CN104333208B - 一种三段桥式变流电路开路故障处理装置及故障诊断方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三段桥式变流电路开路故障处理装置及诊断方法，其中包括故障处理单元，用于接收、处理三段桥式变流电路的部分输入电压U2及输出电压U1，对得出的结果波形进行编码处理，通过编码确定发生故障的开关管；通过变流控制器改变各开关管触发脉冲，同时改变所述三段桥式变流电路的连接方式，以实现在发生故障后，所述三段桥式变流电路的输出电压U1仍可以在0和原额定电压Ud间全范围调整。提供了一种兼具故障检测、定位以及容错控制的故障诊断方法，大大提高了轨道交通的安全性。

Description

一种三段桥式变流电路开路故障处理装置及故障诊断方法

技术领域

本发明涉及电路检测领域，特别是指一种三段桥式变流电路开路故障处理装置及故障诊断方法。

背景技术

轨道交通运输不论采取电力或内燃牵引，电能的传递和变换都离不开牵引变流器***。牵引变流器***采用的电力电子器件、拓扑结构及其控制技术，决定了牵引传动***的主要技术性能，其故障轻则引起轨道车辆性能或功能受损，重则直接导致机破，造成重大的经济损失和社会影响。

交直传动中最为常见的三段桥式变流电路其原有的检测设备监测、诊断功能单一，难以满足运行需要、保证轨道交通安全，因此需要一种兼具故障检测、定位以及容错控制的故障诊断方法，以及与其配合的故障处理装置。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提出一种兼具故障检测、定位以及容错控制的故障诊断方法，同时根据此方法提出一种故障处理装置。

基于上述目的本发明提供一种三段桥式变流电路开路故障处理装置，包括三段桥式变流电路，所述三段桥式变流电路包括用于控制其各开关管触发脉冲的变流控制器，还包括：

故障处理单元，所述故障处理单元用于接收、处理所述三段桥式变流电路的部分输入电压U2及输出电压U1，对得出的结果波形进行编码处理，通过编码确定发生故障的开关管；通过所述变流控制器改变各开关管触发脉冲，同时改变所述三段桥式变流电路的连接方式，以实现在发生故障后，所述三段桥式变流电路的输出电压U1仍可以在0和原额定电压Ud间全范围调整。

根据本发明提供的一种三段桥式变流电路开路故障处理装置的一些可选实施例，所述故障处理单元包括：

信号转换模块，连接至所述三段桥式变流电路的输入端和输出端，用于接收其部分输入电压U2和输出电压U1；

故障诊断模块，连接至所述信号转换模块，用于诊断所述三段桥式变流电路是否发生开路故障；

故障定位模块，连接至所述信号转换模块，用于定位所述三段桥式变流电路中发生故障的开关管；

接口模块，连接至所述故障诊断模块、故障定位模块及所述变流控制器，通过检测到的故障计算相应的容错控制策略，并将此策略发送至所述变流控制器；

故障容错控制模块，连接至所述接口模块，通过容错控制策略对所述三段桥式变流电路的接线方式进行调整。

根据本发明提供的一种三段桥式变流电路开路故障处理装置的一些可选实施例，其中：

所述信号转换模块用于接收、处理部分输入电压U2及输出电压U1；其处理过程包括：对U1和U2进行同步降压处理、对U2进行整流得到|U2|、计算U1-x|U2|，其中x＝1，2，3；将所述U1-x|U2|发送至所述故障诊断模块；

所述故障诊断模块通过检测U1-x|U2|的波形的过零点，并将其与正常工作状态下的过零点进行对比，进而判断所述三段桥式变流电路是否发生开路故障；将故障检测结果发送至所述接口模块；

所述故障定位模块通过检测U1-x|U2|的波形的过零点，对其在一个周期内两个半周期中的过零脉冲数进行编码，并以此编码来定位发生故障的开关管；将故障定位结果发送至所述接口模块；

所述接口模块通过故障检测结果、故障定位结果计算相应的容错控制策略，将容错控制策略以牵引变流控制器可以接受的形式反馈至所述变流控制器，并改变所述变流控制器所发送的触发脉冲；同时将容错控制策略发送至故障容错控制模块。

故障容错控制模块，所述容错控制模块通过容错控制策略，利用开关改变输入变压器与牵引变流器的接线方法，避免使用发生故障的开关管，使得***使用余下的开关管完成变流过程。

根据本发明提供的一种三段桥式变流电路开路故障处理装置的一些可选实施例，实现所述信号转换模块和所述故障定位模块的功能的电路包括一种过零检测脉冲发生电路，所述过零检测脉冲发生电路包括：运算放大器U1A，光耦合器U2，D触发器U3A、U3B，异或门U4A，电阻R11、R1f、R12、R1p、R2；其中

电阻R11一端连接运算放大器U1A反相输入端、电阻R1f一端，电阻R1f另一端连接运算放大器U1A输出端、光耦合器U2输入端，电阻R12一端连接运算放大器U1A正相输入端、电阻R1p一端，电阻R1p另一端接模拟地，光耦合器U2输出端接电阻R2一端、D触发器U3A信号输入端D，电阻R2另一端接工作电压VDD，D触发器U3A输出端Q接D触发器U3B信号输入端D、异或门U4A的一个输入端，D触发器U3B输出端Q接异或门U4A的另一个输入端。

根据本发明提供的一种三段桥式变流电路开路故障处理装置的一些可选实施例，所述故障定位模块中包括一种过零脉宽转换电路，其特征在于，包括：光耦合器U5，包括第一非门、第二非门的偶数个非门，电阻R5；其中

光耦合器U5输出端接电阻R5一端、第一非门一端，电阻R5另一端接工作电压VDD，第一非门输出端接第二非门输入端，若非门个数多于两个，则将其余非门依次串联于第二非门的输出端。

根据本发明提供的一种三段桥式变流电路开路故障处理装置的一些可选实施例，所述故障容错控制模块还包括设置于所述三段桥式变流电路各绕组与开关管之间的至少五个容错控制开关；所述容错控制开关受所述故障容错控制模块控制，改变其档位，进而改变所述三段桥式变流电路的接线方法。

本发明还提供一种与上述故障处理装置相配合的三段桥式变流电路开路故障诊断方法，其步骤包括：

S1，检测三段桥式变流电路的输出电压U1和输入电压Ud，令部分输入电压U2＝1/4Ud；

S2，将U1和U2进行同步降压，然后对U2进行全波整流得到|U2|；

S3，计算U1-x|U2|，x的取值包括1、2、3，得到时序波形U1-|U2|、U1-2|U2|、U1-3|U2|，检测所得时序波形U1-|U2|、U1-2|U2|、U1-3|U2|的过零脉冲序列ZC_T1、ZC_T2、ZC_T3；

S4，对输出电压U1进行过零检测，然后对所产生的过零脉冲宽度进行调整，得到过零脉冲宽度不同的序列ZCW_1、ZCW_2；

S5，将得到的ZC_T1、ZC_T2、ZC_T3分别与ZCW_1、ZCW_2通过与门，得到脉冲序列ZC1至ZC6；

S6，对得到的脉冲序列一个周期内的过零脉冲个数按照一定的编码方式进行编码，根据编码结果进行故障诊断及定位；

S7，根据故障诊断和定位结果产生容错控制策略。

根据本发明提供的一种三段桥式变流电路开路故障诊断方法的一些可选实施例，将U1和U2分别输入三组过零检测脉冲发生电路，此三组电路的输出即分别为ZC_T1、ZC_T2和ZC_T3；将U1输入两组不同的过零脉宽转换电路，通过调整U1过零脉冲序列的脉宽，滤除满开放开关管开通时产生的过零脉冲和输入电压自然过零引起的过零脉冲，得到过零脉冲序列ZCW_1和ZCW_2。

