基于电流半波差异的整流器开路故障诊断方法及电子设备与流程

本发明涉及整流器技术领域，尤其涉及一种基于电流半波差异的单相四象限整流器开路故障诊断方法及电子设备。

背景技术：

单相四象限整流器作为列车电源侧变流器，是整个变流系统的重要组成部分。凭借着简单的硬件结构，单相四象限整流器可以获得接近于1的功率因数，降低谐波含量，实现能量的双向流动，并减少对外部环境的电磁干扰。由于电力电子器件控制的复杂性、操作失误、器件老化、环境干扰，以及机械振动等原因，单相四象限整流器不可避免地会出现各种故障。根据往期文献的故障统计，单相四象限整流器与pwm逆变器占据较高的故障率，其故障原因主要包括igbt内部模块烧损、igbt模块被振裂，以及线路松动和接触不良。因而，其故障表象主要为开路故障。

对于单相四象限整流器而言，igbt开路故障将导致直流侧电压幅值降低、脉动增大、功率因数下降，以及网侧输入电流发生畸变。对于整个变流系统而言，igbt开路故障会造成网侧谐波含量上升，同时严重影响直流侧负载的正常工作，给整个系统带来极大的安全隐患。在单相四象限整流器发生开路故障后，需要尽早采取相应的应急措施，以避免二次故障的发生，减少不必要的损失。因此，实时的开路故障诊断显得至关重要。

现有的诊断方法，通常需要控制信号给出接口才可以实现，而且需要对原有系统进行拆解或改动，会带来某些不确定性问题。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提出一种基于电流半波差异的整流器开路故障诊断方法，以解决现有的诊断方法存在的复杂且准确性不高的问题。

基于上述目的，本发明提供了一种基于电流半波差异的整流器开路故障诊断方法，所述整流器为单相四象限全桥整流器，包括：

对网侧输入电流进行标准化处理，得到标准网侧输入电流，以降低网侧输入电流的电流幅值受负载的影响；

实时获取并储存采样点的标准网侧输入电流，计算第k个采样点与第k-n/2个采样点的标准网侧输入电流的和值与误差的差值，所述n为每个电流周期的采样点个数，其中，正半周与负半周的采样点个数相同；所述存储的采样点个数小于等于n；

比较所述差值与阈值的大小，判断开路故障的类型，所述开路故障的类型为igbt开路故障或反并联二极管开路故障。

本发明实施例还提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如前所述的方法。

从上面所述可以看出，本发明提供的方法只需要将当前时刻采集到的采样点与半个周期前对应时刻的数据相加，即可得到残差，再根据残差即可判断开路故障的类型为igbt开路故障或反并联二极管开路故障。具有实时、快速、有效地进行故障诊断的优点，同时对于负载变化、网侧电压变化，以及载波变化均具有较好的抗干扰性与鲁棒性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的单相四象限全桥整流器的电路图；

