CN106896323B - 开关磁阻电机不对称半桥型功率变换器主开关故障检测法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种开关磁阻电机不对称半桥型功率变换器主开关故障检测法。本发明通过检测开关磁阻电机功率变换器的各相电流瞬时值，计算出各相标准化电流平均值间的两两差值，并将每个差值视为一个元素，构建故障特征量集合E_k。通过比较集合中各元素与诊断阈值的大小关系，判断集合中元素属于故障诊断表中的哪种情况。根据表中情况详情检测出故障发生、故障类型、故障相。若故障类型为开路，则通过计算故障相电流退磁时间占比识别故障元件；若故障类型为短路，则通过判断主开关通断状态识别故障元件。本发明方法不仅能够精准、快速检测出故障详情，而且适用于多种相数的开关磁阻电机功率变换器，无需添加任何额外传感器，通用性强，可靠性高，实施效果良好。

Description

开关磁阻电机不对称半桥型功率变换器主开关故障检测法

技术领域

本发明涉及调速电动机领域，更具体的说，是一种开关磁阻电机不对称半桥型功率变换器主开关故障在线检测方法，适用于各种相数的开关磁阻电机不对称半桥型功率变换器，无需增加任何额外传感器。

背景技术

开关磁阻电机是一种结构简单、造价低廉、鲁棒性好、可靠性高的新型调速电动机，已被广泛应用于航空航天、新能源汽车、家用电器等诸多领域。固有的容错能力是开关磁阻电机调速系统的突出优势之一，然而较好容错能力并不意味整个系统无故障发生。功率变换器作为开关磁阻电机运转所需能量提供者，是其调速系统的重要组成部件之一，也是整个系统中故障发生率较高的薄弱环节之一。由于不对称半桥型功率变换器能够保证各相主电路间相互独立的工作特性，具备较高容错能力，所以该结构常被应用于开关磁阻电机调速系统。而以功率半导体器件作为不对称半桥型功率变换器的主开关，常因过热、高频动作、恶劣工作环境等因素，发生开路或短路故障。因此，及时、准确地检测出故障详情不仅可以抑制故障进一步恶化，还可以为采取适当的容错控制策略奠定基础。

目前，直流母线电流分析法、电流分类函数值法、电流相对谱比系数法、电流小波包分解法已被应用于开关磁阻电机功率变换器主开关故障检测。然而，这些方法通常通过增加额外传感器获取相关信息，进而得到故障特征量，增加了系统成本与复杂度，且诊断内容与适用范围也受到限制。因此，开关磁阻电机功率变换器主开关故障检测应尽可能满足以下几方面：

(1)快速、精准诊断出故障发生、故障类型、故障相；

(2)尽可能不增加额外传感器、降低检测成本与系统复杂度；

(3)适用于各种相数的开关磁阻电机，以及不同转速与工况，应用范围广。

发明内容

为满足上面所述的几方面，并针对已有技术存在的缺点，本发明提出一种简单便捷、无需附加任何额外传感器、实施效果良好的开关磁阻电机不对称半桥型功率变换器主开关故障在线检测方法。

本发明的开关磁阻电机不对称半桥型功率变换器主开关故障在线检测方法是：基于功率变换器主开关开路与短路故障下各相电流表现特征，提取各标准化相电流平均值间的差值为故障特征量，并建立故障特征量集合E_k。通过分析集合E_k中各元素畸变规律，检测出故障发生、故障类型、故障相。具体检测方法如下：

监测开关磁阻电机各相电流，由公式

计算出标准化相电流I_Nk，其中I_N为相电流瞬时值，I_ref为给定相电流参考值，N为电机各相名称(N＝A、B、C、D、…)，再由公式

计算出标准化相电流平均值

式中

其中ω_m为电机角速度，N_r为转子极数，分别计算出各相标准化相电流的平均值

间的两两差值，即

将上述每个差值视为一个元素，构成集合E_k，即E_k＝{E_AB，E_AC，…，E_DE，…}；该集合的元素个数Q是关于电机相数n的函数关系式，由公式

计算出集合E_k包含的元素个数Q；对于开关磁阻电机而言，其相数一般为3、4、5、6、7、8、9，故上式中存在2≤n≤9，其中又以三相6/4极、三相12/8极、四相8/6极为常用方案。当电机相数为n＝3时，集合E_k中包含元素个数为3，为E_k＝{E_AB，E_AC，E_BC}；当电机相数n＝4时，集合E_k中包含元素个数为6，为E_k＝{E_AB，E_AC，E_AD，E_BC，E_BD，E_CD}；将集合E_k中各元素值，即各相标准化相电流平均值间的差值，作为故障特征量，通过揭示各元素的畸变规律，诊断出开关磁阻电机不对称半桥型功率变换器主开关是否发生故障、故障类型以及故障相。

