李嵐

摘要：牽引變流器一旦出現(xiàn)故障，將嚴(yán)重影響動(dòng)車運(yùn)行性能和安全。CRH2動(dòng)車組主變流器電路與其他型號(hào)動(dòng)車組有較大區(qū)別，其交流傳動(dòng)部分采用三電平逆變技術(shù)，該文將以CRH2動(dòng)車組牽引變流器的三電平逆變電路作為研究對(duì)象，對(duì)CRH2動(dòng)車組牽引變流器的故障原因、故障類型、故障診斷技術(shù)展開(kāi)研究。分析了其工作原理和故障類型，最后通過(guò)小波分析進(jìn)行了故障診斷。

關(guān)鍵詞：CRH2動(dòng)車組；三電平逆變技術(shù)；小波分析；故障診斷。

中圖分類號(hào)：TP3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2016）10-0248-03

2004年，我國(guó)通過(guò)引進(jìn)國(guó)外高速鐵路先進(jìn)技術(shù)，立足國(guó)內(nèi)，自主創(chuàng)新，成功研究出CRH型系列動(dòng)車組。隨著動(dòng)車組投入鐵路運(yùn)營(yíng)，一方面極大提高了鐵路運(yùn)輸效率，同時(shí)也給機(jī)車維修帶來(lái)新的挑戰(zhàn)。特別是牽引變流器一旦出現(xiàn)故障，將嚴(yán)重影響動(dòng)車運(yùn)行性能和安全。CRH2動(dòng)車組主變流器電路與其他型號(hào)動(dòng)車組有較大區(qū)別，其交流傳動(dòng)部分采用三電平逆變技術(shù)，因此本文將以CRH2動(dòng)車組牽引變流器的三電平逆變電路作為研究對(duì)象，對(duì)CRH2動(dòng)車組牽引變流器的故障原因、故障類型、故障診斷技術(shù)展開(kāi)研究。

1 CRH2動(dòng)車組牽引變流器三電平逆變電路的工作原理

IGBT 三電平逆變器主電路（如圖1 所示）采用兩個(gè)主管串聯(lián)， 中點(diǎn)有一對(duì)二極管箝位的結(jié)構(gòu).可以看出， 各主管承受的反壓是中間回路直流電壓的一半， 即主管的耐壓比二電平逆變器可降低一半。工作原理先從一相橋臂分析.四個(gè)主管的三種通斷組合（見(jiàn)表1）可以得出對(duì)應(yīng)交流輸出端有三種電平（+Ud/2 ， 0 ， -Ud/2）。

逆變器的輸入電壓由中間直流環(huán)節(jié)提供，通過(guò)PWM控制IGBT的通斷，輸出頻率電壓都可調(diào)的三相交流電。當(dāng)列車運(yùn)行在牽引工況時(shí)，三電平逆變器輸出頻率、電壓幅值都可調(diào)的三相交流電對(duì)4臺(tái)牽引電機(jī)進(jìn)行速度、力矩控制；當(dāng)列車運(yùn)行在再生制動(dòng)工況時(shí)，牽引電機(jī)產(chǎn)生三相交流電作為三電平逆變器的輸入電源，經(jīng)過(guò)整流后向中間直流電路輸出直流電壓，最終由脈沖整流器將能量反饋回電網(wǎng)。

2 三電平PWM逆變器仿真

根據(jù)三電平PWM逆變器電路結(jié)構(gòu)和SVPWM控制原理采用Simulink搭建仿真電路，如下圖2為PWM發(fā)生模型，圖3為三電平逆變器電路。

3 三電平逆變器故障類型

比較常見(jiàn)的故障類型包括：功率開(kāi)關(guān)器件的斷路、功率開(kāi)關(guān)器件的短路。而在實(shí)際中，功率幵關(guān)器件短路故障最終會(huì)導(dǎo)致功率開(kāi)關(guān)器件斷路，由于多個(gè)功率開(kāi)關(guān)器件同時(shí)斷路的概率較小，所以本文主要研究一個(gè)、兩個(gè)功率開(kāi)關(guān)器件的斷路故障情況。

根據(jù)三電平逆變器的電路結(jié)構(gòu)分析，故障類型可以分成4種情況：?jiǎn)蜗鄻虮蹎蝹€(gè)開(kāi)關(guān)器件斷路、單相橋臂兩個(gè)開(kāi)關(guān)器件斷路、兩相交叉橋臂兩個(gè)開(kāi)關(guān)器件斷路、正常情況，共計(jì)有79種狀態(tài)（如表2）。

利用建立好的電路模型對(duì)主變流器的故障情況進(jìn)行仿真，得到故障的輸出電壓情況，再通過(guò)小波分析，構(gòu)造故障特征向量。

4 利用小波分析及支持向量機(jī)原理進(jìn)行主變流器故障診斷

用load命令調(diào)出保存在to File 模塊中的有關(guān)特征信號(hào)的數(shù)據(jù)，然后按如下步驟進(jìn)行操作：

1）對(duì)提取的特征信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理后，采用d B 3 小波進(jìn)行4 層小波包分解，如圖4。

2）對(duì)各小波包系數(shù)進(jìn)行重構(gòu)，提取各頻帶的信號(hào)。

3）求出第4 層各頻帶對(duì)應(yīng)信號(hào)的能量并進(jìn)行歸一化處理，從而得到反映主變流器運(yùn)行狀態(tài)的特征向量。

設(shè)小波分解后，Es，k為第4層第k個(gè)頻帶的重構(gòu)信號(hào)Ss，k的能量，則有

[E4，k=S4，k（t）2dt=m=1nXkm2] k=0，1，2…，15

式中：n為數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度 ；Xkm為重構(gòu)信號(hào)S4，K（t）離散點(diǎn)的幅值。總能量E 為各頻帶分能量之和，即

[E=k=0NE4，k] （N=15）

對(duì)能量進(jìn)行歸一化，得到特征向量：

[e?{E4，0]…[E4，16}/E]

4）對(duì)得到的特征向量進(jìn)行分析處理，以適合向量機(jī)分類器格式要求。

5）構(gòu)造SVM分類器，進(jìn)行故障診斷。本文采用一對(duì)多算法構(gòu)造79 個(gè)分類器。將屬于某一故障狀況的數(shù)據(jù)樣本判為一類，標(biāo)記為“+1”；其余數(shù)據(jù)樣本判為另一類，標(biāo)記為“-1”。在測(cè)試分類時(shí)，將測(cè)試數(shù)據(jù)樣本輸入分類器1，若輸出為1，測(cè)試結(jié)束，否則自動(dòng)輸入到分類器2，若輸出為1，測(cè)試結(jié)束，否則自動(dòng)輸入到分類器3，依次類推，直到輸入到最后一個(gè)分類器，即可得到分類結(jié)果。

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