電氣設備故障診斷 梁曉歌

1、開關磁阻電機功率變換器故障檢測技術 試講人：梁曉歌指導老師：張志艷電氣工程電氣工程SR驅動系統(tǒng)01故障檢測分析03功率變換器02故障仿真與實驗04THE MAIN CONTENTS1第部分開關磁阻電機驅動系統(tǒng)SR驅動系統(tǒng)01 位位置置檢檢測測 功功率率變變換換器器 SR電電動動機機 電電流流檢檢測測 控控制制信信號號 控控制制器器 電電 源源 負負 載載 開關磁阻電機驅動系統(tǒng)原理圖開關磁阻電機驅動系統(tǒng)原理圖電氣工程SR驅動系統(tǒng)01電氣工程SR驅動驅動系統(tǒng)系統(tǒng)電流檢測器電流檢測器是開關磁阻電機電流斬波控制方式運行的需要，也是過電流保護的需要，精確檢測相繞組電流是必須的。04位置檢測器位置檢測器是

2、確定定轉子的相對位置，即要用絕對位置傳感器檢測定轉子相對位置，向單片機端口提供正確的轉子位置信息，以確定對應相繞組的通斷，使轉子位置與繞組導通的相序很好的配合起來，以便實現(xiàn)設計所需的運行特性，同時也作為檢測電機轉速的依據(jù)。常用的位置傳感器有光電式，磁敏式及接近開關。05開關磁阻電動機開關磁阻電動機開關磁阻電動機是開關磁阻電機驅動系統(tǒng)的執(zhí)行元件，它和步進電動機一樣遵循磁通總是沿著磁阻最小的路徑閉合 。.01控制器控制器通常由具有較強信息處理能力的微機芯片或者是數(shù)字邏輯電路及接口電路等部分構成。微機信息處理大部分由軟件完成。.03功率變換器功率變換器功率變換器是開關磁阻電動機運行時所需能量的供給者

3、，是連接電源和電動機繞組的開關部件。022第部分功率變換器功率變換器02電氣工程功率變換器功率變換器 四相四相 SRM 功率變換器示意圖功率變換器示意圖功率變換器是開關磁阻電動機運行時所需能量的功率變換器是開關磁阻電動機運行時所需能量的供給者，是連接電源和電動機繞組的開關部件。供給者，是連接電源和電動機繞組的開關部件。功率變換器主電路的結構形式與供電電壓和電功率變換器主電路的結構形式與供電電壓和電機相數(shù)及主開關器件的種類有關。機相數(shù)及主開關器件的種類有關。 功率變換器02 電氣工程01開關作用，使繞組與電源接通或者斷開開關作用，使繞組與電源接通或者斷開.02為繞組的儲能提供回饋路徑為繞組的儲能

4、提供回饋路徑03為開關磁阻電機提供電能量，以滿足所需機械能的為開關磁阻電機提供電能量，以滿足所需機械能的轉換轉換功率變功率變換器的換器的作用作用功率變換器02電氣工程 功率變換器運行原理分析功率變換器運行原理分析 現(xiàn)以四相不對稱半橋型功率變換器為研究對象，其主電路結構如圖 所示。電機每相繞組由兩個功率管和兩個二極管相連，每相繞組的電壓在三態(tài)電平間的獨立變化。電機單相導通時，當兩個開關管都處于導通狀態(tài)時，繞組間壓降為+Us。當一個開關管導通，另一個處于斷開狀態(tài)時，相電流回流到二極管， 供電電源與繞組間無電流流通，儲存在磁場中的能量轉化為機械能。當兩個開關管都處于斷開狀態(tài)時，儲存在磁場中的能量部分

5、返回到電源，部分轉化為機械能。此時，導通相的電流值為負。 四相不對稱半橋型功率變換器四相不對稱半橋型功率變換器3第部分故障檢測分析故障檢測分析03電氣工程研究功率變送器的意義整個SRD成本中，功率變換器占重要比重，而且其性能好壞對系統(tǒng)性能指標有直接影響，因此功率變換器 的穩(wěn)定運行是系統(tǒng)可靠性的重要保障。功率變換器長期進行高頻工作，會出現(xiàn)嚴重發(fā)熱或受損等現(xiàn)象，所以功率變換器也是較容易出現(xiàn)故障的機構之一，長期故障運行必將對整個系統(tǒng)造成損壞。SR電動機的繞組只需要單方向的電流，所以功率變換器電動機的繞組只需要單方向的電流，所以功率變換器只需提供單方向的電流，故比變頻器簡單，可靠。只需提供單方向的電流

