CN117554810A - 航空三级式起动/发电机旋转整流器故障诊断方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种利用励磁机定子电流特定次谐波信号判断旋转整流器故障类型，并根据故障类型通过励磁机转子相对于气隙同步旋转磁场的特征角度实现在线故障诊断的方法，通过电流传感器和位置传感器计算获取励磁机定子三相电流平方和信号以及励磁机转子相对于气隙同步旋转磁场的角度；提取三相电流平方和M中的特征分量，并获取三相电流平方和最大值和最小值出现时与之对应的特征相对角度；通过特征电流分量的幅值之比进行故障类型的判断；结合故障类型与特征角θ_wmax或θ_wmin进行故障定位。所提方法数据处理过程和算法简洁，易实现在线运行，有助于提高航空三级式起发***运行的可靠性。

Description

航空三级式起动/发电机旋转整流器故障诊断方法

技术领域

本发明属于电机***故障诊断技术领域，具体涉及航空三级式起动/发电机旋转整流器的故障类型判断与定位，是一种利用励磁机定子电流特定次谐波信号判断旋转整流器故障类型，并根据故障类型通过励磁机转子相对于气隙同步旋转磁场的特征角度实现在线故障诊断的方法。

背景技术

多电/全电飞机是实现绿色航空的重要途径。大容量、高可靠性航空起动发电一体化技术是多电/全电飞机领域的关键技术之一。航空三级式同步电机由于发电技术成熟、励磁可控且在航空电源***中广泛应用已成为该技术领域的重点研究对象。如图1所示，航空三级式起动发电机（以下简称：三级式起发电机）主要由副励磁机、励磁机、旋转整流器和主电机等部件组成。

励磁机通过旋转整流器整流为主电机提供励磁电流以实现航空发动机的起动和高品质电能的传输，因此旋转整流器的正常运行是整个***运行的关键一环。然而，由于旋转整流器位于转子侧，高速旋转、高温、振动等恶劣工作环境带来的较大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。综上，研究旋转整流器的故障诊断具有重要意义。旋转整流器是由六个电力二极管组成，在实际应用中其发生的故障通常为单个二极管断路或短路故障，且单个二极管发生故障时***就要作出准确诊断并采取相应措施。因此，本发明针对三级式起发电机旋转整流器单个二极管开路或短路故障的检测和定位。

当旋转整流器处于故障工作状态时，励磁机定子电流谐波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定子电流谐波特征也不同。本发明通过励磁机定子三相电流平方求和后的基波分量与直流分量的比值来进行故障类型的判断，并以故障类型判断为基础通过定子三相电流平方求和后的最大值或最小值所对应的励磁机转子相对于同步旋转磁场的特征角度进行故障二极管的定位。

经检索发现，公开号为CN116008807A的中国发明专利提出了多级式起动发电***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θr与励磁机转子相对于磁场的相对角度θw；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***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。

经与专利CN116008807A“多级式起动发电***全阶段旋转整流器故障在线诊断方法”进行技术对比：

专利CN116008807A是通过励磁机定子电流平方和在每一采样范围内的最小值来判断旋转整流器是否发生故障，而本发明是通过励磁机定子电流平方和信号的基波分量与直流分量的幅值之比来判断故障类型。

专利CN116008807A检测到故障发生后，利用与采样范围相对应的励磁机转子相对于磁场的相对角度来实现对故障二极管定位，而本发明是检测到故障发生后，结合故障类型，利用与励磁机定子电流平方和的最大值或最小值相对应的励磁机转子相对于气隙同步磁场的角度来定位故障二极管。

经检索发现，公开号为CN115856561A的中国发明专利提出了电励磁起发电机旋转整流器的故障诊断方法及***，本发明先根据励磁机定子电压、电流和转子位置估算励磁机转子的三相电流，并计算一个电周期内三相电流的近零值占比绝对差值和最值电流和值；再根据三相电流近零值占比绝对差值和任意相电流的最值电流绝对比值，判断旋转整流器是否发生故障以及故障类型；最后依据判断的故障类型借助占比绝对差值的最小值以及最值电流和值，对旋转整流器故障二极管进行定位。本发明可实现整流器单个二极管故障类型判断和定位。

经与专利CN 115856561 A“电励磁起发电机旋转整流器的故障诊断方法及***”进行技术对比：

专利CN115856561A是通过测量的励磁机定子电压、电流和转子位置对励磁机转子电流进行估算，再利用估算的转子电流进行故障诊断，而本发明是直接利用测量获取的励磁机定子电流进行故障诊断。

专利CN115856561A是通过估算后的转子三相电流近零值占比绝对差值和任意相电流的最值电流绝对比值来判断旋转整流器的故障类型，而本发明是通过励磁机定子电流平方和信号的基波分量与直流分量的幅值之比来判断故障类型。

