CN103941142B - 一种开关磁阻电机功率变换器故障诊断相电流积分方法 - Google Patents

Abstract

一种开关磁阻电机功率变换器故障诊断相电流积分方法，通过检测开关磁阻电机功率变换器无故障状态下的相电流i_O(t)瞬态值和当前相电流i(t)瞬态值，由积分运算求得无故障状态下的相电流在一个周期内的积分值S_nO和当前状态下的相电流在一个周期内的积分值S_n，比值E_n＝S_n/S_nO作为故障特征量，诊断出开关磁阻电机功率变换器主开关是否有短路、开路故障；适用于多种相数、多种拓扑结构的开关磁阻电机功率变换器，故障定位准，具有良好的工程应用价值。

Description

一种开关磁阻电机功率变换器故障诊断相电流积分方法

技术领域

本发明涉及一种开关磁阻电机功率变换器故障诊断相电流积分方法，尤其是一种适用于多种相数、多种拓扑结构的开关磁阻电机的功率变换器主开关短路、开路故障诊断方法。

背景技术

开关磁阻电机功率变换器故障检测与诊断主要是基于系统模型的定性分析方法，它是通过建模仿真或实验的方法，分析对比系统正常状态与故障状态下观测量的变化信息，提取残差或故障特征，以期利用故障决策算法实现系统的故障分离，对于能够精确建立数学模型的系统，这类方法能够深入研究系统故障机理，不仅有利于已知故障的特征分析，对未出现过或经验不足的故障也可进行性能分析和诊断，所以得到广泛应用；开关磁阻电机具有不同于传统交直流电机的双凸极结构和非正弦供电特性，使得开关磁阻电机功率变换器的故障分离和故障特征提取与其他电机有明显的不同。基于系统模型的定性分析方法应用于开关磁阻电机功率变换器故障诊断，其难点在于开关磁阻电机系统精确的数学模型很难建立。不需要开关磁阻电机系统精确数学模型的故障诊断方法，是当前开关磁阻电机系统研究和技术开发的重要方向之一。

发明内容

本发明的目的是针对已有技术中存在问题，提供一种开关磁阻电机功率变换器主开关短路、开路故障诊断的相电流积分方法。

本发明的开关磁阻电机功率变换器主开关短路故障诊断方法：

检测开关磁阻电机功率变换器无故障状态下的相电流i_O(t)瞬态值，由积分运算求得无故障状态下的相电流在一个周期内的积分值：

$S_{\mathrm{nO}}=\underset{T}{\∫}{i}_O\left(t\right)\mathrm{dt}---\left(1\right)$

其中：n为电机的转速，T为相电流的变化周期，t为时间；

检测开关磁阻电机功率变换器的当前相电流i(t)瞬态值，由积分运算求得当前状态下的相电流在一个周期内的积分值：

$S_n=\underset{T}{\∫}i\left(t\right)\mathrm{dt}---\left(2\right)$

其中：n为电机的转速，T为相电流的变化周期，t为时间；

当前状态下的相电流在一个周期内的积分值S_n与无故障状态下的相电流在一个周期内的积分值S_nO的比值E_n＝S_n/S_nO作为故障特征量，来诊断开关磁阻电机功率变换器主开关是否有短路、开路故障；

当比值E_n＝S_n/S_nO在整个转速范围内的曲线值均是1，则开关磁阻电机功率变换器没有发生主开关故障；

当比值E_n＝S_n/S_nO在整个转速范围内的曲线值大于1.2，则开关磁阻电机功率变换器发生主开关短路故障；

当比值E_n＝S_n/S_nO在整个转速范围内的曲线值为0，则开关磁阻电机功率变换器发生主开关开路故障。

有益效果：本发明对多种相数、多种拓扑结构的开关磁阻电机功率变换器主开关短路、开路故障诊断适用。检测开关磁阻电机功率变换器无故障状态下的相电流i_O(t)瞬态值和当前相电流i(t)瞬态值，计算出当前状态下的相电流在一个周期内的积分值S_n与无故障状态下的相电流在一个周期内的积分值S_nO的比值E_n＝S_n/S_nO作为故障特征量，诊断出开关磁阻电机功率变换器主开关短路、开路故障，达到本发明的目的。该开关磁阻电机功率变换器主开关短路、开路故障诊断方法，不增加硬件，故障诊断定位准确率达100％，具有良好的工程应用价值。

附图说明

图1是本发明的三相双开关式开关磁阻电机功率变换器主电路的拓扑结构图；

图2是本发明的三相双开关式开关磁阻电机功率变换器没有发生主开关故障的相电流波形图；

图3是本发明的整个转速范围内相电流在一个周期内的积分值曲线；

图4是本发明的三相双开关式开关磁阻电机功率变换器发生主开关短路故障的相电流波形图；

图5是本发明的三相双开关式开关磁阻电机功率变换器发生主开关开路故障的相电流波形图；

图6是本发明的三相双绕组式开关磁阻电机功率变换器主电路的拓扑结构图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作进一步的描述：