根据本发明提供的一种三段桥式变流电路开路故障诊断方法的一些可选实施例，步骤S6中的编码方式为，统计0-1/2周期、1/2-1周期中ZC1-ZC3的过零脉冲个数，并按照0-1/2周期ZC1过零脉冲个数、0-1/2周期ZC2过零脉冲个数、0-1/2周期ZC3过零脉冲个数、1/2-1周期中ZC1过零脉冲个数、1/2-1周期中ZC2过零脉冲个数、1/2-1周期中ZC3过零脉冲个数的顺序进行编码，得到诊断脉冲表；然后将ZC4-ZC6也按照上述方法进行编码，得到二次诊断脉冲表。

根据本发明提供的一种三段桥式变流电路开路故障诊断方法的一些可选实施例，还包括容错控制方法；所述容错控制方法为通过改变所述三段桥式变流电路中开关管的接线方式，避免使用发生故障的开关管，以实现经过调整后的三段桥式变流电路的输出电压仍然能够在0和原额定输出电压之间连续调整。

综上所述，本发明提供的一种三段桥式变流电路开路故障处理装置及诊断方法通过分析、对比发生故障时输入、输出电压差值波形的过零点分布和正常状态下输入、输出电压差值波形的过零点分布，并配合相应的电路，实现开路故障定位；本发明还根据诊断方法提出了一种容错控制方法，利用改变各开关管的接线方式，避免使用发生故障的开关管，使得输出电压可以保持原有范围。提供了一种兼具故障检测、定位以及容错控制的故障诊断方法，大大提高了轨道交通的安全性。

附图说明

图1为本发明提供的一种三段桥式变流电路开路故障处理装置及故障诊断方法的拓扑结构图；

图2为本发明提供的一种三段桥式变流电路开路故障处理装置及故障诊断方法中Mode₁电流流向示意图；

图3为本发明提供的一种三段桥式变流电路开路故障处理装置及故障诊断方法中Mode₁等效电路图；

图4为本发明提供的一种三段桥式变流电路开路故障处理装置及故障诊断方法中Mode₂电流流向示意图；

图5为本发明提供的一种三段桥式变流电路开路故障处理装置及故障诊断方法中Mode3电流流向示意图；

图6为本发明提供的一种三段桥式变流电路开路故障处理装置及故障诊断方法中Mode6电流流向示意图；

图7为本发明提供的一种三段桥式变流电路开路故障处理装置及故障诊断方法中Mode6等效电路图；

图8为本发明提供的一种三段桥式变流电路开路故障处理装置及故障诊断方法中Mode8电流流向示意图；

图9为本发明提供的一种三段桥式变流电路开路故障处理装置及故障诊断方法中Mode11电流流向示意图；

图10为本发明提供的一种三段桥式变流电路开路故障处理装置及故障诊断方法中Mode11等效电路图；

图11为本发明提供的一种三段桥式变流电路开路故障处理装置及故障诊断方法中Mode13电流流向示意图；

图12为本发明提供的一种三段桥式变流电路开路故障处理装置及故障诊断方法中变流电路正常工作时各关键点波形图；

图13为本发明提供的一种三段桥式变流电路开路故障处理装置及故障诊断方法中VT4在t1时刻发生开路故障的波形图；

图14为本发明提供的一种三段桥式变流电路开路故障处理装置及故障诊断方法中VT2在t1时刻发生开路故障的波形图；

图15为本发明提供的一种三段桥式变流电路开路故障处理装置及故障诊断方法中VD2在t1时刻发生开路故障的波形图；

图16为本发明提供的一种三段桥式变流电路开路故障处理装置及故障诊断方法中VD2(1)处于Fault1时的电流流向图；

图17为本发明提供的一种三段桥式变流电路开路故障处理装置及故障诊断方法中VD2(1)处于Fault4时的电流流向图；

图18为本发明提供的一种三段桥式变流电路开路故障处理装置及故障诊断方法中VD2(1)处于Fault5时的电流流向图；

图19为本发明提供的一种三段桥式变流电路开路故障处理装置及故障诊断方法中VD2(1)处于Fault6时的电流流向图；

图20为本发明提供的一种三段桥式变流电路开路故障处理装置及故障诊断方法中VT6在t1时刻发生开路故障的波形图；

图21为本发明提供的一种三段桥式变流电路开路故障处理装置及故障诊断方法中VT6(5)处于Fault1时的电流流向图；

图22为本发明提供的一种三段桥式变流电路开路故障处理装置及故障诊断方法中VT6(5)处于Fault4时的电流流向图；

图23为本发明提供的一种三段桥式变流电路开路故障处理装置及故障诊断方法中VD4在t1时刻发生开路故障的波形图；

图24为本发明提供的一种三段桥式变流电路开路故障处理装置及故障诊断方法中VT4(3)处于Fault1时的电流流向图；

图25为本发明提供的一种三段桥式变流电路开路故障处理装置及故障诊断方法中VT4(3)处于Fault4时的电流流向图；

图26为本发明提供的一种三段桥式变流电路开路故障处理装置及故障诊断方法中VT4(3)处于Fault5时的电流流向图；

图27为本发明提供的一种三段桥式变流电路开路故障处理装置及故障诊断方法中变流电路正常工作时的诊断波形图；

图28为本发明提供的一种三段桥式变流电路开路故障处理装置及故障诊断方法中VT4发生开路故障时的诊断波形图；

图29为本发明提供的一种三段桥式变流电路开路故障处理装置及故障诊断方法中VT2发生开路故障时的诊断波形图；

图30为本发明提供的一种三段桥式变流电路开路故障处理装置及故障诊断方法中VD2发生开路故障时的诊断波形图；

图31为本发明提供的一种三段桥式变流电路开路故障处理装置及故障诊断方法中VT6发生开路故障时的诊断波形图；

图32为本发明提供的一种三段桥式变流电路开路故障处理装置及故障诊断方法中VD4发生开路故障时的诊断波形图；

图33为本发明提供的一种三段桥式变流电路开路故障处理装置及故障诊断方法中故障诊断方法的流程图；

图34为本发明提供的一种三段桥式变流电路开路故障处理装置及故障诊断方法中过零检测脉冲发生电路的电路图；

图35为本发明提供的一种三段桥式变流电路开路故障处理装置及故障诊断方法中过零脉宽转换电路的电路图；

图36为本发明提供的一种三段桥式变流电路开路故障处理装置及故障诊断方法中得到的诊断脉冲表；

图37为本发明提供的一种三段桥式变流电路开路故障处理装置及故障诊断方法中得到的二次诊断表；

图38为本发明提供的一种三段桥式变流电路开路故障处理装置及故障诊断方法中***诊断原理框图；

图39为本发明提供的一种三段桥式变流电路开路故障处理装置及故障诊断方法中VT4发生开路故障时的容错控制开关接线图；

图40为本发明提供的一种三段桥式变流电路开路故障处理装置及故障诊断方法中VT2发生开路故障时的容错控制开关接线图；

图41为本发明提供的一种三段桥式变流电路开路故障处理装置及故障诊断方法中VD2发生开路故障时的容错控制开关接线图；

图42为本发明提供的一种三段桥式变流电路开路故障处理装置及故障诊断方法中VT6或VD4发生开路故障时的容错控制开关接线图；

图43为本发明提供的一种三段桥式变流电路开路故障处理装置及故障诊断方法中容错控制开关位置表；

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。在此以应用最为广泛的三段桥式变流电路，尤其是轨道交通中交直传动机车所用的三段桥式变流电路为例，给出本发明的优选实施例。

