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(yùn)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(diǎn)，最大限度上降低逆變器出現(xiàn)故障的概率，通過將數(shù)學(xué)建模與逆變器工作機(jī)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(zhǔn)確地確定故障點(diǎn)，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(jìn)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(yùn)行的穩(wěn)定性[1]。

二、故障分析

（一）診斷原理

當(dāng)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(jìn)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(biāo)準(zhǔn)，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(jìn)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(jìn)行明確，并且對其進(jìn)行標(biāo)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(jìn)行不同工作狀態(tài)之間的切換，找出該逆變器在不同運(yùn)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(jìn)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(yùn)行的狀態(tài)中時，工作人員可以采用常見的數(shù)學(xué)模型對逆變器的開啟和關(guān)閉兩種工作狀態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確地描述。以Sa、Sb、Sc來表示逆變器數(shù)學(xué)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(xué)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(xué)模型中的某一特定的橋臂來進(jìn)行詳細(xì)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(yùn)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(xué)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(qiáng)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(jìn)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(zhǔn)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(jìn)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(yùn)行故障，而逆變器處于雙管開路時則會出現(xiàn)3種運(yùn)行故障，如表2所示。

（三）故障定位

當(dāng)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(jìn)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(xué)模型中涉及到的全部識別量以狀態(tài)向量的形式進(jìn)行標(biāo)識；第二，按照上述逆變器數(shù)學(xué)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(biāo)識該逆變器中所發(fā)生的不同故障問題對于的數(shù)學(xué)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(dāng)逆變器處于不同故障狀態(tài)是，數(shù)學(xué)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(dāng)數(shù)學(xué)模型中所測定的殘差值與正常運(yùn)行狀態(tài)下逆變器數(shù)學(xué)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(yùn)行故障。通過這種數(shù)學(xué)模型的檢測方式不僅可以有效地提高逆變器運(yùn)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(hù)質(zhì)量水平，因此該診斷方式也得到了很多工作人員的認(rèn)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(jìn)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(jìn)行拆除，對其內(nèi)部的元器件使用性能進(jìn)行檢測，若元器件出現(xiàn)異常，可以對其進(jìn)行更換或者維修，若元器件可以正常運(yùn)行，則使用萬用表對電源的芯片進(jìn)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(jìn)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(jī)對逆變器中的通信線路端口進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(xué)模型相結(jié)合，并且通過對逆變器在正常運(yùn)行狀態(tài)下與故障運(yùn)行狀態(tài)下所體現(xiàn)出的不同數(shù)據(jù)參數(shù)信息進(jìn)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(xué)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(jìn)步，為我國交通行業(yè)的安全穩(wěn)定運(yùn)行奠定堅實的技術(shù)基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[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(xué)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(xué)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(xué)報，2014，29（06）：106-113.

（作者單位：中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司）