CN106383289A - 开关磁阻电机功率变换器相关性分析故障诊断方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种开关磁阻电机功率变换器相关性分析故障诊断方法。这种方法通过采集开关磁阻电机功率变换器一个整周期的相电流信息，将相电流信号的平均值作为开路故障特征量。将相电流信号移相至同相位，之后对得到的信号通过小波分析进行消噪处理。将处理之后的相电流信号在相关断区间内的相关系数用于检测短路故障及识别故障相；将相电流信号在相开通区间内的相关系数用于短路功率器件的定位，完成功率变换器的故障诊断。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，诊断准确，具有良好的工程应用价值。

Description

开关磁阻电机功率变换器相关性分析故障诊断方法

技术领域

本发明涉及一种开关磁阻电机功率变换器相关性分析故障诊断方法，尤其是一种适用于各种相数、多种拓扑结构的开关磁阻电机的功率变换器相关性分析故障诊断方法。

背景技术

开关磁阻电机系统的高可靠性使其能够工作在环境恶劣的场合，针对开关磁阻电机系统进行故障诊断技术研究，可以进一步提高电机系统在严苛的工况下的容错能力。功率变换器是开关磁阻电机系统的关键执行机构，其故障会导致故障相电流发生畸变，使电机出力不均，将影响整个系统的性能和电机的使用寿命。功率开关管长期工作在高频开关状态，在关断时容易遭受电流冲击，损耗较大，发热严重，是功率变换器中最易出现故障的薄弱部分。目前，主要是通过对功率变换器功率开关管实施过流、过压和过热等措施进行保护，但是只有当故障发展到一定程度时这种方法才有效，并且由于电机工况条件的不同故障保护阈值的确定比较困难，具有经验性，无法进行定量故障诊断。除此之外，与传统交流电机流通的正弦交流电流相比，SRM各相绕组中流通的是非正弦的断续单向电流，因此传统交流电机的功率变换器故障诊断方法不能直接应用到开关磁阻电机功率变换器的故障诊断中。

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相关性分析故障诊断方法。

本发明的开关磁阻电机功率变换器相关性分析故障诊断方法：

采集开关磁阻电机功率变换器一个整周期的相电流信息，计算各相电流的平均值E(i_K)：

$E\left(i_K\right)=\frac{1}{n}\underset{k=1}{\overset{n}{\Σ}}{i}_K---\left(1\right)$

式中，i_K(K取A、B、C…)表示相电流信息；n为相电流采样个数；k为数据计算序列。

判断相电流平均值是否为零，若某相电流平均值为零，则诊断该相发生开路故障。若各相电流平均值均不为零，将开关磁阻电机功率变换器的相电流移相至同相位，并对同相位的相电流信号进行小波分析，以降低噪声对数据的干扰，得到经过小波消噪处理后的相电流信号，然后计算相电流信号之间的协方差值C_XY：

$\begin{array}{c}{C}_{XY}=E\{\[i_X-E\left(i_X\right)\]\[i_Y-E\left(i_Y\right)\]\}\\ =E\left(i_X{i}_Y\right)-E\left(i_X\right)E\left(i_Y\right)\end{array}---\left(2\right)$

式中，i_X和i_Y(X、Y取A、B、C…，且X不等于Y)表示任意两相不同的相电流信号；E(i_X)、E(i_Y)和E(i_Xi_Y)分别表示相电流信号i_X、i_Y和两者乘积的平均值。

计算相电流信号i_X、i_Y各自的均方差值σ_X、σ_Y：

${\mathrm{\σ}}_X=\sqrt{E{\[i_X-E\left(i_X\right)\]}^2}=\sqrt{E\left(i_X^2\right)-{\[E\left(i_X\right)\]}^2}---\left(3\right)$

${\mathrm{\σ}}_Y=\sqrt{E{\[i_Y-E\left(i_Y\right)\]}^2}=\sqrt{E\left(i_Y^2\right)-{\[E\left(i_Y\right)\]}^2}---\left(4\right)$

结合式(2)、(3)和(4)得到任意两相电流之间的相关系数η_XY:

${\mathrm{\η}}_{XY}=\frac{E\left(i_X{i}_Y\right)-E\left(i_X\right)E\left(i_Y\right)}{\sqrt{E\left(i_X^2\right)-{\[E\left(i_X\right)\]}^2}\sqrt{E\left(i_Y^2\right)-{\[E\left(i_Y\right)\]}^2}}---\left(5\right)$

