CN114487917A - 电励磁双凸极电机变换器功率管及绕组开路故障诊断方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电励磁双凸极电机变换器功率管及绕组开路故障诊断方法,涉及电励磁双凸极电机领域,该方法根据电励磁双凸极电机在当前运行状态下的正母线电流与下桥臂二极管续流电流的差值的电流极性,以及电励磁双凸极电机的电枢绕组的中性点电压与母线电压的一半的大小比较,对处于当前的运行状态下的功率管和电枢绕组进行开路故障诊断,实现方法简单准确,故障诊断速度快且诊断成本低,而且有利于提高整个驱动系统的稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及电励磁双凸极电机领域,尤其是一种电励磁双凸极电机变换器功率管及绕组开路故障诊断方法。
背景技术
电励磁双凸极是一种具有双凸极结构和定子集中励磁的磁阻电机,具有结构简单、控制灵活、容错性能好的优点,在航空、风力等领域具有广泛应用前景。但是电机驱动系统中的电气故障严重威胁系统的安全运行,其中在电气故障中,功率管和电枢绕组的开路故障是两种发生率较高的开路故障,这两种故障都会导致处于该工作状态的两相绕组上的电流为零而停止工作,这会降低系统的转矩输出并增加转矩脉动,严重影响驱动性能,因此有必要对功率管和电枢绕组的开路故障进行检测和定位。
目前,不少学者提出电励磁双凸极电机的桥式变换器功率管开路故障诊断的方法。公开的论文有:魏佳丹等公开的“双凸极电机全桥变换器单相开路故障容错方案”(中国电机工程学报,2008年8月,第28卷,第24期,88-93页)论文中介绍了一种结合相电流的变化和分裂电容中点-相绕组端点之间的电压差的方法诊断变换器中单功率管开路故障的方法。胡朝燕等公开的“双凸极电机全桥变换器单管开路故障在线诊断”(中国电机工程学报,2009年11月,第29卷,第33期,111-116页)论文中介绍了一种以中性点电压变化诊断变换器单功率管开路故障的方法。夏一文等公开的“基于反电势电流的电励磁双凸极电机驱动电路单管开路故障诊断研究”(电工技术学报,2020年12月,第35卷,第23期,4888-4897页)论文中介绍了一种以反电势电流为故障特征实现单功率管故障诊断的方法。公开的中国发明专利有:电励磁双凸极电机全桥变换器单管开路故障诊断及容错方法,申请号:201911232723.3,介绍了一种以相绕组电流为零为故障特征并结合三相六状态的控制方式,通过导通不同的功率管实现单功率管开路故障的诊断。但是上述这些现有技术主要集中于变换器中功率管开路故障的诊断,无法对电枢绕组的开路故障诊断进行研究。
发明内容
本发明人针对上述问题及技术需求,提出了一种电励磁双凸极电机变换器功率管及绕组开路故障诊断方法,本发明的技术方案如下:
一种电励磁双凸极电机变换器功率管及绕组开路故障诊断方法,该方法包括:
基于电感上升区通正电流、电感下降区通负电流的原则控制电励磁双凸极电机变换器中的相应的功率管和电枢绕组的通断,并获取电励磁双凸极电机在当前的运行状态下的正母线电流idc与下桥臂二极管续流电流ifw的差值电流im=idc-ifw,其中,以电流流入电枢绕组的方向为电流极性的正方向;
根据正母线电流idc和下桥臂二极管续流电流ifw的电流差值im的电流极性,以及的电压极性,对处于当前的运行状态的功率管和电枢绕组进行开路故障诊断,其中ung为电励磁双凸极电机的电枢绕组的中性点电压,udc是母线电压。
本发明的有益技术效果是:
本发明公开了一种电励磁双凸极电机变换器功率管及绕组开路故障诊断方法,该方法基于正母线电流idc和下桥臂二极管续流电流ifw的电流差值im的电流极性,以及电励磁双凸极电机的电枢绕组的中性点电压ung与母线电压的一半的大小比较,即可快速定位发生开路故障的功率管和电枢绕组,实现方法简单准确,故障诊断速度快且诊断成本低,而且有利于提高整个驱动系统的稳定性。
附图说明
图1是一个实施例中的开路故障诊断逻辑示意图。
图2是一个实施例中电励磁双凸极电机功率变换器拓扑图。
图3是电励磁双凸极电机电感曲线和变换器导通逻辑图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。
本申请公开了一种电励磁双凸极电机变换器功率管及绕组开路故障诊断方法,该方法包括如下步骤,请结合图1所示的诊断逻辑示意图。
步骤1,基于电感上升区通正电流、电感下降区通负电流的原则控制电励磁双凸极电机变换器中的相应的功率管和电枢绕组的通断,并获取电励磁双凸极电机在当前的运行状态下的正母线电流idc和下桥臂二极管续流电流ifw的差值电流im=idc-ifw,其中,以电流流入电枢绕组的方向为电流极性的正方向。
请参考图2示出的一个实施例中的电励磁双凸极电机变换器的拓扑图,在电励磁双凸极电机变换器中,上桥臂功率管T1、T3和T5的集电极均相连并连接到直流母线的正极,二极管D1的阳极连接上桥臂功率管T1的发射极,二极管D3的阳极连接上桥臂功率管T3的发射极,二极管D5的阳极连接上桥臂功率管T5的发射极,二极管D1、D3和D5的阴极均相连并连接直流母线的正极,直流母线的正极流入的电流为正母线电流idc,直流母线的母线电压为udc。
上桥臂功率管T1的发射极连接下桥臂功率管T2的集电极和二极管D2的阴极,上桥臂功率管T3的发射极连接下桥臂功率管T4的集电极和二极管D4的阴极,上桥臂功率管T5的发射极连接下桥臂功率管T6的集电极和二极管D6的阴极;二极管D2、D4、D6的阳极以及下桥臂功率管T2、T4、T6的发射极均相连并连接直流母线的负极,从直流母线的负极流入下桥臂二极管续流电流为ifw。
电励磁双凸极电机的A相电枢绕组连接上桥臂功率管T1和下桥臂功率管T2的公共端,B相电枢绕组连接上桥臂功率管T3和下桥臂功率管T4的公共端,C相电枢绕组连接上桥臂功率管T5和下桥臂功率管T6的公共端,三个电枢绕组的另一端相连并作为电枢绕组的中性点,此处电压记为中性点电压ung。
遵循电感上升区通正电流、电感下降区通负电流的原则进行控制,电励磁双凸极电机变换器在一个电角度周期内分为三个工作区间,每个工作区间只有一个上桥臂功率管和一个下桥臂功率管导通,使得两个电枢绕组工作。基于图2这种拓扑图,电励磁双凸极电机变换器在三个工作区间内导通的功率管分别为T1T6→T3T2→T5T4,三相三状态控制方式示意图如图3所示,对应的电励磁双凸极电机电感曲线也如图3所示,其中Laf、Lbf、Lcf分别为励磁绕组与A/B/C三相电枢绕组之间的互感,La、Lb、Lc分别是A/B/C三相电枢绕组的自感。
相应的,电励磁双凸极电机在一个电角度周期内也分为三种运行状态,为了叙述方便,定义0°-120°为第一运行状态、120°-240°为第二运行状态,240°-360°为第三运行状态:在第一种运行状态时,上桥臂功率管T1、下桥臂功率管T6、A相电枢绕组和C相电枢绕组处于工作状态。在第二种运行状态时,上桥臂功率管T3、下桥臂功率管T2、B相电枢绕组和A相电枢绕组处于工作状态。在第三种运行状态时,上桥臂功率管T5、下桥臂功率管T4、C相电枢绕组和B相电枢绕组处于工作状态。
