CN108572297A - 开关磁阻电机功率变换器母线特征电流故障诊断方法 - 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母线特征电流特征量故障诊断方法。本方法依据不同故障状态下电流路径的变化情况实现故障诊断。首先，从开关磁阻电机系统功率变换器的电流母线中分离出下励磁电流母线，同时检测下励磁总线电流和各相电流。对于位置管故障情况下电流路径的改变，以下励磁总线电流和导通相电流的差值作为故障特征量实现故障诊断；对于斩波管故障情况下电流路径的改变，以参考电流和导通相电流的差值作为故障特征量实现故障诊断。在此基础上，生成所提故障诊断方法的诊断状态机，通过状态机的运行实时在线进行故障诊断。所提故障诊断方法能够快速实现功率变换器开关管的故障类型确定和故障器件定位，诊断时间可以缩短到几个采样周期内，具有良好快速性和准确性。

Description

开关磁阻电机功率变换器母线特征电流故障诊断方法

技术领域

本发明涉及一种开关磁阻电机功率变换器母线特征电流故障诊断方法，尤其是适用于各种相数、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，而且快速准确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。由于功率变换器中电压信息的测量会额外增加系统成本，因而利用电流信息作为故障诊断特征量，但是现有的多种基于电流信息的故障诊断方法局限在于不能同时满足减小诊断周期、提高诊断准确性和简化外部电路等要求，并且不易实现故障器件的准确定位，因此需要研究一种简单、快速、准确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，提供一种母线特征电流变化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，本发明的开关磁阻电机功率变换器母线特征电流故障诊断方法的实施步骤是：

1)进行诊断区间的划分：一相单独导通为I区间，两相同时导通为II区间，如A相单独导通区间为AI区间，在AI区间结束后A、B两相共同导通时为AII区间，依据此原则可将n相电机划分为2n个诊断区间。对于四相开关磁阻电机系统来说，可将一个电机转子周期分为AI、AII、BI、BII、CI、CII、DI和DII共8个诊断区间。

2)分析正常和故障情况下电流路径的变化，从而通过检测下励磁总线电流i _edn和相电流i _k（k代表特定的相），定义故障特征量e ₁，并根据参考电流I _ref定义故障特征量e ₂：

(1)

(2)

3)通过分析正常和故障情况下特征量的变化情况，生成诊断状态机，实时在线确定故障；当开关磁阻电机系统正常运行到达诊断区间时，e ₁=i _k+1，I _th2<e ₂<I _th1，始终停留在Q1状态，否则停留在Q0状态；当满足e ₁>i _k+1时，证明k-1相发生位置管短路故障，进入Q2状态；而当同时满足e ₁=0且e ₁≠i _k+1时，此时k+1相发生位置管开路故障，进入Q3状态；当同时满足e ₁ ≠0且e ₁ <i _k+1 时，k相发生位置管开路故障，进入Q4状态；而若此时e ₁=i _k+1，e _{2_k+1}<I _th2，则证明k+1相发生斩波管短路故障，进入Q5状态；若此时e ₁ =i _k+1，e _{2_k+1}>I _th1，则证明k+1相发生斩波管开路故障，进入Q6状态；若此时e ₁=i _k+1，e _{2_k}<I _th2，则证明k相斩波管短路故障，进入Q7状态；若此时e ₁=i _k+1，e _{2_k}>I _th1，则证明k相斩波管短路故障，进入Q8状态；

(3)

(4)

式中，系数k ₁取值0到1之间的任意常数，系数k ₂取值-1到0之间任意常数，电流滞环宽度∆i取值0到0.1之间常数；

4)设定延时时间，防止误诊断的发生。考虑到在开关磁阻电机系统正常运行状态下各相开通时刻，参考电流I _ref为恒定值，而相电流i _k开始逐渐上升，故障特征量e ₂由e ₂=I _ref逐渐减小为e ₂=0，由于这一过程中存在e ₂>I _th1的现象而容易导致误诊断。因此实施故障诊断需要在这一现象发生之后，即确定相电流i _k上升时间后，采用一定的延时间隔后再次诊断是否满足故障条件，如果延时后系统仍满足故障诊断条件，则断定系统出现相应的故障。延时时间t _delay的设定如下所示：