***基本拓扑结构

本优选实施例中三段桥式变流电路的***拓扑结构如图1所示；三段桥式变流电路包括变流电路以及用于控制其各开关管触发脉冲的变流控制器，在变流电路和变流控制器之间连接有故障处理单元，用于接收、处理三段桥式变流电路的部分输入电压U2及输出电压U1，对得出的结果波形进行编码处理，通过编码确定发生故障的开关管；通过变流控制器改变各开关管触发脉冲，同时改变三段桥式变流电路的连接方式，以实现在发生故障后，三段桥式变流电路的输出电压U1仍可以在0和原额定电压Ud间全范围调整。

在三段桥式变流电路中：VD1-VD4为功率二极管；VT1-VT6为晶闸管；a1-b1-x1和a2-x2为牵引变流器的两组牵引绕组；75R和76R为保护电阻，用于吸收部分过电压；11L和12L分别为两台牵引电机的平波电抗器。K1-K5为容错控制开关。U_d为***输入电压，其中，a2x2绕组上的电压为1/2U_d，a1b1和b1x1上的电压分别为1/4U_d，这里定义U₂为***输入电压的一部分U₂＝1/4U_d；U₁为***输出电压。

上述故障处理单元包括：

信号转换模块，连接至三段桥式变流电路的输入端和输出端，用于接收其部分输入电压U2和输出电压U1；

故障诊断模块，连接至信号转换模块，用于诊断三段桥式变流电路是否发生开路故障；

故障定位模块，连接至信号转换模块，用于定位三段桥式变流电路中发生故障的开关管；

接口模块，连接至故障诊断模块、故障定位模块及变流控制器，通过检测到的故障计算相应的容错控制策略，并将此策略发送至变流控制器；发送形式以变流控制器可接受的形式，通常为MVB总线通信方式，或者是485总线方式；

故障容错控制模块，连接至接口模块，通过容错控制策略对所述三段桥式变流电路的接线方式进行调整；其包括设置于三段桥式变流电路各绕组与开关管之间的至少五个容错控制开关K1-K5；容错控制开关受故障容错控制模块控制，改变其档位，进而改变所述三段桥式变流电路的接线方法。

在介绍各模块的具体电路结构和功能的实现方法前，首先分析三段桥式变流电路的基本工作原理，以便于解释和理解。

三段变流电路的基本工作原理

三段变流电路的基本工作原理可以分为三个阶段，第一阶段为***正常工作阶段，第二个阶段是故障的诊断及定位，第三个阶段为容错控制策略的实施。

***正常工作时，根据负载的增长，依次投入三段桥。

当***发生桥臂短路故障时，由于与桥臂串联有熔断器，短路故障也会在极短的时间内转变为开路故障，因此，本发明主要考虑单桥臂开路故障。当任意单桥臂上的开关管发生开路故障时，***的输出波形会出现明显的变化，可以非常明确的表征故障状态，同时结合其他信号进行综合分析，可精确确定开路故障发生的位置。

在容错控制阶段，根据故障的诊断及定位的结果，通过容错控制开关K1-K5改变控制输入变压器接线方式，避免使用发生故障的开关管，将***转变为两段桥，从而保持***全范围输出。仅在输出电压调整精度上与完好***存在少许差别，不会影响机车正常运行。

***正常工作状态分析

当***处于正常状态时，各开关管完好，容错控制开关K1-K5都处于其各自的位置1上。

启动初期，***先投入变压器的a₂x₂绕组，控制VT₅和VT₆的移相角从而实现输出电压在0至之间连续可变：

Mode₁(t₁-t₂)：Mode₁下电流流向如图2所示(粗线为电流路径，下同)，等效电路图如图3所示。

输入电压处于正弦波的正半周，在t₁时刻，VT₆导通，参考图2，电流流向为：

a₂→VD₃→11L/12L→M→VD₂→VD₁→VT₆→x₂。

参考图3可得电压关系：

其中：1/2U_d为牵引变压器输出电压；L₂为11L和12L的电感值，R₁、L₁和E₁分别为牵引电机的等效电阻、电感和反电势。分别为VD₃、VD₂、VD₁、VT₆的通态压降，由于多为1V左右，可以忽略，75R和76R由于阻值较大，因此电流I₂也可忽略。因此，由(1)可得：

在此阶段，输出电压U₁略小于输入电压1/2U_d，两者变化趋势相同，变流器向负载输出能量，负载电流I₁持续上升直至t₂，在t₂时刻，输入电压自然过零，进入Mode₂。

Mode₂(t₂-t₃)：Mode₂下电流流向图如图4所示，此阶段，VT₆上的电压反向，VT₆承受反向电压自然关断，电流通过VD₁-VD₄续流，输出电压在此阶段为0，输出电流I₁线性下降，直至t₃时刻VT₅导通。

Mode₃(t₃-t₄)：Mode₃下电流流向如图5所示，t₃时刻是由控制***根据负载需求选定的，此刻VT₅导通，输入电压处于负半周。此阶段的输入与Mode₁时在数值上完全一样，方向相反，输出与Mode₁情况一致。变流器向负载输出能量，负载电流I₁持续上升直至t₄，在t₄时刻，输入电压自然过零，VT₅自然关断，***进入Mode₄。

Mode₄(t₄-t₅)：Mode₄下电流流向仍如图4所示，此阶段，电流通过VD₁-VD₄续流，输出电压电流与Mode₂一致，直至t₅时刻VT₆导通，***进入下一工作周期。

Mode₅(t₅-t₆)：此阶段为***仅投入a₂x₂的工作情况，当***负载逐步增大，输出电压达到1/2U_d时(t₆)，***开始投入a₁b₁。

Mode₆(t₆-t₇)：Mode₆下电流流向如图6所示，等效电路图如图7所示。此阶段VT₅和VT₆维持满开放，在t₆时刻绕组a₁b₁投入，通过控制VT₁和VT₂的移相角控制***输出在1/2～3/4U_d间变化。此时若处于正半周，则导通VT₂。由图7可得电压关系：

其中，3/4U_d为牵引变压器输出绕组a₂x₂加a₁b₁上的总电压。

因此，由(4)可得：

在t₇时刻，输入电压自然过零，VT₂自然关断，***进入Mode₇。

Mode₇(t₇～t₈)：t₇时刻，VT₅和VT₆维持满开放，a₁b₁绕组不参与供电，***仅由a₂x₂绕组供电，VD₁和VD₂续流，输出电压随输入电压变化，大小约为1/2U_d，电流流向及等效电路图与Mode₁相同，分别如图2、图3所示。

Mode₈(t₈～t₉)：t₈时刻，VT₁导通，a₁b₁和a₂x₂向***供电，输出电压、电流的大小及趋势与Mode₆一致，电流流向图如图8所示。

Mode₉(t₉～t₁₀)：t₉时刻输入电压自然过零，VT₁自然关断并承受反向电压，VT₅和VT₆维持满开放，输出电压电流与Mode₃一致，直至t₁₀时刻VT₂导通，***进入下一工作周期。电流流向如图5所示。

