基于電流分析的開關磁阻電機功率變換器故障檢測方法

肖麗 范書瑞 王博文 申芳 董昊宇

摘 要：以開關磁阻電機不對稱半橋型功率變換器為研究對象，提出一種該類電機不對稱半橋型功率變換器主功率元件開路與短路故障綜合在線檢測方法。通過對開路與短路故障機理分析，挖掘故障相電流的奇異特征，揭示主功率元件開路與短路故障下各相電流差值畸變規(guī)律，提取故障特征量，提出并建立故障特征量集合，選取各相電流兩兩間差值為集合中診斷判定元素，設定診斷判據(jù)，實現(xiàn)故障發(fā)生、故障類型與故障相的診斷。再綜合分析故障相電流的退磁時間占比與功率元件通斷狀態(tài)識別出故障元件。仿真與實驗結果表明，該方法在不同工況下均可快速準確診斷出故障詳情，且無需附加任何額外傳感器。

關鍵詞：故障檢測；功率變換器；退磁時間占比；電流差值；開關磁阻電機

中圖分類號：TM 315

文獻標志碼：A

文章編號：1007-449X（2018）04-0067-08

Abstract：A comprehensive on-line fault detection method for open-circuit and short-circuit faults is presented for the asymmetrical half-bridge power converter feeding switched reluctance motor. The study is focused on analyzing failure mechanism to excavate the singular feature of fault phase current and the difference between each current. The fault feature was extracted and a fault feature collection was proposed and founded， which included differences between each current， and were considered as diagnostic judgment element. And the diagnosis criterion was set to realize the diagnosis for the occurrence， type and location of the fault. Then based on the demagnetization time and on-off states of power elements of the fault phase， the fault component can be distinguished. The accuracy and effectiveness of the proposed detection method are validated with different conditions by the simulation results and experimental tests. Moreover， any additional sensors is not required.

Keywords：fault detection； power converter； demagnetization time； current difference； switched reluctance motor

0 引 言

開關磁阻電機（switched reluctance motor，SRM）轉子既無永磁體也無繞組、控制靈活，已廣泛應用于新能源汽車、風力發(fā)電裝置、工業(yè)制造等諸多領域。與其他型電機相比，固有的容錯能力是其突出優(yōu)勢之一。這雖在一定程度上提高了系統(tǒng)可靠性，但這并不意味著電機及其控制系統(tǒng)永無故障發(fā)生。尤其，對于機電系統(tǒng)中較為薄弱環(huán)節(jié)的功率變換器而言，其故障發(fā)生率占整個開關磁阻電機調速系統(tǒng)（SRD）82.5%[1]。而功率變換器是SRD重要組成部分之一，也是系統(tǒng)正常運行重要保障，其內部器件長期故障工作必將影響電機輸出性能品質。

功率變換器各橋臂上的功率器件長期進行高頻動作，往往因嚴重發(fā)熱而受損，極易發(fā)生開路與短路這一常見故障[2]。功率管開路直接造成故障相電流下降至零。因此，根據(jù)電流波形畸變情況極易檢測出故障發(fā)生與故障相，但卻無法識別開路元件。功率管短路造成故障相電流幅值大大升高，但在實際應用中，功率變換電路被加以過流保護措施，抑制電流幅值升高[3-4]。因此，檢測程序無法根據(jù)電流幅值變化情況診斷出短路故障發(fā)生。故其故障檢測方法的研究具有重要理論意義與實際應用價值。

