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2009年11月电工技术学报Vol.24 No. 11 第24卷第11期TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY Nov. 2009

开关磁阻电机功率变换器的 故障诊断与容错策略 卢胜利陈昊昝小舒

(中国矿业大学信电学院徐州 221008

摘要功率变换器是开关磁阻电机系统的中枢执行机构,也是系统中最容易出现故障的薄弱环节。本文分别从非线性模型仿真和实验两方面对不对称半桥功率变换器的单相故障进行了研究。

基于傅里叶变换讨论了功率变换器故障后相电流频谱的变化规律,提出了相对谱比系数的概念,并将其作为故障特征量以实现功率变换器的故障检测。通过对比不同工况条件下的实验结果,分析说明了相对谱比系数具有良好的鲁棒性。最后给出了一种变角度容错方案,有效降低故障相产生的制动转矩,提高系统的可靠性能。实验结果验证了该文故障诊断与容错方案的有效性。

关键词:功率变换器故障诊断故障检测容错控制开关磁阻电机 中图分类号:TM352

Fault Diagnosis and Fault-Tolerant Control Strategy for Power Converter of Switched Reluctance Motor Lu Shengli Chen Hao Zan Xiaoshu

(China University of Mining and Technology Xuzhou 221008 China

Abstract Power converter is key of excellent operation for the switched reluctance (SR motor, and also the weakest part of the whole system. All single-phase faults that possibly occur in the asymmetric bridge converter are analyzed via the nonlinear simulation model and experiments.

Detailed discussions about the spectral component changes of the healthy and faulty currents are presented by FFT. The concept of relative spectral coefficient is given as a fault diagnosis eigenvalue, and its strong robusticity is shown by experiment results under different work conditions. At last, a variable angle fault-tolerant control strategy is proposed to decrease the braking torque from the faulty phase and enhance the system’s reliability. The validity of the proposed fault diagnosis and fault-tolerant control is verified by experiments.

Keywords:Power converter, fault diagnosis, fault detection, fault tolerant control, switched reluctance motor

1引言

开关磁阻电机驱动系统由于其定转子特殊结构以及各相控制的独立性,而具备高可靠性能,因此特别适合一些环境恶劣、要求系统连续工作的应用领域,比如航空起动/发电系统、车载电动制动系统、矿井提升机等场合[1]。功率变换器及其驱动电路作为系统控制的中枢执行机构,是系统中最容易出现故障的薄弱环节[2-3]。功率变换器故障将破坏驱动系统运行的平衡状态,产生无法抑制的转矩缺口甚至制动转矩,长期故障运行将导致整个系统的损坏。因此,对系统中功率变换器实施故障诊断与容错控制是非常必要的。

现有的关于开关磁阻电机驱动系统故障状况的

国际科技合作计划(2008DFA61870,中奥(地利科技合作(国科外字[2006]328号-29,江苏省自然科学基金(BK2007039和高等学校博士学科点专项科研基金(20070290504资助项目。

收稿日期 2009-01-12 改稿日期 2009-08-06 200 电工技术学报 2009年11月

文献多是对故障类型的定性分析,而对于故障诊断和容错控制方法的深入研究不多。文献[4-7]主要研究了电机本体开路、短路故障对系统输出性能产生的影响;文献[8]针对不同类型故障与开关磁阻发电机励磁条件的关系进行了深入分析;文献[9]重点分析了功率变换器故障对供电电流和输出转矩的影响;文献[10]提出了几种硬件电路检测绕组故障的方法,但附加结构复杂不易实现;文献[11-12]利用场路结合的方法研究了绕组和功率变换器的故障类型,对比分析了缺相及短路故障对系统效率和机械特性的影响,但文中未涉及故障检测方法。

开关磁阻电机驱动系统中最常见的功率变换器主电路包括不对称半桥式、电容分压式、电感换相式等。要使系统具有较强的容错能力,最佳方案是能够独立控制各相的供电电压U和换相电压U c,使之不受其他相的影响。具有对称拓扑结构的功率变换器,如电容分压式、电感换相式等,虽然所需的功率器件较少,但各相不具备独立可控性,若一相发生故障,则会殃及其他相。本文以不对称半桥功率变换器为研究对象,通过对其单相故障机理的分析,以非线性模型仿真和实验结果为基础,在电压PWM控制方式下计算相电流的频谱特性,并提出一种以相对谱比系数作为故障特征量的功率变换器故障诊断方法。该方法可以实现故障种类辨别,定位故障桥臂。然后通过变角度容错方案,实现系统的容错控制,提高系统可靠性能。

2 不对称半桥功率变换器的故障模式分析 2.1 不对称半桥功率变换器的故障分类

本文以三相不对称半桥功率变换器为研究对象,其主电路结构如图1所示。以A相桥臂为例,上、下开关管S1,S2的驱动信号分别为PWM斩波信号和位置导通信号。考虑到减小转矩脉动,降低开关损耗和铁耗的因素,在各相开通期间内通常采用电压PWM斩单管方式,即下管保持开通,上管实施斩波。