CRH2动车组牵引变流器故障诊断

李岚

摘要：牵引变流器一旦出现故障，将严重影响动车运行性能和安全。CRH2动车组主变流器电路与其他型号动车组有较大区别，其交流传动部分采用三电平逆变技术，该文将以CRH2动车组牵引变流器的三电平逆变电路作为研究对象，对CRH2动车组牵引变流器的故障原因、故障类型、故障诊断技术展开研究。分析了其工作原理和故障类型，最后通过小波分析进行了故障诊断。

关键词：CRH2动车组；三电平逆变技术；小波分析；故障诊断。

中图分类号：TP3 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）10-0248-03

2004年，我国通过引进国外高速铁路先进技术，立足国内，自主创新，成功研究出CRH型系列动车组。随着动车组投入铁路运营，一方面极大提高了铁路运输效率，同时也给机车维修带来新的挑战。特别是牵引变流器一旦出现故障，将严重影响动车运行性能和安全。CRH2动车组主变流器电路与其他型号动车组有较大区别，其交流传动部分采用三电平逆变技术，因此本文将以CRH2动车组牵引变流器的三电平逆变电路作为研究对象，对CRH2动车组牵引变流器的故障原因、故障类型、故障诊断技术展开研究。

1 CRH2动车组牵引变流器三电平逆变电路的工作原理

IGBT 三电平逆变器主电路（如图1 所示）采用两个主管串联， 中点有一对二极管箝位的结构.可以看出， 各主管承受的反压是中间回路直流电压的一半， 即主管的耐压比二电平逆变器可降低一半。工作原理先从一相桥臂分析.四个主管的三种通断组合（见表1）可以得出对应交流输出端有三种电平（+Ud/2 ， 0 ， -Ud/2）。

逆变器的输入电压由中间直流环节提供，通过PWM控制IGBT的通断，输出频率电压都可调的三相交流电。当列车运行在牵引工况时，三电平逆变器输出频率、电压幅值都可调的三相交流电对4台牵引电机进行速度、力矩控制；当列车运行在再生制动工况时，牵引电机产生三相交流电作为三电平逆变器的输入电源，经过整流后向中间直流电路输出直流电压，最终由脉冲整流器将能量反馈回电网。

2 三电平PWM逆变器仿真

根据三电平PWM逆变器电路结构和SVPWM控制原理采用Simulink搭建仿真电路，如下图2为PWM发生模型，图3为三电平逆变器电路。

3 三电平逆变器故障类型

比较常见的故障类型包括：功率开关器件的断路、功率开关器件的短路。而在实际中，功率幵关器件短路故障最终会导致功率开关器件断路，由于多个功率开关器件同时断路的概率较小，所以本文主要研究一个、两个功率开关器件的断路故障情况。

根据三电平逆变器的电路结构分析，故障类型可以分成4种情况：单相桥臂单个开关器件断路、单相桥臂两个开关器件断路、两相交叉桥臂两个开关器件断路、正常情况，共计有79种状态（如表2）。

利用建立好的电路模型对主变流器的故障情况进行仿真，得到故障的输出电压情况，再通过小波分析，构造故障特征向量。

4 利用小波分析及支持向量机原理进行主变流器故障诊断

用load命令调出保存在to File 模块中的有关特征信号的数据，然后按如下步骤进行操作：

1）对提取的特征信号进行预处理后，采用d B 3 小波进行4 层小波包分解，如图4。

2）对各小波包系数进行重构，提取各频带的信号。

3）求出第4 层各频带对应信号的能量并进行归一化处理，从而得到反映主变流器运行状态的特征向量。

设小波分解后，Es，k为第4层第k个频带的重构信号Ss，k的能量，则有

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

式中：n为数据的长度 ；Xkm为重构信号S4，K（t）离散点的幅值。总能量E 为各频带分能量之和，即

[E=k=0NE4，k] （N=15）

对能量进行归一化，得到特征向量：

[e?{E4，0]…[E4，16}/E]

4）对得到的特征向量进行分析处理，以适合向量机分类器格式要求。

5）构造SVM分类器，进行故障诊断。本文采用一对多算法构造79 个分类器。将属于某一故障状况的数据样本判为一类，标记为“+1”；其余数据样本判为另一类，标记为“-1”。在测试分类时，将测试数据样本输入分类器1，若输出为1，测试结束，否则自动输入到分类器2，若输出为1，测试结束，否则自动输入到分类器3，依次类推，直到输入到最后一个分类器，即可得到分类结果。

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