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功率变换器开关管故障模式分类技术研究

功率变换器开关管故障模式分类技术研究

作者：陈未南京航空航天大学

学位级别：硕士

功率变换器作为能量转换装置中的重要组成部分,广泛的应用于军用和民用领域。但功率开关器件一般工作在高热、高压和大电流情况下,损坏的几率很大。因此,对功率变换器开关管故障进行诊断具有重要的现实意义和工程应用价值。本文主要从... 详细信息

功率变换器作为能量转换装置中的重要组成部分,广泛的应用于军用和民用领域。但功率开关器件一般工作在高热、高压和大电流情况下,损坏的几率很大。因此,对功率变换器开关管故障进行诊断具有重要的现实意义和工程应用价值。本文主要从模式分类角度对功率变换器开关管故障诊断技术展开研究,主要研究内容为:首先,介绍功率变换器常见的类型和拓扑结构,通过Matlab\Simulink建立功率变换器仿真模型,并进行仿真分析和得到仿真结果。其次,从两个方面来对开关管故障模式分类技术进行研究。一是基于纠错输出编码支持向量机在功率变换器开关管故障分类中的应用,将故障样本映射到高维特征空间后,选择基于距离度量的函数评价指标,并利用遗传算法来寻找较优的最小码长编码矩阵,建立优化的纠错输出编码支持向量机分类器模型。二是基于M-ary支持向量机在功率变换器开关管故障分类中的应用,使用奇偶检验和汉明码改进M-ary支持向量机故障分类方法,通过增加少量的子分类器来使模型具有一定的检错和纠错的能力。通过两个仿真电路对改进的方法进行验证,结果表明了改进方法的有效性。最后,通过一个三相桥式不可控整流电路的物理实验对方法进行验证,结果表明了改进方法的可行性,具有较好的分类效果,并针对功率变换器开关管故障进行了在线诊断实验。

关键词：功率变换器开关管故障模式分类支持向量机

永磁直驱式风力发电系统变流器功率开关管故障容错控制方法研究

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永磁直驱式风力发电系统变流器功率开关管故障容错控制方法研究

作者：秦伟南京理工大学

学位级别：硕士

作为永磁直驱式风力发电系统的关键与核心,功率变流器系统的故障或功能丧失将会严重威胁发电装备的稳定运行和整体安全。开展变流器容错控制方法的研究,避免因变流器故障造成的系统停机和二次故障,对于建立高可靠、强容错性能的风力发... 详细信息

作为永磁直驱式风力发电系统的关键与核心,功率变流器系统的故障或功能丧失将会严重威胁发电装备的稳定运行和整体安全。开展变流器容错控制方法的研究,避免因变流器故障造成的系统停机和二次故障,对于建立高可靠、强容错性能的风力发电系统具有重要现实意义。首先,分析了机侧变流器的数学模型并基于Matlab/Simulink搭建了仿真模型。根据电路拓扑等效和开关管替换的原则引出了电路等效替换的容错控制方法,该方法仅适用于单管故障的容错控制。总结了四种典型的开路故障模式,分析了功率开关管的单管、双管以及多管故障对矢量空间扇区的影响。然后,采用矢量空间扇区细分的策略,具体提出了八扇区容错控制方法和十二扇区容错控制方法,这些方法适用性更强,十二扇区法甚至可以实现三管故障的容错控制。通过研究矢量等模补偿和等轴补偿,发现矢量补偿比例大小不可忽视,具体取值会对容错效果产生较大影响。接着,为解决三相电流“尖刺”失真现象,在矢量空间扇区细分的基础上进一步提出了四种容错效果提升方法,包括扇区缓冲法、开关频率法、d轴电流注入法和抗饱和PI控制法。这些提升方法具有各自的特点和局限性,结合八扇区法或十二扇区法,可以获得更好的容错控制效果。最后,在理论和仿真分析的基础上,本文设计并搭建了机侧变流器实验平台,对新方法逐一进行了实验验证。实验结果表明,所提出的容错控制方法能够有效地改善当功率开关管发生故障之后机侧变流器的三相电流输出正弦度和发电机转速稳定性,大幅度地提高了机侧变流器的可靠性。本文所提的容错控制方法只需对控制器进行重构,不需要额外增加系统的硬件成本,具有适用性强、可移植性高、成本低的特点。

关键词：直驱式风力发电系统永磁同步发电机 PWM变流器变流器健康管理开关管故障容错控制

基于SE-DSCNN的MMC开关管故障诊断方法

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电力自动化设备 2022年第5期42卷 104-111页

作者：曾昭瑢何怡刚武汉大学电气与自动化学院湖北武汉430072

为了实现模块化多电平变换器(MMC)子模块开关管的故障诊断,提出了一种基于挤压-激励模块的深度可分离卷积神经网络(SE-DSCNN)。该网络直接利用原始电容电压数据,不需要任何的特征提取算法,能够自动提取隐藏在原始数据中的深层特征,结合... 详细信息