Mode₁₀(t₁₀～t₁₁)：此阶段***投入a₁b₁和a₂x₂，当***负载逐步增大，输出电压达到3/4U_d时(t₁₀)，***投入b₁x₁。

Mode₁₁(t₁₁～t₁₂)：VT₅、VT₆、VT₁、VT₂的触发维持满开放，在t₁₁时刻绕组b₁x₁投入，通过控制VT₃和VT₄的移相角控制***输出在3/4U_d～U_d间变化。此时若处于正半周，则导通VT₄，电流流向图如图9所示，等效电路图如图10所示，由图10可得电压关系：

其中，U_d为牵引变压器输出绕组a₂x₂加a₁x₁上的总电压。

因此，由(7)可得：

在t₁₂时刻，输入电压自然过零，VT₄自然关断，***进入Mode₁₂。

Mode₁₂(t₁₂～t₁₃)：VT₅、VT₆、VT₁和VT₂维持满开放，b₁x₁绕组不参与供电，***由a₂x₂和a₁b₁绕组供电，输出电压随输入电压变化，大小约为3/4U_d，电流流向与Mode₆相同，如图6所示。

Mode₁₃(t₁₃～t₁₄)：t₁₃时刻，导通VT₃，a₁x₁和a₂x₂共同向***供电，输出电压大小及趋势与Mode₁₁一致。电流流向如图11所示。

Mode₁₄(t₁₄～t₁₅)：输入电压自然过零，VT₃承受反压自然关断，VT₅、VT₆、VT₁和VT₂维持满开放，***由a₂x₂和a₁b₁绕组供电，输出电压电流与Mode1₁₂一致，电流流向Mode₃相同，如图5所示。直至t₁₅时刻VT₄导通，***进入下一工作周期。

综上，***正常工作时各关键点的波形如图12所示。

***异常工作状态分析

由于牵引变流器***中同一桥臂上下管分别开路时，波形一致，仅相位不同。为简化故障诊断及定位方法的分析，仅分析VT₄，VT₂，VD₂，VT₆和VD₄开路时***的工作状态，假设***已进入稳态：

VT₄开路故障分析

VT₄或VT₃在t₁时刻发生开路故障，***波形如图13所示，在此以VT₄为例。

VT_4-3Fault₁：(t₁-t₂)：此时等效电路图参考图3，当t₁时刻VT₄因为各种原因发生开路故障，此时，由于VT₄所在桥臂通路被切断，且VT₂虽然有触发脉冲，但是其承受了反向电压无法导通，电流流向由Mode₁₁跳变至Mode₁，U₁跌落，I₁因电压跌落和负载电感的共同作用，开始逐渐下降，这个阶段的等效电路图与Mode₁相同，不同的是，I₁的初始值不同，且为下降状态，直至输入电压在t₂时刻过零结束。此阶段：

U₁≈2U₂ (10)

VT_4-3Fault₂：(t₂～t₃)：t₂时刻输入电压自然过零，b₁x₁绕组不参与供电，***由a₂x₂和a₁b₁绕组供电，电流流向及等效电路图与Mode₁相同，如图2、图3所示，不同的是I₁的初始值小于正常状态下此刻的值，变化趋势一致。

VT_4-3Fault₃：(t₃～t₄)：t₃时，VT₃导通，此阶段电流流向图与Mode₁₃相同，如图11所示。不同的是，I₁的初始值小于正常状态下此刻的值，变化趋势一致。

VT_4-3Fault₄：(t₄～t₅)：由于VT₂承受正向电压，且触发脉冲为满开放，VT₂导通，电流流向及等效电路图与Mode₆相同，如图6、图7所示。

VT_4-3Fault₅：(t₅以后)：VT₄在t₅时刻由于发生开路故障无法导通，VT₂继续导通，电流流向及等效电路图仍与Mode₆相同，如图6、图7所示，直至电压自然过零进入下一***周期。

VT₂开路故障分析

VT₂或VT₁在t₁时刻发生开路故障，***波形如图14所示，在此以VT₂为例。

VT_2-1Fault₁：(t₁～t₂)：VT₄导通会导致VT₂承受反压关断，因此，VT₄导通过程中，VT₂开路可能性小。假设t₁时刻发生在VT₄未导通时，t₁时刻VT₂开路，U₁跌落，导致I₁快速下降，此阶段电流流向与Mode₁相同，如图2所示，直至t₂时刻VT₄导通。U₁和I₁满足下式：

U₁＝2U₂ (12)

VT_2-1Fault₂：(t₂～t₃)：t₂时刻VT₄承受正向电压且触发脉冲到来，开始导通。此时U₁＝4U₂，电流流向与Mode₁₁相同，如图9所示，I₁开始上升，符合Mode₁₁的计算方法，但初始值不同。

VT_2-1Fault₃：(t₃～t₄)：t₃时刻输入电压自然过零，VT₁承受正向电压开始导通，U₁＝3U₂，I₁变化趋势与Mode₈相同，初始值不同。直至t₄时刻VT₃开始导通。

VT_2-1Fault₄：(t₄～t₅)：t₄时刻VT₃导通，VT₁承受反向电压关断，电流流向与Mode₁₃一致，如图11所示。此后进入下一个***周期。

VD₂开路故障分析

VD₂或VD₁在t₁时刻发生开路故障，***波形如图15所示，在此以VD₂为例。

VD_2-1Fault₁：(t₁～t₂)：假设VD₂在t₁时刻发生开路故障，此时，电流通路突然被截断，在感性负载上产生极高的反电压，电流对各开关管的寄生电容充放电，迅速下降，电流流向如图16所示，放电瞬间完成，此后电流为0直至t₂时刻输入电压自然过零。

VD_2-1Fault₂：(t₂～t₃)：t₂时刻输入电压自然过零，此时电流流向与Mode₆一致，如图6所示，电流初值为0，直至t₃时刻VT₄的触发脉冲到来。

VD_2-1Fault₃：(t₃～t₄)：此阶段与Mode₁₁情况一致，电流流向如图9所示，VT₄导通，电流从VT₂转移至VT₄，t₄时刻输入电压自然换向，VT₄因VD₂开路，仍承受正向压降，无法自然关断。

VD_2-1Fault₄：(t₄～t₅)：此阶段，VT₅和VD₄满开放，由于VD₂开路，VT₄承受正压无法关断，同时，导致VT₁也承受正压而导通，绕组b₁x₁和a₂x₂供电，但b1x1是反向接入的，因此U₁＝1/2U_d-1/4U_d，直至t₅时刻VT₃的触发脉冲到来。本阶段电流流向如图17所示：

VD_2-1Fault₅：(t₅～t₆)：t₅时刻，VT₃承受正压导通，VT₁关断，***通过VT₄和VT₃续流，U₁＝2U₂。电流流向如图18所示，直至t₆时刻，输入电压自然过零。

VD_2-1Fault₆：(t₆～t₇)：t₆时刻输入电压自然换向，此时本应由VD₃、VT₆、VD₁、VT₂组成通路，直至VT₄被触发。由于VD₂开路后，VT₄在第一次导通后就无法自然关断，始终处于导通状态，因此，VT₂一直承受反压，无法导通。因此，t₆时刻，VD₁和VT₄满开放，无法进行占空比调节，U₁＝4U₂，电流流向如图19所示，直至输入电压自然换向，***进入另一个循环周期。

VT₆开路故障分析

VT₆或VT₅在t₁时刻发生开路故障，***波形如图20所示，在此以VT₆为例。

VT_6-5Fault₁：(t₁～t₂)：t₁时刻VT₆发生开路故障，电流由VT₆转移至VD₄，由VD₃和VD₄共同提供续流通路。电压电流变化符合下式：

U₁＝2U₂ (15)