由公式(5)可计算任意两相电流信号在相电流不同区间内的相关系数值。计算相电流信号在相关断区间内的相关系数值，作为短路故障相识别特征量。当相关系数值均为1时，判断开关磁阻电机功率变换器正常运行；对于三相开关磁阻电机，当有两个相关系数值小于0.5时，判断开关磁阻电机功率变换器发生短路故障，并将这两个相关系数小于0.5的共同相定位为短路故障相。

在判断出开关磁阻电机功率变换器发生短路故障并识别出故障相后，计算故障相与任意正常相电流信号在相开通区间内的相关系数，作为短路故障器件的定位特征量。当相关系数值大于0.8时，判断位置导通管发生短路故障；当相关系数值小于0.8时，判断斩波管发生短路故障。

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短路故障诊断适用。这种方法首先采集一个整周期的相电流信息，并计算各相电流的平均值，通过判断各相电流平均值是否为零，诊断是否发生开路故障，并定位故障桥臂。如果相电流平均值均不为0，将开关磁阻电机功率变换器相电流信号移相至同相位，然后对同相位的相电流信号进行小波分析，以降低噪声对数据的干扰，得到经过小波消噪处理后的相电流信号，接着计算相电流信号在相关断区间内的相关系数，作为短路故障相识别特征量。在识别出短路故障相之后，计算故障相与任意正常相电流信号在相开通区间内的相关系数，作为短路故障器件的定位特征量，达到本发明的目的。该开关磁阻电机功率变换器故障诊断方法，能定量提取故障特征，准确度高、故障诊断可靠，效果好，具有良好的工程应用价值。