图2为本发明实施例的基于电流半波差异的整流器开路故障诊断方法的流程图；

图3为本发明实施例的基于电流半波差异的整流器开路故障诊断方法的诊断流程示意图；

图4为本发明实施例的单相四象限整流器在t1开路故障时的电路图；

图5为本发明实施例的单相四象限整流器在t2开路故障时的电路图；

图6为本发明实施例的单相四象限整流器在t3开路故障时的电路图；

图7为本发明实施例的单相四象限整流器在t4开路故障时的电路图；

图8为本发明实施例的单相四象限整流器在d1开路故障时的电路图；

图9为本发明实施例的单相四象限整流器在d2开路故障时的电路图；

图10为本发明实施例的单相四象限整流器在d3开路故障时的电路图；

图11为本发明实施例的单相四象限整流器在d4开路故障时的电路图；

图12为本发明实施例的诊断方法的诊断思路；

图13为本发明实施例的单相四象限整流器开路故障诊断流程；

图14为本发明实施例的正常工况下单相四象限整流器的输入输出；

图15为本发明实施例的t1发生开路故障时单相四象限整流器的诊断过程；

图16为本发明实施例的t2发生开路故障时单相四象限整流器的诊断过程；

图17为本发明实施例的t3发生开路故障时单相四象限整流器的诊断过程；

图18为本发明实施例的d1发生开路故障时单相四象限整流器的诊断过程；

图19为本发明实施例的d2发生开路故障时单相四象限整流器的诊断过程；

图20为本发明实施例的单相四象限整流器负载波动时t1开路故障的诊断过程；

图21为本发明实施例的单相四象限整流器负载波动时d1开路故障的诊断过程；

图22为本发明实施例的单相四象限整流器网侧电压波动时t1开路故障的诊断过程；

图23为本发明实施例的单相四象限整流器网侧电压波动时d1开路故障的诊断过程；

图24为本发明实施例的单相四象限整流器载波频率为500hz时t1d1开路故障的诊断过程；

图25为本发明实施例的单相四象限整流器载波频率为500hz时d1开路故障的诊断过程；

图26为本发明实施例的单相四象限整流器载波频率为2khz时t1开路故障的诊断过程；

图27为本发明实施例的单相四象限整流器载波频率为2khz时d1开路故障的诊断过程；

图28为本发明实施例的电子设备的示意图。

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。

请参阅图1，为本发明实施例的单相四象限全桥整流器的电路图，包括四个igbt，即t1、t2、t3和t4，还包括四个反并联二极管，即d1、d2、d3和d4。其中，定义电源un的正负极如图所示，第一桥臂靠近电源的正极；第二桥臂远离电源的正极；第三桥臂靠近电源的负极；第四桥臂远离电源的负极。则有，第一桥臂igbt为t1，第二桥臂igbt为t2，第三桥臂igbt为t3，第四桥臂igbt为t4。第一桥臂反并联二极管开路为d1，第二桥臂反并联二极管为d2，第三桥臂反并联二极管为d3，第四桥臂反并联二极管为d4。

发明人在长期的单相四象限整流器单相四象限整流器的研究工作中发现，正常工况下，单相四象限整流器的直流侧电压输出恒定在某一电压范围，网侧输入电流的相位与网侧电压基本一致，呈正弦波周期性变化。由于载波频率影响，网侧输入电流存在一定谐波，谐波含量与载波频率的大小有关。

发明人还注意到，网侧输入电流在开路故障情况下总会存在半个周期的时间，这段时间内电流幅值会发生不同程度的降低。网侧输入电流的故障特征可以如表3-1所示。发明人认为，根据网侧输入电流的畸变区间以及电流幅值的降低程度即可对单相四象限整流器igbt开路故障以及反并联二极管开路故障进行诊断。

发明人提出了一种基于网侧输入电流半波差异的单相四象限整流器开路故障诊断方法，诊断思路如图12所示。该方法通过对比网侧输入电流畸变区间来区分1号位（或4号位）（也即d1或d4）与2号位（或3号位）（也即d2或d3）开关管的开路故障，通过网侧输入电流幅值降低程度来辨别igbt开路故障与反并联二极管开路故障，能够实时、快速、有效地对表3-1中的四类故障进行诊断。

请参阅图2和图3，本发明实施例的基于电流半波差异的整流器开路故障诊断方法，所述整流器为单相四象限全桥整流器，包括：

s100，对网侧输入电流进行标准化处理，得到标准网侧输入电流，以降低网侧输入电流的电流幅值受负载的影响；

s200，实时获取并储存采样点的标准网侧输入电流，计算第k个采样点与第k-n/2个采样点的标准网侧输入电流的和值与误差的差值，所述n为每个电流周期的采样点个数，其中，正半周与负半周的采样点个数相同；存储的采样点个数小于等于n；

s300，比较所述差值与阈值的大小，判断开路故障的类型，所述开路故障的类型为igbt开路故障或反并联二极管开路故障。

本发明实施例的方法只需要将当前时刻采集到的采样点与半个周期前对应时刻的数据相加，即可得到残差，再根据残差即可判断开路故障的类型为igbt开路故障或反并联二极管开路故障。

如图13，在步骤s100中，所述对网侧输入电流进行标准化处理，得到标准网侧输入电流具体包括：通过式（1）进行所述标准化处理。其中，in_s为标准网侧输入电流，in为网侧输入电流，in_rms为网侧输入电流的均方根有效值。

其中，所述网侧输入电流的均方根有效值通过式（2）或式（3）计算。式（2）在离散形式下为式（3）。其中，t为网侧输入电流基波周期；n为网侧输入电流的每个周期的采样点个数，为大于零的偶数；in(k)为网侧输入电流的第k个采样点。

（1）；（2）；（3）

在该步骤中，通过式（1）和（2）或式（1）和（3）的标准化处理，能够使所得标准网侧输入电流的电流幅值受负载等因素的影响程度大幅降低。即使负载在诊断过程中发生变化，in_s的值也基本上不会发生明显的异常，从而提高了诊断的准确性。

