电气设备故障诊断梁晓歌

电气设备故障诊断梁晓歌第1页，共23页，2023年，2月20日，星期一电气工程SR驱动系统01故障检测分析03功率变换器02故障仿真与实验04THEMAINCONTENTS第2页，共23页，2023年，2月20日，星期一1第部分开关磁阻电机驱动系统第3页，共23页，2023年，2月20日，星期一SR驱动系统01开关磁阻电机驱动系统原理图电气工程第4页，共23页，2023年，2月20日，星期一SR驱动系统01电气工程SR驱动系统电流检测器是开关磁阻电机电流斩波控制方式运行的需要，也是过电流保护的需要，精确检测相绕组电流是必须的。04位置检测器是确定定转子的相对位置，即要用绝对位置传感器检测定转子相对位置，向单片机端口提供正确的转子位置信息，以确定对应相绕组的通断，使转子位置与绕组导通的相序很好的配合起来，以便实现设计所需的运行特性，同时也作为检测电机转速的依据。常用的位置传感器有光电式，磁敏式及接近开关。05开关磁阻电动机开关磁阻电动机是开关磁阻电机驱动系统的执行元件，它和步进电动机一样遵循磁通总是沿着磁阻最小的路径闭合。.01控制器通常由具有较强信息处理能力的微机芯片或者是数字逻辑电路及接口电路等部分构成。微机信息处理大部分由软件完成。.03功率变换器功率变换器是开关磁阻电动机运行时所需能量的供给者，是连接电源和电动机绕组的开关部件。02第5页，共23页，2023年，2月20日，星期一2第部分功率变换器第6页，共23页，2023年，2月20日，星期一功率变换器02电气工程功率变换器四相SRM功率变换器示意图功率变换器是开关磁阻电动机运行时所需能量的供给者，是连接电源和电动机绕组的开关部件。功率变换器主电路的结构形式与供电电压和电机相数及主开关器件的种类有关。第7页，共23页，2023年，2月20日，星期一功率变换器02电气工程01开关作用，使绕组与电源接通或者断开.02为绕组的储能提供回馈路径03为开关磁阻电机提供电能量，以满足所需机械能的转换功率变换器的作用第8页，共23页，2023年，2月20日，星期一功率变换器02电气工程

功率变换器运行原理分析现以四相不对称半桥型功率变换器为研究对象，其主电路结构如图所示。电机每相绕组由两个功率管和两个二极管相连，每相绕组的电压在三态电平间的独立变化。电机单相导通时，当两个开关管都处于导通状态时，绕组间压降为+Us。当一个开关管导通，另一个处于断开状态时，相电流回流到二极管，供电电源与绕组间无电流流通，储存在磁场中的能量转化为机械能。当两个开关管都处于断开状态时，储存在磁场中的能量部分返回到电源，部分转化为机械能。此时，导通相的电流值为负。

四相不对称半桥型功率变换器第9页，共23页，2023年，2月20日，星期一3第部分故障检测分析第10页，共23页，2023年，2月20日，星期一故障检测分析03电气工程研究功率变送器的意义整个SRD成本中，功率变换器占重要比重，而且其性能好坏对系统性能指标有直接影响，因此功率变换器的稳定运行是系统可靠性的重要保障。功率变换器长期进行高频工作，会出现严重发热或受损等现象，所以功率变换器也是较容易出现故障的机构之一，长期故障运行必将对整个系统造成损坏。SR电动机的绕组只需要单方向的电流，所以功率变换器只需提供单方向的电流，故比变频器简单，可靠。第11页，共23页，2023年，2月20日，星期一故障检测分析03电气工程功率变换器故障类型01

短路故障功率变换器短路故障往往造成相电流幅值过大，但在某些特殊运行条件下（如负载或低速运行），故障相电流可能不会出现较大的幅值，因此，这将对该类故障检测及故障元件识别造成影响。02开路故障由于功率变送器开路故障直接造成电机故障相工作停止，该相绕组呈退磁状态，其相电流变为零。这极易判断该类故障的发生，因此该类故障的检测往往被忽视。每相桥臂两个功率管中任一个元件发生开路故障，其相电流波形变化完全相同，因此，无法识别出发生开路故障的元件。第12页，共23页，2023年，2月20日，星期一故障检测分析03电气工程故障检测方法01

电压传感器信号采集法通过分析电压传感器采集的信号识别出SRM开路故障元件02

相电流频谱分析法基于傅里叶变换讨论功率变换器故障后相电流频谱的变化规律，以“谱比系数”作为故障特征量，提出三相SRM功率变换器故障检测方案，并针对功率管短路故障提出变角度的容错控制方案。