6、，故比變頻器簡單，可靠。 故障檢測分析03電氣工程功率變功率變換器故換器故障類型障類型01 短路故障短路故障功率變換器短路故障往往造成相電流幅值過大，但在某些特殊運行條件下（如負載或低速運行），故障相電流可能不會出現(xiàn)較大的幅值，因此，這將對該類故障檢測及故障元件識別造成影響。02 開路故障開路故障由于功率變送器開路故障直接造成電機故障相工作停止，該相繞組呈退磁狀態(tài)，其相電流變?yōu)榱恪＿@極易判斷該類故障的發(fā)生，因此該類故障的檢測往往被忽視。 每相橋臂兩個功率管中任一個元件發(fā)生開路故障，其相電流波形變化完全相同，因此，無法識別出發(fā)生開路故障的元件。 故障檢測分析03電氣工程故障檢故障檢測方法測方法0

7、1 電壓傳感器信號采集法電壓傳感器信號采集法 通過分析電壓傳感器采集的信號識別出SRM 開路故障元件02 相電流頻譜分析法相電流頻譜分析法基于傅里葉變換討論功率變換器故障后相電流頻譜的變化規(guī)律，以“譜比系數(shù)”作為故障特征量，提出三相 SRM功率變換器故障檢測方案，并針對功率管短路故障提出變角度的容錯控制方案。 電流數(shù)字化診斷法電流數(shù)字化診斷法基于電壓脈寬調制單管控制策略，提出一種基于直流母線電流和續(xù)流總線電流數(shù)字化信號的三相SRM變換器故障在線診斷方案。 。03 差值判別法差值判別法根據(jù)電機處于正常狀態(tài)、開路與短路故障情況下直流母線電流的差值，判定是否發(fā)生故障及故障類型，再將上述差值的絕對值與

8、各相電流作比較，根據(jù)比較結果判定故障相，并結合故障時刻該相兩功率管通斷狀態(tài)定位出故障元件。04 故障檢測分析 03電氣工程各故障各故障檢測法檢測法優(yōu)缺點優(yōu)缺點01 電壓傳感器信號采集法電壓傳感器信號采集法優(yōu)點優(yōu)點 技術簡單，檢測方便缺點缺點 每相中至少需要一個傳感器，這無疑增加了驅動系統(tǒng)的成 本、需求空間及檢測復雜02 相電流頻譜分析法相電流頻譜分析法優(yōu)點優(yōu)點 能夠實現(xiàn)了故障類型的判斷缺點缺點 沒有定位出故障元件。 電流數(shù)字化診斷法電流數(shù)字化診斷法優(yōu)點優(yōu)點 該檢測法雖減少了傳感器數(shù)量 實現(xiàn)了故障類型判斷及故障元件定位。缺點缺點 其法僅針對電壓 PWM 單管控制方式，并不適合于電機高速運行時角度

9、位置控制方式。 03 差值判別法差值判別法04優(yōu)點優(yōu)點 該檢測方法減少了電流傳感器的使用數(shù)量，可快速準確地實現(xiàn)故障類型及定位故障元件。 故障檢測分析03電氣工程 差值判別法的提出差值判別法的提出給出電機正常運行與故障運行時相電流變化的對比。其中，QU為上方功率開關管，QL為下方功率開關管。該表總結了相繞組的上、下開關管處于不同通斷狀態(tài)下，不同元件發(fā)生開路、短路故障時，該相電流的變化。一些情況可直接診斷出故障類型并定位出故障元件，例如情況、中的開路故障，情況、中的短路故障。一些情況無法確定故障類型及故障元件，對于上述無法確定的情況，本文需引入新的特征量進行故障檢測。 電機正常與故障運行時的相電流

10、對比電機正常與故障運行時的相電流對比 故障檢測分析03電氣工程 為準確檢測出無法確定的故障類型及故障元件，首先，通過驅動控制器中各功率開關通斷狀態(tài)的信息及各相電流值，估算出電機正常運行直流母線電流幅值（記作 iedc），將iedc與實際測量的直流母線電流值 idc作對比。如果上述兩值出現(xiàn)差值，則說明故障發(fā)生。引入特征量 g 衡量 iedc與 idc的差值進行故障發(fā)生的診斷，如下式所示。101gdcedcdcedcdcedciikkiikiik 選取的邊界值 k 的最小值需大于 idc-iedc的絕對值，其最大值要小于參考相電流。 由于實驗處于理想運行狀態(tài)，而電機實際運行中測量信號往往容易受到傳