文獻[5-6]基于傅立葉變換分析了功率管開路與短路故障相電流頻譜變化規(guī)律，提出“相對譜比系數(shù)”概念，并以此作為故障特征量實現(xiàn)功率器件故障檢測。該法雖可判斷出故障類型，但未識別出故障元件。文獻[7-8]分別在電機各橋臂下方功率管安裝電壓傳感器實現(xiàn)故障元件識別，但增加額外傳感器，且其數(shù)量隨相數(shù)增多而增加，增加了系統(tǒng)復雜度與成本。文獻[9]采用Blackman窗差值的快速傅立葉變換法提取直流母線電流故障特征，實現(xiàn)了單相與兩相功率管開路故障檢測。該文獻雖在兩相功率管故障檢測方法研究方面有所突破，但僅涉及開路故障，且增加了額外傳感器。文獻[10-11]綜合分析直流母線電流與續(xù)流總線電流故障畸變特征，提出一種電流信號數(shù)字化分析的功率管開路與短路故障在線檢測法。該法在未增加額外傳感器數(shù)量前提下，雖可全面診斷出故障詳情，但不適用于高速運行時角度位置控制方式。文獻[12]歸納電機正常狀態(tài)與故障運行時直流母線電流、相電流畸變規(guī)律提取相應故障特征量，并綜合分析故障時刻功率管通斷狀態(tài)，提出開路與短路故障檢測方案，該方法能夠在全調速范圍內快速診斷出故障詳情，但需在直流母線上安裝一個額外的電流傳感器。文獻[13]對相電流進行小波包分解，選取小波包節(jié)點能量離散度作為故障特征量，診斷出故障詳情，但小波包分解層數(shù)與節(jié)點數(shù)目選擇不當將直接影響故障檢測結果與速度。若層數(shù)與節(jié)點數(shù)過大，計算復雜度也越大，DSP處理空間消耗過多將直接影響在線診斷速度；若層數(shù)與節(jié)點數(shù)過小，則無法充分表現(xiàn)出故障特征量畸變規(guī)律，影響故障檢測結果準確度。另外該法只可判斷出故障相，而無法定位故障器件。

鑒于上述各檢測方法特點，本文提取電機各相電流信號，經(jīng)過處理求取各相電流兩兩差值，建立故障特征量集合，根據(jù)該集合內各診斷變量畸變規(guī)律，實現(xiàn)功率管故障發(fā)生、故障類型、故障相在線檢測，并根據(jù)故障相電流退磁時間與功率器件通斷狀態(tài)識別出故障元件。該法在不增加額外傳感器前提下，快速準確檢測出故障詳情。

1 故障模式分析與故障特征量提取

1.1 故障模式分析

本文以三相不對稱半橋型功率變換器為例，圖1為其拓撲結構。電機A、B、C三相繞組兩端均連接IGBT功率管，分別構成勵磁回路，并在兩側接兩個二極管構成續(xù)流回路。

無論功率管發(fā)生開路或短路故障均會引起故障相電流發(fā)生明顯變化[1-2，5]：實質上，功率管開路故障相當于阻斷相繞組勵磁回路，若上方功率管QU開路，勵磁電流無法流經(jīng)繞組電感，故障相電流立即下降為零；若下方功率管QL開路，勵磁電流無法返回電源，而是經(jīng)旁路二極管流經(jīng)續(xù)流回路，由于存在續(xù)流，故障相電流不會瞬變?yōu)榱悖窃诙绦r間間隔內逐漸變?yōu)榱?。而功率管短路故障相當于失去斬波功能，無論CCC或APC控制下，當一相導通，其兩端功率管，一個功率管處于常閉合狀態(tài)，另一個不斷閉合斷開實現(xiàn)斬波功能。因此，短路故障應分為兩種情況：情況一，斬波管短路，這相當于為勵磁電流提供了直流通路，故障相電流大幅升高，直至出現(xiàn)“尖峰電流”后下降為零；情況二，非斬波管短路，在故障相導通區(qū)域，功率管通斷狀態(tài)與控制程序相同，相電流不會發(fā)生明顯變化，但在下一相導通區(qū)域，電流將會明顯變大。

1.2 故障特征量提取

經(jīng)過上述分析，功率管開路、短路故障均可通過故障相電流畸變表現(xiàn)出來，故本文以電機各相電流為研究出發(fā)點，揭示電流畸變規(guī)律，以便提取恰當故障特征量。