实施例一：如图1所示，为三相双开关式开关磁阻电机功率变换器主电路，三相双开关功率变换器的每相均有两只主开关和两只续流二极管，A相、B相、C相并联在供电电源正极“+”和负极“-”上。其中A相的上主开关S1一端与供电电源正极“+”相连、上主开关S1另一端与A相绕组一端相连，下主开关S2一端与供电电源负极“-”相连、下主开关S2另一端与A相绕组另一端相连，上续流二极管VD1一端与供电电源正极“+”相连、上续流二极管VD1另一端与A相绕组另一端相连，下续流二极管VD2一端与供电电源负极“-”相连、下续流二极管VD2另一端与A相绕组一端相连。B相、C相内部连接方式与A相内部连接方式相同，略。开关磁阻电机功率变换器主开关短路、开路故障诊断方法如下：

首先检测三相双开关式开关磁阻电机功率变换器无故障状态下的A相电流i_O(t)瞬态值，由积分运算求得无故障状态下的A相电流在一个周期内的积分值：

$S_{\mathrm{nO}}=\underset{T}{\∫}{i}_O\left(t\right)\mathrm{dt}---\left(1\right)$

其中：n为电机的转速，T为相电流的变化周期，t为时间；

检测三相双开关式开关磁阻电机功率变换器的当前A相电流i(t)瞬态值，由积分运算求得当前状态下的A相电流在一个周期内的积分值：

$S_n=\underset{T}{\∫}i\left(t\right)\mathrm{dt}---\left(2\right)$

其中：n为电机的转速，T为相电流的变化周期，t为时间；

将当前状态下的A相电流在一个周期内的积分值S_n与无故障状态下的A相电流在一个周期内的积分值S_nO的比值E_n＝S_n/S_nO作为故障特征量，来诊断开关磁阻电机功率变换器A相主开关是否有短路、开路故障；

相电流波形如图2所示，当比值E_n＝S_n/S_nO在整个转速范围内的曲线值均是1，如图3所示，则开关磁阻电机功率变换器没有发生A相主开关故障；

如图3所示，当比值E_n＝S_n/S_nO在整个转速范围内的曲线值大于1.2，则开关磁阻电机功率变换器发生A相主开关短路故障，其相电流波形如图4所示；

如图3所示，当比值E_n＝S_n/S_nO在整个转速范围内的曲线值为0，则开关磁阻电机功率变换器发生A相主开关开路故障，其相电流波形如图5所示。

再检测三相双开关式开关磁阻电机功率变换器无故障状态下的B相电流i_O(t)瞬态值，由积分运算求得无故障状态下的B相电流在一个周期内的积分值：

$S_{\mathrm{nO}}=\underset{T}{\∫}{i}_O\left(t\right)\mathrm{dt}---\left(1\right)$

其中：n为电机的转速，T为相电流的变化周期，t为时间；

检测三相双开关式开关磁阻电机功率变换器的当前B相电流i(t)瞬态值，由积分运算求得当前状态下的B相电流在一个周期内的积分值：

$S_n=\underset{T}{\∫}i\left(t\right)\mathrm{dt}---\left(2\right)$

其中：n为电机的转速，T为相电流的变化周期，t为时间；

将当前状态下的B相电流在一个周期内的积分值S_n与无故障状态下的B相电流在一个周期内的积分值S_nO的比值E_n＝S_n/S_nO作为故障特征量，来诊断开关磁阻电机功率变换器B相主开关是否有短路、开路故障；相电流波形如图2所示，当比值E_n＝S_n/S_nO在整个转速范围内的曲线值均是1，如图3所示，则开关磁阻电机功率变换器B相没有发生主开关故障；如图3所示，当比值E_n＝S_n/S_nO在整个转速范围内的曲线值大于1.2，则开关磁阻电机功率变换器发生B相主开关短路故障，其相电流波形如图4所示；如图3所示，当比值E_n＝S_n/S_nO在整个转速范围内的曲线值为0，则开关磁阻电机功率变换器发生B相主开关开路故障，其相电流波形如图5所示。

最后检测三相双开关式开关磁阻电机功率变换器无故障状态下的C相电流i_O(t)瞬态值，由积分运算求得无故障状态下的C相电流在一个周期内的积分值：

$S_{\mathrm{nO}}=\underset{T}{\∫}{i}_O\left(t\right)\mathrm{dt}---\left(1\right)$

