[發明專利]開關磁阻電機功率變換器故障的相橋臂交叉纏繞測量診斷方法

有效

• 申請號: 201810586905.X
• 申請日: 2018-06-06
• 公開（公告）號: CN108872767B
• 公開（公告）日: 2020-12-22
• 發明（設計）人: 陳昊;史先強
• 申請（專利權）人: 中國礦業大學
• 主分類號: G01R31/52
• 分類號: G01R31/52;G01R31/54
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• 代理人: 暫無信息

1.一種開關磁阻電機功率變換器故障的相橋臂交叉纏繞測量診斷方法，其包括兩種不同的診斷方案，即基于斬波管電流和續流二極管電流的診斷方案與基于位置導通管電流和下續流二極管電流的診斷方案，對于每種故障診斷方案，首先需要分析總結故障前后觀測電流的變化特征，然后利用數字化思想將觀測電流模擬量的變化轉化為數字量的變化作為故障診斷特征量，最后根據不同開關狀態內故障特征量的狀態來判斷故障類型及定位具體故障器件，從而實現功率變換器的快速在線故障診斷，診斷速度在采樣周期量級，診斷過程中利用數字化思想處理模擬量；

其中，基于斬波管電流和續流二極管電流的診斷方案具體為：以三相開關磁阻電機不對稱半橋型功率變換器的A相橋臂為例進行分析，將流過斬波管的電流和上、下續流二極管的電流相疊加以獲得觀測電流信號i_ar，其表達式為：

i_ar＝i_S1-i_D1+i_D2 (1)

式中，i_S1,i_D1和i_D2分別表示流過斬波管S₁、下續流二極管D₁和上二極管D₂的電流；

根據主開關管開關狀態與驅動信號高低電平的關系，每個主開關管的開關函數可以定義為

對于A相來說，電流i_ar可以寫成

i_ar＝S₁i_a-(1-S₁)S₂i_a (3)

電機運行在正常狀態時，在開通區間內，位置導通管總是處于開通狀態，當斬波管開通時，即在(1,1)的開關狀態下，A相繞組通過S₁和S₂進行勵磁，此時，流過S₁、D₁和D₂的電流分別為i_a，0和0，即i_ar等于i_a，當斬波管S₁關斷后，即在(0,1)的開關狀態下，A相電流通過S₂和D₁進行零電壓續流，此時，流過S₁、D₁和D₂的電流分別為0，i_a和0，即i_ar等于-i_a，在關斷區間內，S₁和S₂均處于關斷狀態，A相繞組通過D₁和D₂進行負電壓續流，此時流過S₁、D₁和D₂的電流分別為0，i_a和i_a，即i_ar等于0；

斬波管S₁發生短路故障后，在開通區間內，A相繞組總是通過S₁和S₂進行勵磁，故i_ar總是為i_a，在關斷區間內，A相繞組通過S₁和D₂組成的回路進行零電壓續流，此時流過S₁、D₁和D₂的電流分別為i_a、0和i_a，即i_ar等于2i_a；

位置導通管S₂發生短路故障后，在開通區間內，相電流正常斬波，電流i_ar狀態與正常情況相同，在關斷區間內，A相繞組通過S₂和D₁組成的回路進行零電壓續流，此時流過S₁、D₁和D₂的電流分別為0、i_a和0，即i_ar等于-i_a；

觀測電流i_ar中包含重要的故障特征信息，能夠準確識別正常與短路故障兩種不同的運行狀態，為了判斷觀測電流i_ar不同的正負特征，利用數字化思想定義數字信號為

式中，“sgn”表示符號函數；

斬波管S₁在開通區間內發生開路故障后，由于位置導通管S₂始終處于導通狀態，此時不論S₁的開關狀態，A相繞組始終通過S₂和D₁組成的回路進行零電壓續流，流過S₁、D₁和D₂的電流分別為0、i_a和0，即i_ar等于-i_a，這生成一個和S₁開路故障相匹配的獨一無二的故障特征，當相電流下降到0之后，i_ar也保持為0，不再升高；

位置導通管S₂在開通區間內發生開路故障后，在開關狀態(0,1)下，即斬波管S₁處于關斷狀態，A相繞組則通過D₁和D₂組成的回路進行負電壓續流，流過S₁、D₁和D₂的電流都分別為0、i_a和i_a，即i_ar等于0，在開關狀態(1,1)下，即斬波管S₁處于導通狀態，A相繞組則通過S₁和D₂組成的回路進行零電壓續流，流過S₁、D₁和D₂的電流分別為i_a、0和i_a，即i_ar等于2i_a，數字化處理之后此時不能僅靠數字化處理觀測電流i_ar診斷出S₂開路故障；

