CN107356870A - 开关磁阻电机功率变换器电流比积分均值差故障诊断方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于电机驱动系统故障诊断技术领域，一种开关磁阻电机功率变换器电流比积分均值差故障诊断方法。本方法针对电流滞环控制下开关磁阻电机功率变换器的主开关管开路和短路故障类型进行诊断，首先计算参考电流i _ref 和各相相电流i _n 的电流比系数i _rn ，然后将计算各相电流比系数i _rn 在一个转子周期内的积分平均值i _{rn_av} ，以各相积分平均值之间的偏差系数i _dn 作为诊断特征量，并设定相应的诊断特征量判定阀值和诊断规则，从而实现功率变换器主开关管故障类型的确定。所提的故障诊断方法具有良好的鲁棒性，无需增加额外的传感器，同时n相电机具有的n个相应的诊断特征量，从而能够提高诊断精度和防止误诊断的发生，适用于不同相数、不同拓扑功率变换器的故障诊断，具有良好的工程应用价值。

Description

开关磁阻电机功率变换器电流比积分均值差故障诊断方法

技术领域

本发明涉及一种开关磁阻电机功率变换器电流比积分均值差故障诊断方法，尤其是适用于各种相数、各类拓扑结构、不同功率等级的开关磁阻电机功率变换器。

背景技术

功率变换器是开关磁阻电机系统能量转换的关键环节，其正常运行是实现系统高可靠性运行的基础。针对功率变换器有效的故障诊断能为容错控制的实施提供有效保证，而且准确可靠的故障诊断方法也能够避免故障的进一步传播，降低系统维修成本，提高系统运行经济效益。在电流滞环控制下，开关磁阻电机系统发生开路和短路故障时所产生的参考电流以及相电流变化情况均有明显差异，同时参考电流和相电流的大小会受到不同负载转矩和转速的影响，而过程复杂的诊断方法容易增加实施诊断的成本和减低实施的可行性，因此需要研究一种对负载转矩和转速具有较好鲁棒性、诊断过程简单、准确有效的故障诊断方法来解决上述问题。

发明内容

本发明的目的是克服开关磁阻电机功率变换器已有故障诊断技术中存在的问题，提供一种电流滞环控制下电流比积分均值差的故障诊断方法实现功率变换器故障类型的准确判定。

为实现上述目的，本发明的一种开关磁阻电机功率变换器电流比积分均值差故障诊断方法的实施步骤是：

1) 为了避免诊断特征量受到负载转矩和转速的影响，保证诊断过程对不同的负载转矩和转速具有一定的鲁棒性，同时考虑相电流和参考电流这两个变量，实时采集功率变换器参考电流i _ref 和各相相电流i _n (n=A, B, C)的值，定义各相电流和参考电流的电流比系数i _rn ，如式（1）所示；

（1）

2）为了避免电流比系数i _rn 的时变性而造成的误诊断，增强诊断结果的可靠稳定程度，定义各相电流比系数i _rn 在一个转子周期内的积分平均值i _{rn_av} ，如式（2）所示；

（2）

3）考虑到任意相故障时功率变换器每一相积分平均值i _{rn_av} 均发生变化而不易进行故障诊断的特点，因而上述定义的电流相对比例系数i _rn 不能直接用来当作诊断特征量来进行故障诊断。为了突出故障相的故障特征，定义各相积分平均值i _{rn_av} 相互之间的偏差系数i _dn (n=A, B, C…)作为诊断特征量，如式（3）所示；

（3）

4）设定诊断特征量的判定阀值和诊断规则，针对三相开关磁阻电机可设定k _th1 =0.5，k _th2 =0.5，k _th3 =1.5，基本最小参考电流i _{ref_min} =1A（任意相数开关磁阻电机的阀值确定只需按照三相开关磁阻电机的阀值确定方法来进行）：

当积分平均值偏差i _dA 降低至-k _th1 附近，i _dC 增大至k _th1 附近，i _dB 基本保持在零时，判定A相发生开路故障；当积分平均值偏差i _dA 升高至k _th2 附近，i _dC 减小至-k _th2 附近，i _dB 仍基本保持在零时，判定A相发生下管（下主开关管）短路故障；当积分平均值偏差i _dA 升高至k _th3 附近（当i _dA >5时，令i _dA =5），i _dC 减小至-k _th3 附近（当i _dC <-5时，令i _dC =-5），i _dB 仍基本保持在零时，判定A相发生上管（上主开关管）短路故障；其余相故障情况下的诊断依据与A相故障情况相似，具体诊断规则总结为表1所示结果。