（5）

式中，L _k为最大相电感，R _k为一相内阻，u _k为相电压，系数k ₃取值0.5，电流滞环宽度∆i取值0到0.1之间常数。

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电流路径变化的情况，通过开关磁阻电机不对称半桥型功率变换器基础上分离出下励磁电流总线，检测下励磁总线电流值和导通相电流值。对于位置管故障情况下电流路径的改变，以下励磁总线电流和导通相电流的差值作为故障特征量实现故障诊断；对于斩波管故障情况下电流路径的改变，以参考电流和导通相电流的差值作为故障特征量实现故障诊断。在此基础上，生成所提故障诊断方法的诊断状态机，通过状态机的运行实现在线故障诊断。所提故障诊断方法能够快速实现功率变换器开关管的故障类型确定和故障器件定位，诊断时间可以缩短到几个采样周期内，具有良好快速性和准确性。

附图说明

图1是本发明分离出下励磁电流的四相不对称半桥型功率变换器拓扑结构图。

图2是本发明的四相开关磁阻电机系统诊断区间划分示意图。

图3是BI区间正常情况下A相电流路径示意图。

图4是BI区间位置管短路故障情况下A相电流路径示意图。

图5是AI和AII区间正常情况下A相电流路径示意图。

图6是AI和AII区间位置管开路故障情况下A相电流路径示意图。

图7是所提故障诊断方法实施状态机。

图8是A相位置管短路故障诊断情况示意图。

图9是A相位置管在DII区间发生开路故障诊断情况示意图。

图10是A相位置管在AI区间发生开路故障诊断情况示意图。

图11是A相位置管在AII区间发生开路故障诊断情况示意图。

图12是A相斩波管短路故障诊断情况示意图。

图13是A相斩波管开路故障诊断情况示意图。

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：

在斩单管模式下，依据承受的功能可将功率开关管分为两类：斩波管(S₁、S₃、S₅、S₇)和位置管(S₂、S₄、S₆、S₈)。而同一功率器件可能发生的故障类型包括短路故障和开路故障，因此功率变换器开关器件的故障类型包含：位置管开路、位置管短路、斩波管开路和斩波管短路共四种，采用的功率变换器拓扑如图1所示。

故障类型确定之后，进行诊断区间的划分。一相单独导通为I区间，两相同时导通为II区间，如A相单独导通区间为AI区间，在AI区间结束后A、B两相共同导通时为AII区间，B相单独导通区间为BI区间，在BI区间结束后B、C两相共同导通时为BII区间，C相单独导通区间为CI区间，在CI区间结束后C、D两相共同导通时为CII区间，D相单独导通区间为DI区间，在DI区间结束后D、A两相共同导通时为DII区间，至此可将一个电机转子周期分为AI、AII、BI、BII、CI、CII、DI和DII共8个诊断区间，如图2所示。

诊断区间划分确定后，在每个诊断区间分析正常和故障情况下电流路径的变化，从而通过检测下励磁总线电流i _edn和相电流i _k（k代表特定的相），定义故障特征量e ₁，并根据参考电流I _ref定义故障特征量e ₂：

(1)

(2)

当A相正常运行时，A相励磁时，即S₁=1，S₂=1,本申请文件设定1代表驱动信号为高电平，0代表驱动信号为低电平，电源经S₁和S₂向A相绕组励磁；A相零电压续流时，即S₁=0，S₂=1，绕组能量经S₂和D₂续流；当A相负电压续流时，即S₁=0，S₂=0，绕组能量经D₁和D₂回馈到电源；当A相位置管短路故障发生后，由于S₂始终保持开通，A相励磁和零电压续流模式保持不变，只是缺少负电压续流模式；当A相位置管开路故障发生后，由于S₂始终保持关断，当S₁=1时，绕组能量经S₁和D₁零电压续流，当S₁=0时，绕组能量经D₁和D₂负电压续流回馈到电源，从而缺少励磁模式；当A相斩波管短路故障发生后，由于S₁始终保持开通，当S₂=1时，电源经S₁和S₂向绕组励磁，当S₂=0时，绕组能量经S₁和D₁续流，因此在各相开通区间缺少零电压续流模式，在各相关断区间缺少负电压续流模式；当A相斩波管开路故障发生后，由于S₁始终保持关断，当S₂=1时，绕组能量经S₂和D₂零电压续流，当S₂=0时，绕组能量经D₁和D₂回馈到电源，因此缺少励磁模式；上式分析具体如表1所示：