当集合E_k中存在(n-1)个元素的绝对值大于0.05，且这些元素的下标含有一个相同的标识，则可判断出开关磁阻电机不对称半桥型功率变换器主开关发生故障。

首先判断主开关是否发生故障：当集合E_k中存在(n-1)个元素的绝对值大于0.05，且这些元素的下标含有一个相同的标识，则可判断出开关磁阻电机不对称半桥型功率变换器主开关发生故障；否则判断为主开关无故障；

如判断主开关有故障，接下来判断主开关故障类型与故障相：

将集合E_k的元素匹配故障诊断表中所属情况，判断出开关磁阻电机不对称半桥型功率变换器主开关故障类型与故障相；其中p_o为开路故障判断阈值、p_s为短路故障判断阈值，p_o＝0.07，p_s＝0.08；

开关磁阻电机常用方案为三相6/4极、三相12/8极、四相8/6极，所述故障诊断表为下述表1和表2，具体为三相和四相开关磁阻电机不对称半桥型功率变换器故障情况与故障特征量集合Ek中各元素的对应关系。

表1三相开关磁阻电机不对称半桥型功率变换器故障诊断表

表2四相开关磁阻电机不对称半桥型功率变换器故障诊断表

本发明具有如下有益效果：

本发明适用于不同转速与负载条件下，任何相数、极数的开关磁阻电机不对称半桥型功率变换器主开关故障检测。在不增加任何额外传感器的条件下，可快速准确诊断出故障发生、故障类型、故障相。检测方法简单便捷、成本低，实施效果好，具有广泛实际工程应用价值。

附图说明

图1为本发明应用于三相开关磁阻电机不对称半桥型功率变换器的拓扑结构图；

图2为本发明应用于三相开关磁阻电机不对称半桥型功率变换器主开关故障检测流程图；

图3为本发明应用于三相开关磁阻电机高速负载运行时，不对称半桥型功率变换器常闭合主开关开路故障检测结果图；

图4为本发明应用于三相开关磁阻电机低速负载运行时，不对称半桥型功率变换器斩波主开关开路故障检测结果图；

图5为本发明应用于三相开关磁阻电机高速负载运行时，不对称半桥型功率变换器常闭合主开关短路故障检测结果图；

图6为本发明应用于三相开关磁阻电机低速负载运行时，不对称半桥型功率变换器斩波主开关短路故障检测结果图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作进一步描述：

实施例一：开关磁阻电机高速带载运行时，常闭合主开关开路故障检测。

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拓扑结构，绕组A、绕组B、绕组C为开关磁阻电机三相绕组，每一相绕组均由两只主开关QU、QL和两只续流二极管VD1、VD2相连，US为直流供电电压。实际中常采用单管斩波方式，A相绕组导通期间，上方主开关QUa始终保持闭合，称为“常闭合”主开关，下方主开关QLa实施斩波控制，称为“斩波”主开关。电源供电给绕组，当下方主开关闭合时，导通相绕组两端电压为+US；当下方主开关断开时，绕组两端电压为零；当上、下两主开关均断开时，电流通过二极管VD1、VD2进行续流，绕组两端电压为-US。

图2为三相开关磁阻电机不对称半桥型功率变换器主开关故障检测流程图，具体方法如下。

第一步：提取故障特征量。监测电机三相电流值，由公式

计算出标准化相电流I_Nk，其中I_N为相电流瞬时值，I_ref为给定相电流参考值，N为电机各相名称(N＝A、B、C)。再由公式

计算出标准化相电流平均值

式中

其中ω_m为电机角速度，N_r为转子极数。对于三相6/4极电机而言，N_r＝4，T＝15/ω_m。分别由式

计算出三相标准化相电流平均值

间的两两差值，并将E_AB、E_AC、E_BC各视为一个元素，构成故障特征量集合E_k，即E_k＝{E_AB，E_AC，E_BC}。

第二步：主开关故障发生检测。当集合E_k中的两个元素的绝对值均大于0.05，另一个元素的绝对值小于等于0.05时，则可判断出开关磁阻电机不对称半桥型功率变换器主开关发生故障。反之，电机功率变换器主开关无故障。

第三步：主开关故障类型与故障相检测。

本步骤中的三相开关磁阻电机不对称半桥型功率变换器主开关故障诊断表，是基于仿真分析与实际测量的结果归纳总结而得。

首先，以一台1.5KW的三相6/4极开关磁阻电机为样机，采用三维有限元分析法与实际测量法得到该电机两条特性曲线(磁链(转子位置角，电流))与(转矩(转子位置角，电流))，并基于此电磁特性在Matlab/Simulink环境中搭建开关磁阻电机驱动系统整体仿真模型，并利用该仿真软件集成的电力系统模块工具箱与逻辑控制信号模拟功率变换器主开关故障。仿真实验分别模拟A、B、C三相桥臂上的上、下主开关Q_Ua、Q_La、Q_Ub、Q_Lb、Q_Uc、Q_Lc开路与短路故障，且分别设置故障发生时刻在各相导通前、导通期间、续流期间三个阶段，共模拟故障仿真实验36次。按照上述“第一步”计算提取出每次仿真实验的故障特征量E_AB、E_AC、E_BC，得到相应故障特征量集合E_k。分析故障特征量，可得如下规律：