在步骤s200中，如图3，可以通过一个电流传感器来实时采集采样点的标准网侧输入电流。在采集采样点的同时，对采样点的标准网侧输入电流进行实时的存储。设定每个电流周期的采样点个数为n，且n满足大于零且为偶数。同时，设定，每个电流周期的正半周与负半周的采样点个数相同，均为n/2。

在本发明的一个或多个实施例中，自开始采样的时刻起，当采样时间大于半个电流周期后，也即当前时刻采样点的编号k满足，k＞n/2时，开始实时计算第k个采样点（也即当前时刻的采样点）与第k-n/2个采样点（也即半个电流周期前对应时刻的采样点），这两个采样点的标准网侧输入电流的和值。

在一实施例中，所述计算所得标准网侧输入电流的和值与误差的差值具体包括：

通过式（4）计算所述差值。其中，dk为所得标准网侧输入电流的和值与误差的差值；in_s(k)+in_s(k-n/2)为所得标准网侧输入电流的和值；in_s(k)为第k个采样点的标准网侧输入电流；in_s(k-n/2)为第k-n/2个采样点的标准网侧输入电流，ek为误差。

in_s(k)+in_s(k-n/2)=dk+ek（4）

ek为取值较小的误差，正常情况下，ek的值基本趋近于零。可以理解为，对于每一个时刻的采样点，通常满足式（5）。

in_s(k)+in_s(k+n/2)=ek（5）

在本发明的一个或多个实施例中，自开始采样的时刻起，当采样时间小于等于一个电流周期时，也即当前时刻采样点的编号k满足，k≤n时，直接实时存储所述采样点，使所述存储的采样点个数小于等于n。

当采样时间大于一个电流周期后，也即当前时刻采样点的编号k满足，k＞n时，开始删除第k-n个采样点（也即一个电流周期前对应时刻的采样点），使所述存储的采样点个数始终为n。

在本发明的一个或多个实施例中，步骤s300中，所述比较所述差值与阈值的大小，判断开路故障的类型具体包括：

根据所述差值，计算所述差值的均方根；

比较所述均方根与所述阈值的大小，当所述均方根大于第一阈值且小于第二阈值时，判断所述开路故障的类型为igbt开路故障；当所述均方根大于第二阈值时，判断所述开路故障的类型为反并联二极管开路故障。

所述差值的均方根通过式（6）计算。其中，为所述差值dk的均方根。

（6）

应当说明的是，第一阈值和第二阈值的具体数值根据单相四象限整流器的实际工作情况进行设定和调整。

其中，当t1发生开路故障时，可能受影响的控制状态有su=1，sv=1与su=1，sv=0。其中，网侧输入电流in受故障的影响最为明显。当su=1，sv=1时，vt1开路故障下的电路图如图4所示。由于vt1故障原因，原本经t1和d3形成的电流回路变为经d3、直流侧电容，以及d2的电流回路。此时，网侧电压和电感ln向直流侧电容和负载释放能量，电流幅值相比正常工况减小。当su=1，sv=0时，由于vt1故障原因，原本经t1和t4形成的电流回路变为经t4和d2的电流回路，直流侧电容与负载形成电流回路。此时，网侧电压直接加在电感ln两端，对电感进行充电，电流幅值减小。

因此，在t1开路故障时，网侧输入电流in在负半周的电流幅值相对正常工况有所减小。

当t2发生开路故障时，可能受影响的控制状态有su=0，sv=1与su=0，sv=0。同样地，网侧输入电流in受到较大影响。当su=0，sv=1时，t2开路故障下的电路图如图5所示。由于t2故障原因，原本经t2和t3形成的电流回路变为经d1和t3形成电流回路。此时，直流侧电容与负载形成电流回路，仅由网侧电压对电感ln充能，电流in的充能速率明显降低。当su=0，sv=0时，由于t2故障原因，原本经t2和d4形成的电流回路变为经d1、直流侧电容，以及d4的电流回路。此时，网侧和电感ln向直流侧电容和负载释放能量，电流幅值相比正常工况减小。

因此，t2发生开路故障时，网侧电感的能量在充能阶段减少甚至释放，进而导致网侧输入电流在正半周的幅值总体呈减小趋势。

当t3发生开路故障时，可能受影响的控制状态有su=1，sv=1与su=0，sv=1。网侧输入电流in的变化情况与t2开路故障时基本相似。当su=1，sv=1时，t2开路故障下的电路图如图6所示。由于t3故障原因，原本经d1和t3形成的电流回路变为经d1、直流侧电容，以及d4的电流回路。此时，网侧电压和电感ln向直流侧电容和负载释放能量，电流幅值相比正常工况减小。当su=0，sv=1时，由于t3故障原因，原本经t2和t3形成的电流回路变为经t2和d4的电流回路。此时，直流侧电容与负载形成电流回路，仅由网侧电压对电感ln充能，电流in的充能速率明显降低。

