CN111624487A - 一种开关磁阻电机功率变换器故障在线检测方法及*** - Google Patents

一种开关磁阻电机功率变换器故障在线检测方法及*** Download PDF

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Abstract

一种新型开关磁阻电机功率变换器故障在线检测方法及***。本发明通过检测开关磁阻电机功率变换器的相电流瞬时值进行频谱分解，计算直流分量的幅值，根据直流分量幅值是否接近于0判断是否发生开路故障；定义谱比特征值为基波分量特征值与直流分量幅值的比值，将谱比特征值与某特定值a相比较，判断是否发生短路故障；若发生短路故障，计算故障发生周期与故障发生前一个周期的转速脉动系数的比值，将其与某特定值b比较，判断故障功率管。本发明不仅故障检测及定位可靠、诊断过程迅速，而且不需要增加额外的传感器，只需根据已有的数据即可检测故障的发生，较节约成本。

Description

一种开关磁阻电机功率变换器故障在线检测方法及***
技术领域
本发明涉及调速电动机领域，更具体的说，是一种开关磁阻电机功率变换器故障检测方法及***，适用于开关磁阻电机功率变换器的故障检测。
背景技术
开关磁阻电机具有每相独立运行的特点，在某相发生功率器件故障后，开关磁阻电机非故障相仍能继续工作。与传统的交直流电机驱动***相比，开关磁阻电机驱动***拥有较强的容错能力和可靠性，然而较好容错能力并不意味整个***可以在故障发生后持续运行。功率变换器是开关磁阻电机控制***的重要组成部分，若功率变换器发生短路或者开路故障将会严重影响开关磁阻电机控制***的运行。电机运行过程中其功率管一直处在不停的开通关断状态，功率变换器较容易出现故障。目前，所开发的大部分开关磁阻电机在线故障检测***只能定位到故障相，而不能定位到故障元器件，且普遍存在计算量大、易受外界环境干扰的情况。
发明内容
本发明的目的是克服已有技术中存在的问题，提供一种在各种工业场合下，能实时在线检测功率变换器故障的发生、故障相、故障类型及故障元器件的方法及根据该方法搭建的***。
本发明的目的是通过下述技术方案来实现的，包括如下步骤：
步骤1，采集相电流，将相电流进行分解，得到相电流的频谱；
步骤2，计算频谱中直流分量的幅值，如果直流分量幅值接近于0，则为功率管开路，如果不接近于0再进行步骤3；
步骤3，用基波特征值/直流分量幅值得到谱比特征值，判断谱比特征值是否小于某特定值a，若小于，则可以判断为功率管短路故障，执行步骤4进一步判断短路故障元器件，否则为功率管未发生短路故障，输出结果；
步骤4，计算故障发生周期与故障发生前一个周期的转速脉动系数的比值，若转速脉动系数比值大于某特定值b则为斩波管短路，否则为位置导通管短路。
基于开关磁阻电机功率变换器故障在线检测方法搭建的功率变换器故障在线检测***，包括以下部分：开关磁阻电机①、编码器②、转换模块③、电流传感器④、数据采集模块⑤、上位机检测平台⑥，其中：
编码器②与开关磁阻电机①同轴相连，转换模块③将编码器②输出的脉冲信号进行转换，数据采集模块④将转换后的信号采集并上传至上位机检测平台⑤中；
电流传感器④采集开关磁阻电机①各相的相电流，并通过数据采集模块⑤将相电流采集到上位机检测平台⑤中；
在上位机平台⑥中搭建故障特征量计算模块，通过相电流计算直流分量幅值A0及谱比特征值M；通过瞬时转速计算故障发生周期与故障发生前一个周期的转速脉动系数比值Ek；搭建功率变换器故障在线检测模块，将直流分量幅值A0、谱比特征值M、转速脉动系数比值Ek作为故障特征量，根据故障特征量进行故障诊断，完成对功率变换器故障的在线检测。
有益效果：本发明将基波分量设为固定值，在不影响故障诊断的情况下，降低了运算量，减小了CPU的负担，有利于提高诊断速度；本发明创新性的将转速脉动系数利用到故障检测上，通过转速脉动系数的比值，可以定位故障元器件，实现了原有技术不能定位故障元器件的缺点。本发明可在线实时检测故障的发生，能够诊断开关磁阻电机功率器件短路故障、开路故障。可迅速、准确地检测、定位故障所发生相及故障元器件，本发明不仅故障检测及定位可靠、诊断过程迅速，而且不需要增加额外的传感器，只需根据已有的数据即可检测故障的发生，降低了故障检测成本。
附图说明：
图1是本发明实施不对称半桥式开关磁阻电机功率变换器；
图2是本发明应用于三相12/8极开关磁阻电机不对称半桥型功率变换器主开关故障检测流程图；
图3是在不同转速下，三相12/8极开关磁阻电机故障发生前后经快速傅里叶变换后的相电流频谱图；
(a)是转速600r/min时位置导通管短路故障前后相电流频谱
(b)是转速800r/min时位置导通管短路故障前后相电流频谱
(c)是电机负载改变后相电流频谱特性图
(d)是开通角关断角改变后相电流频谱特性图
图4是在不同转速下，三相12/8极开关磁阻电机不同功率管短路故障的转速变化对比图；
(a)是转速300r/min时功率管短路转速变化图
(b)是转速600r/min时功率管短路转速变化图
(c)是转速800r/min时功率管短路转速变化图
图5为本发明应用于三相12/8极开关磁阻电机时，对不同转速下不对称半桥型功率变换器主开关故障检测结果图。