附图说明

图1是本发明的三相不对称半桥型开关磁阻电机功率变换器的拓扑结构图。

图2是本发明的三相不对称半桥型开关磁阻电机功率变换器的A相斩波管和位置导通管短路故障发生前后的A，B两相电流信号在相关断区间内的相关系数曲线图。

图3是本发明的三相不对称半桥型开关磁阻电机功率变换器的A相斩波管和位置导通管短路故障发生前后的A，C两相电流信号在相关断区间内的相关系数曲线图。

图4是本发明的三相不对称半桥型开关磁阻电机功率变换器的A相斩波管和位置导通管短路故障发生前后的B，C两相电流信号在相关断区间内的相关系数曲线图。

图5是本发明的三相不对称半桥型开关磁阻电机功率变换器的A相斩波管和位置导通管短路故障发生后，A，B两相电流信号在相开通区间内的相关系数曲线图。

图6是本发明的三相不对称半桥型开关磁阻电机功率变换器的A相斩波管和位置导通管短路故障发生后，A，C两相电流信号在相开通区间内的相关系数曲线图。

图7是本发明的三相不对称半桥型开关磁阻电机功率变换器的A相斩波管和位置导通管短路故障发生后，B，C两相电流信号在相开通区间内的相关系数曲线图。

图8是本发明的三相不对称半桥型开关磁阻电机功率变换器的B相斩波管和位置导通管短路故障发生前后的A，B两相电流信号在相关断区间内的相关系数曲线图。

图9是本发明的三相不对称半桥型开关磁阻电机功率变换器的B相斩波管和位置导通管短路故障发生前后的A，C两相电流信号在相关断区间内的相关系数曲线图。

图10是本发明的三相不对称半桥型开关磁阻电机功率变换器的B相斩波管和位置导通管短路故障发生前后的B，C两相电流信号在相关断区间内的相关系数曲线图。

图11是本发明的三相不对称半桥型开关磁阻电机功率变换器的B相斩波管和位置导通管短路故障发生后，A，B两相电流信号在相开通区间内的相关系数曲线图。

图12是本发明的三相不对称半桥型开关磁阻电机功率变换器的B相斩波管和位置导通管短路故障发生后，A，C两相电流信号在相开通区间内的相关系数曲线图。

图13是本发明的三相不对称半桥型开关磁阻电机功率变换器的B相斩波管和位置导通管短路故障发生后，B，C两相电流信号在相开通区间内的相关系数曲线图。

图14是本发明的三相不对称半桥型开关磁阻电机功率变换器的C相斩波管和位置导通管短路故障发生前后的A，B两相电流信号在相关断区间内的相关系数曲线图。

图15是本发明的三相不对称半桥型开关磁阻电机功率变换器的C相斩波管和位置导通管短路故障发生前后的A，C两相电流信号在相关断区间内的相关系数曲线图。

图16是本发明的三相不对称半桥型开关磁阻电机功率变换器的C相斩波管和位置导通管短路故障发生前后的B，C两相电流信号在相关断区间内的相关系数曲线图。

图17是本发明的三相不对称半桥型开关磁阻电机功率变换器的C相斩波管和位置导通管短路故障发生后，A，B两相电流信号在相开通区间内的相关系数曲线图。

图18是本发明的三相不对称半桥型开关磁阻电机功率变换器的C相斩波管和位置导通管短路故障发生后，A，C两相电流信号在相开通区间内的相关系数曲线图。

图19是本发明的三相不对称半桥型开关磁阻电机功率变换器的C相斩波管和位置导通管短路故障发生后，B，C两相电流信号在相开通区间内的相关系数曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的一个实施例作进一步的描述。

如图1所示，为三相开关磁阻电机不对称半桥型功率变换器主电路，三相不对称半桥型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相的斩波管S₁一端与供电电源正极“+”相连、斩波管S₁另一端与A相绕组一端相连，位置导通管S₂一端与供电电源负极“-”相连、位置导通管S₂另一端与A相绕组另一端相连，上续流二极管D₁一端与供电电源正极“+”相连、上续流二极管D₁另一端与A相绕组另一端相连，下续流二极管D₂一端与供电电源负极“-”相连、下续流二极管D₂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。开磁阻电机功率变换器相关性分析故障诊断方法如下：

首先采集一个整周期的相电流信号i_A、i_B、i_C，并计算其平均值E(i_A)、E(i_B)、E(i_C)：

$\left\{\begin{array}{c}E\left(i_A\right)=\frac{1}{n}\underset{k=1}{\overset{n}{\Σ}}{i}_A\\ E\left(i_B\right)=\frac{1}{n}\underset{k=1}{\overset{n}{\Σ}}{i}_B\\ E\left(i_C\right)=\frac{1}{n}\underset{k=1}{\overset{n}{\Σ}}{i}_C\end{array}\right.---\left(1\right)$

式中，n为计算区间内的相电流采样数量；k为数据计算序列。

若E(i_A)＝0，判断A相发生开路故障；若E(i_B)＝0，判断B相发生开路故障；若E(i_C)＝0，判断C相发生开路故障。如果E(i_A)、E(i_B)、E(i_C)均不为0，在开关磁阻电机三相绕组的通电顺序为A-B-C-A…的情况下，以A相电流相位为基准，将B相电流信号延迟120°的电气角度输出，得到与A相电流同相位的B相电流信号i'_B。类似，将C相电流信号延迟240°的电气角度输出，得到与A、B相电流同相位的C相电流信号i'_C。然后对同相位的相电流信号i_A，i'_B，i'_C进行小波分析，降低噪声对数据的干扰，得到经过小波消噪处理后的相电流信号i_AW，i'_BW，i'_CW，然后由公式

$\left\{\begin{array}{c}E\left(i_{AW}\right)=\frac{1}{n}\underset{k=1}{\overset{n}{\Σ}}{i}_A\\ E\left(i_{BW}^{\′}\right)=\frac{1}{n}\underset{k=1}{\overset{n}{\Σ}}{i}_{BW}^{\′}\\ E\left(i_{CW}^{\′}\right)=\frac{1}{n}\underset{k=1}{\overset{n}{\Σ}}{i}_{CW}^{\′}\end{array}\right.---\left(2\right)$

分别计算相电流信号i_AW，i'_BW，i'_CW在相关断区间内的平均值。由公式

$\left\{\begin{array}{c}E\left(i_{AW}{i}_{BW}^{\′}\right)=\frac{1}{n}\underset{k=1}{\overset{n}{\Σ}}{i}_{AW}{i}_{BW}^{\′}\\ E\left(i_{AW}{i}_{CW}^{\′}\right)=\frac{1}{n}\underset{k=1}{\overset{n}{\Σ}}{i}_{AW}{i}_{CW}^{\′}\\ E\left(i_{BW}{i}_{CW}^{\′}\right)=\frac{1}{n}\underset{k=1}{\overset{n}{\Σ}}{i}_{BW}{i}_{CW}^{\′}\end{array}\right.---\left(3\right)$