为了实现模块化多电平变换器(MMC)子模块开关管的故障诊断,提出了一种基于挤压-激励模块的深度可分离卷积神经网络(SE-DSCNN)。该网络直接利用原始电容电压数据,不需要任何的特征提取算法,能够自动提取隐藏在原始数据中的深层特征,结合挤压-激励模块以突出通道域中具有代表性的特征,利用深度可分离卷积(DSC)来减少网络的计算量。利用滑动时间窗口将数据分段并归一化后输入提前训练好的最优模型中,模型输出预测标签。通过与其他人工特征提取方法及深度学习方法进行对比,结果表明模型参数量比具有相同卷积层数的标准卷积神经网络(CNN)减少了70.92%左右。所提方法在已有样本片段上的分类准确率及不同故障时期的诊断正确率均达99%及以上,诊断单个样本片段所需的时间约为0.34 ms,不但能区分故障早期的耦合性特征,还能实现准确、可靠、高效、快速的故障诊断。

关键词： MMC 开关管故障挤压-激励模块深度可分离卷积神经网络故障诊断

基于Simulink的双三相永磁同步电机外部短路影响研究

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船电技术 2024年第3期44卷 43-48页

作者：周鋆宽周育茹酒晨霄张鹏航空工业西安飞行自动控制研究所陕西西安710065

双三相永磁同步电机内有两套绕组,形成两个余度,在单余度故障时,另一余度可继续工作,保持一定性能。短路故障是电机系统中较为严酷的一种故障形式,本文使用电路仿真的方法基于Simulink搭建双三相永磁同步电机的模型并进行几种外部短路... 详细信息

双三相永磁同步电机内有两套绕组,形成两个余度,在单余度故障时,另一余度可继续工作,保持一定性能。短路故障是电机系统中较为严酷的一种故障形式,本文使用电路仿真的方法基于Simulink搭建双三相永磁同步电机的模型并进行几种外部短路情况的分析,避免了传统分析方法在直观性、便捷性方面的不足,得到双三相永磁同步电机在单余度引出线短路与开关管短路的故障下运行的状态。并分析了故障余度的控制系统,切断控制系统可减小输出性能下降,而主动构造三相完全短路可减小输出波动。最后总结双三相永磁同步电机外部短路对电机运行状态的影响。

关键词：双三相永磁同步电机短路故障电路仿真开关管故障容错控制

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基于虚拟健全的有源电力滤波器容错控制

电力电子技术 2023年第4期57卷 46-51页

作者：彭可心王学庆孟鑫贺明智四川大学电气工程学院四川成都610065

针对有源电力滤波器(APF)故障,提出一种基于虚拟健全概念的无辅助电路容错控制方法,在所提容错控制方法实现过程中,不需要改变电路拓扑和控制架构,只需要修改参考电流;给出正常运行与容错运行均适用的APF统一控制架构;研究了APF的缺相... 详细信息

针对有源电力滤波器(APF)故障,提出一种基于虚拟健全概念的无辅助电路容错控制方法,在所提容错控制方法实现过程中,不需要改变电路拓扑和控制架构,只需要修改参考电流;给出正常运行与容错运行均适用的APF统一控制架构;研究了APF的缺相故障和开关管故障特性,分别给出了对应的容错控制参考电流。通过采用所提APF的缺相故障和开关管故障容错控制方法,电网电流的总谐波畸变率减小,有效改善了电网的电能质量。实验结果验证了该方法的有效性。

关键词：有源电力滤波器容错控制缺相故障开关管故障

开关磁阻电机无位置技术及功率变换器容错控制研究

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开关磁阻电机无位置技术及功率变换器容错控制研究

作者：程建平大连海事大学

学位级别：硕士

开关磁阻电机(Switched Reluctance Motor,SRM)得益于其结构简单坚固、可控性高等优点,在电气传动领域有着较大的应用潜力。但是位置传感器和功率变换器的可靠性会影响系统的运行性能,一定程度上影响了系统的容错性。对此,本文基于堵转... 详细信息

开关磁阻电机(Switched Reluctance Motor,SRM)得益于其结构简单坚固、可控性高等优点,在电气传动领域有着较大的应用潜力。但是位置传感器和功率变换器的可靠性会影响系统的运行性能,一定程度上影响了系统的容错性。对此,本文基于堵转实验和查表法建立SRM本体模型,对电感法无位置传感器控制和功率变换器开关管开路、短路故障容错控制进行研究,旨在改善驱动系统的容错性能。首先,针对传统电感特征点法无位置传感器控制在电感饱和情况下,转子位置估计精度低的问题,提出了一种实时误差计算补偿方法以提高位置估计精度。首先将特征点下降高度、偏移前后电感曲线方程、位置偏移误差在电感饱和情况下构成多边形,通过对多边形积分,构建关于偏移误差的等式。随后对不同电感饱和程度下电感特征点数据离线进行分析,分别建立了电感下降高度和偏移后电感方程关于负载转矩的函数,得到误差表达式,最后形成了完整的全周期角度补偿方案实现转子位置的估计。其次,针对功率变换器中单相开关管发生开路故障时,相电流、转矩峰值过大的问题,通过机械运动方程对转速波动进行分析,提出一种基于参考转矩补偿的容错控制算法。针对单相开关管发生短路故障时,相电流峰值远高于正常值、出现负转矩的问题,通过对故障相关断区间内电流峰值、电流斜率变化特性的分析,提出一种单开关管短路故障诊断方法。诊断出短路故障后,阻断故障相励磁,随后转换为开路故障进行容错控制。最后,基于MATLAB/Simulink仿真环境和12/8极SRM实验平台,对所提电感饱和情况下的无位置传感器控制算法进行了仿真和实验分析,结果表明,所提算法能够有效提高位置估计精度,且实现对SRM的高精度无位置传感器控制。由于实验条件限制,仅对所提功率变换器开关管开路、短路故障容错控制算法进行了仿真验证,结果显示,所提方法在开关管故障情况下,对于电流、转矩峰值的抑制有良好的效果,说明了所提算法的有效性。