11、感器等附加元件的影響，測量值與估算值存在差異。為了避免檢測出現(xiàn)錯誤，邊界值 k 并非一個常數(shù)，而是一個參考相電流 Iref的函數(shù)，其中，函數(shù)中的系數(shù)是經過多次空載和變負載實驗而確定的 k =0.6+0.05I ref 故障檢測分析03電氣工程g=-1 時，idciedc，這就意味著供電電源向電機提供的能量多于正常狀態(tài)下電機所需的能量，功率管發(fā)生短路故障。 功率變換器發(fā)生單相故障時，此引入變量 en= idc-iedc -in ，讓 idc-iedc的絕對值又與故障相電流幅值in比較，引出第二個特征量 Pn來判斷故障相，表當 Pn為 1 時，電機第 n 相發(fā)生故障。但在某些情況下，會出現(xiàn)多個 P

12、n為 1，所以只有僅存在一個 Pn為 1 時，才能確定故障發(fā)生。01npnnekek101gdcedcdcedcdcedciikkiikiik 故障檢測分析03電氣工程 特征量計算流程圖特征量計算流程圖故障檢測分析03電氣工程g 判斷故障類型Pn識別出現(xiàn)故障的電機相根據(jù)該相繞組的上下兩個功率管的通斷狀態(tài)對故障元件進行定位。情況 I、II、V、VI 能夠被準確檢測。而情況 III、IV 雖可檢測出故障類型及故障相，但無法定位出故障元件。特征量狀態(tài)與故障類型及故障元件對應關系特征量狀態(tài)與故障類型及故障元件對應關系主要研究內容02電氣工程針對上述無法定位故障元件的情況、，該檢測方法還需附加另一步驟。

13、假設前述檢測結果為情況，在較小的時間間隔內，閉合故障相的上功率管 QUn，保持其下功率管 QLn斷開，重復前述檢測步驟，相當于將情況轉換為情況。若 g=1，Pn=1，Pn=1，則可判斷出發(fā)生短路故障的元件為QLn；若 g=0，Pn=0，Pn=0，則可判斷出發(fā)生短路故障的元件為 QUn。假設前述檢測結果為，在較小的時間內，保持故障相的上功率開關 QUn處于閉合狀態(tài)，斷開其下功率開關 QLn，相當于將情況轉換為情況。若 g=-1，Pn=1，Pn=1，則可判斷發(fā)生開路故障的元件為 QUn；若 g=0，Pn=0，Pn=0，則可判斷出發(fā)生開路故障的元件為 Qun。檢測過程中的特征量狀態(tài)與故障類型、故障元

14、件對應關系見表 3。 特征量狀態(tài)與故障類型、故障元件對應關系特征量狀態(tài)與故障類型、故障元件對應關系24第部分故障仿真與實驗 故障仿真與實驗04 電氣工程故障仿真故障仿真利用Simulink電力系統(tǒng)模塊軟件工具箱及邏輯控制信號模擬不對稱半橋型功率變換器功率管的開路及短路故障。 故障仿真與實驗04電氣工程左圖是以一臺 1.5kW 的四相 8/6 極 SRM 為樣機利用simulink 電力系統(tǒng)模塊軟件工具箱及邏輯控制信號模擬其不對稱半橋型功率變換器功率管的開路故障。仿真結果仿真結果實驗驗證結果實驗驗證結果開路故障仿真分析及實驗結果右圖是選取 TMS320LF2407DSP 為核心的數(shù)字控制器，與 CPLD 等機構共同構成硬件電路。功率變換器采用不對稱半橋結構，其主功率管選取日本富士公司生產的 EXB841 快速型 IGBT 專用驅動模塊。通過外部繼電器人為控制功率管驅動信號模擬其開路故障。 。 故障仿真與實驗04電氣工程左圖是以一臺 1.5kW 的四相 8/6 極 SRM 為樣機利用simulink 電力系統(tǒng)模塊軟件工具箱及邏輯控制信號模擬其不對稱半橋型功率變