CN116008807A - 多级式起动发电系统全阶段旋转整流器故障在线诊断方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种多级式起动发电系统全阶段旋转整流器故障在线诊断方法，属于电机故障诊断技术领域；测量励磁机定子侧电流，通过测量结果计算定子侧电流平方和，同时得到励磁机转子位置θ_r与励磁机转子相对于磁场的相对角度θ_w；根据励磁机定子电流平方和在每一采样范围内的最小值判断旋转整流器是否发生故障；当判断出旋转整流器发生故障且确定故障类型后，对故障二极管进行定位，即确定故障二极管的位置或者编号。所提方法适用于多级式起动发电系统全阶段过程中的旋转整流器故障诊断，能够在在线实时判断旋转整流器是否发生故障的基础上判断故障类型以及故障二极管的位置，该方法实现简单，在起动阶段与发电阶段之间算法不需要进行复杂的切换。

Description

多级式起动发电系统全阶段旋转整流器故障在线诊断方法

技术领域

本发明属于电机故障诊断技术领域，具体涉及一种多级式起动发电系统全阶段旋转整流器故障在线诊断方法。

背景技术

为了提高飞机的可靠性、可维护性、地面保障能力及能源效率，多电飞机(MoreElectric Aircraft.MEA)的概念应运而生，相关研究与应用在近几十年中取得了显著进展。所谓多电飞机，是用电能逐步代替二次能源系统中的液压能和气压能，实现飞机由二次能源系统向单一能源系统的转化。

起动/发电一体化是多电飞机领域中的重要技术之一。所谓起动发电一体化，就是利用电机的可逆性，让机载主发电机先工作在电动机模式来起动航空发动机，待起动成功后再工作在发电机模式来为机载用电设备供电。显然，在起动发电一体化系统中，由于发动机不需要配备专门的起动机和提取压缩后的空气，附件传动机匣将得到极大的简化，相应的引气装置也被取消，飞机的可靠性、可维护性和效率将得到明显提升。

如图1所示，三级式电机由副励磁机、励磁机、旋转整流器以及主电机构成，其作为发电机时具有高可靠性、低维护成本和发电控制技术简单的优势，因此在飞机上得到了广泛的应用。以三级式无刷同步发电机为基础开展的针对多级式起动发电系统的研究也得到了广泛的关注。

多级式起动发电系统主要分为起动和发电两个工作阶段，当系统处于起动阶段时，机载电源将直接为励磁机提供交流励磁电流，励磁机转子三相绕组的感应电势经旋转整流器整流后为主电机转子绕组提供直流励磁电流。当发电机到达一定转速后，系统进入发电阶段，磁极副励磁机定子三相绕组经由发电控制器(GCU)想励磁机定子绕组提供直流励磁电流，励磁机经由旋转整流器向主电机提供直流励磁电流。

由上述分析可知，多级式起动发电系统处于不同阶段时，存在交流与直流两种励磁机励磁方式，且励磁机均需经由旋转整流器整流为主电机提供励磁电流，因此旋转整流器的健康与否对系统至关重要。旋转整流器由于与电机同轴安装，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。因此，为了提高多级式起动发电系统的可靠性和可维护性，有必要开展针对旋转整流器的故障诊断技术研究。当多级式起动发电系统处于起动阶段时，飞机多处于地面待飞状态。处于安全性的考虑，此时无论旋转整流器发生何种故障，飞机(特别是民航客机)均需进行停机检修。当系统处于发电阶段时，若旋转整流器发生二极管开路故障，励磁机的励磁输出能力会小幅降低，此时多级式起动/发电系统既可以停机也可以降额运行；若发生二极管短路故障，励磁机转子电流将会异常增大、励磁输出能力大幅降低，此时多级式起动发电系统作为发电机必须停机以防止故障蔓延，因此需要实现对旋转整流器二极管故障类型的判定。同时，若检测到旋转整流器出现故障，应进一步对故障二极管进行定位，这不仅有助于快速维修，更有助于系统级的故障分析和优化，即找出故障发生的本质原因或者薄弱环节，实现系统的优化升级，从而降低故障率、提高可靠性。