①主开关Q_Ua与Q_La分别在A相导通前、导通期间、续流期间三个阶段发生开路故障，故障特征量E_AB＜0且E_AC＜0；

②主开关Q_Ub与Q_Lb分别在B相导通前、导通期间、续流期间三个阶段发生开路故障，故障特征量E_AB＞0且E_BC＜0；

③主开关Q_Uc与Q_Lc分别在C相导通前、导通期间、续流期间三个阶段发生开路故障，故障特征量E_AC＞0且E_BC＞0；

④主开关Q_Ua与Q_La分别在A相导通前、导通期间、续流期间三个阶段发生短路故障，故障特征量E_AB＞0且E_AC＞0；

⑤主开关Q_Ub与Q_Lb分别在B相导通前、导通期间、续流期间三个阶段发生短路故障，故障特征量E_AB＜0且E_BC＞0；

⑥主开关Q_Uc与Q_Lc分别在C相导通前、导通期间、续流期间三个阶段发生短路故障，故障特征量E_AC＜0且E_BC＜0。

由于仿真环境处于理想状态下，故开路故障判断阈值p_o与短路故障判断阈值p_s均为零。但实际故障检测环境受诸多外界因素影响，所以故障特征量数值规律与故障判断阈值p_o、p_s还需根据实际故障检测实验进行验证与设定。

然后，将样机进行实际测量，实验系统平台选用TMS320LF2407DSP为核心数字控制器，功率变换器主功率管选用EXB841IGBT专用驱动模块，通过设置外部继电器控制功率管驱动信号来模拟开路、短路故障。实际测量同样分别模拟A、B、C三相桥臂上的上、下主开关Q_Ua、Q_La、Q_Ub、Q_Lb、Q_Uc、Q_Lc开路与短路故障，且分别设置故障发生时刻在各相导通前、导通期间、续流期间三个阶段，共模拟故障实验36次。依然按照上述“第一步”得到每次实测的故障特征量E_AB、E_AC、E_BC与故障特征量集合E_k。进一步分析故障特征量，可得如下规律：

①主开关Q_Ua与Q_La分别在A相导通前、导通期间、续流期间三个阶段发生开路故障，故障特征量E_AB＜0.07且E_AC＜0.07；

②主开关Q_Ub与Q_Lb分别在B相导通前、导通期间、续流期间三个阶段发生开路故障，故障特征量E_AB＞0.07且E_BC＜0.07；

③主开关Q_Uc与Q_Lc分别在C相导通前、导通期间、续流期间三个阶段发生开路故障，故障特征量E_AC＞0.07且E_BC＞0.07；

④主开关Q_Ua与Q_La分别在A相导通前、导通期间、续流期间三个阶段发生短路故障，故障特征量E_AB＞0.08且E_AC＞0.08；

⑤主开关Q_Ub与Q_Lb分别在B相导通前、导通期间、续流期间三个阶段发生短路故障，故障特征量E_AB＜0.08且E_BC＞0.08；

⑥主开关Q_Uc与Q_Lc分别在C相导通前、导通期间、续流期间三个阶段发生短路故障，故障特征量E_AC＜0.08且E_BC＜0.08。

最后，结合仿真分析与实际测量结果，根据上述实际测量所得规律，总结归纳得到表1，并设定开路故障判断阈值p_o＝0.07与短路故障判断阈值p_s＝0.08。

利用同样方法，可总结归纳出各相开关磁阻电机不对称半桥型功率变换器故障诊断表。

表1三相开关磁阻电机不对称半桥型功率变换器故障诊断表

表2四相开关磁阻电机不对称半桥型功率变换器故障诊断表

比较元素E_AB、E_AC、E_BC与表中开路故障判断阈值p_o或短路故障判断阈值p_s数值的大小关系，识别出故障特征量集合E_k的元素属于故障诊断表中哪种故障情况。表中p_o为开路故障判断阈值、p_s为短路故障判断阈值，p_o＝0.07，p_s＝0.08。根据所属的故障情况，检测出开关磁阻电机不对称半桥型功率变换器主开关故障类型与故障相。

例如：三相开关磁阻电机运行中，当转速n＝2000r/min，负载T_L＝5N·m时，故障实际检测结果如图3所示。705.5ms之前，元素E_AB＝E_AC＝E_BC＝0，该时刻之后，I_B下降直至为零，I_A与I_C却保持不变。再经过0.3ms后，|E_AB|＝|E_BC|＝0.2>0.05，|E_AC|＝0<0.05，即E_AB>p_o、E_BC<-p_o，属于表1中情况②，则可诊断出主开关故障类型为开路，故障相为B相。