其中：n为电机的转速，T为相电流的变化周期，t为时间；

检测三相双开关式开关磁阻电机功率变换器的当前C相电流i(t)瞬态值，由积分运算求得当前状态下的C相电流在一个周期内的积分值：

$S_n=\underset{T}{\∫}i\left(t\right)\mathrm{dt}---\left(2\right)$

其中n为电机的转速，T为相电流的变化周期，t为时间；

将当前状态下的C相电流在一个周期内的积分值S_n与无故障状态下的C相电流在一个周期内的积分值S_nO的比值E_n＝S_n/S_nO作为故障特征量，来诊断开关磁阻电机功率变换器C相主开关是否有短路、开路故障；

相电流波形如图2所示，当比值E_n＝S_n/S_nO在整个转速范围内的曲线值均是1，如图3所示，则开关磁阻电机功率变换器C相没有发生主开关故障；

如图3所示，当比值E_n＝S_n/S_nO在整个转速范围内的曲线值大于1.2，则开关磁阻电机功率变换器发生C相主开关短路故障，其相电流波形如图4所示；

如图3所示，当比值E_n＝S_n/S_nO在整个转速范围内的曲线值为0，则开关磁阻电机功率变换器发生C相主开关开路故障，其相电流波形如图5所示。

该开关磁阻电机功率变换器两相及两相以上同时出现主开关短路、开路故障时的故障检测、故障种类辨别、故障相定位方法与上述类似。

通过对A、B、C三相分别检测相电流，判断其当前状态下的相电流在一个周期内的积分值S_n与无故障状态下的该相电流在一个周期内的积分值S_nO的比值E_n＝S_n/S_nO在整个转速范围内的曲线值等于1、大于1.2或等于0，从而实现主开关短路、开路故障相的定位。

实施例二：如图6所示，为三相双绕组式开关磁阻电机功率变换器主电路，三相双绕组功率变换器的每相均有一只主开关和一只续流二极管，A相、B相、C相并联在供电电源正极“+”和负极“-”上；三相双绕组功率变换器的每相均有两个绕组，主、副两个绕组双线并绕、同名端反接。A相的主开关S1一端与供电电源负极“-”相连、主开关S1另一端与A相主绕组一端相连，A相主绕组另一端与供电电源正极“+”相连，续流二极管VD1一端与供电电源负极“-”相连，续流二极管VD1另一端与A相副绕组一端相连，A相副绕组另一端与供电电源正极“+”相连。

B相、C相内部连接方式与A相内部连接方式相同，略。开关磁阻电机功率变换器主开关短路、开路故障诊断方法如下：

首先检测三相双绕组式开关磁阻电机功率变换器无故障状态下的A相电流i_O(t)瞬态值，由积分运算求得无故障状态下的A相电流在一个周期内的积分值：

$S_{\mathrm{nO}}=\underset{T}{\∫}{i}_O\left(t\right)\mathrm{dt}---\left(1\right)$

其中：n为电机的转速，T为相电流的变化周期，t为时间；

检测三相双绕组式开关磁阻电机功率变换器的当前A相电流i(t)瞬态值，由积分运算求得当前状态下的A相电流在一个周期内的积分值：

$S_n=\underset{T}{\∫}i\left(t\right)\mathrm{dt}---\left(2\right)$

其中：n为电机的转速，T为相电流的变化周期，t为时间；

将当前状态下的A相电流在一个周期内的积分值S_n与无故障状态下的A相电流在一个周期内的积分值S_nO的比值E_n＝S_n/S_nO作为故障特征量，来诊断开关磁阻电机功率变换器A相主开关是否有短路、开路故障；

相电流波形如图2所示，当比值E_n＝S_n/S_nO在整个转速范围内的曲线值均是1，如图3所示，则开关磁阻电机功率变换器没有发生A相主开关故障；

如图3所示，当比值E_n＝S_n/S_nO在整个转速范围内的曲线值大于1.2，则开关磁阻电机功率变换器发生A相主开关短路故障，其相电流波形如图4所示；

如图3所示，当比值E_n＝S_n/S_nO在整个转速范围内的曲线值为0，则开关磁阻电机功率变换器发生A相主开关开路故障，其相电流波形如图5所示。

再检测三相双绕组式开关磁阻电机功率变换器无故障状态下的B相电流i_O(t)瞬态值，由积分运算求得无故障状态下的B相电流在一个周期内的积分值：

$S_{\mathrm{nO}}=\underset{T}{\∫}{i}_O\left(t\right)\mathrm{dt}---\left(1\right)$

其中：n为电机的转速，T为相电流的变化周期，t为时间；

检测三相双绕组式开关磁阻电机功率变换器的当前B相电流i(t)瞬态值，由积分运算求得当前状态下的B相电流在一个周期内的积分值：

$S_n=\underset{T}{\∫}i\left(t\right)\mathrm{dt}---\left(2\right)$

其中：n为电机的转速，T为相电流的变化周期，t为时间；

将当前状态下的B相电流在一个周期内的积分值S_n与无故障状态下的B相电流在一个周期内的积分值S_nO的比值E_n＝S_n/S_nO作为故障特征量，来诊断开关磁阻电机功率变换器B相主开关是否有短路、开路故障；