电流流向图如图21所示，直至输入电压自然换向。

VT_6-5Fault₂：(t₂～t₃)：t₂时刻输入电压换向，VT₄和VD₁自然关断，此时VD₂、VT₁、VD₄和VT₅导通，直至VT₃被触发。电流流向、电流、电压变化趋势和Mode₈一致，如图8所示。

VT_6-5Fault₃：(t₃～t₄)：t₃时刻VT₄导通，电流流向、电压、电流变化趋势与Mode₁₃一致，如图11所示。

VT_6-5Fault₄：(t₄～t₅)：t₄时刻输入电压自然换向，VD₄、VT₅、VD₂和VT₃自然截止，由于VT₆开路故障，VD₁和VT₂导通，VD₃和VD₄参与续流，直至VT₄被触发，电流流向如图22所示，电压电流变化符合下式描述：

U₁＝U₂ (17)

VT_6-5Fault₅：(t₅～t₆)：此阶段，电流由VT₂转移到VT₄，电压电流变化规律及电流流向与VT_6-5Fault₁模式相同，如图21所示。此后***进入下一周期。

VD₄开路故障分析

VD₄或VD₃在t₁时刻发生开路故障，***波形如图23所示，在此以VD₄为例。

VD_4-3Fault₁：(t₁～t₂)：t₁时刻VD₄开路故障，电流通路被截断，电流通过对***的寄生电容进行充放电迅速下降直至为0，U₁跌落，感性负载产生巨大的反向电动势，此阶段持续至t₂时刻输入电压自然换向，电流流向如图24所示。

VD_4-3Fault₂：(t₂～t₃)：t₂时刻输入电压自然过零，VD₃和VT₆满开放，此时等效电路与电流流向与模式6情况一致，如图6、图7所示，电流初值为0，直至t₃时刻VT₄被触发。

VD_4-3Fault₃：(t₃～t₄)：此阶段与Mode₁₁情况一致，如图9、图10所示，VD₃和VT₆满开放，VT₄导通，电流从VT₂转移至VT₄。此阶段持续至t₄时刻输入电压再次自然换向，此时VT₆因VD₄的缺失，仍然承受正向压降，无法自然关断。

VD_4-3Fault₄：(t₄～t₅)：此阶段，VT₆无法自然关断。VT₅在t₄时刻承受正向压降，同时获得触发脉冲而导通，***由a₁b₁向负载提供能量，VT₅和VT₆参与续流，因此，电流流向如图25所示。且电压电流遵循下式变化。

U₁＝U₂ (20)

VD_4-3Fault₅：(t₅～t₆)：t₅时刻VT₃导通，U₁＝2U₂，电流上升，VT₅和VT₆继续续流。直至t₆时刻输入电压自然过零。电流流向如图26所示，***之后进入另一个循环周期。

故障诊断及定位

由上述分析可见，不同开关管发生开路故障时，输出电压U₁波形变化明显，***再次达到稳态后，输出电压服从如下式变化：

U₁＝f(t)×U₂，f(t)＝{1or2or3or4}

其中，***所处的t时刻决定f(t)取值。可以看到，U₁始终与U₂呈倍数关系，结合波形图分析可知，仅仅在开关管导通或者关断的时刻，U₁才发生跳变，这个跳变就包含了每一个开关管的导通和关断信息，若某个开关管发生开路，其相应的跳变信息也将消失，为了将此特征信息提炼出来，本***拟采集U₁和U₂作为诊断参考量。

对比图12、图13、图14、图15、图20以及图23中的U₁和U₂波形，不难发现，U₁与U₂绝对值的变化趋势一致，仅在占空比作用的部分存在跳变；此外，当出现功率管开路的情况下，虽然U₁的值发生了变化，仍然与U₂保持倍数关系，且连接不同变压器绕组的开关管开路故障，导致电压下降的倍数不一样。因此，通过将U₁减去x倍的|U₂|波形进行分析(x＝1，2，3)，既可以提炼出开关管的导通、关断信息，也可以提炼出到底是哪一组开关管开路，结合这两种信息，应可以精确定位开路的开关管。同时，为了方便电路实现，检测所获得波形的过零状态，这样可以将隐含在输出电压U₁波形中的故障特诊提炼出来并数字化。

由于实际运行过程中，牵引变流器为了保障同一桥臂的上下管不至于同时导通，因此在触发脉冲上进行了一定的限制，其导通角变化范围为5°-175°，下面的诊断分析需要将此实际情况考虑进去。

正常状态

正常状态t₁-t₂时刻之间，VT₄由于未触发，尚未导通，期间VT₂、VT₆、VD₁和VD₃满开放，U₁＝3U₂，由于考虑了开关管的开关范围被限制在了在一定范围内，因此，在t₁时刻后的大约2.78e^-4秒左右，ZC2和ZC3上有一个因VT₂和VT₆导通而引起的过零脉冲。

ZC1因为在t₁-t₂时段始终为0，因此没有过零脉冲；t₂-t₃阶段，VT₄导通，U₁＝4U₂。接下来的循环过程原理也是这样。因此，U₁-x|U₂|的波形如图27所示(x＝1，2，3)。

VT₄开路故障

当VT₄开路故障时，***在t₂时刻进入新的稳态，t₂-t₃阶段，VT₁、VT₅、VD₂和VD₄导通，U₁＝3|U₂|。在t₂时刻后的瞬间，ZC2和ZC3波形在VT₁和VT₅导通的作用下，出现过零脉冲；t₃-t₄阶段，VT₃、VT₅、VD₂和VD₄导通，U₁＝4|U₂|；t₄-t₆阶段，由于VT₄开路无法导通，此阶段都是VT₂、VT₆、VD₁和VD₃导通，U₁＝3|U₂|；此后，***进入另一个周期，模式相同。由上分析可知，在VT₄发生开路故障的情况下，U₁-x|U₂|的波形如图28所示(x＝1，2，3)。

VT₂开路故障

当VT₂开路故障时，***在t₃时刻进入新稳态，t₃-t₅阶段，***运行状况与正常运行状态一致：

由于开关管满开放时的导通角限制，t₃时刻后的很短时间内，由于开关管的导通，在ZC2和ZC3上产生过零脉冲；t₄时刻，由于VT₂无法导通，导致ZC2所对应的U₁-2|U₂|无法过零，因此，在t₄后的瞬间，只有ZC3上能检测到过零脉冲；t₅-t₆时刻，由于VT₂开路无法导通，此时VT₅和VD₄导通，VD₁和VD₂参与续流，U₁＝2|U₂|；此后，进入另一个***周期，模式相同。由上分析可知，在VT₂发生开路故障的情况下，U₁-x|U₂|的波形如图29所示(x＝1，2，3)。

VD₂开路故障

VD₂发生开路故障后，***在t₄时刻再次进入稳态。t₄-t₅阶段，由于VD₂开路故障，此时，VT₅和VD₄导通，VT₁和VT₄也导通，U₁＝|U₂|；t₅-t₆阶段，VT₅和VD₄继续导通，VT₃和VT₄参与续流，U₁＝2|U₂|；t₆-t₇阶段，VT₆、VD₃、VT₄和VD₁导通，U₁＝4|U₂|。此后，***进入下一个循环周期。由上分析可知，在VD₂发生开路故障的情况下，U₁-x|U₂|的波形如图30所示(x＝1，2，3)，其中，t₆时刻后瞬间，ZC1和ZC2上的过零脉冲也是由于开关管导通角的限制而产生的。