為避免外界信號干擾，本文先對相電流進行標準化處理，如式（1）所示。其中Ink為標準化相電流，In為相電流實測值，Iref為系統(tǒng)給定相電流參考值。

若電機處于正常狀態(tài)，各相標準化電流平均值應相同，即EAB、EAC、EBC三個診斷變量應為零；若功率變換器單一功率管發(fā)生故障，必將引起故障相電流幅值發(fā)生畸變，但由于SRM固有容錯能力，故障不會對正常相電流造成影響，那么正常相標準化電流平均值仍保持相同，但故障相的標準化電流平均值與其余正常相的存在差值，即EAB、EBC、EAC三個診斷變量中必有兩個變量不為零，另一個變量保持為零。因此，Ek可作為故障特征量。

2 故障檢測方案的研究

2.1 故障發(fā)生、故障類型、故障相檢測方案

前述部分已闡述，理想狀態(tài)下，電機處于正常狀態(tài)，故障特征量集合Ek中每個診斷變量均應為零；電機處于功率管開路或短路狀態(tài)下，故障特征量集合Ek中角標含有故障相的診斷變量絕對值必大于零。但需注意，由于仿真研究處于理想運行狀態(tài)，而電機實際運行的測量信號易受傳感器等外界因素影響，即便正常狀態(tài)下，IAk、IBk、ICk也會略有差值，但該差值的絕對值應很小。因此，為便于說明，定義其絕對值的閾值為pk。該值后續(xù)將經(jīng)過多次仿真與實驗給出。

根據(jù)開路與短路故障相電流畸變特點，本文分別給出不同故障模式下，故障特征量集合Ek中各診斷變量狀態(tài)，如表1所示。其中pko為開路故障診斷變量閾值，pks為短路故障診斷變量閾值。

綜上所述，通過故障特征量集合Ek可診斷出故障發(fā)生、故障類型、故障相。

2.2 故障元件定位

2.2.1 開路故障元件定位

為了便于說明，這里指定各相上方功率管QU為導通區(qū)域內的常閉功率管，QL為斬波功率管，并假設A相功率器件發(fā)生開路故障。若A相上方功率管QUa開路，此相立刻退磁，相電流瞬時降低直至為零，電機進入缺相運行狀態(tài)。若A相下方功率管QLa開路，該相電流逐漸下降直至為零。經(jīng)分析可見，上、下兩功率管開路故障雖均造成故障相電流幅值下降至零，但下降速度卻不同，所需時間也不同。因此，可利用故障相電流幅值下降至零所用的退磁時間定位出故障元件。此處“退磁時間”定義為：從檢測程序診斷出故障相開始計算直至故障相電流幅值變?yōu)榱恪?/p>

為使兩種故障狀態(tài)退磁時間差異更為明顯，便于檢測程序給出快速正確判斷，本文引入又一故障特征量Dt，其定義如式（8）所示，即退磁時間占整個勵磁周期的百分比。其中Tm為故障相退磁時間，T為勵磁周期，該值由式（3）計算可得。

經(jīng)過不同工況下進行多次仿真與實驗，可得如下經(jīng)驗：若常閉功率管開路，Dt遠小于15%；若斬波功率管開路，Dt遠大于50%。為便于檢測程序給出判定結果，本文設定Dt閾值為15%。則基于該閾值可給出故障元件的診斷判據(jù)：當Dt<15%時，則可判定上方常閉功率管QU發(fā)生開路故障；當Dt>15%時，則可判定下方斬波功率管QL發(fā)生開路故障。

2.2.2 短路故障元件定位

此處假設A相功率器件發(fā)生短路故障。由于功率管短路故障會造成電流幅值增大，所以，檢測程序診斷出故障相后，控制器立刻命令A相上、下兩功率管斷開，迫使A相電流下降，以免短路故障產(chǎn)生瞬時過大電流對系統(tǒng)造成惡性影響。當該相電流幅值下降到安全水平（即其幅值低于參考電流值的0.01倍）時，檢測程序命令A相下方功率管QLa閉合。若此時A相電流上升至正常狀態(tài)下直流母線電流幅值的三分之一（電機相數(shù)為三相），則可判定出短路故障元件為上方功率管QUa；反之，若A相電流幅值沒有上升，則可判定短路故障元件為下方功率管QLa。

