CN111983449B - 三级式起动/发电机发电阶段旋转整流器故障检测和定位方法 - Google Patents

三级式起动/发电机发电阶段旋转整流器故障检测和定位方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种三级式起动/发电机发电阶段旋转整流器故障检测和定位方法，通过电压传感器和位置传感器采用移动窗方式采样一个周期内励磁机的闲置绕组端电压u和转子位置θ，并计算第一特征电压值U_max1和对应的转子位置θ_m；以第一特征电压值为参考点，将一个周期内闲置绕组端电压的采样序列U重新分成3组并计算第二特征电压值U_max2；计算特征电压比值R用以判断故障类型；结合故障类型的判断，依据转子位置θ_m所处角度范围进行故障二极管的定位。所提方法充分利用了系统处于发电阶段时励磁机闲置的励磁绕组，不仅能在线实时判断旋转整流器的故障类型以及定位故障二极管，且适用于系统变速运行情况、方法实现简单。

Description

三级式起动/发电机发电阶段旋转整流器故障检测和定位 方法
技术领域
本发明属于电机故障诊断技术领域，具体涉及一种三级式起动/发电机发电阶段利用励磁机闲置绕组端电压进行旋转整流器故障在线检测和定位的方法。
背景技术
随着多/全电飞机的发展，如何实现大容量、高可靠性的航空起动发电一体化成为研究热点。其中，航空三级式无刷同步电机由于其特有的优势成为该技术的重点研究对象。三级式无刷同步起动/发电机(简称三级式起发电机)主要包括副励磁机、励磁机、旋转整流器和主电机等部件，如图1所示。本发明针对的三级式起发电机具有如下工作特点：1.励磁机励磁绕组采用多相(两相或三相)绕组结构，且励磁机励磁绕组中线引出；2.系统起动低速阶段励磁机采用两相或三相交流励磁，起动高速阶段可继续采用交流励磁或切换为直流励磁；3.系统发电阶段，断开励磁机一相励磁绕组，并将剩余励磁绕组接入与副励磁机相连的发电控制单元(GCU)，实现励磁机的直流励磁，因此发电阶段励磁机存在一相闲置的励磁绕组(简称励磁机闲置绕组)。4.系统发电阶段为变频发电系统，即发电阶段电机转速在一定范围内变化。
无论系统处于起动阶段还是发电阶段，励磁机均通过旋转整流器为主电机提供励磁电流，因此旋转整流器故障与否对系统能否正常运转至关重要。由于与主电机同轴安装，较大的离心力和热应力使得旋转整流器的故障率远高于其他部件。考虑到系统长期处于发电阶段，因此研究系统发电阶段旋转整流器的在线故障检测和定位具有重要意义。本发明针对系统发电阶段开展旋转整流器故障检测和定位，起动阶段的故障诊断不在本发明内容之内。
系统处于发电阶段时，旋转整流器的故障可分为断路故障和短路故障。若旋转整流器发生断路故障，励磁机电枢相电流幅值和主电机励磁电流均减小，此时系统既可以进行停机保护也可以继续降额运行。若旋转整流器发生短路故障，励磁机电枢相电流幅值明显增大，主电机励磁电流明显减小，此时系统必须立刻进行停机保护，以免造成更严重的故障。可见，对于旋转整流器不同的故障类型，所采用的故障处理方法也是不同的。此外，故障发生时故障二极管的定位对快速维修和系统级故障分析和优化具有重要意义。因此，旋转整流器的故障诊断方法应既具备区分断路和短路的能力，又能够实现故障二极管的定位。考虑到旋转整流器发生故障时往往是一个二极管发生故障，本发明仅对一个二极管发生故障的情况进行诊断和定位。
当旋转整流器处于故障工作状态时，励磁机闲置绕组端电压波形特征与正常状态时不同，且旋转整流器不同故障类型对应的闲置绕组端电压波形特征也不同。本发明通过闲置绕组端电压在一个周期内的特征电压比值以及第一特征电压出现时对应的转子位置来进行故障类型的判断和故障二极管的定位。
发明内容
要解决的技术问题
为了避免现有技术方法的不足之处，本发明提出一种三级式起发电机处于发电阶段时旋转整流器的故障诊断方法，要解决的具体技术问题有：三级式起发电机处于发电阶段时，在线判断旋转整流器的故障类型并定位故障二极管。