因此，从故障应对措施、快速维修以及系统级故障分析和优化的角度来讲，针对多级式起动发电系统旋转整流器故障诊断方法应实现在全阶段均能够完成故障类型区分和故障二极管定位的功能。

发明内容

要解决的技术问题：

为了避免现有技术的不足之处，本发明提供一种多级式起动发电系统全阶段旋转整流器故障在线诊断方法，能够在多级式起动发电系统全阶段的运行过程中，在线实时诊断旋转整流器中的二极管是否发生故障，并判断故障类型及故障二极管的位置；该方法实现简单，在起动阶段与发电阶段之间算法不需要进行复杂的切换。

本发明的技术方案是：一种多级式起动发电系统全阶段旋转整流器故障在线诊断方法，其特征在于具体步骤如下：

步骤1：测量励磁机定子侧电流，通过测量结果计算定子侧电流平方和，同时得到励磁机转子位置θ_r与励磁机转子相对于磁场的相对角度θ_w；

步骤2：根据励磁机定子电流平方和在每一采样范围内的最小值判断旋转整流器是否发生故障；

步骤3：当步骤2判断出旋转整流器发生故障且确定故障类型后，对故障二极管进行定位，即确定故障二极管的位置或者编号。

本发明的进一步技术方案是：所述步骤1中，励磁机定子侧电流平方和的计算方法为：通过电流传感器采集励磁机的定子电流，记为i_eA,i_eB,i_eC,计算励磁机定子侧电流平方和，公式如下：

其中，励磁机定子侧电流平方和i_s ²即为表征旋转整流器故障状态的故障信息量。

本发明的进一步技术方案是：所述步骤1中，首先通过励磁机定子三相交流电产生的旋转磁场的旋转速度n_efm与电机转速n_r计算励磁机转子相对于磁场的相对转速n_w

n_w＝n_efm-n_r

然后，计算随时间变化的励磁机转子相对于磁场的相对角度θ_w，θ_w＝0～360°，公式如下：

θ_w＝∫2πf(n_w)dt+θ_w0

当系统开始运行时，励磁机初始位置为θ_w0，θ_w0＝0～360°；当θ_w＝0时，励磁机定子A相与转子A相对齐。

本发明的进一步技术方案是：所述步骤1中，励磁机转子位置θ_r能够直接通过旋变测量得到，θ_r＝0～360°。

本发明的进一步技术方案是：当系统工作于起动阶段时，将励磁机转子相对于磁场的相对角度θ_w记为θ；当系统和工作于发电阶段时，将励磁机转子位置θ_r记为θ；

利用所得到的角度θ，在角度处于不同范围时对励磁机定子电流平方和进行采样，得出每一个范围内励磁机定子电流平方和的最小值，分别针对起动阶段与发电阶段分别划定的采样范围如下表所示：

本发明的进一步技术方案是：所述步骤2中判断整流器是否发生故障的方法为：

2.1利用滑动寄存器将每一次采样范围获得的最小值与前一次采样范围获得的最小值作比，得到比值，记为R；

2.2比较2.1中计算得出的比值R与设定阈值R₁，R₂的大小：若R<R₁，则旋转整流器正常工作；若R₁<R<R₂，则旋转整流器发生开路故障；若R₂<R，则旋转整流器发生短路故障。

本发明的进一步技术方案是：所述步骤3中对故障二极管进行定位的方法为：

3.1当判断发生故障后，记录此时采样范围对应的θ，记为θ_f。

3.2定义旋转整流器a相上桥臂和下桥臂的二极管编号分别为D1和D4，b相上桥臂和下桥臂的二极管编号为D3和D6，c相上桥臂和下桥臂的二极管编号为D5和D2；

根据3.1中计算出的θ_f值处所角度范围判断故障二极管的编号，具体如下表所示：

有益效果

本发明的有益效果在于：当旋转整流器处于不同的故障状态下时，励磁机转子电流和励磁机定子电流平方和会与健康状态下有所不同。本发明从励磁机定子电流平方和的特征出发，通过判断励磁机定子电流平方和变化与当旋转整流器不同状态的对应关系进行旋转整流器故障诊断。所提方法可以实现旋转整流器是否发生故障的在线诊断以及故障类型的判断及故障二极管的定位。