2.3 故障整體檢測方案

圖2給出了故障檢測的整體流程。檢測程序分為四步：第一步，建立故障特征量集合Ek；第二步，將診斷變量絕對值與閾值進行比較，判斷功率管是否發(fā)生故障；第三步，根據(jù)表1判斷故障所屬情況，進而檢測出故障類型與故障相；第四步，根據(jù)“退磁時間占比”定位出開路元件，根據(jù)故障相電流幅值上升情況定位出短路故障元件。

3故障檢測仿真研究與實驗驗證

本文在Matlab/SIMULINK中搭建SRD整體仿真模型，并利用其電力系統(tǒng)模塊工具箱與邏輯控制信號模擬功率管開路與短路故障。實驗系統(tǒng)平臺選用TMS320LF2407 DSP為核心數(shù)字控制器，主功率管選用EXB841 IGBT專用驅動模塊，通過設置外部繼電器控制功率管驅動信號來模擬開路、短路故障。電機低速運行，為避免過大電流峰值，須加以限幅，以保證安全達到所需輸出轉矩，采用電流斬波控制方式（CCC）；電機高速運行，通過調節(jié)開通角θon與關斷角θoff改變電流最大值和有效值，以產(chǎn)生所需電磁轉矩，采用角度位置控制方式（APC）。檢測程序診斷出故障詳情后立即輸出相應結果。在診斷出故障詳情后，為防止后續(xù)短路故障產(chǎn)生瞬間過大電流造成惡性影響，檢測系統(tǒng)采用了常規(guī)過流保護電路。其中診斷變量閾值pko=pks=0.2。

3.1 仿真研究

3.1.1 高速運行功率管開路故障仿真研究

當轉速為2 000 r/min，負載為5 N·m時，電機處于APC方式運行。預設電機運行到0.695 s時A相橋臂上方功率管QUa突發(fā)開路故障，即故障發(fā)生在ton～toff階段，其中ton為此相到達開通角θon的時刻、toff為此相到達關斷角θoff的時刻。故障檢測仿真結果如圖3所示。

圖中第一屏給出了電機正常狀態(tài)下三相電流波形，依次為A-B-C；第二屏為故障下三相電流波形變化情況。從圖中可見，電機運行到0.695 s后，A相電流開始下降直至為零，而其余各相電流未發(fā)生任何變化。第三屏為故障特征量集合中EAB、EAC、EBC三個診斷變量故障前后變化情況?？梢?，故障前三個診斷變量幅值幾乎為零，但發(fā)生故障0.3 ms后EAB、EAC下降到-0.2 A，且其幅值隨著A相電流下降而繼續(xù)降低，而EBC幅值卻一直無變化，即EAB≤-pko、EAC≤-pko、EBC ≈0，屬于表1中的情況①，由此可判定電機A相功率管發(fā)生開路故障。

隨后，A相電流幅值在故障發(fā)生0.5ms后下降到零（如圖3第二屏所示），此時檢測程序立刻根據(jù)公式（8）計算出Dt=7.7%<15%，則可判定故障元件為QUa，檢測結果與預設故障完全相符。

3.1.2 低速運行功率管開路故障仿真研究

當轉速為600 r/min，負載為5 N·m時，電機處于CCC方式運行。預設A相功率管QLa突發(fā)開路故障，發(fā)生時刻為0.3 s，即下方功率管開路故障發(fā)生在ton～toff階段。其故障檢測仿真結果如圖4所示。