表1 正常和故障情况下A相电压和电流路径

上述分析仅是一相电流正常和故障情况下路径变化情况，而故障诊断需要结合相邻两相电流路径进行分析。

当A相位置管短路故障发生后，在导通区间时，电流路径无变化，在续流区间时，当进入BI区间时，电路路径发生明显变化，由正常情况下负电压续流不经过下励磁母线变化到零电压续流经过下励磁母线，导致i _edn的增大，如图3和图4所示。

当A相位置管开路故障发生后，在导通区间内，电流路径从经过下励磁母线变化为始终不经过下励磁母线电流，导致i _edn的减小，如图5和图6所示。

当A相斩波管短路和开路故障发生后，在导通区间和续流区间电流路径均无明显变化，此时需要通过参考电流I _ref和相电流的关系进行判断；

故障特征确定后，需要结合故障特征和诊断特征量，进行故障类型的确定和故障器件的定位。当开关磁阻电机系统正常运行到达诊断区间时，e ₁=i _k+1，I _th2<e ₂<I _th1，始终停留在Q1状态，否则停留在Q0状态；当满足e ₁>i _k+1时，证明k-1相发生位置管短路故障，进入Q2状态；而当同时满足e ₁=0且e ₁≠i _k+1时，此时k+1相发生位置管开路故障，进入Q3状态；当同时满足e ₁≠0且e ₁<i _k+1时，k相发生位置管开路故障，进入Q4状态；而若此时e ₁=i _k+1，e _{2_k+1}<I _th2，则证明k+1相发生斩波管短路故障，进入Q5状态；若此时e ₁=i _k+1，e _{2_k+1}>I _th1，则证明k+1相发生斩波管开路故障，进入Q6状态；若此时e ₁=i _k+1，e _{2_k}<I _th2，则证明k相斩波管短路故障，进入Q7状态；若此时e ₁=i _k+1，e _{2_k}>I _th1，则证明k相斩波管短路故障，进入Q8状态；具体如图7所示。

考虑到在开关磁阻电机系统正常运行状态下各相开通时刻，参考电流I _ref为恒定值，而相电流i _k开始逐渐上升，故障特征量e ₂由e ₂=I _ref逐渐减小为e ₂=0，由于这一过程中存在e ₂>I _th1的现象而容易导致误诊断。因此实施故障诊断需要在这一现象发生之后，即确定相电流i _k上升时间后，采用一定的延时间隔后再次诊断是否满足故障条件，如果延时后系统仍满足故障诊断条件，则断定系统出现相应的故障。延时时间t _delay的设定如下所示：