VT₆开路故障

VT₆发生开路故障后，***在t₂时刻进入新稳态，在t₂-t₃阶段，VD₂、VT₁、VD₄和VT₅导通，***由a₁b₁，a₂x₂两组绕组提供能量，U₁＝3|U₂|；在t₃-t₄阶段，VT₃投入，U₁＝4|U₂|；t₄-t₅阶段，VD₁、VT₂导通，VD₃、VD₄续流，U₁＝|U₂|；t₅-t₆阶段，VT₄开始导通，U₁＝2|U₂|。此后，***进入下一个循环周期。由上分析可知，在VT₆发生开路故障的情况下，U₁-x|U₂|的波形如图31所示(x＝1，2，3)。

VD₄开路故障

VD₄在t₁时刻发生开路故障，***经过震荡后，在t₄时刻进入新稳态。在t₄-t₅阶段，VT₁和VD₂满开放，VT₅和VT₆参与续流，U₁＝|U₂|；t₅-t₆阶段，VT₃和VD₂满开放，VT₅和VT₆继续续流，U₁＝2|U₂|；t₆-t₇阶段，导通状况分别与mode₆和mode₁₁一致，此时：

此后，***进入下一个循环周期。由上分析可知，在VD₂发生开路故障的情况下，U₁-x|U₂|的波形如图32所示(x＝1，2，3)。

诊断方法及电路

通过以上分析，可以根据不同开关管开路时，U1-x|U2|波形的过零状态的区别对各不同开关管的开路故障进行定位，下面介绍各模块的具体电路结构和功能的实现方法，以及开路故障的具体诊断方法。

图33是本优选实施例中，三段桥式变流电路开路故障诊断方法的流程图，如图所示，结合图1，本发明提出的三段桥式变流电路开路故障诊断方法包括如下步骤：

S1，检测三段桥式变流电路的输出电压U₁和电压U₂，U₂为***输入电压U_d的一部分，U₂＝1/4U_d；

S2，将U₁和U₂进行同步降压，然后对U₂进行全波整流得到|U₂|；完成S2的方法是将U₁和U₂输入信号转换模块；

S3，根据U₁和U₂的波形，判断是否发生故障，如果没有发生故障，则转至S1继续监测，如果发生故障，则转至S3；其中：

判断是否发生故障的方法是将检测得到的U₁、U₂同***正常工作时的U₁、U₂进行比较，若有差异，则说明发生了故障。在本实施例中，这个过程由故障诊断模块完成；

S4，如果发生故障，计算U₁-x|U₂|，x的取值包括1、2、3，得到时序波形U₁-|U₂|、U₁-2|U₂|、U₁-3|U₂|，然后检测得到时序波形U₁-|U₂|、U₁-2|U₂|、U₁-3|U₂|的过零脉冲序列ZC_T1、ZC_T2、ZC_T3；在本实施例中，U1-x|U2|的计算仍由信号转换模块完成；

S5，对输出电压U₁进行过零检测，然后对所产生的过零脉冲宽度进行调整，得到过零脉冲宽度不同的序列ZCW_1、ZCW_2；

S6，将得到的ZC_T1、ZC_T2、ZC_T3分别与ZCW_1、ZCW_2通过与门，得到脉冲序列ZC₁至ZC₆；

S7，对得到的脉冲序列一个周期内的过零脉冲个数进行编码，根据编码结果判断故障发生的位置。

上述S1、S2及S4中U1-x|U2|的过程由信号转换模块完成，信号转换模块对U1和U2进行同步降压处理、对U2进行整流得到|U2|、计算U1-x|U2|，其中x＝1，2，3；将U1-x|U2|发送至故障诊断模块。

故障诊断模块包括单片机和/或计算机等中的一种或几种，其通过将检测得到的U1、U2同***正常工作时的U1、U2进行比较，若有差异，则说明发生了故障。

上述S4其余过程、S5、S6和S7由故障定位模块完成，故障定位模块通过检测U1-x|U2|的波形的过零点，对其在一个周期内两个半周期中的过零脉冲数进行编码，并以此编码来定位发生故障的开关管；将故障定位结果发送至接口模块。

如图3、图4所示，信号转换模块和故障定位模块中主要包括三组过零检测脉冲发生电路(ZCP)和两组过零脉宽转换电路(ZCW)，还应包括用于定位分析的单片机和/或电脑，图3为过零检测脉冲发生电路，图4为过零脉宽转换电路。

如图34所示，过零检测脉冲发生电路包括运算放大器U1A，光耦合器OC1，D触发器U3A、U3B，异或门U4A，电阻R11、R1f、R12、R1p、R2。其中，电阻R11一端连接运算放大器U1A反相输入端、电阻R1f一端，电阻R1f另一端连接运算放大器U1A输出端、光耦合器U2输入端，电阻R12一端连接运算放大器U1A正相输入端、电阻R1p一端，电阻R1p另一端接模拟地，光耦合器U2输出端接电阻R2一端、D触发器U3A信号输入端D，电阻R2另一端接工作电压VDD，D触发器U3A输出端Q接D触发器U3B信号输入端D、异或门U4A的一个输入端，D触发器U3B输出端Q接异或门U4A的另一个输入端。

上述运算放大器U1A用于实现U₁-x|U₂|，通过选择不同的R11、R1f、R12和R1p的值，可以分别实现x等于1、2和3，光耦合器OC1用于实现U₁-x|U₂|过零检测脉冲的产生及波形的整形，D触发器U3A和U3B用于实现U₁-x|U₂|过零检测脉冲波形的边缘脉冲产生，由于当选取R1p＝R12＝R1f＝R11时，运算放大器输出端得到U₁-|U₂|；当选取R1f＝2R11、R1p＝1/2R12时，运算放大器输出端得到U₁-2|U₂|；当选取R1f＝3R11，R1p＝1/3R12时，运算放大器输出端得到U₁-3|U₂|，此过程由三组过零检测脉冲发生电路完成，得到的三组脉冲序列即为上述S4中提到的ZCP1、ZCP2和ZCP3，其中ZCPx的运算放大器输出为U₁-x|U₂|，最终输出为ZC_Tx。

在经过图34所示过零检测脉冲发生电路后，得到的过零脉冲序列中的过零脉冲有四个来源：1、满开放的开关管在开通时产生的；2、占空比引起的；3、U₁-x|U₂|由负转正产生的；4、输入电压自然过零引起的。这里，最具有特点的是由占空比和U₁-x|U₂|由负转正引起的脉冲，其他两种来源的脉冲，具有很强的普遍性，无法作为判断故障发生位置的依据，并且还会影响正常的判断，因此需要进一步进行去除。因此，对诊断定位电路进行改进，加入一过零脉宽转换电路，实现对输出电压U₁的过零检测以及对所得过零脉冲序列脉冲宽度进行调整，使得所产生的脉冲宽度略小于实际波形的过零宽度，从而可以方便的把由第1、4种来源的过零脉冲滤除。

如图35所示，上述过零脉宽转换电路包括：光耦合器OC2，非门U7B、U7D，电阻R5。其中，光耦合器U5输出端接电阻R5一端、非门U7B一端，电阻R5另一端接工作电压VDD，非门U7B输出端接非门U7D输入端。

