三相三电平整流器的电流传感器微小故障诊断方法

来源：大鱼游戏官网    发布时间：2025-11-14 11:49:37

  本发明涉及故障诊断领域，尤其涉及一种三相三电平整流器的电流传感器微小故障诊断方法。

  1、高铁牵引传动系统的牵引整流器是高铁牵引传动系统的核心组成部件之一，极易产生故障，导致非常严重的人员受伤或死亡与财产损失。牵引整流器为三相三电平整流器，目前，三相三电平整流器的电流传感器微小故障的诊断方法主要有两种：

  2、1、基于电路模型的诊断方法。这类方法通常包括生成残差和诊断决策两个阶段。首先建立逆变器的混合逻辑动态模型，通过观测器得到故障系统输出的估计值，将估计值与真实值做差，得到残差，之后基于相应的决策规则判断故障类别。相关论文及专利如《基于滑模技术故障诊断和容错控制及应用于高速列车的研究》(张康康，南京航空航天大学，2018年12月)、中国发明专利申请公开《新能源电动汽车静止变流器电流传感器微小故障诊断方法》(cn 113534035 a)等，此类方法模型机理清楚、易实现、可进行实时诊断，但其难点在于建立控制管理系统的精确解析数学模型且尽可能提高模型的可靠性。

  3、2、基于信号特征的诊断方法。由于不同信号引发的历史故障数据或统计数据集，很难确认适用于何种模型诊断；在研究许多实际的故障预测问题时，建立复杂部件或者系统的数学模型是很困难甚至不可能的，因此系统模块设计、仿真、运行和维护等各个阶段的测试、传感器历史数据就成为判断系统性能的主要手段，即数据驱动诊断方法，整个阶段分为训练阶段和测试阶段。相关论文及专利如《data-driven incipient fault detection viacanonical variate dissimilarity and mixed kernel principal componentanalysis》(基于典型变量相异性和混合核主成分分析的数据驱动早期故障检验测试，吴平，ieeetransactions on industrial informatics，2021年8月)、中国发明专利申请公开《一种用于高铁逆变器的微小故障诊断系统的设计方法》(cn 106959397a)等，此类方法不必须了解到系统精确的数学模型，但要大量准确的系统数据，以及合适的数据诊断方法。

  4、综上所述，现有的技术存在诊断周期长、计算量大、发生滑模运动时趋近速率慢且抖动明显、自适应阈值抗干扰性差、数学模型要求高和鲁棒性差等问题。

  1、本发明所要解决的技术问题是背景技术中提出的问题，具体的，提出一种三相三电平整流器的电流传感器微小故障诊断方法，首先将原系统的状态方程和故障表示成增广形式，进行故障重构，让故障对系统的影响更直观的反映出来；其次利用新型非奇异终端滑模观测器通过合理的参数设计，以更快的到达滑模面并减小滑模运动的抖振，进而达到更好的跟踪真实的情况的效果；同时，在基于电流的特征量进行故障诊断时，通过设计自适应阈值来抑制系统固有或外部的不确定扰动，增加诊断方法的准确性，提高诊断精度；

  2、为实现上述的目的，本发明提供了一种三相三电平整流器的电流传感器微小故障诊断方法，该方法所涉及的电路拓扑结构包括三相网侧电压源、三相网侧等效电感和三相网侧等效电阻、三相三电平整流器、两个相同的支撑电容、直流侧负载、电流传感器和控制模块，两个支撑电容串联后并联在直流侧负载的直流正母线和直流负母线、所述三相三电平整流器分为三相桥臂，三相桥臂均与直流侧负载并连；将三相桥臂记为k相桥臂，k表示相序，k＝a，b，c；在三相桥臂中，每相桥臂由4个带反并联二极管的开关管串联组成，即三相三电平整流器共包含12个带反并联二极管的开关管，将12个开关管记为开关管vkn，n表示开关管的序号，n＝1，2，3，4；在三相桥臂的每相桥臂中，开关管vk1、开关管vk2、开关管vk3、开关管vk4依次串联，其中，开关管vk2和开关管vk3的连接点记为整流桥输入点τk；