（5）

式中，L _k为最大相电感，R _k为一相内阻，u _k为相电压，系数k ₃取值0.5，电流滞环宽度∆i取值0到0.1之间常数。

例如，对一台四相8/6开关磁阻电机系统功率变换器进行故障诊断，当A相位置管发生短路故障，在A相导通的区间（即DII、AI、AII区间）无明显故障特征；而在BI区间内（即k=B），i _edn =i _a +i _b，则e ₁=i _a，此时i _k+1=i _c=0，满足e ₁>i _k+1，诊断为第k-1相（即k-1=A）位置管发生短路故障，设定故障表示为Flag，诊断波形如图8所示；当A相位置管在DII区间发生开路故障（即k=D），i _edn =i _a，则e ₁=0，此时i _k+1=i _a，满足e ₁=0且e ₁≠i _k+1的诊断条件，因此诊断为第k+1相（即k+1=A）位置管发生开路故障，诊断波形如图9所示；若A相位置管在AI区间发生开路故障（即k=A），i _edn=0，则e ₁=-i _a，此时i _k+1=i _b=0，满足e ₁<i _k+1且e ₁≠0的诊断条件，因此诊断为第k相位置管发生开路故障，诊断波形如图10所示；若A相位置管在AII区间开路故障（即k=A），i _edn=i _b，则e ₁=i _b−i _a，此时i _k+1=i _b，满足e ₁<i _k+1且e ₁≠0的诊断条件，因此诊断定位结果为第k相位置管管发生开路故障，诊断波形如图11所示；当A相斩波管发生短路故障发生后，A相绕组电流不受斩波占空比的影响，在导通区间内完全导通，导致A相失控，相电流i _a迅速增大，系统输出开始增大，而由于受闭环控制作用而使控制器输出参考电流I _ref减小，经过一定的延时间隔后e ₂ 仍然小于I _th2，因而诊断为A相斩波管发生短路故障，相诊断波形如图12所示。当A相斩波管发生开路故障发生后，系统输出开始减小，i _a减小，由于系统受到闭环控制的作用，控制器输出参考电流I _ref增大，此时e ₂大于I _th1，故诊断为A相斩波管发生开路故障。需要强调的是，在正常运行情况下A相电流的上升阶段初期，相电流i _a较小，导致出现e ₂ =I _ref − i _a较大的现象，使e ₂波形在A相电流的上升阶段初期有一个尖峰，这样容易造成e ₂大于I _th1的误诊断，因而需要设置一定的延时间隔t _delay进行再次诊断，诊断波形如图13所示。

Claims (1)

1.一种开关磁阻电机功率变换器电流路径特征量故障诊断方法，其特征在于通过检测下励磁电流和各相电流，采用电流偏差实时反映功率变换器正常和故障情况下电流路径的变化，从而实现主开关管的故障类型确定和故障器件定位，其步骤如下：

1) 首先进行诊断区间划分：一相单独导通为I区间，两相同时导通为II区间，如A相单独导通区间为AI区间，A、B两相共同导通为AII区间，依据此原则可将n相电机划分为2n个诊断区间；

2) 分析正常和故障情况下电流路径的变化，从而通过检测下励磁总线电流i _edn和相电流i _k（k代表特定的相），定义故障特征量e ₁，并根据参考电流I _ref定义故障特征量e ₂：

(1)

(2)

3) 通过分析正常和故障情况下特征量的变化情况，生成诊断状态机，实时在线确定故障；当开关磁阻电机系统正常运行到达诊断区间时，e ₁ =i _k+1，I _th2 <e ₂ <I _th1，始终停留在Q1状态，否则停留在Q0状态；当满足e ₁ >i _k+1时，证明k-1相发生位置管短路故障，进入Q2状态；而当同时满足e ₁ =0且e ₁≠i _k+1时，此时k+1相发生位置管开路故障，进入Q3状态；当同时满足e ₁≠0且e ₁ <i _k+1时，k相发生位置管开路故障，进入Q4状态；而若此时e ₁=i _k+1，e _{2_k+1} <I _th2，则证明k+1相发生斩波管短路故障，进入Q5状态；若此时e ₁=i _k+1，e _{2_k+1}>I _th1，则证明k+1相发生斩波管开路故障，进入Q6状态；若此时e ₁=i _k+1，e _{2_k}<I _th2，则证明k相斩波管短路故障，进入Q7状态；若此时e ₁=i _k+1，e _{2_k}>I _th1，则证明k相斩波管短路故障，进入Q8状态；

(3)

(4)

式中，系数k ₁取值0到1之间的任意常数，系数k ₂取值-1到0之间任意常数，电流滞环宽度∆i取值0到0.1之间常数；

4)设定延时时间，防止误诊断的发生。考虑到在开关磁阻电机系统正常运行状态下各相开通时刻，参考电流I _ref为恒定值，而相电流i _k 开始逐渐上升，故障特征量e ₂由e ₂=I _ref逐渐减小为e ₂=0，由于这一过程中存在e ₂>I _th1的现象而容易导致误诊断；因此实施故障诊断需要在这一现象发生之后，即确定相电流i _k上升时间后，采用一定的延时间隔后再次诊断是否满足故障条件，如果延时后系统仍满足故障诊断条件，则断定系统出现相应的故障，延时时间t _delay的设定如下所示：

（5）

式中，L _k为最大相电感，R _k为一相内阻，u _k为相电压，系数k ₃取值0.5，电流滞环宽度∆i取值0到0.1之间常数。