為了解決這個問題，給出一種基于觀測電流絕對值幅值差的診斷方案，首先，對觀測電流i_ar取絕對值，得到|i_ar|；

其次，計算第k次采樣得到的觀測電流的絕對值|i_ark|與第k-N次采樣得到的觀測電流的絕對值|i_ark-N|之差Δ|i_ar|，即

Δ|i_ar|＝|i_ark|-|i_ark-N| (5)

在正常與其他故障情況下，如電流采樣頻率較高，則可得到

Δ|i_ar|≈0 (6)

然而，在位置導通管S₂發生開路故障后，在(1,1)狀態下，i_ar從正常時的i_a突變為2i_a，因此在故障發生后的N個連續采樣周期內可以得到

Δ|i_ar|＞＞0 (7)

進行量化處理，當主控制器在開關狀態(1,1)下檢測到

Δ|i_ar|＞a₁ (8)

連續滿足N個采樣周期時，即可判斷位置導通管S₂發生開路故障，其中，a₁為判斷Δ|i_ar|是否遠大于0的閾值，具體選取a₁＝1A，N＝3；

上述基于斬波管電流和續流二極管電流的診斷方案僅適用于故障發生于開通區間的情形，如果開路故障發生在關斷區間，在下一相電流周期的開通區間內，所述基于斬波管電流和續流二極管電流的診斷方案也僅能依靠數字信號為零進行相橋臂開路故障識別，不能定位具體故障器件；

上述基于斬波管電流和續流二極管電流的診斷方案的診斷過程和診斷流程都是在電壓斬波控制方式和電流斬波控制方式模式下分析給出的，所述基于斬波管電流和續流二極管電流的診斷方案同樣適用于角度位置控制方式，唯一的不同在于無法在開通區間內識別短路故障和定位故障器件；

基于位置導通管電流和下續流二極管電流的診斷方案具體為：

將流過位置導通管的電流和下續流二極管的電流相疊加以獲得觀測電流信號i_ar，其表達式為：

i_ar＝2i_S2-i_D1 (9)

式中，i_D1和i_S2分別表示流過下續流二極管D₁和位置導通管S₂的電流；

根據主開關管的開關函數，觀測電流i_ar可以寫成

i_ar＝2S₂i_a-(1-S₁)i_a (10)

(1)電壓斬波控制方式和電流斬波控制方式下的故障特征分析

電機正常運行于電壓斬波控制方式和電流斬波控制方式下時，在開通區間內，當開關狀態為(1,1)時，位置導通管S₂總是處于開通狀態，當斬波管S₁開通時，即在(1,1)的開關狀態下，A相繞組通過S₁和S₂進行勵磁，流過S₂和D₁的電流分別為i_a和0，即i_ar等于2i_a，在開關狀態(0,1)下，斬波管S₁關斷，位置導通管S₂開通，A相繞組通過S₂和D₁構成的回路進行零電壓續流，流過S₂和D₁的電流分別為i_a和i_a，即i_ar等于i_a，在關斷區間內，開關狀態為(0,0)，A相繞組通過續流二極管D₁和D₂組成的回路進行負電壓續流，流過S₂和D₁的電流分別為0和i_a，即i_ar等于-i_a；

當斬波管S₁發生短路故障時，在開通區間內，無論開關狀態是(1,1)還是(0,1)，A相繞組總是通過S₁和S₂進行勵磁，流過S₂和D₂的電流總是為i_a和0，即i_ar始終等于2i_a，在開通區間內經過數字化處理之后得到的總是為1，此時不能僅靠數字化處理觀測電流i_ar診斷出斬波管S₁短路故障，為了在開通區間內診斷出S₁短路故障，給出一種基于觀測電流幅值差極性判別的識別方法；

在正常情況下，當PWM信號為高電平時，相電流i_a的變化率為正，相反，當PWM信號為低電平時，相電流i_a的變化率為負，假設i_ak和i_ak+1分別表示相電流i_a的兩次連續采樣，i_ark和i_ark+1分別表示觀測電流i_ar的兩次連續采樣；

故在正常情況下，PWM為低電平時相電流的電流差Δi_a滿足

Δi_a＝i_ak+1-i_ak＜0 (11)

正常情況下在PWM為低電平時，i_ar等于i_a，故滿足

i_ark+1＝i_ak+1 (12)

i_ark＝i_ak (13)