专利CN115856561A是依据判断的故障类型，借助占比绝对差值的最小值以及最值电流和值来实现对故障二极管的定位，而本发明是通过励磁机转子相对于气隙同步旋转磁场的特征角度来实现故障二极管的定位

经检索发现，公开号为CN109596936B的中国发明专利提出了航空三相交流励磁***双旋转二极管开路故障检测方法，涉及航空交流电机技术领域。该方法首先是获取励磁机转子三相绕组电流，然后对获取的励磁机转子三相绕组电流进行滤波，得到转子三相电流的基波、二次谐波以及三次谐波，通过在线监测转子三相电流的基波、二次谐波以及三次谐波幅值变化情况，依据旋转整流器两个旋转二极管的开路故障特征实现发生故障时的故障检测。该方法不仅数据计算量小，无需进行模型训练以及离线仿真获取旋转整流器状态信息，还可在三级式无刷同步电机静止、电动以及发电状态对旋转整流器的两个旋转二极管开路故障进行检测。

经与专利CN109596936B“航空三相交流励磁***双旋转二极管开路故障检测方法”进行技术对比：

专利CN109596936B主要解决双旋转二极管开路故障的检测，未见二极管短路故障的检测以及故障二极管的定位，而本发明主要解决单个旋转二极管的开路和短路故障诊断，包括故障类型判断和故障二极管定位。

专利CN109596936B中是通过测量的励磁机定子电压、电流和转子位置对励磁机转子电流进行估算，再利用估算的转子电流进行故障诊断，而本发明是直接利用测量获取的励磁机定子电流进行故障诊断。

专利CN109596936B通过在线监测励磁机转子三相估算电流的基波、二次谐波以及三次谐波幅值的变化情况，依据旋转整流器两个旋转二极管的开路故障特征进行故障检测，而本发明是通过励磁机定子电流平方和信号的基波分量与直流分量的幅值之比来判断故障类型，在此基础上通过励磁机转子相对于气隙同步旋转磁场的特征角度来实现故障二极管的定位。

发明内容

针对三级式起发电机旋转整流器的故障诊断，本发明提出了航空三级式起动/发电机旋转整流器故障诊断方法，所要解决的具体技术问题有：三级式起发电机运行过程中，在线判断旋转整流器的故障类型并对故障二极管进行定位。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案是：航空三级式起动/发电机旋转整流器故障诊断方法，包括如下步骤：

S1：获取励磁机定子三相电流平方和信号以及励磁机转子相对于气隙同步旋转磁场的角度：

S1.1、首先对励磁机定子绕组施加频率为的三相交流励磁电压，然后通过电流传感器采集励磁机定子三相电流信号/>，/>，/>，再将三相电流进行平方求和，得到信号M，即/>，

S1.2、通过励磁机定子三相交流电产生的旋转磁场的旋转角速度与电机转子转速/>计算励磁机转子相对于气隙同步旋转磁场的相对角转速/>，即，然后计算励磁机转子相对于气隙同步旋转磁场的角度/>，即，然后计算励磁机转子相对于气隙同步旋转磁场的角度 />，即，其中，/>为初始位置，/>，

S1.3、采用移动窗方式采样一个周期内三相电流平方和M和相对角度，形成的电流和特征角度序列，分别记为/>和, 其中N为一个周期的采样点数；

S2：提取信号M中的特征分量，并获取信号M最大值和最小值出现时与之对应的特征角度：

S 2.1、通过数字信号处理方法分别在线提取信号M中的基频分量以及直流分量/>，此时信号M的基频为励磁机转子电流基频；

2.2 、计算序列中最大值与最小值，获取序列/>中与之对应的特征角度，分别记为/>和/>；

S 3：通过特征电流分量的幅值之比进行故障类型的判断：

S 3.1、计算基频分量与直流分量/>的幅值之比R，即/>，

S 3.2、比较R值与设定阈值与/>，若/>则表明旋转整流器无故障，若/>则表明旋转整流器发生短路故障，若/>则表明旋转整流器发生开路故障，若旋转整流器发生故障，则进行故障定位；

S4：结合故障类型与特征角度或/>进行故障定位：

定义与励磁机转子a相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，约定时，励磁机定子A相绕组轴线与转子a相绕组轴线重合。

作为本发明的优选技术方案：在步骤S3.2中，所述的取值为0.04～0.2，根据实际应用对象确定。

作为本发明的优选技术方案：在步骤S3.2中，所述的取值为0.6～1，根据实际应用对象确定。

作为本发明的优选技术方案：在步骤S3.2中，若旋转整流器处于设定阈值范围内，即正常状态，则不进行步骤S4的故障定位；若旋转整流器不在阈值范围内，即发生了故障，则进行步骤S4，进行故障定位。