表1 诊断规则

有益效果：本发明的故障诊断方法适用于各类拓扑结构、各种相数开关磁阻电机系统功率变换器的故障诊断。所提故障诊断方法应用于电流滞环控制下的开关磁阻电机系统中，在不同故障状态下，一个转子周期内各相的相电流平均值与参考电流比值具有明显的不同变化，其各相之间的这种比值关系能够避免不同负载转矩和转速的影响，同时每一相均具有一个相应的诊断特征量，多个诊断特征量同时进行故障的判定有效的增强所提方法的诊断精度。在此基础上，总结归纳出一套完整的诊断流程和诊断规则表来实现简单可行而又准确的故障诊断。所提故障诊断方法能够准确的实现功率变换器故障类型确定，诊断精度较好，诊断过程简单，具有良好的可行性。

附图说明

图1是三相12/8开关磁阻电机不对称半桥功率变换器拓扑结构图。

图2是三相开关磁阻电机双绕组功率变换器拓扑结构图。

图3是本发明的故障诊断方法实施流程示意图。

图4是三相12/8开关磁阻电机不对称半桥功率变换器A相开路故障情况下各相电流波形图。

图5是三相12/8开关磁阻电机不对称半桥功率变换器A相下管短路故障情况下各相电流波形图。

图6是三相12/8开关磁阻电机不对称半桥功率变换器A相上管短路故障情况下各相电流波形图。

图7是A相特征量积分平均值偏差系数i _dA 在A相不同故障情况下变化趋势示意图。

图8是B相特征量积分平均值偏差系数i _dB 在A相不同故障情况下变化趋势示意图。

图9是C相特征量积分平均值偏差系数i _dC 在A相不同故障情况下变化趋势示意图。

具体实施方式

下面结合附图中的实施例对本发明作进一步的描述：

以三相12/8开关磁阻电机电流滞环控制方式下的不对称半桥式功率变换器为实施例继续进行故障诊断，不对称半桥功率变换器拓扑结构如图1所示，所提诊断方法同样可以利用于如图2所示的双绕组拓扑结构功率变换器。使用电流传感器对各相电流i _n (n=A,B,C)进行检测，A、B、C相电流分别为i _A 、i _B 、i _C ，电流相序为“A-B-C”。

所提故障诊断方法的实施流程如图3所示。首先确定故障诊断特征量的定义方式：在电流滞环控制情况下，相电流i _n 和参考电流i _ref 的大小表现了开关磁阻电机负载转矩和转速大小情况，因此不同负载转矩和转速情况下的相电流和参考电流是有很大差异的。为了避免诊断特征量受到负载转矩和转速的影响，保证诊断过程对不同的负载转矩和转速具有一定的鲁棒性，同时考虑相电流和参考电流这两个变量，实时采集功率变换器参考电流i _ref 和各相相电流i _n (n=A, B, C)的值，定义各相电流和参考电流的电流比系数i _rn ，如式（1）所示；

（1）

其次，为了避免电流比系数i _rn 的时变性而造成的误诊断，增强诊断结果的可靠稳定程度，定义各相电流比系数i _rn 在一个转子周期内的积分平均值i _{rn_av} ，如式（2）所示；

（2）

然后，考虑到开关磁阻电机不对称功率变换器的任意一相桥臂发生故障时，不仅故障相的相电流会发生明显的变化，而且其余正常相在闭环控制作用下也会发生改变，这种特点不利于进行简单的故障诊断，因此上述定义的电流相对比例系数i _rn 不能直接用来当作诊断特征量来进行故障诊断。为了突出故障相的故障特征，定义各相积分平均值i _{rn_av} 相互之间的偏差系数i _dn (n=A, B, C…)作为诊断特征量，如式（3）所示；

（3）

最后，在确定故障诊断特征量之后需要制定诊断特征量的判定阀值和诊断规则，针对三相开关磁阻电机可设定k _th1 =0.5，k _th2 =0.5，k _th3 =1.5，基本最小参考电流i _{ref_min} =1A（任意相数开关磁阻电机的阀值确定只需按照三相开关磁阻电机的阀值确定方法来进行）：

1)在正常运行模式下，功率变换器各相输出平衡，在同一转子周期内各相电流幅值大小和变化趋势相等，因而在一个转子周期内各相的积分平均值偏差系数i _dn 相互相等，基本保持在零。如图7-9所示，积分平均值偏差系数i _dA 、i _dB 、i _dC 在正常情况时所对应曲线均保持在0附近波动。