分别计算相电流信号i_AW，i'_BW，i'_CW在相关断区间内的任意两相电流信号乘积的平均值。由公式

$\left\{\begin{array}{c}{C}_{AB}=E\left(i_A{i}_{BW}^{\′}\right)-E\left(i_A\right)E\left(i_{BW}^{\′}\right)\\ C_{AC}=E\left(i_A{i}_{CW}^{\′}\right)-E\left(i_A\right)E\left(i_{CW}^{\′}\right)\\ C_{BC}=E\left(i_B{i}_{CW}^{\′}\right)-E\left(i_B\right)E\left(i_{CW}^{\′}\right)\end{array}\right.---\left(4\right)$

分别计算相电流信号i_AW，i'_BW，i'_CW在相关断区间内的协方差值C_AB，C_AC，C_BC。由公式

$\left\{\begin{array}{c}E\left(i_{AW}^2\right)=\frac{1}{n}\underset{k=1}{\overset{n}{\Σ}}{i}_{AW}^2\\ E\left(i_{BW}^{\′2}\right)=\frac{1}{n}\underset{k=1}{\overset{n}{\Σ}}{i}_{BW}^{\′2}\\ E\left(i_{CW}^{\′2}\right)=\frac{1}{n}\underset{k=1}{\overset{n}{\Σ}}{i}_{CW}^{\′2}\end{array}\right.---\left(5\right)$

分别计算相电流信号i_AW，i'_BW，i'_CW在相关断区间内平方的平均值。由公式

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\σ}}_A=\sqrt{E\left(i_{AW}^2\right)-{\[E\left(i_{AW}\right)\]}^2}\\ {\mathrm{\σ}}_B=\sqrt{E\left(i_{BW}^{\′2}\right)-{\[E\left(i_{BW}^{\′2}\right)\]}^2}\\ {\mathrm{\σ}}_C=\sqrt{E\left(i_{CW}^{\′2}\right)-{\[E\left(i_{CW}^{\′2}\right)\]}^2}\end{array}\right.---\left(6\right)$

分别计算相电流信号i_AW，i'_BW，i'_CW在相关断区间内的均方差值。由公式

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\η}}_{AB}=\frac{E\left(i_{AW}{i}_{BW}^{\′}\right)-E\left(i_{AW}\right)E\left(i_{BW}^{\′}\right)}{\sqrt{E\left(i_{AW}^2\right)-{\[E\left(i_{AW}\right)\]}^2}\sqrt{E\left(i_{BW}^{\′2}\right)-{\[E\left(i_{BW}^{\′2}\right)\]}^2}}\\ {\mathrm{\η}}_{AC}=\frac{E\left(i_{AW}{i}_{CW}^{\′}\right)-E\left(i_{AW}\right)E\left(i_{CW}^{\′}\right)}{\sqrt{E\left(i_{AW}^2\right)-{\[E\left(i_{AW}\right)\]}^2}\sqrt{E\left(i_{CW}^{\′2}\right)-{\[E\left(i_{CW}^{\′2}\right)\]}^2}}\\ {\mathrm{\η}}_{BC}=\frac{E\left(i_{BW}^{\′}{i}_{CW}^{\′}\right)-E\left(i_{BW}^{\′}\right)E\left(i_{BW}^{\′}\right)}{\sqrt{E\left(i_{BW}^{\′2}\right)-{\[E\left(i_{BW}^{\′2}\right)\]}^2}\sqrt{E\left(i_{CW}^{\′2}\right)-{\[E\left(i_{CW}^{\′2}\right)\]}^2}}\end{array}\right.---\left(7\right)$

分别计算相电流信号i_AW，i'_BW，i'_CW在相关断区间内的相关系数值，并根据相关系数值的大小判断开关磁阻电机功率变换器是否发生短路故障并定位故障相。

若在相关断区间内的相关系数η_AB＝η_AC＝η_BC＝1，则电机正常运行，无短路故障发生；如图2、3、4所示，若在相关断区间内的相关系数η_AB<0.5，η_AC<0.5，η_BC＝1，则A相发生短路故障；

如图5、6、7所示，若在相关断区间内的相关系数η_AB<0.5，η_BC<0.5，η_AC＝1，则B相发生短路故障；

如图8、9、10所示，若在相关断区间内的相关系数η_AC<0.5，η_BC<0.5，η_AB＝1，则C相发生短路故障。

利用相电流信号在相关断区间内的相关系数虽然可以诊断出短路故障的发生，但无法定位故障器件。因此在判断出开关磁阻电机功率变换器发生短路故障并识别出故障相后，计算故障相与正常相电流信号在相开通区间内的相关系数，作为短路故障器件的定位特征量。计算公式与计算相电流信号在相关断区间内的相关系数完全相同，唯一区别即是计算区间不同，在此省略。