圖中第一屏為正常狀態(tài)下三相電流波形。第二屏為開路故障三相電流波形變化情況，從圖中可見，電機運行到0.3 s后，A相電流開始下降，經(jīng)5 ms才降至0 A，而其余相電流未發(fā)生任何變化。從第三屏可見，故障前三個診斷變量幅值幾乎為零，但故障發(fā)生0.6 ms后EAB=EAC=-0.2 A，而EBC幅值卻始終未發(fā)生明顯變化，即EAB≤-pko、EAC≤-pko、EBC≈0，亦屬于表1中情況①，則可判定A相功率管發(fā)生開路故障。

電機運行至0.305 s，IA下降至零，如圖4第二屏所示，且特征量Dt=110%>15%，可判定故障元件為QLa，檢測結果與預設故障完全相符。

3.1.3 高速運行功率管短路故障仿真研究

轉速為2200 r/min，負載為5 N·m時，電機處于APC方式。預設0.810 s時（即ton～toff階段），A相功率管QUa突發(fā)短路故障。其檢測結果如圖5所示。

圖中第一屏仍為正常狀態(tài)下三相電流波形，順序依次為A-B-C。第二屏為功率管短路故障三相電流波形變化情況，從中可見，故障發(fā)生后，A相電流大幅升高至22A，而其余相電流未變化。第三屏為故障特征量集合中診斷變量故障前后變化情況。從該屏可見，故障前三個診斷變量幅值幾乎為零，但故障發(fā)生后EAB、EAC幅值上升，經(jīng)過0.4 ms后EAB=EAC=0.2 A，而EBC幅值卻始終未發(fā)生明顯變化，即EAB≥pks、EAC≥pks、EBC ≈0，屬于表1中情況④，可判定A相功率管發(fā)生短路故障。隨后檢測程序立刻驅動A相兩個功率管QUa、QLa全部斷開，迫使該相繞組退磁，約經(jīng)2.6 ms后該相電流下降至零。此時，控制器驅使功率管QLa閉合，其相電流在0.815 s時上升至給定電流的三分之一（如圖5中第二屏所示）。根據(jù)診斷判據(jù)，可判定故障元件為QUa。檢測程序全部執(zhí)行完畢，控制程序立即驅動故障相功率管斷開QLa，以免短路故障繼續(xù)惡化。

3.1.4 低速運行功率管短路故障仿真研究

轉速為650 r/min，負載為5 N·m時，電機處于CCC方式運行。預設0.33 s時（即A相在ton～toff階段），A相功率管QLa突發(fā)短路故障，從圖6第二屏可見，故障發(fā)生后IA大幅升高至45 A，而其余相電流未變化。同時，從第三屏可見，故障前三個診斷變量幅值幾乎為零，但故障發(fā)生后EAB、EAC幅值上升，經(jīng)0.2 ms后EAB=EAC=0.2 A，即EAB≥pks、EAC≥pks、EBC≈0，亦屬于表1中情況④，則可判定電機A相功率管發(fā)生短路故障。隨后，檢測程序驅動QUa、QLa全部斷開，經(jīng)6 ms后IA下降至零。此時，檢測程序再驅動QLa閉合，但IA并未上升且始終為零（如圖6中第二屏所示）。依據(jù)診斷判據(jù)，可判定故障元件為A相下方功率管QLa。

3.2 實驗驗證

3.2.1 高速運行功率管開路故障實驗驗證

預設0.705 5 s（即B相處于ton～toff階段）時，此相功率管QUb開路，電機處于APC方式運行。從圖7中可見，0.705 5 s之前診斷變量EAB=EAC=EBC=0，該時刻之后，IB立即下降直至為零，IA與IC卻保持不變。再經(jīng)過0.3 ms后EAB上升至0.2 A，EBC下降至-0.2 A，其幅值逐漸增加，而EAC卻無變化，即EAB≥pko、EBC≤-pko、EAC=0，屬于表1中情況②，則可診斷出故障類型為開路，故障相為B相，且Dt=8.0%<15%，依據(jù)診斷判據(jù)，可判定故障元件為功率管QUb。實際檢測結果與預設故障完全相符。