关键词：开关磁阻电机无位置控制电感饱和容错控制开关管故障

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DC-DC变换器的故障诊断电路设计

DC-DC变换器的故障诊断电路设计

作者：许满超东南大学

学位级别：硕士

随着DC-DC变换器在航空航天、通信、船舶、计算机和工业控制等领域的广泛应用,确保相关系统安全工作的需求越来越迫切,而解决问题的关键在于对DC-DC变换器的故障诊断及处理。近些年来,针对DC-DC变换器中开关管的故障诊断研究受到学术界... 详细信息

随着DC-DC变换器在航空航天、通信、船舶、计算机和工业控制等领域的广泛应用,确保相关系统安全工作的需求越来越迫切,而解决问题的关键在于对DC-DC变换器的故障诊断及处理。近些年来,针对DC-DC变换器中开关管的故障诊断研究受到学术界广泛关注,但对开关管故障诊断研究还不成熟,难以满足高品质应用领域对开关管故障快速诊断的要求。因此,研究DC-DC变换器中开关管的故障诊断课题对高品质DC-DC变换器的设计具有重要意义。本论文设计了一种用于快速诊断开关管故障的电路,主要进行了三个方面的工作。首先,分析开关管的故障类型,建立了开关管的故障模型。其次,从理论上推导出开关管故障的标志电学量——输出电压的微分,阐明了输出电压微分结果与开关管故障的对应关系。最后,采用输出电压微分的方法设计了故障诊断电路,包括系统传输延迟消除电路和故障类型判别电路,并确定了故障诊断策略。本文的创新之处是采用输出电压微分法设计了故障诊断电路,与传统诊断方法相比,本文设计的电路具有故障诊断时间短、不使用传感器、应用范围广和成本低的特点。基于实际的Buck变换器,本文进行了故障诊断模块的实现及验证。测试结果表明：在开关周期Ts为24.2μs、输出电压纹波率为0.04的情况下,故障诊断电路能够准确诊断出开关管的开路故障和短路故障,且故障诊断时间为0.35Ts。本文的设计方案可以广泛地应用于各种PWM型DC-DC变换器。

关键词：故障诊断输出电压微分故障模型 DC-DC变换器开关管故障

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航空发电机旋转整流器故障特征提取技术研究

航空发电机旋转整流器故障特征提取技术研究

作者：叶纪青南京航空航天大学

学位级别：硕士

旋转整流器是同步交流发电机的核心部件,旋转整流器中的整流二极管不仅会受到发电机振动加速度的影响,而且由于转子的高速旋转,会产生很大的离心力和机械应力,因而旋转整流器非常容易出现故障。同步交流发电机广泛应用于航空航天、国防... 详细信息

旋转整流器是同步交流发电机的核心部件,旋转整流器中的整流二极管不仅会受到发电机振动加速度的影响,而且由于转子的高速旋转,会产生很大的离心力和机械应力,因而旋转整流器非常容易出现故障。同步交流发电机广泛应用于航空航天、国防以及工农业等重要领域,因而对同步交流发电机中的旋转整流器进行故障诊断十分重要。本文主要研究了基于分数阶傅里叶变换的旋转整流器故障诊断方法,主要研究内容如下:首先,介绍同步交流发电机的基本结构及其工作原理,利用Matlab/Simulink建立同步交流发电机的仿真模型,并进行仿真实验且对仿真结果进行分析。其次,利用分数阶傅里叶变换对同步交流发电机的三相输出电压信号进行信号处理分析,提取出表征旋转整流器故障模式的两个关键特征量,并提出了同步交流发电机旋转整流器的故障诊断方法,并通过进行仿真实验对提出方法进行验证,结果表明了提出方法的有效性。最后,搭建同步交流发电机物理实验平台,对旋转整流器不同故障模式下的同步交流发电机三相输出电压信号进行验证,表明基于分数阶傅里叶变换的旋转整流器故障诊断方法的可行性,具有诊断正确率高、速度快等特点。同时,将本文提出的故障诊断方法与基于傅里叶变换的故障诊断方法和基于小波变换的故障诊断方法进行了深入对比分析,进一步表明本文提出的基于分数阶傅里叶变换的旋转整流器故障诊断方法的有效性。

关键词：同步交流发电机旋转整流器开关管故障分数阶傅里叶变换