技术方案
一种三级式起动/发电机发电阶段旋转整流器故障检测和定位方法，其特征在于步骤如下：
步骤1：获取一个周期内励磁机闲置绕组端电压的第一特征电压值和对应的转子位置：
步骤1.1：依据励磁机基波频率，通过电压传感器和位置传感器采用移动窗方式采样一个周期内励磁机闲置绕组端电压u和转子位置θ，形成的电压和转子位置序列，分别记为U＝[u(1),u(2),…,u(N)]和Θ＝[θ(1),θ(2),…,θ(N)]，其中N为一个周期的采样点数；所述转子位置为励磁机转子a相绕组和定子闲置励磁绕组之间的电角度，其值在0～360°之间；
步骤1.2：计算一个周期内闲置绕组端电压的最大值Umax1，记为第一特征电压值，并记录Umax1在电压序列中的位置以及此时电机的转子位置，分别记为M和θm，其中M为区间[1,N]中的整数；
步骤2：以第一特征电压值Umax1为参考点，将一个周期内闲置绕组端电压的采样序列U重新分成3组并计算第二特征电压值：
步骤2.1：将一个周期内闲置绕组端电压序列U分成3组，分别记为U1，U2和U3；其中序列U1和U2的数据个数为2N′，N′为
Figure BDA0002596087340000031
四舍五入后的整数，则序列U3的数据个数为(N-4N′)；
步骤2.2：依据序列的数据个数以及Umax1在序列U中的位置M，则
U1＝[u(M-N′),u(M-N′+1),…,u(M+N′-1)]，
U2＝[u(M+N′),u(M+N′+1),…,u(M+3N′-1)]，
U3＝[u(M+3N′),u(M+3N′+1),…,u(M+N-N′-1)]；
若(M-N′+j)＜1，则u(M-N′+j)＝u(M-N′+j+N)；若(M-N′+j)＞N，则u(M-N′+j)＝u(M-N′+j-N)；其中j＝0,1,…,N-1；
步骤2.3：计算电压序列U2和U3的最大值，分别记为U2max和U3max，并比较两者绝对值|U2max|和|U3max|的大小，较小的绝对值即为第二特征电压值，记为Umax2；
步骤3：计算特征电压比值进行故障类型的判断：
步骤3.1：定义第一特征电压值和第二特征电压值的比值为电压比值R，并通过公式
Figure BDA0002596087340000032
计算R值；
步骤3.2：比较R值与设定阈值Ro和Rs：若R<Ro，判断旋转整流器工作正常；若R>Rs，判断旋转整流器发生短路故障，进行步骤4；否则判断旋转整流器发生断路故障，进行步骤4；
步骤4：利用第一特征电压值Umax1出现时对应的电机转子位置θm进行故障二极管的定位：
定义与励磁机a相电枢绕组相连结的上下桥臂二极管分别为D1和D4，与b相绕组相连结的上下桥臂二极管分别为D3和D6，与c相绕组相连结的上下桥臂二极管分别为D5和D2；结合θm所处角度范围以及步骤3中判断的故障类型判断故障二极管位置的对应关系为：
θ<sub>m</sub> 断路故障二极管编号 短路故障二极管编号
30°～90° D6 D5
90°～150° D5 D4
150°～210° D4 D3
210°～270° D3 D2
270°～330° D2 D1
330°～360°，0～30° D1 D6
。
所述Ro的取值为1.05～1.5。
所述Rs的取值为4～6。
有益效果
本发明提出的一种三级式起发电机处于发电阶段时旋转整流器的故障检测和定位方法，具有以下优点：1)充分利用了系统处于发电阶段时励磁机闲置的励磁绕组；2)可以实现旋转整流器故障类型的判断以及故障二极管的定位；3)数据处理过程和诊断方法简单；4)适用于系统变速运行情况。所提方法有助于提高航空三级式起发电系统运行可靠性。
附图说明
图1为三级式起动/发电机结构示意图；
图2为本发明所提旋转整流器故障检测及定位方法框图；
图3为三级式起动/发电机转子部分等效电路示意图；
图4为励磁机闲置绕组端电压；
图5为励磁机转子位置；
图6为励磁机闲置绕组端电压第一特征电压值；