作为本发明的优选技术方案：在步骤S4中，

D1的开路故障对应特征角度为50~110°，短路故障对应特征角度/>为160~220°；

D2的开路故障对应特征角度为110~170°，短路故障对应特征角度为220~280°；

D3的开路故障对应特征角度为170~230°，短路故障对应特征角度为280~340°；

D4的开路故障对应特征角度为230~290°，短路故障对应特征角度/>为340~360°，0~40°；

D5的开路故障对应特征角度为290~350°，短路故障对应特征角度为40~100°；

D6的开路故障对应特征角度为350~360°，0~30°，短路故障对应特征角度为100~160°。

上述结构中：本发明提出的了一种利用励磁机定子电流特定次谐波信号判断旋转整流器故障类型，并根据故障类型通过励磁机转子相对于气隙同步旋转磁场的特征角度实现在线故障诊断的方法，通过电流传感器和位置传感器计算获取励磁机定子三相电流平方和信号以及励磁机转子相对于气隙同步旋转磁场的角度；

提取三相电流平方和M中的特征分量，并获取三相电流平方和最大值和最小值出现时与之对应的特征相对角度；

通过特征电流分量的幅值之比进行故障类型的判断；

结合故障类型与特征角度或/>进行故障定位。

本发明所提出的方法不仅数据处理过程和算法简洁，易实现在线运行，并且有助于提高航空三级式起发***运行的可靠性。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1、本发明可以实现旋转整流器故障类型的判断和故障二极管的定位；

2、本发明的数据处理过程和算法简洁，易实现在线运行。而且本发明所提方法有助于提高航空三级式起发***运行的可靠性。

附图说明

图1是航空三级式起动/发电机结构示意图；

图2是旋转整流器故障检测及定位方法框图；

图3是三级式起动/发电机转子部分等效电路示意图；

图4是旋转整流器二极管D1开路时励磁机定子三相电流；

图5是旋转整流器二极管D1开路时励磁机定子三相电流平方和；

图6是二极管D1开路时励磁机定子三相电流平方和的基频和直流分量；

图7是二极管D1开路时励磁机定子三相电流平方和及相对角度。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

本实施例中三级式起发电机的励磁机为三相励磁绕组结构，对三相励磁绕组施加三相对称的交流电压，其幅值为230V，频率为400Hz，电机运行转速为3000r/min，且方向与三相励磁绕组旋转磁动势方向相同，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。

本实施例以与励磁机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，航空三级式起动/发电机旋转整流器故障诊断方法的具体步骤如下：

S1：获取励磁机定子三相电流平方和信号以及励磁机转子相对于气隙同步旋转磁场的角度：

S1.1、首先对励磁机定子绕组施加频率为的三相交流励磁电压，然后通过电流传感器采集励磁机定子三相电流信号/>，/>，/>，如图4所示，再将三相电流进行平方求和，得到信号M，即/>，如图5所示；

S1.2、通过励磁机定子三相交流电产生的旋转磁场的旋转角速度与电机转子转速/>计算励磁机转子相对于气隙同步旋转磁场的相对角转速/>，即，然后计算励磁机转子相对于气隙同步旋转磁场的角度/>，即，然后计算励磁机转子相对于气隙同步旋转磁场的角度 />，即，其中，/>为初始位置，/>，

S1.3、采用移动窗方式采样一个周期内三相电流平方和M和相对角度，此时励磁机基波频率为500Hz，取采样频率为100kHz，则一个周期内电流和相对角度的采样点数N为200，形成的电流和特征角度序列，分别记为/>和, 其中N为一个周期的采样点数；

S2：提取信号M中的特征分量，并获取信号M最大值和最小值出现时与之对应的特征角度：

S 2.1、通过数字信号处理方法分别在线提取信号M中的基频分量（此时三相电流平方和M的基频为励磁机转子电流基频）以及直流分量/>，如图6所示，此时幅值为100.01A，/>幅值为15.31A；

2.2 、计算序列中最大值与最小值，获取序列/>中与之对应的特征角度，分别记为/>和/>；

S 3：通过特征电流分量的幅值之比进行故障类型的判断：

S 3.1、计算基频分量与直流分量/>的幅值之比R，即/>，

S 3.2、比较R值与设定阈值与/>，若/>则表明旋转整流器无故障，若/>则表明旋转整流器发生短路故障，若/>则表明旋转整流器发生开路故障，若旋转整流器发生故障，则进行故障定位；