因此，网侧电感在t3开路故障时不能有效储能，从而导致网侧输入电流在正半周的幅值总体呈减小趋势。

t4发生开路故障时，可能受影响的控制状态有su=1，sv=0与su=0，sv=0。网侧输入电流in的变化情况与t1开路故障时基本相似。当su=1，sv=0时，t4开路故障下的电路图如图7所示。由于t4故障原因，原本经t1和t4形成的电流回路变为经t1和d3的电流回路。此时，直流侧电容与负载形成电流回路，网侧电压直接加在电感ln两端，对电感进行充电，电流幅值减小。当su=0，sv=0时，由于t4故障原因，原本经d2和t4形成的电流回路变为经d3、直流侧电容，以及d2的电流回路。此时，网侧电压和电感ln向直流侧电容和负载释放能量，电流幅值相比正常工况减小。

因此，在t4开路故障时，与t1开路故障类似，网侧输入电流in在负半周的电流幅值相对正常工况有所减小。

d1发生开路故障时，单相四象限整流器电路图如图8所示。如果电流方向为负，即电流流经t1或d2，此时d1开路不会对单相四象限整流器的正常运行产生影响。如果电流方向为正且t2导通，电流会经过t2流入整流器，d1开路故障同样不会影响整流器的正常运行。当电流方向为正且t2不导通时，电流无法经整流器形成回路。此时，电流in接近于零，同时在网侧会伴随有较高的脉冲电压，对整流器其他功率管会产生极大的冲击。

因此，d1开路故障会导致电流in在正半周的电流幅值大幅降低。

d2发生开路故障时，单相四象限整流器电路图如图9所示。如果电流方向为正，即电流流经d1或t2，此时d2开路不会对单相四象限整流器的正常运行产生影响。如果电流方向为负且t1导通，电流会经过t1流入网侧，d2开路故障同样不会影响整流器的正常运行。当电流方向为负且t1不导通时，电流无法经整流器形成回路，电流in接近于零，在网侧产生较高的脉冲电压。

因此，d2开路故障会导致电流in在负半周的电流幅值大幅降低。

d3发生开路故障时，单相四象限整流器电路图如图10所示。如果电流方向为正，即电流流经t3或d4，此时d3开路不会对单相四象限整流器的正常运行产生影响。如果电流方向为负且t4导通，电流会经过t4流入单相四象限整流器，d3开路故障同样不会影响整流器的正常运行。当电流方向为负且t4不导通时，电流无法经整流器形成回路，电流in接近于零，在网侧产生较高的脉冲电压。

因此，d3开路故障会导致电流in在负半周的电流幅值大幅降低。

d4发生开路故障时，单相四象限整流器电路图如图11所示。如果电流方向为负，即电流流经d3或t4，此时d4开路不会对单相四象限整流器的正常运行产生影响。如果电流方向为正且t3导通，电流会经过t3流入网侧，d4开路故障同样不会影响整流器的正常运行。当电流方向为正且t3不导通时，电流无法经整流器形成回路，电流in接近于零，在网侧产生较高的脉冲电压。

因此，d4开路故障会导致电流in在正半周的电流幅值大幅降低。

不同的开路故障类型与网侧输入电流特征的对应关系，如表3-1所示。

表3-1不同开路故障情况下的网侧输入电流特征

通过上述的具体步骤，比较均方根与第一阈值和第二阈值的大小关系，就能够很快区分igbt开路故障和反并联二极管开路故障。

在本发明另外的实施例中，步骤s300中，所述比较所述差值与阈值的大小，判断开路故障的类型具体包括：

s311，根据所述差值，分别计算所述差值的均方根和平均值；

s312，计算所述差值的均方根与所述差值的平均值的乘积；

s313，根据所述乘积所属的阈值区间，判断所述开路故障的类型，所述开路故障的类型包括第一桥臂igbt故障或第四桥臂igbt故障、第二桥臂igbt故障或第三桥臂igbt故障、第一桥臂反并联二极管开路故障或第四桥臂反并联二极管开路故障或第二桥臂反并联二极管开路故障或第三桥臂反并联二极管开路故障；其中，所述第一桥臂靠近电源的正极；所述第二桥臂远离电源的正极；所述第三桥臂靠近电源的负极；所述第四桥臂远离电源的负极。