  4、将所述三相网侧等效电感记为lk、三相网侧等效电阻记为rk、三相网侧电压源记为ek，所述三相网侧等效电感lk的一端接整流桥输入点τk，另一端接三相网侧等效电阻rk，三相网侧等效电阻rk的另一端接三相网侧电压源ek的正极，三相网侧电压源ek的负极接地；

  5、所述电流传感器的检测端分为三相，记为检测端γk，检测端γk接在整流桥输入点τk和三相网侧等效电感lk之间，电流传感器的输出端连接控制模块的输入端，所述控制模块的输出端分别连接12个开关管vkn；

  7、步骤1，将三相三电平整流器记为整流器，建立整流器的混合逻辑动态模型，其表达式为：其中，为k相桥臂的相电压uko的估计值，δk为k相桥臂的开关函数；

  8、步骤2，采样流过三相网侧等效电阻rk的三相电流，并记为网测等效电流ia，ib，ic，采样三相网侧电压源处ek的三相电压，并记为网侧电压ua，ub，uc；采样直流侧负载处的电压，并记为直流侧电压udc；

  11、其中，为网测等效电流ia，ib，ic的导数，r为三相网侧等效电阻rk的电阻值，l为三相网侧等效电感lk的电感值，d为系数矩阵1，f为整流器的未知扰动信号；

  12、步骤3，定义电流传感器的微小故障为微小故障f，建立微小故障方程，其表达式为：其中，为微小故障f的导数，af为hurwitz矩阵，ξ为微小故障的激励信号；

  13、步骤4，采用状态增广法对微小故障方程和整流器的状态空间方程建立增广系统，增广系统的表达式如下：

  15、步骤5，给定状态变量xi，i＝1，2，3，4，状态变量xi的表达式为：

  17、将状态变量xi的导数记为状态变量导数则状态变量导数与增广系统输出y的表达式分别如下；

  20、步骤6，将状态变量xi的估计值记为状态变量估计值将状态变量估计值的导数记为状态变量估计值导数将增广系统输出y的估计值记为输出估计值构建新型非奇异终端滑模观测器，其表达式为：

  23、其中，g为可调参数1，且g＞0；k(t)为自适应律，k(t)的导数的表达式为t为时间变量，表示驱动系统运行的时间；a为自适应律增益系数，λ为可调参数2，σ为可调参数3，λ和σ均为正奇数且满足1＜λ/σ＜2，β为可调参数4，β∈(0，1)；s为非奇异终端滑模面，ri为残差，为残差的导数，tanh()为双曲正切函数，

  26、步骤8，给定电流传感器微小故障状态阈值tth1、电流传感器故障状态阈值tth2和电流传感器失灵状态阈值tth3；

  35、规定电流从整流器流向三相网侧等效电感lk为正，电流从三相网侧等效电感lk流向整流器为负，定义逻辑变量σk，σk＝1表示k相电流为正，σk＝0表示k相电流为负；

  36、将开关管vkn的开关信号skn用符号“-”表示逻辑非，skn＝1表示开关管vkn处于导通状态，skn＝0表示开关管vkn处于断开状态，则k相桥臂的开关函数δk的表达式为：

  38、优选地，所述电流传感器微小故障状态阈值tth1、电流传感器故障状态阈值tth2和电流传感器失灵状态阈值tth3的给定过程如下：

  41、其中，e为自然对数函数的底数，r4(0)表示残差r4在t＝0时刻的初始值，τ是时间常数，d表示微分，∫表示一重积分号； 为范数符号，为电流传感器发生失灵时所对应的微小故障激励信号ζ的临界值；

  42、电流传感器微小故障状态阈值tth1、电流传感器故障状态阈值tth2和电流传感器失灵状态阈值tth3分别定义如下：

  46、其中，为电流传感器发生微小故障时所对应的微小故障激励信号ζ的临界值，为电流传感器出现故障时所对应的微小故障激励信号ζ的临界值。

  48、1、通过非奇异终端滑模观测器并使用滑模控制，只需通过合理设计滑模面就能解决现有基于模型的方法无法建立精确系统模型的缺点；

  49、2、通过设计自适应控制趋近率，通过自适应的切换趋近率以降低控制过程中的抖动特性并加快趋近速率，进一步提升系统故障诊断的精确性；

  50、3、通过设计自适应诊断阈值来抑制系统固有或外部的不确定扰动，提高了诊断精度；