S4：结合故障类型与特征角度或/>进行故障定位：

如图3所示，定义与励磁机转子a相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，约定、时，励磁机定子A相绕组轴线与转子a相绕组轴线重合，结合或/>所处角度范围以及步骤S3中判断的故障类型判断故障二极管位置的对应关系如下：

D1的开路故障对应特征角度为50~110°，短路故障对应特征角度/>为160~220°；

D2的开路故障对应特征角度为110~170°，短路故障对应特征角度为220~280°；

D3的开路故障对应特征角度为170~230°，短路故障对应特征角度为280~340°；

D4的开路故障对应特征角度为230~290°，短路故障对应特征角度为340~360°，0~40°；

D5的开路故障对应特征角度为290~350°，短路故障对应特征角度为40~100°；

D6的开路故障对应特征角度为350~360°，0~30°，短路故障对应特征角度为100~160°。

由步骤S3知旋转整流器发生开路故障，则选取序列中最大值对应的特征位置作为故障定位特征角度，依据/>的值判断发生故障的二极管为D1。

本发明可以实现旋转整流器故障类型的判断和故障二极管的定位；

本发明所提出的方法不仅数据处理过程和算法简洁，易实现在线运行，并且有助于提高航空三级式起发***运行的可靠性。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作任何其他形式的限制，而依据本发明的技术实质所作的任何修改或等同变化，仍属于本发明所要求保护的范围。

Claims (5)

1.航空三级式起动/发电机旋转整流器故障诊断方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：获取励磁机定子三相电流平方和信号以及励磁机转子相对于气隙同步旋转磁场的角度：

S1.1、首先对励磁机定子绕组施加频率为的三相交流励磁电压，然后通过电流传感器采集励磁机定子三相电流信号/>，/>，/>，再将三相电流进行平方求和，得到信号M，即/>，

S1.2、通过励磁机定子三相交流电产生的旋转磁场的旋转角速度与电机转子转速/>计算励磁机转子相对于气隙同步旋转磁场的相对角转速/>，即，然后计算励磁机转子相对于气隙同步旋转磁场的角度/>，即，然后计算励磁机转子相对于气隙同步旋转磁场的角度 />，即，其中，/>为初始位置，/>，

S1.3、采用移动窗方式采样一个周期内三相电流平方和M和相对角度，形成的电流和特征角度序列，分别记为/>和, 其中N为一个周期的采样点数；

S2：提取信号M中的特征分量，并获取信号M最大值和最小值出现时与之对应的特征角度：

S 2.1、通过数字信号处理方法分别在线提取信号M中的基频分量以及直流分量，此时信号M的基频为励磁机转子电流基频；

2.2 、计算序列中最大值与最小值，获取序列/>中与之对应的特征角度，分别记为和/>；

S 3：通过特征电流分量的幅值之比进行故障类型的判断：

S 3.1、计算基频分量与直流分量/>的幅值之比R，即/>，

S 3.2、比较R值与设定阈值与/>，若/>则表明旋转整流器无故障，若则表明旋转整流器发生短路故障，若/>则表明旋转整流器发生开路故障，若旋转整流器发生故障，则进行故障定位；

S4：结合故障类型与特征角度或/>进行故障定位：

定义与励磁机转子a相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，约定时，励磁机定子A相绕组轴线与转子a相绕组轴线重合。

2.根据权利要求1所述的航空三级式起动/发电机旋转整流器故障诊断方法，其特征在于，在步骤S3.2中，所述的取值为0.04～0.2，根据实际应用对象确定。

3.根据权利要求1所述的航空三级式起动/发电机旋转整流器故障诊断方法，其特征在于，在步骤S3.2中，所述的取值为0.6～1，根据实际应用对象确定。

4.根据权利要求1所述的航空三级式起动/发电机旋转整流器故障诊断方法，其特征在于，在步骤S3.2中，若旋转整流器处于设定阈值范围内，即正常状态，则不进行步骤S4的故障定位；若旋转整流器不在阈值范围内，即发生了故障，则进行步骤S4，进行故障定位。

5.根据权利要求1所述的航空三级式起动/发电机旋转整流器故障诊断方法，其特征在于，在步骤S4中，

D1的开路故障对应特征角度为50~110°，短路故障对应特征角度/>为160~220°；

D2的开路故障对应特征角度为110~170°，短路故障对应特征角度/>为220~280°；

D3的开路故障对应特征角度为170~230°，短路故障对应特征角度/>为280~340°；

D4的开路故障对应特征角度为230~290°，短路故障对应特征角度/>为340~360°，0~40°；

D5的开路故障对应特征角度为290~350°，短路故障对应特征角度/>为40~100°；

D6的开路故障对应特征角度为350~360°，0~30°，短路故障对应特征角度为100~160°。