2)在A相发生开路故障情况下，如图4所示，A相电流i _A 减小，闭环控制作用下参考电流i _ref 增大，电流比系数i _rA 减小，则其相应的积分平均值i _{rA_av} 也明显降低而i _{rB_av} 和i _{rC_av} 基本不变，从而偏差系数i _dA 降低至-k _th1 附近，i _dC 增大至k _th1 附近，i _dB 基本保持在零附近。如图7-9所示的在开路故障情况时所对应曲线，积分平均值偏差系数i _dA 保持在-0.5附近波动，偏差系数i _dC 保持在0.5附近波动，而偏差系数i _dB 仍基本为0。

3)在A相下管（下主开关管）发生短路故障情况下，如图5所示，A相电流i _A 增大，参考电流i _ref 呈减小趋势，比值i _rA 增大，其相应的积分平均值i _{rA_av} 也增大，从而i _dA 升高至k _th2 附近，i _dC 减小至-k _th2 附近，i _dB 仍基本保持在零附近。如图7-9所示的在下管短路故障情况时所对应曲线，积分平均值偏差系数i _dA 保持在0.5附近波动，偏差系数i _dC 保持在-0.5附近波动，而偏差系数i _dB 仍基本为0。

4)在A相上管（上主开关管）发生短路故障情况下，如图6所示，A相电流i _A 增大，参考电流i _ref 迅速降低至i _{ref_min} ，同时比值i _rA 立刻趋近一个很大数值（当i _dA >5时，令i _dA =5），其相应的积分平均值i _{rA_av} 也增大，从而i _dA 大于k _th3 的范围，i _dC 小于-k _th3 （当i _dC <-5时，令i _dC =-5）的范围，i _dB 仍基本保持在零附近。如图7-9所示的在上管短路故障情况时所对应曲线，积分平均值偏差系数i _dA 明显在大于1.5，偏差系数i _dC 明显低于-1.5，而偏差系数i _dB 仍基本为0。

其余相故障情况下的诊断依据与A相故障情况相似，具体诊断规则总结为表1所示结果。

表1 诊断规则

Claims (1)

1.一种开关磁阻电机功率变换器电流比积分均值差故障诊断方法，其特征在于采用电流比积分平均值的偏差作为诊断特征量，从而实现电流滞环控制下任意相数开关磁阻电机功率变换器的三种故障类型确定，其步骤如下：

1）首先实时采集功率变换器参考电流i _ref 和各相相电流i _n (n=A, B, C)的值，定义各相电流和参考电流的电流比系数i _rn ，如式（1）所示，保证诊断过程对不同的负载转矩和转速具有一定的鲁棒性；

（1）

2）定义各相电流比系数i _rn 在一个转子周期内的积分平均值i _{rn_av} ，如式（2）所示，避免电流比系数i _rn 的时变性而造成的误诊断，增强诊断结果的可靠稳定程度；

（2）

3）考虑到任意相故障时功率变换器每一相积分平均值i _{rn_av} 均发生变化而不易进行故障诊断的特点，定义各相积分平均值i _{rn_av} 相互之间的偏差系数i _dn (n=A, B, C…)作为诊断特征量，如式（3）所示；

（3）

4）设定诊断特征量的判定阀值和诊断规则，针对三相开关磁阻电机可设定k _th1 =0.5，k _th2 =0.5，k _th3 =1.5，基本最小参考电流i _{ref_min} =1A（任意相数开关磁阻电机的阀值确定只需按照三相开关磁阻电机的阀值确定方法来进行）：

当i _dA 、i _dB 、i _dC 均为0时，功率变换器无故障；

当i _dA 等于-k _th1 ，i _dB 等于0，i _dC 等于k _th1 时，诊断为A相开路故障；当i _dA 等于k _th2 ，i _dB 等于0，i _dC 等于-k _th2 时，诊断为A相下管（下主开关管）短路故障；当i _dA 大于k _th3 （当i _dA >5时，令i _dA =5），i _dB 等于0，i _dC 小于-k _th3 时（当i _dC <-5时，令i _dC =-5），诊断为A相上管（上主开关管）短路故障；

当i _dA 等于k _th1 ，i _dB 等于-k _th1 ，i _dC 等于0时，诊断为B相开路故障；当i _dA 等于-k _th2 ，i _dB 等于k _th2 ，i _dC 等于0时，诊断为B相下管短路故障；当i _dA 小于-k _th3 ，i _dB 大于k _th3 ，i _dC 等于0时，诊断为B相上管短路故障；

当i _dA 等于0，i _dB 等于k _th1 ，i _dC 等于-k _th1 时，诊断为C相开路故障；当i _dA 等于0，i _dB 等于-k _th2 ，i _dC 等于-k _th2 时，诊断为C相下管短路故障；当i _dA 等于0，i _dB 小于-k _th3 ，i _dC 大于k _th3 时，诊断为C相上管短路故障；其余相故障情况下的诊断依据与A相故障情况相似。