CN108254688B - 开关磁阻电机功率变换器小波变比故障诊断方法 - Google Patents

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Abstract

发明名称：开关磁阻电机功率变换器小波变比故障诊断方法摘要：本发明属于电机驱动系统故障诊断技术领域，一种小波变换的开关磁阻电机系统功率变换器主开关管故障诊断方法。本方法对正常和故障情况下的相电流进行db3小波分析，利用分析所得的三层小波变换低频系数的平均值和标准差的比值作为特征量实现有效的故障诊断。首先，从开关磁阻电机系统功率变换器中获取正常和故障下的相电流；然后，选用其中的db3小波对相电流进行三层小波变换获取第三层低频系数，并计算出其平均值和标准差；最后将所得平均值和标准差的比值µ作为故障诊断特征量，实现功率短路和开路故障的诊断。所提诊断特征量在转速和转矩变化情况诊断准确，体现出一定的鲁棒性，具有一定的工程应用价值。

Description

开关磁阻电机功率变换器小波变比故障诊断方法
技术领域
本发明涉及一种小波变比的开关磁阻电机系统功率变换器故障诊断方法，尤其是适用于各种相数、不同功率等级、不同拓扑结构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。针对功率变换器的故障诊断和定位不仅为容错控制的实施提供有效保证，而且准确的故障诊断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。但是现有的故障诊断技术无法保证在不同转速和不同负载下具有良好的准确性和鲁棒性。为解决上述问题，本文提出采用小波变换实现不同转速和不同负载的准确故障诊断。
发明内容
本发明的目的是克服开关磁阻电机系统功率变换器已有故障诊断技术中存在的问题，提供一种小波低频系数变比的故障诊断方法实现故障类型的确定和故障器件的准确定位。
为实现上述目的，本发明的新型开关磁阻电机系统功率变换器故障诊断方法的实施步骤是：
1)首先，从功率变换器中获取正常和故障运行情况下的各相电流，相电流i(t)的小波变换表示为WT f (a,b)，其基本小波函数为ψ(t)变换得到小波基函数ψ a,b (t)，小波变换允许性系数C ψ ，进行小波分解后相电流i(t)表示如式(1)所示；
2)然后，选用db3小波对相电流i(t)进行三层多分辨率分解来获取第三层低频系数a i，并计算出其平均值S mean和标准差σ；其中，平均值和标准差的计算公式分别如式(2)和式(3)所示；
Figure 511933DEST_PATH_IMAGE001
（1）
Figure 934824DEST_PATH_IMAGE002
（2）
Figure 321943DEST_PATH_IMAGE003
（3）
3)将所得平均值S mean和标准差σ的比值µ作为故障诊断特征量，并确定正常和故障情况的特征量区间以实现准确有效的故障诊断，如式(4)所示；
Figure 691745DEST_PATH_IMAGE004
（4）
在确定诊断法方法的特征量后，需要对µ进行不同取值区间的故障类型划分，具体划分规则如下：
1)当0.3<μ≤1.3,时，系统为正常工作状态；
2)当μ>1.3时，认为系统发生短路故障，主要指位置管短路故障；
3)当0<μ ≤0.3时，系统发生开路故障，包括位置管开路故障和斩波管开路故障；
其中，开路故障发生后故障相电流S mean和σ都为0，特征量µ无意义，为避免该种情况可将σ进行如下处理：当σ=0时，令σ=0.01，即在开路故障下，σ≠0且S mean=0，则µ=0能够有效实现故障诊断。
有益效果：本发明的故障诊断方法适用于各种相数开关磁阻电机系统功率变换器主开关管的故障诊断。依据不同故障状态下相电流的不同变化情况，通过检测获取开关磁阻电机系统不对称半桥型功率变换器的各相电流，利用小波变换原理进行计算分析，并选用db3小波进行三层小波变换获取第三层低频系数，设定其平均值和标准差的比值作为故障诊断特征量。该诊断特征量在系统正常运行中转速和负载发生变化情况下仍然能够保持稳定，在发生不同类型故障后明显增大并保持在一定的取值范围内，具有充分的鲁棒特性，从而通过诊断特征量的数值大小就可以做出相应的故障类型和故障位置的确定。所提故障诊断方法保证了在实施故障诊断中不受到转速和负载改变的影响，能够准确有效的得出相应的诊断结果，具有良好的鲁棒性和可行性。
附图说明
图1是本发明的三相开关磁阻电机不对称半桥型功率变换器拓扑结构图。
图2是本发明的三相开关磁阻电机不对称半桥型功率变换器工作状态示意图。(a)是励磁状态；(b)是零电压续流状态I；(c)是零电压续流状态II；(d)是负电压续流状态。
图3是本发明的三相开关磁阻电机不对称半桥型功率变换器主开关管故障类型示意图。(a)是位置管开路故障；(b)是位置管短路故障；(c)是斩波管开路故障；(d)是斩波管短路故障。
图4是本发明的三相开关磁阻电机不对称半桥型功率变换器发生开路故障下诊断特征量转速鲁棒性实验验证结果。
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：
如图1所示为三相12/8开关磁阻电机系统不对称半桥型型功率变换器电路拓扑结构，每相均具备两个功率开关器件和两个续流二极管，A、B、C三相桥臂电路并联在供电电源正极“+”和负极“−”上。其中，A相桥臂的上开关管S1源极连接电源正极“+”，上开关管S1漏极连接电机绕组LA一端；下开关管S2源极连接绕组LA的另一端，下开关管S2漏极连接电源负极“−”；上续流二极管D1阳极连接S2漏极，D1阴极连接电源正极“+”；下续流二极管D2阳极连接电源负极“−”，D2阴极连接S1漏极。B、C相连接方式与A相相似。
在斩单管模式下，不对称半桥型功率变换器具有三种工作状态，以A相为例进行说明：(1)励磁状态，如图2(a)所示，电流路径为“US+—S1—LA—S2—US-”；(2)零电压续流状态，如图2(b)和(c)所示，电流路径分别为“LA—S2—D2”和“LA—D1—S1”；(3)负电压续流状态，如图2(d)所示，电流路径为“US-—D2—LA—D1—US+”。根据功率器件驱动信号的不同，将不对称半桥型功率变换器主开关管分为斩波管(S1、S3、S5)和位置管(S2、S4、S6)两类，而同一类功率器件可能发生的故障类型包括短路故障和开路故障，如图3所示。
当A相位置管发生开路故障，位置管S2相当于始终保持关断状态，该相缺少正常的励磁工作状态，但在斩波管S1导通时工作在零电压续流状态II，绕组能量经“LA—D1—S1”路径消耗，在斩波管S1关断时工作在负电压续流状态，绕组能量经“US-—D2—LA—D1—US+”续流回馈到电源；当A相斩波管发生开路故障，斩波管S1相当于始终保持关断状态，在位置管S2导通时工作在零电压续流状态I，绕组能量经“LA—S2—D2”路径消耗，在斩波管S1关断时工作在负电压续流状态，绕组能量经“US-—D2—LA—D1—US+”续流回馈到电源。
当A相位置管发生短路故障，该相在励磁状态和零电压续流状态I下保持正常工作，但由于位置管S2始终保持开通而缺少负电压续流状态；当A相斩波管发生短路故障，斩波管S1始终保持开通使得在A相导通区间一直处于励磁状态，A相关断区间一直处于零电压续流状态I，这种故障容易导致相电流过大、转矩脉动严重而停止运行。
针对开关磁阻电机功率变换器主开关管开路故障和短路故障的诊断方法具体如下：
首先，从三相12/8开关磁阻电机系统功率变换器中获取各相电流，根据小波变换原理对各相电流i(t)进行小波分析。令基本小波函数为ψ(t)，基本小波函数经过合适的伸缩和平移可以得到小波基函数ψ a,b (t)，小波变换允许性系数C ψ ，则相电流i(t)的小波变换可以表示为WT f (a,b)，进行小波分解后，相电流i(t)表示为
Figure 772221DEST_PATH_IMAGE001
（1）。
然后，选用db3小波对相电流i(t)进行三层多分辨率分解来获取第三层低频系数a i，并利用统计学的知识计算平均值及标准差。其中，平均值和标准差的计算公式分别如式(2)和式(3)所示；
Figure 569275DEST_PATH_IMAGE002
（2）
Figure 240428DEST_PATH_IMAGE003
（3）
依据小波分析得到的平均值反映了故障前后相电流幅值的变化情况，而其标准差能够直观反映出故障前后相电流稳定程度。考虑到计算所得的平均值和标准差均容易受到负载和转速的变化的影响，通过定义平均值和标准差的比值µ作为特征量实现故障诊断，以保证诊断特征量的鲁棒性、消除负载和转速变化的干扰，如图4所示的功率变换器发生开路故障下诊断特征量转速、转矩鲁棒性实验验证结果表明，诊断特征量µ能够稳定的表明正常和故障情况下不同的电流特征；
Figure 413920DEST_PATH_IMAGE004
（4）
在确定诊断法方法的特征量后，需要对µ进行不同取值区间的故障类型划分，具体划分规则如下：
1)当0.3<μ≤1.3,时，系统为正常工作状态；
2)当μ>1.3时，认为系统发生短路故障，主要指位置管短路故障；
3)当0<μ ≤0.3时，系统发生开路故障，包括位置管开路故障和斩波管开路故障；
其中，开路故障发生后故障相电流S mean和σ都为0，特征量µ无意义，为避免该种情况可将σ进行如下处理：当σ=0时，令σ=0.01，即在开路故障下，σ≠0且S mean=0，则µ=0能够有效实现故障诊断。

