁链控制器设计方案;然后给出了60°坐标系下SVPWM算法的详细设计方案,与传统的SVPWM相比,该SVPWM能够有效地减小计算时间,并在此基础上,通过调节中点电位平衡因子的大小来分配冗余小矢量的作用时间,以达到平衡直流侧两电容上电压的目的;最后,通过基于Maltab/Simulink软件的仿真研究和TMS320F2812与dSPACE的高速动车组牵引传动半实物实验台的实验研究,验证了基于PI控制和60°坐标系SVPWM的三电平直接转矩控制算法的有效性和可行性。     

基于FPGA和dSPACE的三电平逆变器SVPWM控制

按照牵引传动中对大功率、低开关频率的要求,分析了三电平逆变器低速时采用恒开关频率异步调制,高速时采用多脉冲同步调制的原理及实现策略,理论分析了适用于高速动车组变频调速控制的开关多脉冲组合模式,并推导出对应的实现算法.应用FPGA控制器和dSPACE半实物仿真平台,完成了上述各种调制模式的仿真实验,其结果证实了这种控制算法的有效性,并表明基于dSPACE的半实物仿真平台是一种功能强大、操作便捷的测试工具.     

基于预测电流控制的三电平4象限变流器研究

为了实现变流器网侧电流正弦化,输入端高功率因数和开关器件承受低电压应力,介绍了一种单相三电平4象限变流器的电路,分析了其工作模式,推导了其数学模型,为了易于数字化处理器实现,探讨了一种类似于SVPWM控制的新型预测电流控制策路.该控制算法不仅能够离散化实现,而且能够弥补三电平变流器直流侧电容电压不平衡的先天性缺陷.仿真结果表明:该控制策略能有效地抑制注入电网的谐波,实现交流输入端高功率因数和能量的双向流动,系统具有很好的动态特性.     

采用奇异能量谱与改进ELM的轴承故障诊断方法

针对滚动轴承故障特征不易提取,进而影响诊断精度的问题,研究一种将信号处理与智能算法相结合的轴承故障诊断方法.首先,利用粒子群算法对变分模态分解(VMD)法进行优化,以确定VMD法的最优输入参数,并利用优化VMD算法对振动信号进行分解得到若干本征模态函数进而建立特征矩阵.然后,对特征矩阵进行奇异值分解,根据不同故障下奇异能量谱的差异构造故障特征向量,并采用改进的极限学习机(ELM)进行故障识别.针对传统ELM输入层权值与隐含层阈值随机选取对分类效果的影响,采用自适应差分进化极限学习机对其进行优化,以保证故障诊断性能.最后,利用实验结果验证所研究故障诊断方法的可行性.     

永磁同步电机三矢量优化预测磁链控制

永磁同步电机的传统模型预测控制由于备选电压矢量覆盖范围有限,因此存在单个控制周期内计算复杂、电流脉动大等缺陷,在实际工况中难以实现良好的控制性能.针对这一问题,以磁链为控制变量提出一种优化三矢量模型预测磁链控制策略,利用磁链无差拍原理计算下一周期的第一最优电压矢量,相比传统方法可减少单个控制周期内的预测次数;再遍历第一最优电压矢量与剩下有效电压矢量的所有组合选择第二最优矢量,达到备选电压矢量覆盖范围最大化;最后引入零矢量调节合成电压矢量幅值.仿真和实验验证结果表明,与单一矢量预测磁链控制相比,三矢量MPFC在保证动静态性能的同时,能够明显减小电流谐波和转矩脉动,降低计算复杂度,提高在实际系统中的控制性能.