3.2.2 低速運行功率管開路故障實驗驗證

預設0.285 s（即C相處于ton～toff階段）時， C相功率管QLc開路，電機處于CCC方式運行，從圖8可見，0.285 s前診斷變量EAB=EAC=EBC=0，之后IC立即下降為零，IA與IB不變。再經(jīng)過0.7 ms后EAC與EBC上升至0.2 A，且逐漸上升，而EAB卻無變化，即EAC=EBC≥pko、EAB≈0，且Dt≈86%>15%，屬于表1中情況③，則故障類型為開路，故障相為C相，故障元件為QLc。

3.2.3 高速運行功率管短路故障實驗驗證

預設0.725 s（即B相處于ton～toff階段）時， B相功率管QUb短路，電機處于APC方式運行，實際檢測結果如圖9所示。從圖中可見，0.725 s前診斷變量EAB=EAC=EBC=0，之后IB立即上升，IA與IC不變。再經(jīng)過0.4 ms后EBC上升至0.2 A，EAB下降至-0.2 A，而EAC卻無變化，即EBC≥pko、EAB≤-pko、EAC≈0，屬于表1中情況⑤，則故障類型為短路，故障相為B相。此時IB上升至45 A后迅速下降，這是由于檢測程序診斷出故障類型為短路后，控制器立即驅動QUb和QLb全部關閉。直到0.728 s，IB下降至零，此刻控制器命令QLb閉合，經(jīng)過0.25 ms后IB再次上升，則可判定故障元件為QUb。

3.2.4 低速運行功率管短路故障實驗驗證

圖10為電機n=570 r/min，TL=5 N·m，處于CCC方式運行時，C相功率管QLc短路故障實際檢測結果，故障依然發(fā)生在C相的ton～toff階段。從圖中可見，0.307 s前診斷變量EAB=EAC=EBC=0，該時刻之后，IC大幅上升，IA與IB保持不變，經(jīng)過0.3 ms后EAC與EBC下降至-0.2 A，且幅值逐漸降低，而EAB卻無變化，即EAC=EBC<-pko、EAB=0，屬于表1中情況⑥，C相功率管短路。當檢測程序診斷出故障類型與故障相，控制器立刻驅動C相兩功率管同時關閉，直至其相電流下降至零，再命令下方功率管QLc閉合，但從圖中可見C相電流并未上升，始終保持幅值為零。根據(jù)診斷判據(jù)，可判定故障元件為下方功率管QLc。實際檢測結果與預設故障完全相符。

上述仿真研究與實驗驗證中的故障均發(fā)生在tON～tOFF階段。而故障發(fā)生在0～tON階段需等待到故障相到達導通期間方可進行實時檢測；故障發(fā)生在續(xù)流階段的則需等待故障相到達下一導通期間進行實時診斷。兩階段的故障檢測過程均與故障發(fā)生在tON～tOFF階段檢測過程相同，故本文不再贅述。

4 結 論

本文以三相6/4極SRM的不對稱半橋型功率變換器為研究對象，揭示單功率管開路與短路故障下正常相電流與故障相電流差值規(guī)律，構建故障特征量集合Ek。通過分析故障狀態(tài)下，集合中各診斷變量畸變特征，診斷出故障發(fā)生、故障類型、故障相。再基于退磁時間占比與功率元件通斷狀態(tài)定位出故障元件。不同轉速與帶載工況下的仿真與實驗結果表明，該檢測方法可快速、準確診斷出故障詳情。

與其他檢測法相比，此法具有以下優(yōu)點：①可快速準確診斷出故障詳情，實現(xiàn)故障綜合檢測；②適用于高速或低速、空載或帶載的不同工況，且適用于不同結構、極數(shù)、相數(shù)SRM；③無需增加任何額外傳感器，未增加系統(tǒng)復雜度，檢測成本低。

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（編輯：劉素菊）