本发明方法适用于多级式起动发电系统全阶段过程中的旋转整流器故障诊断，能够在在线实时判断旋转整流器是否发生故障的基础上判断故障类型以及故障二极管的位置，该方法实现简单，在起动阶段与发电阶段之间算法不需要进行复杂的切换。所提方法有助于提高多级式起动/发电系统运行整体可靠性以及维修效率。具体优势为：

1)旋转整流器故障信息量的获取仅需要对励磁机定子电流进行测量，对硬件的需求较小；

2)基于励磁机定子侧电流平方和进行故障类型判断和故障二极管定位，不需要对励磁机转子电流进行估算，且避免了估算不准确导致的误判等问题；

3)只需要在固定范围内对数据进行采样，对处理器性能要求较低。

附图说明

图1为三级式起动发电系统结构示意图；

图2为多级式起动发电机转子部分等效电路示意图；

图3为本发明所提旋转整流器故障诊断及定位方法思路；

图4为本发明所提旋转整流器故障诊断及定位方法框图；

图5为故障信息量；

图6为相邻换相点故障信息量比值；

图7为故障二极管位置。

具体实施方式

下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

本实施例一种基于换相点位置电流幅值变化特征的多级式起动发电系统全阶段旋转整流器故障在线检测与定位方法，获取励磁机定子电流平方和与励磁机转子相对于磁场的相对角度，励磁机转子位置。计算相邻换相点的励磁机定子电流平方和的比值作为故障信息量。在起动阶段时依据此时对应的励磁机转子相对于磁场的相对角度值，发电阶段时依据励磁机转子位置对故障信息量进行采样。通过相邻两次故障信息量作比，得出的比值确定旋转整流器故障类型。最后利用此时对应的采样范围确定旋转整流器故障二极管的位置。该方法适用于多级式起动发电系统全阶段过程中的旋转整流器故障诊断，能够在在线实时判断旋转整流器是否发生故障的基础上判断故障类型以及故障二极管的位置，该方法实现简单，在起动阶段与发电阶段之间算法不需要进行复杂的切换。

具体步骤如下：

步骤1：测量励磁机定子侧电流，通过测量结果计算定子侧电流平方和，同时得到励磁机转子位置θ_r与励磁机转子相对于磁场的相对角度θ_w。具体为：

1.1通过电流传感器采集励磁机的定子电流，记为i_eA,i_eB,i_eC,计算励磁机定子侧电流平方和，如下式所示。

励磁机定子侧电流平方和i_s ²即为表征旋转整流器故障状态的故障信息量。

1.2通过励磁机定子三相交流电产生的旋转磁场的旋转速度n_efm与电机转速n_r计算励磁机转子相对于磁场的相对转速n_w

n_w＝n_efm-n_r

通过计算可以得到随时间变化的励磁机转子相对于磁场的相对角度θ_w(范围为0-360°)。

θ_w＝∫2πf(n_w)dt+θ_w0

当系统开始运行时，励磁机初始位置为θ_w0(范围为0-360°)，当θ_w＝0时，励磁机定子A相与转子A相对齐。

励磁机转子位置θ_r(范围为0-360°)可以直接通过旋变测量得到。

1.3当系统工作于起动阶段时，将励磁机转子相对于磁场的相对角度θ_w记为θ；当系统和工作于发电阶段时，将励磁机转子位置θ_r记为θ。

1.4利用所得到的角度θ，在角度处于不同范围时对励磁机定子电流平方和进行采样，得出每一个范围内励磁机定子电流平方和的最小值，分别针对起动阶段与发电阶段分别划定的采样范围如下表所示。