在所述步骤s311中，所述差值的均方根通过上述的式（6）计算，具体的内容如前所述，此处不再赘述。所述差值的平均值通过上述的式（7）计算，以确定差值的正负。其中，dave为所述差值dk的平均值。通过式（6），可以准确确定差值的正负。

（7）s=drms·dave（8）

在步骤s312中，所述差值的均方根与所述差值的平均值的乘积可以通过式（8）计算。其中，s为所述乘积，该乘积可以作为诊断信号。drms为所述差值的均方根，具体可以通过前述的式（6）计算，dave为所述差值的平均值，具体可以通过前述的式（7）计算，此处均不再赘述。

在本发明的一个或多个实施例中，步骤s313中，所述根据所述乘积所属的阈值区间，判断所述开路故障的类型具体包括：

当所述乘积属于第一阈值区间时，判断为第一桥臂igbt故障或第四桥臂igbt故障，所述第一阈值区间为大于第一阈值且小于第二阈值；

当所述乘积属于第二阈值区间时，判断为第二桥臂igbt故障或第三桥臂igbt故障，所述第二阈值区间为大于第二阈值的负值且小于第一阈值的负值；

当所述乘积属于第三阈值区间时，判断为第一桥臂反并联二极管开路故障或第四桥臂反并联二极管开路故障，所述第三阈值区间为小于第二阈值的负值；

当所述乘积属于第四阈值区间时，判断为第二桥臂反并联二极管开路故障或第三桥臂反并联二极管开路故障，所述第四阈值区间为大于第二阈值。

也即，所述乘积所属的阈值区域，与具体的开路故障的类型的对应关系可以如表3-2所示。其中，dth_low为第一阈值,dth_high为第二阈值。

表3-2单相四象限整流器开路故障诊断

通过计算差值的均方根与所述差值的平均值的乘积，可以更加准确的判断igbt开路故障或反并联二极管开路故障的具体故障类型。

在本发明另外的实施例中，步骤s313中，所述比较所述差值与阈值的大小，判断开路故障的类型具体包括：

根据所述差值，计算所述差值的平均值；

比较所述均方根与第一阈值和第二阈值的大小关系，以及所述平均值与零的大小，判断具体开路故障类型。

具体的判断为：当所述所述均方根大于第一阈值且小于第二阈值，且平均值大于零时，判断为第一桥臂igbt故障或第四桥臂igbt故障；当所述所述均方根大于第一阈值且小于第二阈值，且平均值小于零时，判断为第二桥臂igbt故障或第三桥臂igbt故障；当所述均方根大于第二阈值，且平均值大于零时，判断为第二桥臂反并联二极管开路故障或第三桥臂反并联二极管开路故障；当所述均方根大于第二阈值，且平均值小于零时，判断为第一桥臂反并联二极管开路故障或第四桥臂反并联二极管开路故障。

需要说明的是，对于类似于t1和t4的开路故障诊断，由于故障后的网侧电压与电流，以及直流侧电压的故障特征基本不存在明显差异，只能通过控制信号或加装额外传感器的方式才能实现两个开关管的故障辨识。然而，对系统进行改动在实际中会产生一系列难以有效处理的责任划分问题。因此，通过控制信号或加装额外传感器来进行诊断的方式并不是一种行之有效的解决方法。

本发明实施例提供的基于电流半波差异的整流器开路故障诊断方法，只需要从一个已有的电流传感器中获取电流信号，即可完成故障诊断从而能够极大地节省成本。同时，仅通过这一个传感器的信号可以实现两类开路故障诊断：igbt与反并联二极管，并可以诊断具体的igbt故障和反并联二极管开路故障所在的桥臂。通过对算法的设计，也即先对网侧输入电流进行标准化处理，再采样，通过计算第k个采样点与第k-n/2个采样点的标准网侧输入电流的和值，再计算该和值与预设的误差的差值，并计算差值的平均值与均方根的乘积，根据该乘积所述的阈值区间，得到具体的诊断结果，保证了负载变化、网侧电压变化，以及载波变化都不会影响到最终的诊断结果，因此可以适用复杂的工作环境。总而言之，该方法具有低成本、较大的诊断范围，以及稳定的特点。

实验例

模拟单相四象限整流器igbt开路故障与反并联二极管开路故障来对诊断方法进行验证。主要实验参数如表3-3所示。在实验中，通过关闭控制信号来模拟igbt开路故障，在反并联二极管一侧串联可控开关并控制开关关断来模拟反并联二极管的开路故障。