图7为励磁机闲置绕组端电压第一特征电压值在序列中的位置；
图8为励磁机闲置绕组端电压第一特征电压值出现时对应的转子位置；
图9为重组电压序列U2和U3的最大值及第二特征电压值；
图10为励磁机闲置绕组端电压特征电压比值；
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
实施例中所用三级式起发电机结构示意图如图1所示，其中励磁机励磁绕组为三相绕组结构，系统发电阶段电机转速范围为7200r/min—16000r/min。在本实施例中电机运行转速为10000r/min，励磁机基波频率为500Hz。图2所示为本发明所提旋转整流器故障检测及定位方法的框图。下面以与励磁机a相电枢绕组相连结的上桥臂二极管D1(如图3所示)发生断路故障为例进行所提故障诊断及定位方法的说明，实施例包含的具体步骤如下：
步骤1：获取一个周期内励磁机闲置绕组端电压的第一特征电压值和对应的转子位置，具体如下：
1.1依据励磁机基波频率，通过电压传感器和位置传感器采用移动窗方式采样闲置绕组端电压u和转子位置θ，分别如图4和图5所示。此时励磁机基波频率为500Hz，取采样频率为100kHz，则一个周期内电压和转子位置的采样点数N为200，形成的电压和转子位置序列分别为U＝[u(1),u(2),…,u(200)]和Θ＝[θ(1),θ(2),…,θ(200)]。
1.2计算第一特征电压值Umax1，并记录Umax1在电压序列中的位置M以及此时电机的转子位置θm。如图6，图7和图8所示，对于最后一个采样时刻形成的电压序列和转子位置序列，Umax1＝749V，M＝1，θm＝360°。
步骤2：以第一特征电压值Umax1为参考点，将一个周期内闲置绕组端电压的采样序列U重新分成3组并计算第二特征电压值，具体如下：
2.1依据一个周期的采样点数N＝200，得到N′＝33，则重新分组而成的序列U1和U2的数据个数均为66，序列U3的数据个数为68。
2.2依据各个序列的采样点数及Umax1在序列U中的位置M=1，则重新分组而成的3组序列分别为
U1＝[u(168),u(169),…,u(200),u(1),…,u(33)]，
U2＝[u(34),u(35),…,u(99)]，
U3＝[u(100),u(101),…,u(167)]。
2.3如图9所示，电压序列U2和U3的最大值分别为U2max＝575V和U3max＝366V；考虑到|U3max|＜|U2max|，因此第二特征电压值Umax2＝|U3max|＝366V。
步骤3：实时计算特征电压比值进行故障类型的判断，具体如下：
3.1计算特征电压比值
Figure BDA0002596087340000061
如图10所示；
3.2比较R值与设定阈值Ro和Rs：若R<Ro，判断旋转整流器工作正常；若R>Rs，判断旋转整流器发生短路故障；否则判断旋转整流器发生断路故障。Ro的取值一般稍大于1，Rs的取值一般介于4和6之间，并根据实际应用对象确定。
本实施例中设定阈值Ro＝1.2，Rs＝5。计算比值R＝2.05，介于Ro和Rs之间，因此判定旋转整流器发生断路故障。
步骤4：当步骤3中判断旋转整流器发生故障，则进行故障二极管的定位，具体如下：
如1.3所述，在本实施例中，当第一特征电压值出现时，此时电机的转子位置θm约为360°。
如图3所示，定义与励磁机a相电枢绕组相连结的上下桥臂二极管分别为D1和D4，与b相绕组相连结的上下桥臂二极管分别为D3和D6，与c相绕组相连结的上下桥臂二极管分别为D5和D2。结合θm所处角度范围以及步骤3中判断的故障类型判断故障二极管位置的对应关系为：
θ 断路故障二极管编号 短路故障二极管编号
30°～90° D6 D5
90°～150° D5 D4
150°～210° D4 D3
210°～270° D3 D2
270°～330° D2 D1
330°～360°，0～30° D1 D6
依据θm＝360°以及步骤3中判断出的断路故障类型，判断发生故障的二极管为D1。