因此電機正常運行時，PWM為低電平時觀測電流i_ar的電流差Δi_ar滿足

Δi_ar＝i_ark+1-i_ark＝i_ak+1-i_ak＜0 (14)

然而，斬波管S₁發生短路故障后，由于總是處于勵磁狀態，當PWM信號為低電平時，相電流的變化率變成正，即滿足

Δi_a＝i_ak+1-i_ak＞0 (15)

斬波管S₁發生短路故障后，PWM為低電平時i_ar等于2i_a，故滿足

i_ark+1＝2i_ak+1 (16)

i_ark＝2i_ak (17)

故斬波管S₁發生短路故障后，PWM為低電平時觀測電流幅值差Δi_ar滿足

Δi_ar＝i_ark+1-i_ark＝2i_ak+1-2i_ak＝2(i_ak+1-i_ak)＞0 (18)

由此可知，可以根據PWM為低電平時觀測電流差Δi_ar的正負極性判斷斬波管是否發生短路故障；

進行數字化處理，定義數字信號為

顯然，正常情況下PWM為低電平時為負，當主控制器在PWM為低電平時檢測到數字量為正時，即可判斷出斬波管S₁發生短路故障；

在關斷區間內，由于斬波管S₁發生短路故障，A相繞組通過S₁和D₂組成的回路進行零電壓續流，流過S₂和D₁的電流分別為0和0，即觀測電流i_ar等于0，此時經過數字化處理之后得到的數字量為0，然而，由于正常情況下相電流續流結束后保持為零，直至下一開通區間來臨才開始升高，即為0，因此，不能依據數字量是否為零來檢測斬波管短路故障；

在關斷區間內，如果采樣頻率較高，正常情況下的觀測電流i_ar可以認為是一連續值，其電流差Δi_ar滿足

Δi_ar≈0 (20)

如果斬波管S₁在關斷續流未結束時發生短路故障，觀測電流i_ar由-i_a突變為0，假設斬波管S₁在關斷續流未結束的k時刻與k+1時刻之間發生短路故障，則滿足

Δi_ark＝i_ark+1-i_ark＞＞0 (21)

i_ark+1＝0 (22)

假設在k與k+1時刻之間對觀測電流的采樣出現一毛刺干擾信號，則滿足

Δi_ark＝i_ark+1-i_ark＞＞0 (23)

i_ark+1＜＜0 (24)

因此，通過檢測關斷續流區間內觀測電流差Δi_ar的幅值大小能夠判斷斬波管是否發生短路故障，而且通過Δi_ark和i_ark+1的組合判斷可以有效的避免誤診斷；

進行量化處理，如果在關斷區間內主控制器檢測到Δi_ar幅值滿足

Δi_ar＝Δi_ark+1-Δi_ark＞a₂ (25)

且接下來的N個采樣周期內數字信號滿足

則可判斷斬波管S₁在續流區間內發生短路故障，a₂為選取的檢測電流差Δi_ar是否遠大于0的閾值，具體選取a₂為1A；

位置導通管S₂發生短路故障后，在開通區間內，觀測電流i_ar狀態與正常情況相同，在關斷區間內，A相繞組通過S₂和D₁組成的回路進行零電壓續流，此時流過S₂和D₁的電流分別為i_a和i_a，即i_ar等于i_a，因此可以通過檢測關斷續流區間內的正負判斷位置導通管S₂是否發生短路故障，如果主控制器在關斷續流區間內檢測到為正，則表示位置導通管S₂發生短路故障；

如果斬波管S₁在開通區間內發生開路故障，此時不論S₁的開關狀態，流過S₂和D₁的電流分別為i_a和i_a，即i_ar等于i_a，在開通區間內經過數字化處理之后得到的總是為1，此時不能僅靠數字化處理觀測電流i_ar診斷出S₁開路故障；

正常情況下，當PWM信號為高電平時，相電流的變化率為正，即在正常情況下PWM為高電平時相電流連續兩次采樣得到的電流差Δi_a滿足

Δi_a＝i_ak+1-i_ak＞0 (27)

正常情況下PWM信號為高電平時，i_ar等于2i_a，故滿足

i_ark+1＝2i_ak+1 (28)

i_ark＝2i_ak (29)

因此，正常情況下PWM為高電平時觀測電流i_ar的電流差Δi_ar滿足

Δi_ar＝i_ark+1-i_ark＝2i_ak+1-2i_ak＝2(i_ark+1-i_ark)＞0 (30)