诊断方法包括：

通过式（1）和（3）对网侧输入电流进行标准化处理，得到标准网侧输入电流。

通过电流传感器实时采集采样点的标准网侧输入电流，每个电流周期的采样点个数为n，正半周与负半周的均为n/2。在采集采样点的同时，对采样点的标准网侧输入电流进行实时的存储。当前时刻采样点的编号k满足，k＞n/2时，通过式（4）计算第k个采样点与第k-n/2个采样点的标准网侧输入电流的和值与误差的差值（dk）；当前时刻采样点的编号k满足，k≤n时，直接实时存储所述采样点，使所述存储的采样点个数小于等于n。

通过式（6）和式（7）分别计算差值的均方根和平均值，并通过式（8）计算s（也即诊断信号）。

根据s的值，判断开路故障的具体类型：当s属于第一阈值区间(0,1)时，判断为第一桥臂igbt故障(t1故障)或第四桥臂igbt故障(t4故障)；

当s属于第二阈值区间(-1,0)时，判断为第二桥臂igbt故障(t2故障)或第三桥臂igbt故障(t3故障)；

当s属于第三阈值区间(-∞,-1)时，判断为第一桥臂反并联二极管开路故障(d1故障)或第四桥臂反并联二极管开路故障(d4故障)；

当s属于第四阈值区间(1,＋∞)时，判断为第二桥臂反并联二极管开路故障(d2故障)或第三桥臂反并联二极管开路故障(d3故障)。

表3-3主要实验参数

1）故障诊断方法的有效性检测

正常工况下，单相四象限整流器的网侧输入电压、网侧输入电流，以及输出电压如图14所示。由于载波频率较低，网侧输入电流呈锯齿状小幅波动。直流侧输出电压基本稳定在600v左右。

当t1发生开路故障时，单相四象限整流器的诊断过程如图15所示。诊断方法如前所述。图15中依次给出了网侧输入电流、直流侧电压，以及诊断信号的变化过程。t1开路故障发生在ta时刻。在开路故障发生前，诊断信号s基本呈不规则的方波进行正负交替变化，其幅值约为0.2左右。出现这种现象的原因是由于正常情况下网侧输入电流的半波差异较小，对应采样点之和基本在零值附近浮动，使得dave的取值也在1和-1之间变化，从而导致诊断信号s呈不规则的方波变化。当t1开路故障发生后，网侧输入电流在负半周的幅值相比正常情况有所减小，在正半周的幅值基本不变；直流侧输出电压呈下降趋势。此时，可以明显观察到，诊断信号s的值逐步上升，且经过大约一个基波周期后，诊断信号s最终趋于一个稳定值，约为0.8，大于第一阈值0.5且小于第二阈值1，诊断为t1（或t4）发生开路故障，诊断结果与实际故障类型相符。因此，本发明实施例的方法能够诊断出t1（或t4）发生开路故障。

模拟t2发生开路故障时，单相四象限整流器的诊断过程如图16所示。相似地，在t2发生开路故障之前，诊断信号s呈不规则的方波变化；在t2发生开路故障之后，直流侧电压降低，诊断信号s发生变化并于一个基波周期后趋于一个稳定的值。与t1开路故障不同的是，网侧输入电流在正半周发生畸变，电流幅值减小，而在负半周保持正常；诊断信号s趋于稳定后的值正好与t1开路故障情况下的值相反，约为-0.8，大于第二阈值的负值-1.0且小于第一阈值的负值-0.5，诊断为t2（或t3）发生开路故障，诊断结果与实际故障类型相符。因此，本发明实施例的方法能够诊断出t2（或t3）发生开路故障。

图17示出了t3发生开路故障时单相四象限整流器的诊断过程。可以看出，除了网侧输入电流与直流侧电压在故障后有微小不同外，t3开路故障情况以及诊断结果与t2开路时的情况及其诊断结果基本一致。

图18和图19分别示出了d1开路故障以及d2开路故障时单相四象限整流器的诊断过程。可以看出，在ta时刻以后，网侧输入电流由于反并联二极管开路故障原因在正半周（或负半周）发生明显畸变。相比于igbt开路故障，反并联二极管开路故障使得网侧输入电流在正半周（或负半周）缺失更加严重，直流侧电压下降幅度更高。相应地，网侧输入电流的半波差异更加明显，drms值也相对更高。d1开路故障时诊断信号s逐渐下降并最终稳定为小于-1，符合小于第二阈值1的负值，诊断为d1（或d4）开路故障。当d2开路故障时，根据诊断信号s的输出值逐渐上升并最终稳定为大于1，符合大于第二阈值1，诊断为d2（或d3）开路故障，诊断结果与实际故障类型相同。可见，本发明实施例的方法能够有效地对两种反并联二极管开路故障进行诊断。

