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基于混杂系统理论的电力电子电路故障诊断

张志学  
【摘要】:近年来,电力电子技术发展异常迅速,电力电子装置的市场不断扩大。电力电子技术已广泛应用于电力系统、家用电气、交通运输、通信工程、航空航天、商业和工业等诸多领域。而电力电子装置在这些系统中通常作为电源或电机驱动器,对系统的整体可靠性有极大的影响。随着人们对系统的安全性和可靠性的要求越来越高,故障诊断技术正愈来愈受到重视而成为研究热点之一。因此研究电力电子电路的故障诊断,有其理论意义和现实意义。 电力电子电路可以视为一个典型的混杂系统,因此可以利用混杂系统相关理论来研究其故障诊断。本文以混杂系统理论为基础,对电力电子电路进行了混杂系统建模、故障诊断、事件辨识以及小波分析等方面的深入研究。具体的研究内容主要包括以下五个方面: (1)建立电力电子电路的统一数学模型。 根据电力电子电路的混杂系统本质特性,建立了电力电子电路的统一混杂系统数学模型,在模型的基础上给出了电路的基本事件、控制变迁、条件变迁等基本概念,不同的电力电子电路反映到模型中,只是模型中子系统参数以及各个子系统之间离散事件的变迁规律不同。因此,可以利用该模型来讨论电力电子电路的通用故障诊断方法。 (2)提出电力电子电路的通用故障诊断机理。 在统一的混杂系统模型上分析了电力电子电路的基本工作机理和控制策略,指出电力电子电路结构性故障均表现为存在错误事件变迁,即电路的期望事件与实际事件的不相符合,因此通过实时辨识电路的实际事件,就可以确定电路的故障范围和故障类型,从而将电路的故障诊断转化为电路的事件辨识;这一故障诊断机理,能满足同时进行结构性故障诊断和参数性故障诊断的要求,以及通用性要求;利用这一故障诊断机理,分析得到了一些典型电力电子电路的具体事件变迁规律和故障诊断基本规律。 (3)实现电力电子电路拓扑辨识。 将电力电子电路进行等效,然后将传统电路拓扑分析方法应用于电力电子电路的拓扑分析;给出了电力电子电路的同流拓扑、同压拓扑、拓扑线性相关、拓扑向量及最简拓扑向量、独立回路等基本概念和电流变量拓扑线性相关判定、回路独立判定、最简拓扑向量选取等基本定理;利用电路中电流拓扑关联关系,给出了利用开关支路电流变量信息的电路事件辨识方法;而根据拓扑向量具有各不相同变化规律的特征,给出了应用电流变量和电压变量的变化规律信息的事件辨识方法;分析了这些辨识方法各自的使用范围,并利用这些方法,具体分析了一些典型电力电子电路的事件辨识。 (4)利用残差分析实现电路事件辨识。 分析并证明了用残差发生器来实现电力电子电路事件辨识的可行性,给出了这一残差发生器的基本设计要求和构建步骤;提出了利用残差发生器程序做电路事件辨识的计算优先级设计;为了提高残差发生器的鲁棒性,从频域和时域两方面分析了鲁棒残差发生器的基本原


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