如图11、12、13所示，若在相开通区间内的相关系数η_AB<0.8，η_AC<0.8，η_BC＝1，则A相斩波管发生短路故障；若在相开通区间内的相关系数η_AB>0.8，η_AC>0.8，η_BC＝1，则A相位置导通管发生短路故障。

如图14、15、16所示，若在相开通区间内的相关系数η_AB<0.8，η_BC<0.8，η_AC＝1，则B相斩波管发生短路故障；若在相开通区间内的相关系数η_AB>0.8，η_BC>0.8，η_AC＝1，则B相位置导通管发生短路故障。

如图17、18、19所示，若在相开通区间内的相关系数η_AC<0.8，η_BC<0.8，η_AB＝1，则C相斩波管发生短路故障；若在相开通区间内的相关系数η_AC>0.8，η_BC>0.8，η_AB＝1，则C相位置导通管发生短路故障。

Claims (1)

1.一种开关磁阻电机功率变换器相关性分析故障诊断方法，其特征在于如下步骤：

采集开关磁阻电机功率变换器一个整周期的相电流信号，计算各相电流的平均值E(i_K)：

$E\left(i_K\right)=\frac{1}{n}\underset{k=1}{\overset{n}{\&Sigma;}}{i}_K---\left(1\right)$

式中，i_K(K取A、B、C…)表示相电流信号；n为相电流采样个数；k为数据计算序列。

判断相电流平均值是否为零，若某相电流平均值为零，则诊断该相发生开路故障。若各相电流平均值均不为零，将开关磁阻电机功率变换器的相电流移相至同相位，并对同相位的相电流信号进行小波分析，以降低噪声对数据的干扰，得到经过小波消噪处理后的相电流信号，然后计算相电流信号之间的协方差值C_XY：

C_XY＝E{[i_X-E(i_X)][i_Y-E(i_Y)]}

＝E(i_Xi_Y)-E(i_X)E(i_Y) (2)

式中，i_X和i_Y(X、Y取A、B、C…，且X不等于Y)表示任意两相不同的相电流信号；E(i_X)、E(i_Y)和E(i_Xi_Y)分别表示相电流信号i_X、i_Y和两者乘积的平均值。

计算相电流信号i_X、i_Y各自的均方差值σ_X、σ_Y：

${\mathrm{\&sigma;}}_X=\sqrt{E{\&lsqb;i_X-E\left(i_X\right)\&rsqb;}^2}=\sqrt{E\left(i_X^2\right)-{\&lsqb;E\left(i_X\right)\&rsqb;}^2}---\left(3\right)$

${\mathrm{\&sigma;}}_Y=\sqrt{E{\&lsqb;i_Y-E\left(i_Y\right)\&rsqb;}^2}=\sqrt{E\left(i_Y^2\right)-{\&lsqb;E\left(i_Y\right)\&rsqb;}^2}---\left(4\right)$

结合式(2)、(3)和(4)得到任意两相电流之间的相关系数η_XY:

${\mathrm{\&eta;}}_{XY}=\frac{E\left(i_X{i}_Y\right)-E\left(i_X\right)E\left(i_Y\right)}{\sqrt{E\left(i_X^2\right)-{\&lsqb;E\left(i_X\right)\&rsqb;}^2}\sqrt{E\left(i_Y^2\right)-{\&lsqb;E\left(i_Y\right)\&rsqb;}^2}}---\left(5\right)$

由公式(5)可计算任意两相电流信号在相电流不同区间内的相关系数值。计算相电流信号在相关断区间内的相关系数值，作为短路故障相识别特征量。当相关系数值均为1时，判断开关磁阻电机功率变换器正常运行；对于三相开关磁阻电机，当有两个相关系数值小于0.5时，判断开关磁阻电机功率变换器发生短路故障，并将这两个相关系数小于0.5的共同相定位为短路故障相。

在判断出开关磁阻电机功率变换器发生短路故障并识别出故障相后，计算故障相与任意正常相电流信号在相开通区间内的相关系数，作为短路故障器件的定位特征量。当相关系数值大于0.8时，判断位置导通管发生短路故障；当相关系数值小于0.8时，判断斩波管发生短路故障。