因此，本发明实施例的基于网侧输入电流半波差异的单相四象限整流器开路故障诊断方法，能够有效诊断t1（或t4）开路故障、t2（或t3）开路故障、d1（或d4）开路故障，以及d2（或d3）开路故障。

2）故障诊断方法在负载波动时的鲁棒性检测

当直流侧负载发生变化且t1发生开路故障时，单相四象限整流器的诊断过程如图20所示。在ta时刻，负载变化引起了直流侧电压的微小上升，对网侧输入电流影响甚微。从诊断信号s来看，其值稳定在±0.2以内。即正常工况下负载变化不会引起任何误诊断。在负载变化后的暂态过程中，即直流侧电压还没有达到稳定之前，设置t1开路故障。可以看出，由于故障原因，在tb时刻以后，网侧输入电流负半周发生畸变，而正半周保持正常；直流侧电压开始下降。诊断信号s逐渐上升并最终稳定在0.8左右，诊断为t1（或t4）发生开路故障，与实际开路故障的类型为t1一致。

当直流侧负载发生变化且d1发生开路故障时，单相四象限整流器的诊断过程如图21所示。类似地，正常情况下的负载变化并不会引起误诊断。当反并联二极管开路故障发生在负载变化后不久时，本发明实施例的诊断方法仍然能够准确做出响应。诊断信号s的输出值稳定在-1.2左右，指示为d1（或d4）开路故障，与实际的开路故障类型为d1一致。

因此，本发明实施例的基于网侧输入电流半波差异的单相四象限整流器开路故障诊断方法对于负载变化具有较好的鲁棒性。

3）故障诊断方法在网侧电压波动时的鲁棒性检测

图22所示为单相四象限整流器网侧电压波动时t1开路故障的诊断过程。图中依次给出了网侧电压un、网侧输入电流in，直流侧输出电压ud，以及故障诊断信号s。为了达到一个较好的视觉效果，在图中对网侧输入电流的幅值进行了适当调节。在实验中，通过调节电压幅值，使网侧电压逐步减小。在网侧电压减小的过程中，网侧输入电流的幅值也随之缓慢减小。尽管如此，诊断信号并没有出现误诊断的现象，其值仍然稳定在±0.2以内，也即第一阈值区间(0,1)内。在ta时刻，t1发生开路故障。网侧输入电流负半周发生畸变，而正半周保持正常。诊断信号s的值逐步上升并最终稳定在0.8左右，诊断结果为t1（或t4）开路故障，与实际的t1开路故障相符。

图23为单相四象限整流器网侧电压波动时d1开路故障的诊断过程。同样地，故障发生前，网侧电压波动没有引起诊断方法的误动作。当d1发生开路故障后，网侧输入电流正半周发生畸变，在负半周保持正常，诊断信号发生变化并稳定在-1.1左右，诊断结果为d1（或d4）开路故障，与实际的t1开路故障相符。

因此，当网侧电压方式波动时，本发明实施例的开路故障诊断方法具有较好的鲁棒性。

4）故障诊断方法在载波频率变化时的鲁棒性检测

当单相四象限整流器载波频率降低时，网侧输入电流存在较大纹波，谐波含量相对更高。图24所示为单相四象限整流器载波频率为500hz时t1开路故障的诊断过程。与图15相比，网侧输入电流的波形质量明显下降。尤其在开路故障后的负半周，网侧输入电流畸变更加严重。即使如此，诊断信号在故障前一直保持在±0.2以内；直到开路故障发生后，诊断信号输出值才上升并稳定在0.8左右，诊断结果指示为t1（或t4）开路故障，与实际的t1开路故障相符。

图25为单相四象限整流器载波频率为500hz时d1开路故障的诊断过程。同样地，网侧输入电流呈现明显的锯齿状。发生开路故障后，电流在正半周长时间接近于零，而在负半周基本保持正常。诊断信号从ta时刻开始发生变化并最终趋向于-1.1，诊断结果指示为d1（或d4）开路故障，与实际的d1开路故障相符。

当单相四象限整流器载波频率上升时，网侧输入电流纹波减小，谐波含量相对降低。此时，电流波形更接近于正弦波，诊断方法的误差相对更小。图26所示为单相四象限整流器载波频率为2khz时t1开路故障的诊断过程。可以看出，正常情况下提升载波频率不会引起误诊断。当t1发生开路故障时，诊断信号的输出值开始上升并最终稳定在0.6左右，诊断结果指示为t1（或t4）开路故障，与实际的t1开路故障相符。