然而，斬波管S₁發生開路故障后，相繞組進行零電壓續流，電源不再向繞組提供能量，因此，當PWM信號為高電平時，相電流的變化率為負，即滿足

Δi_a＝i_ak+1-i_ak＜0 (31)

斬波管S₁在開通區間內發生開路故障后i_ar總是等于i_a，故PWM為高電平時滿足

i_ark+1＝i_ak+1 (32)

i_ark＝i_ak (33)

因此，斬波管S₁發生開路故障后，PWM為高電平時Δi_ar滿足

Δi_ar＝i_ark+1-i_ark＝i_ak+1-i_ak＜0 (34)

由此可知，可以根據PWM為高電平時電流差Δi_ar的正負極性判斷斬波管是否發生開路故障，顯然，正常情況下PWM為高電平時為正，如果主控制器在PWM為高電平時檢測到數字量為負，則表示斬波管S₁發生開路故障；

如果S₂在開通區間內發生開路故障，在開關狀態(0,1)下，A相繞組通過D₁和D₂組成的回路進行負電壓續流，流過S₂和D₁的電流都分別為0和i_a，即i_ar等于-i_a，因此，在開關狀態(0,1)下，如果主控制器檢測到為負，即可判斷出位置導通管S₂發生開路故障；

(2)角度位置控制方式下的故障特征分析

電機在角度位置控制方式下正常運行時只有兩種工作狀態，即開通區間內的(1,1)狀態和關斷區間內的(0,0)狀態，而且，與斬波模式不同的是，在單脈沖模式下的開通區間內，相電流的變化率先為正，后為負，即不再滿足在(1,1)狀態下相電流變化率始終為正的條件，故不能再依據電流差Δi_ar的正負極性變化識別故障；

電機正常運行時，在開通區間內，位置導通管和斬波管總是處于開通狀態，即開關狀態始終為(1,1)，此時流過S₂和D₁的電流分別為i_a和0，即i_ar等于2i_a，在關斷區間內，開關狀態為(0,0)，流過S₂和D₁的電流分別為0和i_a，即i_ar為-i_a；

當斬波管S₁發生短路故障后，在開通區間內無明顯故障特征，即i_ar等于2i_a，在關斷區間內，由于S₁發生短路故障，流過S₂和D₁的電流分別為0和0，即i_ar等于0，斬波管短路故障導致觀測電流在關斷區間內從正常時的負值變成了零；

如果斬波管在開通區間內發生短路故障，則可以通過檢測開關管驅動信號下降沿處的觀測電流差Δi_ar和關斷區間內數字量的變化診斷出來；

電機在角度位置控制方式下正常工作時，在驅動信號下降沿處的電流差Δi_ar滿足

Δi_ar＝i_ark+1-i_ark＜a₃ (35)

式中，a₃為選取的檢測電流差Δi_ar是否遠小于0的閾值，a₃取-1A；

斬波管在開通區間內發生短路故障后，在驅動信號下降沿處的觀測電流差Δi_a滿足同樣滿足式(35)，唯一的不同在于，斬波管發生短路故障后，觀測電流i_ar在驅動信號下降沿處以后的關斷區間內的幅值為零，而正常情況下先為負后為零，因此，如果主控制器在驅動信號下降沿處檢測到Δi_ara₃且接下來為0滿足N個采樣周期，則表示斬波管S₁發生短路故障；

如果斬波管在關斷續流未結束時發生短路故障，同樣可以通過檢測觀測電流幅值差來判斷；

如果S₁在開通區間內發生開路故障，在開關狀態(1,1)下，流過S₂和D₁的電流分別為i_a和i_a，即i_ar等于i_a，即從正常情況下的2i_a變成故障后的i_a，故如果主控制器在開關狀態(1,1)下檢測到Δi_ara₃且接下來為正滿足N個采樣周期，則表示斬波管S₁發生短路故障；

如果S₂在開通區間內發生開路故障，在開關狀態(1,1)下，流過S₂和D₁的電流分別為0和0，即i_ar等于0，即從正常情況下的2i_a變成0，故如果主控制器在開關狀態(1,1)下檢測到Δi_ara₃且接下來為零滿足N個采樣周期，則表示位置導通管S₂發生短路故障；

上述基于位置導通管電流和下續流二極管電流的診斷方案僅適用于故障發生于開通區間的情形，如果開路故障發生在關斷區間，在下一相電流周期的開通區間內，所述基于位置導通管電流和下續流二極管電流的診斷方案也僅能依靠數字信號為零進行相橋臂開路故障識別，不能定位具體故障器件。