机车控制电源及其故障诊断关键技术研究与工程实现

论文摘要

我国铁路实现了跨越式的战略发展目标,列车装备水平也已经迈上新台阶,列车运营速度和运输量都已达到了世界领先水平,这对列车的安全性和可靠性提出了新的要求,车载控制电源作为列车控制核心的能量来源,在保障列车安全运行中起着至关重要的作用。目前,我国的列车的故障有很大一部分是由于微机系统的故障引起的,而电源稳定性的问题是造成机车微机系统死机的重要原因。因此开展具有针对性的车载控制电源关键理论及故障诊断研究具有重要的意义。本文以软开关理论及故障诊断理论为基础,以我国电力机车车载控制电源为对象,根据我国铁路应用的特点和需求,深入开展了符合我国铁路高速、重载发展方向的车载控制电源的关键理论及故障诊断研究,主要研究内容如下：结合对目前流行的各种电源拓扑结构的分析和实践,深入分析车载控制电源工作环境和负载特点,提出一种新型的全桥零电压零电流PWM变换器拓扑结构,详细分析了所提出结构的运行模式,结构特点及性质。提出的拓扑结构适用于低电压、中大功率场合。它具有极宽的零电压零电流开关范围和负载范围,主回路中的开关器件均在软开关条件下工作,损耗极小；箝位电路除了在系统启动周期外,无需预先储能,箝位电压高,占空比丢失极小。在新拓扑的基础上,根据车载控制电源的系统模型具有强非线性和时变性地特点,提出了免疫反馈积分分离增量PID控制器设计方案,应用于所提出的改进型全桥PWM拓扑结构。由试验结果可以看出,传统PID控制在特定的被控对象上仍然具有优越性,但对于开关电源这种复杂的时变系统,这种新型的模糊免疫PID控制器与常规PID控制器相比,控制特性更好,适应性更强。对于由寄生参数等原因引起的被控对象参数变化,提出的控制算法鲁棒性强、超调量小,且能保持无差控制,响应速度快,抗干扰能力强。试验结果验证了所提出控制算法的实用性和有效性。在实现了车载控制电源样机的基础上,针对车载控制电源的故障诊断存在计算量巨大,且缺乏精确的故障数学模型,各子系统之间以及寄生参数的计算和分析方法目前还不明确的问题。本文提出了一种使用因果模型进行分布式故障诊断的新思路。将复杂的系统分割为多个相互具有一定独立性的多个子系统,这样,可以针对每个子系统进行局部的故障诊断,而不需要考虑所有的结构和参数。一方面大大降低了诊断的复杂度,从而提高诊断的可靠性；另一方面,可以针对每个子系统采取不同的、合适的诊断方法,以提高诊断的准确性。根据目前车载控制电源发展需要,基于前面的关于电源的几个关键技术研究的基础,对电源模块化并联理论进行了深入研究,在理论研究的基础上,设计样机并联均流运行成功。采用最大电流法自动均流控制方法,完成了电源模块的电压电流双环控制,试验波形和数据显示,输出特性和均流效果良好。最后,在理论研究的成果上,结合大量的仿真、试验,实现了具有故障诊断功能的高频车载控制电源样机,并装车试运行,验证了理论研究的成果。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 概述
• 1.2 我国电力机车车载控制电源的发展
• 1.3 模块化软开关电源关键技术
• 1.3.1 软开关技术
• 1.3.2 数字化智能控制策略
• 1.3.3 车载控制电源故障诊断技术
• 1.3.4 模块化技术发展
• 1.4 本文研究内容与意义
• 1.5 论文的主要工作
• 第二章 车载控制电源的关键基础理论
• 2.1 移相控制全桥PWM零电压开关变换器拓扑结构
• 2.1.1 基本拓扑
• 2.1.2 运行模式分析
• 2.1.3 变换器特性分析
• 2.2 二次侧有源箝位移相控制全桥PWM零电压零电流开关变换器
• 2.2.1 基本结构
• 2.2.2 运行过程分析
• 2.2.3 特性分析
• 2.3 免疫反馈控制理论
• 2.3.1 免疫系统原理
• 2.3.2 免疫系统的信息处理特性
• 2.3.3 免疫系统基本规则
• 2.4 因果图论
• 2.4.1 故障传播有向图的相关理论
• 2.4.2 用图论进行故障诊断的基本步骤
• 第三章 宽范围有源次级钳位型全桥软开关拓扑研究
• 3.1 引言
• 3.2 新型ZVZCS全桥PWM变换器的基本原理
• 3.3 新型零电压零电流全桥PWM拓扑的状态分析
• 3.4 新拓扑结构的优点
• 3.4.1 更有效的零电压零电流开关条件
• 5的零电压零电流开关条件'>3.4.2 箝位场效应管Q₅的零电压零电流开关条件
• 3.4.3 占空比损失小
• 3.5 系统参数分析
• 3.5.1 滞后臂的零电流开关条件
• 3.5.2 超前臂的零电压开关条件
• 3.5.3 最大的占空比
• 3.5.4 箝位开关的导通关断时间和
• 3.6 样机试验
• 3.7 本章小结
• 第四章 车载控制电源时变模型的控制算法研究
• 4.1 引言
• 4.2 免疫反馈控制分析
• 4.3 新型免疫反馈PID控制器
• 4.3.1 免疫反馈控制规则
• 4.3.2 免疫反馈模糊P控制器
• 4.3.3 增量式积分分离PID与免疫反馈P控制器的结合研究
• 4.4 系统设计
• 4.4.1 控制核心的基本特性
• 4.4.2 控制系统平台设计
• 4.4.3 信号预处理设计
• 4.4.4 保护系统设计
• 4.4.5 控制程序设计
• 4.5 仿真研究
• 4.6 本章小结
• 第五章 分布式车载控制电源电气故障诊断研究
• 5.1 引言
• 5.2 基于因果模型的分布式控制电源故障诊断
• 5.2.1 系统因果模型的分区算法
• 5.2.2 非循环故障因果模型规则
• 5.2.3 车载控制电源的故障因果模型分析
• 5.3 车载控制电源因果图分析
• 5.3.1 因果模型的分级分区
• 5.3.2 搜索反馈环的最小边界割集
• 5.3.3 非循环因果模型的建立
• 5.3.4 基于d-分离判据的非循环因果模型分区方法
• 5.4 车载控制电源电气故障试验
• 5.4.1 车载控制电源分布式故障诊断系统构建
• 5.4.2 故障诊断系统实现
• 5.4.3 试验数据
• 5.4.4 本章小结
• 第六章 电源模块并联均流的研究
• 6.1 引言
• 6.2 开关电源常用的均流方法
• 6.2.1 倾斜法
• 6.2.2 平均电流值法
• 6.2.3 主从设置法
• 6.2.4 热应力均流法
• 6.2.5 最大电流均流法
• 6.2.6 外加均流控制器
• 6.3 并联均流电路的设计
• 6.3.1 负载均流方案
• 6.3.2 均流控制单元的设计
• 6.3.3 抗干扰设计
• 6.3.4 系统的稳定性分析
• 6.4 试验结果分析
• 6.5 本章小结
• 第七章 总结
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间主要的研究成果