图27所示为单相四象限整流器载波频率为2khz时d1开路故障的诊断过程。类似地，载波频率上升没有对d1的开路故障诊断产生影响，诊断信号最终稳定在-1.2左右，诊断结果指示为d1（或d4）开路故障，与实际的d1开路故障相符。

因此，无论单相四象限整流器载波频率上升或下降，本发明实施例的诊断方法都具有较好的鲁棒性。

通过上述的实验例，可以看出，本发明实施例的诊断方法具有以下效果：

1.能够有效诊断t1（或t4）开路故障、t2（或t3）开路故障、d1（或d4）开路故障，以及d2（或d3）开路故障；

2.对于负载波动具有较好的鲁棒性，诊断结果不受负载变化的影响；

3.对于网侧电压波动具有较好的鲁棒性，诊断结果不受网侧电压变化的影响；

4.对于载波变化具有较好的鲁棒性，诊断结果不受载波变化的影响。

本发明实施例的基于网侧输入电流半波差异的单相四象限整流器开路故障诊断方法是准确有效的，对于负载变化、网侧电压变化，以及载波变化具有较好的抗扰性与鲁棒性。

需要说明的是，本说明书一个或多个实施例的方法可以由单个设备执行，例如一台计算机或服务器等。本实施例的方法也可以应用于分布式场景下，由多台设备相互配合来完成。在这种分布式场景的情况下，这多台设备中的一台设备可以只执行本说明书一个或多个实施例的方法中的某一个或多个步骤，这多台设备相互之间会进行交互以完成所述的方法。

需要说明的是，上述对本说明书特定实施例进行了描述。其它实施例在所附权利要求书的范围内。在一些情况下，在权利要求书中记载的动作或步骤可以按照不同于实施例中的顺序来执行并且仍然可以实现期望的结果。另外，在附图中描绘的过程不一定要求示出的特定顺序或者连续顺序才能实现期望的结果。在某些实施方式中，多任务处理和并行处理也是可以的或者可能是有利的。

基于同一发明构思，与上述任意实施例方法相对应的，本说明书一个或多个实施例还提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现上任意一实施例所述的基于电流半波差异的整流器开路故障诊断方法。

图28示出了本实施例所提供的一种更为具体的电子设备硬件结构示意图，该设备可以包括：处理器1010、存储器1020、输入/输出接口1030、通信接口1040和总线1050。其中处理器1010、存储器1020、输入/输出接口1030和通信接口1040通过总线1050实现彼此之间在设备内部的通信连接。

处理器1010可以采用通用的cpu（centralprocessingunit，中央处理器）、微处理器、应用专用集成电路（applicationspecificintegratedcircuit，asic）、或者一个或多个集成电路等方式实现，用于执行相关程序，以实现本说明书实施例所提供的技术方案。

存储器1020可以采用rom（readonlymemory，只读存储器）、ram（randomaccessmemory，随机存取存储器）、静态存储设备，动态存储设备等形式实现。存储器1020可以存储操作系统和其他应用程序，在通过软件或者固件来实现本说明书实施例所提供的技术方案时，相关的程序代码保存在存储器1020中，并由处理器1010来调用执行。

输入/输出接口1030用于连接输入/输出模块，以实现信息输入及输出。输入输出/模块可以作为组件配置在设备中（图中未示出），也可以外接于设备以提供相应功能。其中输入设备可以包括键盘、鼠标、触摸屏、麦克风、各类传感器等，输出设备可以包括显示器、扬声器、振动器、指示灯等。

通信接口1040用于连接通信模块（图中未示出），以实现本设备与其他设备的通信交互。其中通信模块可以通过有线方式（例如usb、网线等）实现通信，也可以通过无线方式（例如移动网络、wifi、蓝牙等）实现通信。

总线1050包括一通路，在设备的各个组件（例如处理器1010、存储器1020、输入/输出接口1030和通信接口1040）之间传输信息。

需要说明的是，尽管上述设备仅示出了处理器1010、存储器1020、输入/输出接口1030、通信接口1040以及总线1050，但是在具体实施过程中，该设备还可以包括实现正常运行所必需的其他组件。此外，本领域的技术人员可以理解的是，上述设备中也可以仅包含实现本说明书实施例方案所必需的组件，而不必包含图中所示的全部组件。

上述实施例的电子设备用于实现前述任一实施例中相应的基于电流半波差异的整流器开路故障诊断方法，并且具有相应的方法实施例的有益效果，在此不再赘述。

所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本公开的范围（包括权利要求）被限于这些例子；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。

本发明的实施例旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。