步骤2,根据正母线电流idc和下桥臂二极管续流电流ifw的电流差值im=idc-ifw的电流极性,以及的电压极性,对当前的运行状态下导通工作的功率管和电枢绕组进行开路故障诊断,其中ung为电励磁双凸极电机的电枢绕组的中性点电压,udc是母线电压。
1、首先分析系统正常工作情况。
(1.1)在电角度周期的[0°,120°)区间内,电励磁双凸极电机在第一种运行状态下,正母线电流idc依次经过上桥臂功率管T1、A相电枢绕组、C相电枢绕组和下桥臂功率管T6后,流入直流母线的负极。此时系统正常工作情况下A相电枢绕组的绕组相电流为正、C相电枢绕组的绕组相电流为负,且此时正母线电流idc和下桥臂二极管续流电流ifw的电流差值im=idc-ifw等于A相电枢绕组的绕组相电流ia,即大于零。
(1.2)在电角度周期的[120°,240°)区间内,电励磁双凸极电机在第二种运行状态下,正母线电流idc依次经过上桥臂功率管T3、B相电枢绕组、A相电枢绕组和下桥臂功率管T2后,流入直流母线的负极。此时系统正常工作情况下B相电枢绕组的绕组相电流为正、A相电枢绕组的绕组相电流为负,且此时正母线电流idc和下桥臂二极管续流电流ifw的电流差值im=idc-ifw等于B相电枢绕组的绕组相电流ib,即大于零。
(1.3)在电角度周期的[240°,360°)区间内,电励磁双凸极电机在第三种运行状态下,正母线电流idc依次经过上桥臂功率管T5、C相电枢绕组、B相电枢绕组和下桥臂功率管T4后,流入直流母线的负极。此时系统正常工作情况下C相电枢绕组的绕组相电流为正、B相电枢绕组的绕组相电流为负,且此时正母线电流idc和下桥臂二极管续流电流ifw的电流差值im=idc-ifw等于C相电枢绕组的绕组相电流ic,即大于零。
结合上述系统正常工作情况下的分析,本申请分别对于每一种运行状态下可能存在的不同开路故障所引起的参数变化分析如下:
2、在电角度周期的[0°,120°)区间内,电励磁双凸极电机在第一种运行状态下,在这种运行状态下,可能是T1和T6中的至少一个存在开路故障,或者可能是A相电枢绕组或C相电枢绕组存在开路故障,一般认为仅有一个电枢绕组存在开路故障,本申请以此为基础进行分析。
(2.1)若上桥臂功率管T1开路,则A相电枢绕组的绕组相电流经二极管D2续流,电流差值im为A相电枢绕组的绕组相电流的负值小于0,续流结束后A相电枢绕组和C相电枢绕组的绕组相电流变为0,下桥臂功率管T6保持导通,此时
(2.2)若下桥臂功率管T6开路,C相电枢绕组的绕组相电流经二极管D5续流,电流差值im为A相电枢绕组的绕组相电流,续流结束后A相电枢绕组和C相电枢绕组的绕组相电流变为0,上桥臂功率管T1仍保持导通,此时
(2.3)若上桥臂功率管T1和下桥臂功率管T6都发生开路故障,则A相电枢绕组和C相电枢绕组的绕组相电流经二极管D2和D5续流,电流差值im为A相电枢绕组的绕组相电流的负值小于0,续流结束后A相电枢绕组和C相电枢绕组的绕组相电流变为0,此时
3、在电角度周期的[120°,240°)区间内,电励磁双凸极电机在第二种运行状态下,在这种运行状态下,可能是T3和T2中的至少一个存在开路故障,或者可能是A相电枢绕组或B相电枢绕组存在开路故障。
(3.1)若上桥臂功率管T3开路,则B相电枢绕组的绕组相电流经二极管D4续流,此时电流差值im为B相电枢绕组的绕组相电流的负值小于0,续流结束后A相电枢绕组和B相电枢绕组的绕组相电流变为0,下桥臂功率管T2保持导通,此时
(3.2)若下桥臂功率管T2开路,A相电枢绕组的绕组相电流经二极管D1续流,此时电流差值im为B相电枢绕组的绕组相电流,续流结束后A相电枢绕组和B相电枢绕组的绕组相电流变为0,上桥臂功率管T3仍保持导通,此时