起动阶段θ(°)	发电阶段θ(°)
		35°～45°	5°～15°
95°～105°	65°～75°
		155°～165°	125°～135°
215°～225°	185°～195°
		275°～285°	245°～255°
335°～345°	305°～315°

步骤2：根据励磁机定子电流平方和在每一采样范围内的最小值判断旋转整流器是否发生故障，具体为

2.1利用滑动寄存器将每一次采样范围获得的最小值与前一次采样范围获得的最小值作比，得到比值，记为R。

2.2比较2.1中计算得出的比值R与设定阈值R₁，R₂的大小：若R<R₁，则旋转整流器正常工作；若R₁<R<R₂，则旋转整流器发生开路故障；若R₂<R，则旋转整流器发生短路故障。

步骤3：当步骤2判断出旋转整流器发生故障且确定故障类型后，对故障二极管进行定位，即确定故障二极管的位置(或者编号)。具体如下：

3.1当判断发生故障后，记录此时采样范围对应的θ，记为θ_f。

3.2定义旋转整流器a相上桥臂和下桥臂的二极管编号分别为D1和D4，b相上桥臂和下桥臂的二极管编号为D3和D6，c相上桥臂和下桥臂的二极管编号为D5和D2。根据3.1中计算出的θ_f值处所角度范围判断故障二极管的编号，具体如下表所示：

<![CDATA[起动阶段θ<sub>f</sub>]]>	开路二极管编号	短路二极管编号
			35°～45°	D1	D4
95°～105°	D2	D5
			155°～165°	D3	D6
215°～225°	D4	D1
			275°～285°	D5	D2
335°～345°	D6	D3

<![CDATA[发电阶段θ<sub>f</sub>]]>	开路二极管编号	短路二极管编号
			5°～15°	D5	D2
65°～75°	D6	D3
			125°～135°	D1	D4
185°～195°	D2	D5
			245°～255°	D3	D6
305°～315°	D4	D1

上述步骤中，如果步骤2中判断旋转整流器处于健康状态，则不进行步骤3的判断；如果步骤2中判断旋转整流器发生了故障，则进行后续步骤3的判断。

为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。

图3所示为本发明所提旋转整流器故障诊断及定位方法的思路；图4所示为本发明所提旋转整流器故障诊断及定位方法的框图。

实施例中所用多级式起动/发电系统为采用三相励磁机的三级式起动发电系统结构示意图如图1所示，其中励磁机定子励磁绕组为三相绕组。系统运行过程中，电机转速为400r/min，励磁机定子励磁频率为60Hz，励磁机转子电流频率为40Hz。以系统处于起动阶段且旋转整流器A相下管(D4)开路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：

1：电机运行时获取励磁机定子侧电流平方和，具体如下：

(1.1)使用电流传感器监测励磁机定子三相电流i_eA、i_eB、i_cC，计算故障信息量，即励磁机定子侧电流平方和，如下式所示。

结果如图5所示；

(1.2)通过励磁机定子三相交流电产生的旋转磁场的旋转速度n_efm与电机转速n_r计算励磁机转子相对于磁场的相对转速n_w

n_w＝n_efm-n_r

通过计算得到随时间变化的励磁机转子相对于磁场的相对角度θ_w并将其记为θ。

θ_w＝∫2πf(n_w)dt+θ_w0

2.根据励磁机定子电流平方和在每一采样范围内的最小值判断旋转整流器是否发生故障，具体如下：

(2.1)利用滑动寄存器将每一次采样范围获得的最小值与前一次采样范围获得的最小值作比，得到比值，记为R。

(2.2)比较2.1中计算得出的比值R与设定阈值R₁，R₂的大小：若R<R₁，则旋转整流器正常工作；若R₁<R<R₂，则旋转整流器发生开路故障；若R₂<R，则旋转整流器发生短路故障。本实施例中设定的开路故障阈值为R₁为1.3，短路故障阈值R₂为2。经过比较判断，2＝R₂>R>R₁＝1.3,故判断此时旋转整流器发生了开路故障，如图6所示。