Claims (3)

1.一种三级式起动/发电机发电阶段旋转整流器故障检测和定位方法，其特征在于步骤如下：
步骤1：获取一个周期内励磁机闲置绕组端电压的第一特征电压值和对应的转子位置：
步骤1.1：依据励磁机基波频率，通过电压传感器和位置传感器采用移动窗方式采样一个周期内励磁机闲置绕组端电压u和转子位置θ，形成的电压和转子位置序列，分别记为U＝[u(1)，u(2)，…，u(N)]和Θ＝[θ(1)，θ(2)，…，θ(N)]，其中N为一个周期的采样点数；所述转子位置为励磁机转子a相绕组和定子闲置励磁绕组之间的电角度，其值在0～360°之间；
步骤1.2：计算一个周期内闲置绕组端电压的最大值Umax1，记为第一特征电压值，并记录Umax1在电压序列中的位置以及此时电机的转子位置，分别记为M和θm，其中M为区间[1，N]中的整数；
步骤2：以第一特征电压值Umax1为参考点，将一个周期内闲置绕组端电压的采样序列U重新分成3组并计算第二特征电压值：
步骤2.1：将一个周期内闲置绕组端电压序列U分成3组，分别记为U1，U2和U3；其中序列U1和U2的数据个数为2N′，N′为
Figure FDA0003001504240000011
四舍五入后的整数，则序列U3的数据个数为(N-4N′)；
步骤2.2：依据序列的数据个数以及Umax1在序列U中的位置M，则
U1＝[u(M-N′)，u(M-N′+1)，…，u(M+N′-1)]，
U2＝[u(M+N′)，u(M+N′+1)，…，u(M+3N′-1)]，
U3＝[u(M+3N′)，u(M+3N′+1)，…，u(M+N-N′-1)]；
若(M-N′+j)＜1，则u(M-N′+j)＝u(M-N′+j+N)；若(M-N′+j)＞N，则u(M-N′+j)＝u(M-N′+j-N)；其中j＝0，1，…，N-1；
步骤2.3：计算电压序列U2和U3的最大值，分别记为U2max和U3max，并比较两者绝对值|U2max|和|U3max|的大小，较小的绝对值即为第二特征电压值，记为Umax2；
步骤3：计算特征电压比值进行故障类型的判断：
步骤3.1：定义第一特征电压值和第二特征电压值的比值为电压比值R，并通过公式
Figure FDA0003001504240000021
计算R值；
步骤3.2：比较R值与设定阈值Ro和Rs：若R＜Ro，判断旋转整流器工作正常；若R＞Rs，判断旋转整流器发生短路故障，进行步骤4；否则判断旋转整流器发生断路故障，进行步骤4；
步骤4：利用第一特征电压值Umax1出现时对应的电机转子位置θm进行故障二极管的定位：
定义与励磁机a相电枢绕组相连结的上下桥臂二极管分别为D1和D4，与b相绕组相连结的上下桥臂二极管分别为D3和D6，与c相绕组相连结的上下桥臂二极管分别为D5和D2；结合θm所处角度范围以及步骤3中判断的故障类型判断故障二极管位置的对应关系为：
当θm的范围为30°～90°，则断路故障二极管编号为D6，短路故障二极管编号为D5；
当θm的范围为90°～150°，则断路故障二极管编号为D5，短路故障二极管编号为D4；
当θm的范围为150°～210°，则断路故障二极管编号为D4，短路故障二极管编号为D3；
当θm的范围为210°～270°，则断路故障二极管编号为D3，短路故障二极管编号为D2；
当θm的范围为270°～330°，则断路故障二极管编号为D2，短路故障二极管编号为D1；
当θm的范围为330°～360°，0～30°，则断路故障二极管编号为D1，短路故障二极管编号为D6。
2.根据权利要求1所述的一种三级式起动/发电机发电阶段旋转整流器故障检测和定位方法，其特征在于所述Ro的取值为1.05～1.5。
3.根据权利要求1所述的一种三级式起动/发电机发电阶段旋转整流器故障检测和定位方法，其特征在于所述Rs的取值为4～6。
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