实施例二：开关磁阻电机低速带载运行时，斩波主开关开路故障检测。

三相不对称半桥型功率变换器主电路拓扑结构与检测流程均同实施例一中相同。三相开关磁阻电机运行中，当转速n＝550r/min，负载T_L＝5N·m时，故障实际检测结果如图4所示。285ms之前，元素E_AB＝E_AC＝E_BC＝0，该时刻之后，I_C下降直至为零，I_A与I_B却保持不变。再经过0.7ms后，|E_AC|＝|E_BC|＝0.2>0.05，|E_AB|＝0<0.05，即E_AC>p_o、E_BC>p_o，属于表1中情况③，则可诊断出主开关故障类型为开路，故障相为C相。

实施例三：开关磁阻电机高速带载运行时，常闭合主开关短路故障检测。

三相不对称半桥型功率变换器主电路拓扑结构与检测流程均同实施例一中相同。三相开关磁阻电机运行中，当转速n＝2000r/min，负载T_L＝5N·m时，故障实际检测结果如图5所示。725ms之前，元素E_AB＝E_AC＝E_BC＝0，该时刻之后，I_B下降直至为零，I_A与I_C却保持不变。再经过0.4ms后，|E_AB|＝|E_BC|＝0.2>0.05，|E_AC|＝0<0.05，即E_BC>p_s、E_AB<p_s，属于表1中情况⑤，则可诊断出主开关故障类型为短路，故障相为B相。

实施例四：开关磁阻电机低速负载运行时，斩波主开关短路故障检测。三相不对称半桥型功率变换器主电路拓扑结构与检测流程均同实施例一中相同。三相开关磁阻电机运行中，当转速n＝570r/min，负载T_L＝5N·m时，故障实际检测结果如图6所示。307ms之前，元素E_AB＝E_AC＝E_BC＝0，该时刻之后，I_C大幅上升，I_A与I_B保持不变，经过0.3ms后，|E_AC|＝|E_BC|＝0.2>0.05，|E_AB|＝0<0.05，即E_AC＝E_BC＜-p_ko，属于表1中的情况⑥，则可诊断出主开关故障类型为短路，故障相为C相。

Claims (1)

1.一种开关磁阻电机不对称半桥型功率变换器主开关故障检测法，其特征在于：按照下述步骤进行：

(1)检测开关磁阻电机各相电流；

(2)由公式计算出标准化相电流I_Nk

其中I_N为相电流瞬时值，I_ref为给定相电流参考值，N为电机各相名称，N＝A、B、C、…，

(3)再由公式计算出标准化相电流平均值

式中

其中ω_m为电机角速度，N_r为转子极数，分别计算出各相标准化相电流平均值

间的两两差值，

(4)建立故障特征量集合E_k，将上述每个差值视为一个元素，构成集合E_k，即E_k＝{E_AB，E_AC，…，E_DE，…}，其中

该集合的元素个数是关于电机相数n的函数关系式，即元素个数＝(n²—n)/2，其中2≤n≤9；即当电机相数n＝2时，集合E_k中包含元素个数为1，为E_k＝{E_AB}；当电机相数为n＝3时，集合E_k中包含元素个数为3，为E_k＝{E_AB，E_AC，E_BC}；当电机相数n＝4时，集合E_k中包含元素个数为6，为E_k＝{E_AB，E_AC，E_AD，E_BC，E_BD，E_CD}，依次类推；将集合E_k中各元素值，即各相标准化相电流平均值间的差值作为故障特征量，集合E_k为故障特征量集合；

(5)首先判断主开关是否发生故障：当集合E_k中存在(n-1)个元素的绝对值大于0.05，且这些元素的下标含有一个相同的标识，则可判断出开关磁阻电机不对称半桥型功率变换器主开关发生故障；否则判断为主开关无故障；

如判断主开关有故障，接下来判断主开关故障类型与故障相：

将集合E_k的元素匹配故障诊断表中所属情况，判断出开关磁阻电机不对称半桥型功率变换器主开关故障类型与故障相；其中p_o为开路故障判断阈值、p_s为短路故障判断阈值，p_o＝0.07，p_s＝0.08；

开关磁阻电机常用方案为三相6/4极、三相12/8极、四相8/6极，所述故障诊断表为下述表1和表2，具体为三相和四相开关磁阻电机不对称半桥型功率变换器故障情况与故障特征量集合E_k中各元素的对应关系；

表1 三相开关磁阻电机不对称半桥型功率变换器故障诊断表

表2 四相开关磁阻电机不对称半桥型功率变换器故障诊断表

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