(a)是转速300r/min时故障检测***输出
(b)是转速600r/min时故障检测***输出
(c)是转速800r/min时故障检测***输出
具体实施方式
本发明提出了一种新型开关磁阻电机功率变换器在线检测方法及***，下面结合附图对本发明做进一步说明。
定义相对谱比系数M为基波分量特征值与直流分量幅值的比值
Figure BSA0000212193040000031
上式中，B0为基波分量特征值，A0为直流分量幅值，B0取值为β倍稳定运行时直流分量，β为稳定运行时基波分量与直流分量的平均比值；
定义转速特征值为故障发生周期与故障发生前一个周期的转速脉动系数的比值。转速脉动系数Kn为：
Figure BSA0000212193040000032
其中：nmax为***稳定运行时的最大转速；nmin为***稳定运行时的最小转速；nav为***稳定运行时的平均转速。
在上位机中搭建功率变换器故障特征量计算模块、故障在线检测模块。故障特征量计算模块，用于计算直流分量A0、谱比特征值M、转速脉动系数比值Ek；故障在线检测模块，用于诊断故障类型，判断故障相、故障元器件。
实施例一、如图1所示，为三相开关磁阻电机不对称半桥型功率变换器拓扑结构，以三相12/8极开关磁阻电机不对称半桥功率变换器为例，A、B、C三相均有2个IGBT功率管负责电机的励磁过程，2个续流二极管负责续流过程。在PWM的控制方式下，上功率管的驱动信号是该相PWM的斩波信号，下功率管的驱动信号是该相导通的位置信号。开关磁阻电机控制***经常采用的控制方式为导通区间斩单管，即当该相导通时，下功率管闭合，上功率管进行斩波。在此为了方便分析，定义下功率管为位置导通管，上功率管为斩波管。
以不对称半桥功率变换器为例，详细说明检测方法的实施。
(a)由电流传感器采集相电流传输给上位机，故障特征量计算模块将相电流进行分解，得到相电流的频谱；
(b)故障在线检测模块通过直流分量的幅值A0判定功率变换器是否发生开路故障，若A0接近于0，那么是功率变换器发生开路故障；
(c)计算谱比特征值，当谱比特征值小于某特定值a时，在线检测***判断功率变换器发生短路故障；否则，判断为功率变换器未发生短路故障。某特定值a视具体电机和功率变换器类型而定，在这里某特定值a取0.4，确定发生短路故障再进行下一步计算故障发生周期与故障发生前一个周期转速脉动系数的比值以判断故障元器件；
(d)计算故障发生周期与故障发生前一个周期转速脉动系数的比值Ek，若Ek大于某特定值b，在线检测***判断斩波管短路故障；否则，在线检测***判断位置导通管短路故障。某特定值b视具体电机和功率变换器类型而定，在这里某特定值b取5。
如图2所示，为三相12/8极开关磁阻电机不对称半桥型功率变换器主开关故障检测流程图，具体方法如下。
第一步，将相电流通过快速傅里叶变换进行分解，得到相电流的频谱；
第二步，计算频谱中直流分量的含量，如果直流分量小于0.2，表明是功率管开路，否则再进行下一步的判断；
第三步，用基波特征值/直流分量得到谱比特征值，基波特征值取0.8倍稳定运行时的直流分量，判断其值是否小于0.4，如果小于0.4，则可以判断为功率管短路故障，否则为功率管未发生故障，输出结果；
第四步，计算故障发生周期与故障发生前一个周期的转速脉动系数的比值，若转矩脉动系数比值大于5则为斩波管短路，否则为位置导通管短路。
如图3所示，是三相12/8极开关磁阻电机在不同转速、负载或导通区间情况下的相电流频谱图，在不同的初始条件下，基波分量与直流分量的比值维持不变，稳定在0.8左右。在发生短路故障后，基波分量与直流分量的比值发生显著变化，跌落至0.4以下。
如图4所示，在不同转速下进行三相12/8极开关磁阻电机的故障仿真。在电机稳定运行时，电机的转速脉动系数变化较小，不会发生较大变化。当发生短路故障时，位置导通管短路导致的转速脉动系数较小；但斩波管短路时功率变换器失去斩波功能，在开通区间相绕组供电电压一直为电源电压，导致转速脉动系数较大。计算故障发生周期与故障发生前一个周期两个相电流周期的转速脉动系数比值Ek，可以发现位置导通管短路故障时Ek在5以下；而斩波管短路时Ek在5以上。
实施例二、本发明应用于三相12/8极开关磁阻电机时，对不同转速下不对称半桥型功率变换器进行故障检测，三相不对称半桥型功率变换器主电路拓扑结构与检测流程均同实施例一中相同，主开关故障检测结果图如图5所示。若无故障发生，电机稳定运行时故障检测***输出一直为0；在0.15s时发生故障，当发生开路故障时，检测***输出从0变化至1；当发生位置导通管故障时，检测***输出从0变化至2；当发生斩波管短路故障时，检测***输出可能先从0变化至2，随后在极短的时间内跃变至3，这是因为故障发生后转速脉动系数是在逐渐增大的，位置导通管短路故障时转速脉动系数要远远小于斩波管短路时的转速脉动系数，因此故障检测***会有一小段数值2的输出。不论是电机在何种转速下，不论发生何种功率管故障，本发明设计的故障检测***总能在一个相电流周期内识别故障相、故障类别，并定位故障元器件，快速、简洁且高效。
本发明不仅限于不对称半桥功率变换器的在线故障检测，也可用于其他功率变换器的在线故障检测。