3：当步骤2判断出旋转整流器发生故障且确定故障类型后，对故障二极管进行定位，即确定故障二极管的位置(或者编号)。具体如下：

(3.1)当判断发生故障后，记录此时采样范围对应的θ，记为θ_f

(3.2)本实施例中，依据得到的θ_f在215°与225°之间，通过(1.2)表可以判断出故障二极管为D4，如图7所示。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (7)

1.一种多级式起动发电系统全阶段旋转整流器故障在线诊断方法，其特征在于具体步骤如下：

步骤1：测量励磁机定子侧电流，通过测量结果计算定子侧电流平方和，同时得到励磁机转子位置θ_r与励磁机转子相对于磁场的相对角度θ_w；

步骤2：根据励磁机定子电流平方和在每一采样范围内的最小值判断旋转整流器是否发生故障；

步骤3：当步骤2判断出旋转整流器发生故障且确定故障类型后，对故障二极管进行定位，即确定故障二极管的位置或者编号。

2.根据权利要求1所述一种多级式起动发电系统全阶段旋转整流器故障在线诊断方法，其特征在于：所述步骤1中，励磁机定子侧电流平方和的计算方法为：通过电流传感器采集励磁机的定子电流，记为i_eA,i_eB,i_eC,计算励磁机定子侧电流平方和，公式如下：

其中，励磁机定子侧电流平方和i_s ²即为表征旋转整流器故障状态的故障信息量。

3.根据权利要求2所述一种多级式起动发电系统全阶段旋转整流器故障在线诊断方法，其特征在于：所述步骤1中，首先通过励磁机定子三相交流电产生的旋转磁场的旋转速度n_efm与电机转速n_r计算励磁机转子相对于磁场的相对转速n_w

n_w＝n_efm-n_r

然后，计算随时间变化的励磁机转子相对于磁场的相对角度θ_w，θ_w＝0～360°，公式如下：

θ_w＝∫2πf(n_w)dt+θ_w0

当系统开始运行时，励磁机初始位置为θ_w0，θ_w0＝0～360°；当θ_w＝0时，励磁机定子A相与转子A相对齐。

4.根据权利要求3所述一种多级式起动发电系统全阶段旋转整流器故障在线诊断方法，其特征在于：所述步骤1中，励磁机转子位置θ_r能够直接通过旋变测量得到，θ_r＝0～360°。

5.根据权利要求4所述一种多级式起动发电系统全阶段旋转整流器故障在线诊断方法，其特征在于：当系统工作于起动阶段时，将励磁机转子相对于磁场的相对角度θ_w记为θ；当系统和工作于发电阶段时，将励磁机转子位置θ_r记为θ；

利用所得到的角度θ，在角度处于不同范围时对励磁机定子电流平方和进行采样，得出每一个范围内励磁机定子电流平方和的最小值，分别针对起动阶段与发电阶段分别划定的采样范围如下表所示：

。

6.根据权利要求1-5任一项所述一种多级式起动发电系统全阶段旋转整流器故障在线诊断方法，其特征在于：所述步骤2中判断整流器是否发生故障的方法为：

2.1利用滑动寄存器将每一次采样范围获得的最小值与前一次采样范围获得的最小值作比，得到比值，记为R；

2.2比较2.1中计算得出的比值R与设定阈值R₁，R₂的大小：若R<R₁，则旋转整流器正常工作；若R₁<R<R₂，则旋转整流器发生开路故障；若R₂<R，则旋转整流器发生短路故障。

7.根据权利要求6所述一种多级式起动发电系统全阶段旋转整流器故障在线诊断方法，其特征在于：所述步骤3中对故障二极管进行定位的方法为：

3.1当判断发生故障后，记录此时采样范围对应的θ，记为θ_f。

3.2定义旋转整流器a相上桥臂和下桥臂的二极管编号分别为D1和D4，b相上桥臂和下桥臂的二极管编号为D3和D6，c相上桥臂和下桥臂的二极管编号为D5和D2；

根据3.1中计算出的θ_f值处所角度范围判断故障二极管的编号，具体如下表所示：

。

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