相电流波形如图2所示，当比值E_n＝S_n/S_nO在整个转速范围内的曲线值均是1，如图3所示，则开关磁阻电机功率变换器B相没有发生主开关故障；

如图3所示，当比值E_n＝S_n/S_nO在整个转速范围内的曲线值大于1.2，则开关磁阻电机功率变换器发生B相主开关短路故障，其相电流波形如图4所示；

如图3所示，当比值E_n＝S_n/S_nO在整个转速范围内的曲线值为0，则开关磁阻电机功率变换器发生B相主开关开路故障，其相电流波形如图5所示。

最后检测三相双绕组式开关磁阻电机功率变换器无故障状态下的C相电流i_O(t)瞬态值，由积分运算求得无故障状态下的C相电流在一个周期内的积分值：

$S_{\mathrm{nO}}=\underset{T}{\∫}{i}_O\left(t\right)\mathrm{dt}---\left(1\right)$

其中：n为电机的转速，T为相电流的变化周期，t为时间。

检测三相双绕组式开关磁阻电机功率变换器的当前C相电流i(t)瞬态值，由积分运算求得当前状态下的C相电流在一个周期内的积分值：

$S_n=\underset{T}{\∫}i\left(t\right)\mathrm{dt}---\left(2\right)$

其中：n为电机的转速，T为相电流的变化周期，t为时间；

将当前状态下的C相电流在一个周期内的积分值S_n与无故障状态下的C相电流在一个周期内的积分值S_nO的比值E_n＝S_n/S_nO作为故障特征量，来诊断开关磁阻电机功率变换器C相主开关是否有短路、开路故障；

相电流波形如图2所示，当比值E_n＝S_n/S_nO在整个转速范围内的曲线值均是1，如图3所示，则开关磁阻电机功率变换器C相没有发生主开关故障；

如图3所示，当比值E_n＝S_n/S_nO在整个转速范围内的曲线值大于1.2，则开关磁阻电机功率变换器发生C相主开关短路故障，其相电流波形如图4所示；

如图3所示，当比值E_n＝S_n/S_nO在整个转速范围内的曲线值为0，则开关磁阻电机功率变换器发生C相主开关开路故障，其相电流波形如图5所示。

该双绕组式开关磁阻电机功率变换器两相及两相以上同时出现主开关短路、开路故障时的故障检测、故障种类辨别、故障相定位方法与上述类似。

通过对A、B、C三相分别检测相电流，判断其当前状态下的相电流在一个周期内的积分值S_n与无故障状态下的该相电流在一个周期内的积分值S_nO的比值E_n＝S_n/S_nO在整个转速范围内的曲线值等于1、大于1.2或等于0，从而实现主开关短路、开路故障相的定位。

Claims (1)

1.一种开关磁阻电机功率变换器故障诊断相电流积分方法，其特征在于：

检测开关磁阻电机功率变换器无故障状态下的相电流i_O(t)瞬态值，由积分运算求得无故障状态下的相电流在一个周期内的积分值：

$S_{nO}=\underset{T}{\∫}{i}_O\left(t\right)dt---\left(1\right)$

其中：n为电机的转速，T为相电流的变化周期，t为时间；

检测开关磁阻电机功率变换器的当前相电流i(t)瞬态值，由积分运算求得当前状态下的相电流在一个周期内的积分值：

$S_n=\underset{T}{\∫}i\left(t\right)dt---\left(2\right)$

其中：n为电机的转速，T为相电流的变化周期，t为时间；

当前状态下的相电流在一个周期内的积分值S_n与无故障状态下的相电流在一个周期内的积分值S_nO的比值E_n＝S_n/S_nO作为故障特征量，来诊断开关磁阻电机功率变换器主开关是否有短路和开路故障；

当比值E_n＝S_n/S_nO在整个转速范围内的曲线值均是1，则开关磁阻电机功率变换器没有发生主开关故障；

当比值E_n＝S_n/S_nO在整个转速范围内的曲线值大于1.2，则开关磁阻电机功率变换器发生主开关短路故障；

当比值E_n＝S_n/S_nO在整个转速范围内的曲线值为0，则开关磁阻电机功率变换器发生主开关开路故障；

通过检测相电流，判断当前状态下的相电流在一个周期内的积分值S_n与无故障状态下的该相电流在一个周期内的积分值S_nO的比值E_n＝S_n/S_nO在整个转速范围内的曲线值等于1、大于1.2或等于0，从而实现主开关短路和开路故障相的定位。