(3.3)若上桥臂功率管T3和下桥臂功率管T2都发生开路故障,则A相电枢绕组和B相电枢绕组的绕组相电流经二极管D4和D1续流,此时电流差值im为B相电枢绕组的绕组相电流的负值小于0,续流结束后变为0,此时
4、在电角度周期的[240°,360°)区间内,电励磁双凸极电机在第三种运行状态下,在这种运行状态下,可能是T5和T4中的至少一个存在开路故障,或者可能是B相电枢绕组或C相电枢绕组存在开路故障。
(4.1)若上桥臂功率管T5开路,则C相电枢绕组的绕组相电流经二极管D6续流,此时电流差值im为C相电枢绕组的绕组相电流的负值小于0,续流结束后B相电枢绕组和C相电枢绕组的绕组相电流变为0,下桥臂功率管T4保持导通,此时且
(4.2)若下桥臂功率管T4开路,B相电枢绕组的绕组相电流经二极管D3续流,此时电流差值im为C相电枢绕组的绕组相电流,续流结束后B相电枢绕组和C相电枢绕组的绕组相电流变为0,上桥臂功率管T5仍保持导通,此时
(4.3)若上桥臂功率管T5和下桥臂功率管T4都发生开路故障,则B相电枢绕组和C相电枢绕组的绕组相电流经二极管D6和D3续流,此时电流差值im为C相电枢绕组的绕组相电流的负值小于0,续流结束后B相电枢绕组和C相电枢绕组的绕组相电流变为0,此时
基于上述分析,当电励磁双凸极电机处于不同的运行状态下时,出现不同的开路故障时会导致im和的极性不同,因此本申请利用im和的极性来进行开路故障分析。进一步的,在一个实施例中,首先基于im的电流极性判断可能出现的几种故障情况,然后基于的电压极性从可能出现的几种故障情况中定位出确定的开路故障情况:
首先基于im的电流极性判断可能出现的几种故障情况,主要有两大类:
当im=0且时,确定当前的运行状态下导通工作的两个电枢绕组中,在系统正常工作情况下的绕组相电流为正的电枢绕组存在故障。当im=0且时,确定当前的运行状态下导通工作的两个电枢绕组中,在系统正常工作情况下的绕组相电流为负的电枢绕组存在故障。
二、当im≠0时,可以确定系统正常工作,或者是处于当前的运行状态的功率管存在开路故障,如上所述,每个运行状态下有一个上桥臂功率管和一个下桥臂功率管处于工作状态。然后根据不同功率管发生开路故障时形成的续流回路不同,结合的电压极性确定系统正常工作或者确定其中存在开路故障的功率管。
分为两种情况:
2、当im≠0且im<0时。若im<0且则确定当前的运行状态下导通工作的上桥臂功率管存在开路故障、下桥臂功率管正常。若im<0且则确定当前的运行状态下导通工作的上桥臂功率管和下桥臂功率管均存在开路故障。
基于本申请的这一开路故障诊断原则,结合图2所示的拓扑图,请参考如下表格,具体的:
1、在电角度周期的[0°,120°)区间内,电励磁双凸极电机在第一种运行状态下:
(1b)若im<0,则首先确定可能是上桥臂功率管T1开路,或者是上桥臂功率管T1和下桥臂功率管T6均开路。若则进一步确定是上桥臂功率管T1开路。若则进一步确定上桥臂功率管T1和下桥臂功率管T6均开路。
2、在电角度周期的[120°,240°)区间内,电励磁双凸极电机在第二种运行状态下:
(2b)若im<0,则首先确定可能是上桥臂功率管T3开路,或者是上桥臂功率管T3和下桥臂功率管T2均开路。若则进一步确定是上桥臂功率管T3开路。若则进一步确定上桥臂功率管T3和下桥臂功率管T2均开路。
3、在电角度周期的[240°,360°)区间内,电励磁双凸极电机在第三种运行状态下:
(3b)若im<0,则首先确定可能是上桥臂功率管T5开路,或者是上桥臂功率管T5和下桥臂功率管T4均开路。若则进一步确定是上桥臂功率管T5开路。若则进一步确定上桥臂功率管T5和下桥臂功率管T4均开路。
以上所述的仅是本申请的优选实施方式,本发明不限于以上实施例。可以理解,本领域技术人员在不脱离本发明的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化,均应认为包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
6.根据权利要求3-5任一所述的方法,其特征在于,
在所述电励磁双凸极电机变换器中,上桥臂功率管T1、T3和T5的集电极均相连并连接到所述直流母线的正极,二极管D1的阳极连接上桥臂功率管T1的发射极,二极管D3的阳极连接上桥臂功率管T3的发射极,二极管D5的阳极连接上桥臂功率管T5的发射极,二极管D1、D3和D5的阴极均相连并连接直流母线的正极,所述直流母线的正极流入的电流为正母线电流idc;
上桥臂功率管T1的发射极连接下桥臂功率管T2的集电极和二极管D2的阴极,上桥臂功率管T3的发射极连接下桥臂功率管T4的集电极和二极管D4的阴极,上桥臂功率管T5的发射极连接下桥臂功率管T6的集电极和二极管D6的阴极;二极管D2、D4、D6的阳极以及下桥臂功率管T2、T4、T6的发射极均相连并连接直流母线的负极,从直流母线的负极流入下桥臂二极管续流电流为ifw;
所述电励磁双凸极电机的A相电枢绕组连接上桥臂功率管T1和下桥臂功率管T2的公共端,B相电枢绕组连接上桥臂功率管T3和下桥臂功率管T4的公共端,C相电枢绕组连接上桥臂功率管T5和下桥臂功率管T6的公共端,三个电枢绕组的另一端相连并作为电枢绕组的中性点;
所述电励磁双凸极电机包括三种运行状态,第一种运行状态下时,上桥臂功率管T1、下桥臂功率管T6、A相电枢绕组和C相电枢绕组处于工作状态,且系统正常工作情况下A相电枢绕组的绕组相电流为正、C相电枢绕组的绕组相电流为负;第二种运行状态下时上桥臂功率管T3、下桥臂功率管T2、B相电枢绕组和A相电枢绕组处于工作状态,且系统正常工作情况下B相电枢绕组的绕组相电流为正、A相电枢绕组的绕组相电流为负;第三种运行状态下时上桥臂功率管T5、下桥臂功率管T4、C相电枢绕组和B相电枢绕组处于工作状态,且系统正常工作情况下C相电枢绕组的绕组相电流为正、B相电枢绕组的绕组相电流为负。
7.根据权利要求6所述的方法,其特征在于,当电励磁双凸极电机处于第一种运行状态下时:
若上桥臂功率管T1开路,则A相电枢绕组的绕组相电流经二极管D2续流,续流结束后A相电枢绕组和C相电枢绕组的绕组相电流变为0,下桥臂功率管T6保持导通,电流差值im为A相电枢绕组的绕组相电流的负值小于0,且
8.根据权利要求6所述的方法,其特征在于,当电励磁双凸极电机处于第二种运行状态下时:
若上桥臂功率管T3开路,则B相电枢绕组的绕组相电流经二极管D4续流,续流结束后A相电枢绕组和B相电枢绕组的绕组相电流变为0,下桥臂功率管T2保持导通,电流差值im为B相电枢绕组的绕组相电流的负值小于0,且
9.根据权利要求6所述的方法,其特征在于,当电励磁双凸极电机处于第三种运行状态下时:
若上桥臂功率管T5开路,则C相电枢绕组的绕组相电流经二极管D6续流,续流结束后B相电枢绕组和C相电枢绕组的绕组相电流变为0,下桥臂功率管T4保持导通,电流差值im为C相电枢绕组的绕组相电流的负值小于0,且
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