Claims (1)

1.一种小波变比的开关磁阻电机系统功率变换器故障诊断方法，其特征在于采用相电流三层小波系数变比作为诊断特征量，实现功率变换器主开关管的故障诊断，其步骤如下：
1)首先，从功率变换器中获取正常和故障运行情况下的各相电流，相电流i(t)的小波变换表示为WTf(a,b)，其基本小波函数为ψ(t)变换得到小波基函数ψa,b(t)，小波变换允许性系数Cψ，进行小波分解后相电流i(t)表示如式(1)所示；
2)然后，选用db3小波对相电流i(t)进行三层多分辨率分解来获取第三层低频系数ai，并计算出其平均值Smean和标准差σ；其中，平均值和标准差的计算公式分别如式(2)和式(3)所示；
Figure FDA0002109314440000011
Figure FDA0002109314440000012
Figure FDA0002109314440000013
3)将所得平均值Smean和标准差σ的比值μ作为故障诊断特征量，并确定正常和故障情况的特征量区间以实现准确有效的故障诊断：
Figure FDA0002109314440000014
在确定诊断法方法的特征量后，需要对u进行不同取值区间的故障类型划分以确定系统为正常工作状态或系统发生短路故障和开路故障，主要指位置管短路故障、位置管开路故障和斩波管开路故障，其中，开路故障发生后故障相电流Smean和σ都为0，特征量μ无意义，为避免该种情况可将σ进行如下处理：当σ＝0时，令σ＝0.01，即在开路故障下，σ≠0且Smean＝0，则μ＝0能够有效实现故障诊断。
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