上述OC2用于实现U₁过零检测脉冲的产生及波形的整形，非门U7B、U7D用于产生适当延迟，从而滤除上述第1、4种来源的过零脉冲，将此电路命名为ZCW1，其得到的过零脉冲序列即为上述S5中提到的ZCW_1。在这里U7B和U7D代表偶数个非门，具体数量要视具体变流器型号而定，例如，以SS4B型机车为例，若将此电路应用在其牵引变流器变流电路上，则其ZCW1中的非门个数应为6个。

将ZC_T1、ZC_T2和ZC_T3分别与ZCW_1通过与门，得到三组脉冲序列ZC1、ZC2和ZC3，对其进行编码，得到图36所示诊断脉冲表，其中用于编码的数字其意义为在0-1/2周期和1/2-1周期ZC1、ZC2和ZC3序列中脉冲的数量。可以看到***运行状态除了VT₅和VD₄开路以及VT₆和VD₃开路故障无法精确定位，其他故障都已经可以准确的诊断和定位了。

对比VT₆(VT₅)和VD₄(VD₃)开路故障波形图，见图31和图32，在t₆后瞬间的那个过零脉冲在时间上存在一定差别，当VD₄(VD₃)开路故障时，这个脉冲到来比较晚，VT₆(VT₅)开路故障时，这个脉冲到来时间比较早。原因是，VT₆(VT₅)开路故障时，VD₄(VD₃)在续流过程中，只要正向电压超过其门槛电压，就会导通，这个时间非常短，因此这个过零脉冲来得非常迅速；而当VD₄(VD₃)开路故障时，参与续流的是VT₆(VT₅)，它们的导通受控于触发脉冲，必须在0.28ms之后，因此，过零点来得较晚。通过上述分析，可对图35中的电路稍加改动，进一步减小其输出脉冲宽度，即可做到滤除VT₆(VT₅)开路情况下，t₆时刻后的过零脉冲，但同时保留VD₄(VD₃)开路时，t₆时刻后的过零脉冲，改动后的电路命名为ZCW2，其得到的过零脉冲序列即为上述S5中提到的ZCW_2。具体改动方式为增加电路中串联非门的个数，具体数量要视具体变流器型号而定，例如，以SS4B型机车中的牵引变流器为例，若应用于该种型号的牵引变流器中，则ZCW2中的非门个数为12个。

将ZC_T1、ZC_T2和ZC_T3分别与ZCW_2通过与门，得到三组脉冲序列ZC4、ZC5和ZC6，通过单片机和/或电脑对其进行编码，得到图37所示的二次诊断表，可以看到此时VT₅和VD₄开路以及VT₆和VD₃开路故障也可以准确的诊断和定位了。

综上所述，***诊断的原理框图见图38。如图所示，首先以ZC1、ZC2、ZC3触发脉冲序列作为诊断依据，进行一次诊断，可以诊断和定位的状态包括：正常状态、VT₁开路、VT₂开路、VT₃开路、VT₄开路、VD₁开路、VD₂开路、VD₄(VD₃)开路以及VT₅(VT₆)开路9种；然后若诊断到的故障为VD₄(VD₃)开路以及VT₅(VT₆)开路这两种，再参考ZC₄、ZC₅、ZC₆的脉冲续列进行二次诊断，精确定位VD₃、VD₄、VT₅以及VT₆开路，完成所有开关管的诊断和定位；此时故障诊断模块和故障定位模块会将诊断和定位结果发送至接口模块，接口模块包括单片机和/或电脑以及与变流控制器连接的接口，接口模块将接收到的诊断和定位结果计算相应的容错控制策略，并将容错控制策略发送至容错控制模块异界变流控制器。

容错控制策略

在发生单管开路故障后，由于***本身的结构特点，可以通过改变输入变压器与牵引变流器的接线方法，从而使得***用余下的开关管，完全实现牵引变流器原有的输出能力，仅在调整精度上作些许妥协；在改变接线方法的同时，也需要对各开关管的触发脉冲进行调整。在本实施例中，接口模块将生成的容错控制策略发送至容错控制模块和变流控制器，容错控制模块通过改变其容错控制开关K1-K5的档位，来改变三段桥式变流电路的接线方式；同时，变流控制器根据接收到的容错策略，将各开关管的触发脉冲调整至与经过调整的接线方式相吻合。

下面，针对各开关管开路情况分别进行容错策略的分析。

当VT₄发生开路故障时，b1x1绕组在***正半周无法投入使用，导致输出电压可调范围缩小，但若在***复位后，将K5切换至位置2，K4切换至位置4，则a1x1绕组整体被连接至VD₁、VD₂、VT₃和VT₄上，整个***变为上下两个串联整流单元，如图39所示，无需调整触发脉冲，即可使得输出电压在0-U_d间全范围调整，仅在电压调整的步长上稍大，但不影响牵引变流器的全功率运行。调整后的工作原理，与***正常工况下几乎一致，在此不再详述。

当VT₂发生开路故障时，此时，a1b1无法为***供电，将K4切换至位置2，***也变为由a1x1作为一个整体向牵引变流器供电，如图40所示。由VT₃、VT₄控制***占空比，VD₁和VD₂参与整流，实现***输出电压在0-U_d间全范围变化。

当VD₂发生开路故障时，a1b1绕组在***负半周无法投入使用，b1x1在***故障模式4的时候，还会起反作用，导致输出电压无法实现全范围调整，且VT₄无法关断，***占空比不可调。此时，K3切换至位置2，K4切换至位置3，如图41所示，这样，a1x1就与VT₁、VT₂、VT₃和VT₄组成了新的变流结构，同时，将VT₁和VT₂的触发脉冲互换，即可以实现0-1/2U_d的输出电压，保证了牵引变流器的全功率输出。

当VT₆发生开路故障时，a2x2在输入电压的正半周无法向牵引变流器供电，导致牵引变流器输出下降，因此，将K1切换到位置2，K2切换到位置3，K3切换到位置3，K4切换到位置2，K5维持不变，***切换为由a1x1、a2x2和VD₁、VD₂、VT₁、VT₂、VT₄和VT₄组成的新结构，VD₃和VD₄起续流作用，如图42所示，这样的新结构仍然可以满足输入电压的全范围调整。

当VD₄发生开路故障时，a2x2在输入电压的正半周无法向牵引变流器供电，切换方式与VT₆开路情况下相似，如图42所示。但是由于结构改变后，需要通过VT₅和VT₆为***续流，所以还需要将VT₅和VT₆的触发脉冲改为同时满开发，这种结构也同样存在开关元件承受电压大于原有***的情况，但也不影响***的整体运行。

以VT₄为例，当其发生开路故障后，执行上述容错控制策略，此时，VT₃也被排除在了新的拓扑结构之外了，因此，若VT₃发生开路故障，也可以采取相同的容错策略进行处理，同理，VT₂和VT₁，VT₆和VT₅，VD₂和VD₁，VD₄和VD₃均可采取相同的容错控制策略。综上，可得单管开路故障的控制策略如图43所示，表中数字为某一开关管发生故障时相应控制开关需要切换到的位置。

综上所述，本发明提出了一种三段桥式变流电路开路故障处理装置及诊断方法。通过分析、对比发生故障时输入、输出电压差值波形的过零点分布和正常状态下输入、输出电压差值波形的过零点分布，并配合相应的电路，实现开路故障定位；本发明还根据诊断方法提出了一种容错控制方法，利用改变各开关管的接线方式，避免使用发生故障的开关管，使得输出电压可以保持原有范围。