Claims (5)

1.一种新型开关磁阻电机功率变换器故障在线检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，采集相电流，将相电流进行分解，得到相电流的频谱；
步骤2，计算频谱中直流分量的幅值，如果直流分量幅值接近于0，则为功率管开路，如果不接近于0再进行步骤3；
步骤3，用基波特征值/直流分量幅值得到谱比特征值，判断谱比特征值是否小于某特定值a，若小于，则可以判断为功率管短路故障，执行步骤4进一步判断短路故障元器件，否则为功率管未发生短路故障，输出结果；
步骤4，计算故障发生周期与故障发生前一个周期的转速脉动系数的比值，若转速脉动系数比值大于某特定值b则为斩波管短路，否则为位置导通管短路。
2.根据权利要求1的开关磁阻电机功率变换器故障在线检测方法搭建的一种新型开关磁阻电机功率变换器故障在线检测***，其特征在于：所述***包括：开关磁阻电机①、编码器②、转换模块③、电流传感器④、数据采集模块⑤、上位机检测平台⑥，其中：
(1)编码器②与开关磁阻电机①同轴相连，转换模块③将编码器②输出的脉冲信号进行转换，数据采集模块⑤将转换后的信号采集并上传至上位机检测平台⑥中；
(2)电流传感器④采集开关磁阻电机①各相的相电流，并通过数据采集模块⑤将相电流采集到上位机检测平台⑥中；
(3)在上位机平台⑥中搭建故障特征量计算模块，模块对相电流进行频谱分解，计算谱比特征值；计算故障发生周期与故障发生前一个周期的转速脉动系数比值，得到直流分量、谱比特征值、转速脉动系数比值；
(4)在上位机平台⑥中搭建故障在线检测模块，将直流分量、谱比特征值、转速脉动系数比值作为故障特征量，模块根据直流分量幅值和谱比特征值判断是否发生故障，以及故障相和故障类型；根据转速脉动系数比值判断短路故障元器件。
3.根据权利要求1所描述的新型开关磁阻电机功率变换器故障在线检测方法，对电流特征值的计算方法，其特征在于：
检测功率变换器各相相电流，将相电流经过快速傅里叶变换得到频谱，定义谱比特征值M为基波分量特征值与直流分量幅值的比值
Figure FSA0000212193030000011
上式中，B0为基波分量特征值，取值为β倍稳定运行时A0，β为稳定运行时基波分量与直流分量的平均比值；A0为直流分量幅值。
4.根据权利要求1所描述的新型开关磁阻电机功率变换器故障在线检测方法，基于权利要求3对电流特征值判断故障的方法，其特征在于：
若某相直流分量幅值接近于0，则该相发生开路故障，否则判断谱比特征值；
若某相谱比特征值小于某特定值a，则该相发生短路故障，否则该相未发生短路故障。
5.根据权利要求1所描述的新型开关磁阻电机功率变换器故障在线检测方法，对转速特征值计算方法以及对转速特征值判断故障方法，其特征在于：
检测电机转速，计算转速脉动系数
Figure FSA0000212193030000012
式中：nmax为***稳定运行时的最大转速；nmin为***稳定运行时的最小转速；nav为***稳定运行时的平均转速，将故障发生周期与故障发生前一个周期的转速脉动系数的比值作为转速特征值；
若转速脉动系数比值大于某特定值b，则为斩波管短路，否则为位置导通管短路。
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