所属领域的普通技术人员应当理解：以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种三段桥式变流电路开路故障处理装置，包括三段桥式变流电路，所述三段桥式变流电路包括用于控制其各开关管触发脉冲的变流控制器，其特征在于，还包括：

故障处理单元，所述故障处理单元用于接收、处理所述三段桥式变流电路的部分输入电压U₂及输出电压U₁，对U₁和U₂进行同步降压处理、对U₂进行整流得到|U₂|、计算U₁-x|U₂|，其中x＝1，2，3,检测U₁-x|U₂|的波形的过零点，对其在一个周期内两个半周期中的过零脉冲数进行编码，并以此编码来定位发生故障的开关管；通过所述变流控制器改变各开关管触发脉冲，同时改变所述三段桥式变流电路的连接方式，以实现在发生故障后，所述三段桥式变流电路的输出电压U₁仍可以在0和原额定电压U_d间全范围调整。

2.根据权利要求1所述的一种三段桥式变流电路开路故障处理装置，其特征在于，所述故障处理单元包括：

信号转换模块，连接至所述三段桥式变流电路的输入端和输出端，用于接收其部分输入电压U₂和输出电压U₁；

故障诊断模块，连接至所述信号转换模块，用于诊断所述三段桥式变流电路是否发生开路故障；

故障定位模块，连接至所述信号转换模块，用于定位所述三段桥式变流电路中发生故障的开关管；

接口模块，连接至所述故障诊断模块、故障定位模块及所述变流控制器，通过检测到的故障计算相应的容错控制策略，并将此策略发送至所述变流控制器；

故障容错控制模块，连接至所述接口模块，通过容错控制策略对所述三段桥式变流电路的接线方式进行调整。

3.根据权利要求2所述的一种三段桥式变流电路开路故障处理装置，其特征在于：

所述信号转换模块用于接收、处理部分输入电压U₂及输出电压U₁；其处理过程包括：对U₁和U₂进行同步降压处理、对U₂进行整流得到|U₂|、计算U₁-x|U₂|，其中x＝1，2，3；将所述U₁-x|U₂|发送至所述故障诊断模块；

所述故障诊断模块通过检测U₁-x|U₂|的波形的过零点，并将其与正常工作状态下的过零点进行对比，进而判断所述三段桥式变流电路是否发生开路故障；将故障检测结果发送至所述接口模块；

所述故障定位模块通过检测U₁-x|U₂|的波形的过零点，对其在一个周期内两个半周期中的过零脉冲数进行编码，并以此编码来定位发生故障的开关管；将故障定位结果发送至所述接口模块；

所述接口模块通过故障检测结果、故障定位结果计算相应的容错控制策略，将容错控制策略以牵引变流控制器可以接受的形式反馈至所述变流控制器，并改变所述变流控制器所发送的触发脉冲；同时将容错控制策略发送至故障容错控制模块；

故障容错控制模块，所述故障容错控制模块，通过容错控制策略，利用开关改变输入变压器与牵引变流器的接线方法，避免使用发生故障的开关管，使得***使用余下的开关管完成变流过程。

4.根据权利要求2所述的一种三段桥式变流电路开路故障处理装置，其特征在于，实现所述信号转换模块和所述故障定位模块的功能的电路包括一种过零检测脉冲发生电路，所述过零检测脉冲发生电路包括：运算放大器U1A，光耦合器U2，D触发器U3A、U3B，异或门U4A，电阻R11、R1f、R12、R1p、R2；其中

电阻R11一端连接运算放大器U1A反相输入端、电阻R1f一端，电阻R1f另一端连接运算放大器U1A输出端、光耦合器U2输入端，电阻R12一端连接运算放大器U1A正相输入端、电阻R1p一端，电阻R1p另一端接模拟地，光耦合器U2输出端接电阻R2一端、D触发器U3A信号输入端D，电阻R2另一端接工作电压VDD，D触发器U3A输出端Q接D触发器U3B信号输入端D、异或门U4A的一个输入端，D触发器U3B输出端Q接异或门U4A的另一个输入端。

5.根据权利要求2所述的一种三段桥式变流电路开路故障处理装置，其特征在于，所述故障定位模块中包括一种过零脉宽转换电路，其特征在于，包括：光耦合器U5，包括第一非门、第二非门的偶数个非门，电阻R5；其中

光耦合器U5输出端接电阻R5一端、第一非门一端，电阻R5另一端接工作电压VDD，第一非门输出端接第二非门输入端，若非门个数多于两个，则将其余非门依次串联于第二非门的输出端。

6.根据权利要求2所述的一种三段桥式变流电路开路故障处理装置，其特征在于，所述故障容错控制模块还包括设置于所述三段桥式变流电路各绕组与开关管之间的至少五个容错控制开关；所述容错控制开关受所述故障容错控制模块控制，改变其档位，进而改变所述三段桥式变流电路的接线方法。

7.一种三段桥式变流电路开路故障诊断方法，其特征在于，其步骤包括：

S1，检测三段桥式变流电路的输出电压U₁和输入电压U_d，令部分输入电压U₂＝1/4U_d；

S2，将U₁和U₂进行同步降压，然后对U₂进行全波整流得到|U₂|；

S3，计算U₁-x|U₂|，x的取值包括1、2、3，得到时序波形U₁-|U₂|、U₁-2|U₂|、U₁-3|U₂|，检测所得时序波形U₁-|U₂|、U₁-2|U₂|、U₁-3|U₂|的过零脉冲序列ZC_T1、ZC_T2、ZC_T3；

S4，对输出电压U₁进行过零检测，然后对所产生的过零脉冲宽度进行调整，得到过零脉冲宽度不同的序列ZCW_1、ZCW_2；

S5，将得到的ZC_T1、ZC_T2、ZC_T3分别与ZCW_1、ZCW_2通过与门，得到脉冲序列ZC1至ZC6；

S6，对得到的脉冲序列一个周期内的过零脉冲个数按照一定的编码方式进行编码，根据编码结果进行故障诊断及定位；

S7，根据故障诊断和定位结果产生容错控制策略。

8.根据权利要求7所述的三段桥式变流电路开路故障诊断方法，其特征在于，将U₁和U₂分别输入三组过零检测脉冲发生电路，此三组电路的输出即分别为ZC_T1、ZC_T2和ZC_T3；将U1输入两组不同的过零脉宽转换电路，通过调整U1过零脉冲序列的脉宽，滤除满开放开关管开通时产生的过零脉冲和输入电压自然过零引起的过零脉冲，得到过零脉冲序列ZCW_1和ZCW_2。

9.根据权利要求7所述的三段桥式变流电路开路故障诊断方法，其特征在于，步骤S6中的编码方式为，统计0-1/2周期、1/2-1周期中ZC1-ZC3的过零脉冲个数，并按照0-1/2周期ZC1过零脉冲个数、0-1/2周期ZC2过零脉冲个数、0-1/2周期ZC3过零脉冲个数、1/2-1周期中ZC1过零脉冲个数、1/2-1周期中ZC2过零脉冲个数、1/2-1周期中ZC3过零脉冲个数的顺序进行编码，得到诊断脉冲表；然后将ZC4-ZC6也按照上述方法进行编码，得到二次诊断脉冲表。

10.根据权利要求7所述的三段桥式变流电路开路故障诊断方法，其特征在于，还包括容错控制方法；所述容错控制策略为通过改变所述三段桥式变流电路中开关管的接线方式，避免使用发生故障的开关管，以实现经过调整后的三段桥式变流电路的输出电压仍然能够在0和原额定输出电压之间连续调整。