电流数字化诊断法基于电压脉宽调制单管控制策略，提出一种基于直流母线电流和续流总线电流数字化信号的三相SRM变换器故障在线诊断方案。。03

差值判别法根据电机处于正常状态、开路与短路故障情况下直流母线电流的差值，判定是否发生故障及故障类型，再将上述差值的绝对值与各相电流作比较，根据比较结果判定故障相，并结合故障时刻该相两功率管通断状态定位出故障元件。04第13页，共23页，2023年，2月20日，星期一故障检测分析03电气工程各故障检测法优缺点01

电压传感器信号采集法优点技术简单，检测方便缺点每相中至少需要一个传感器，这无疑增加了驱动系统的成本、需求空间及检测复杂02

相电流频谱分析法优点能够实现了故障类型的判断缺点没有定位出故障元件。

电流数字化诊断法优点该检测法虽减少了传感器数量实现了故障类型判断及故障元件定位。缺点其法仅针对电压PWM单管控制方式，并不适合于电机高速运行时角度位置控制方式。03差值判别法04优点该检测方法减少了电流传感器的使用数量，可快速准确地实现故障类型及定位故障元件。第14页，共23页，2023年，2月20日，星期一故障检测分析03电气工程

差值判别法的提出给出电机正常运行与故障运行时相电流变化的对比。其中，QU为上方功率开关管，QL为下方功率开关管。该表总结了相绕组的上、下开关管处于不同通断状态下，不同元件发生开路、短路故障时，该相电流的变化。一些情况可直接诊断出故障类型并定位出故障元件，例如情况②、⑤中的开路故障，情况③、④中的短路故障。一些情况无法确定故障类型及故障元件，对于上述无法确定的情况，本文需引入新的特征量进行故障检测。电机正常与故障运行时的相电流对比第15页，共23页，2023年，2月20日，星期一故障检测分析03电气工程

为准确检测出无法确定的故障类型及故障元件，首先，通过驱动控制器中各功率开关通断状态的信息及各相电流值，估算出电机正常运行直流母线电流幅值（记作iedc），将iedc与实际测量的直流母线电流值idc作对比。如果上述两值出现差值，则说明故障发生。引入特征量g衡量iedc与idc的差值进行故障发生的诊断，如下式所示。选取的边界值k的最小值需大于idc-iedc的绝对值，其最大值要小于参考相电流。由于实验处于理想运行状态，而电机实际运行中测量信号往往容易受到传感器等附加元件的影响，测量值与估算值存在差异。为了避免检测出现错误，边界值k并非一个常数，而是一个参考相电流Iref的函数，其中，函数中的系数是经过多次空载和变负载实验而确定的

k=0.6+0.05I

ref第16页，共23页，2023年，2月20日，星期一故障检测分析03电气工程g=-1时，idc<iedc，这就意味着供电电源向电机提供的能量小于正常状态下电机所需的能量，功率管发生开路故障；g=1时，idc>iedc，这就意味着供电电源向电机提供的能量多于正常状态下电机所需的能量，功率管发生短路故障。功率变换器发生单相故障时，，此引入变量en=│idc-iedc│-in，让idc-iedc的绝对值又与故障相电流幅值in比较，引出第二个特征量Pn来判断故障相，表当Pn为1时，电机第n相发生故障。但在某些情况下，会出现多个Pn为1，所以只有仅存在一个Pn为1时，才能确定故障发生。第17页，共23页，2023年，2月20日，星期一故障检测分析03电气工程

特征量计算流程图第18页，共23页，2023年，2月20日，星期一故障检测分析03电气工程g判断故障类型Pn识别出现故障的电机相根据该相绕组的上下两个功率管的通断状态对故障元件进行定位。情况I、II、V、VI能够被准确检测。而情况III、IV虽可检测出故障类型及故障相，但无法定位出故障元件。特征量状态与故障类型及故障元件对应关系第19页，共23页，2023年，2月20日，星期一主要研究内容02电气工程针对上述无法定位故障元件的情况Ⅲ、Ⅳ，该检测方法还需附加另一步骤。假设前述检测结果为情况Ⅲ，在较小的时间间隔内，闭合故障相的上功率管QUn，保持其下功率管QLn断开，重复前述检测步骤，相当于将情况Ⅲ转换为情况Ⅰ。若g=1，Pn=1，∑Pn=1，则可判断出发生短路故障的元件为QLn；若g=0，Pn=0，∑Pn=0，则可判断出发生短路故障的元件为QUn。假设前述检测结果为Ⅳ，在较小的时间内，保持故障相的上功率开关QUn处于闭合状态，断开其下功率开关QLn，相当于将情况Ⅳ转换为情况Ⅴ。若g=-1，Pn=1，∑Pn=1，则可判断发生开路故障的元件为QUn；若g=0，Pn=0，∑Pn=0，则可判断出发生开路故障的元件为Qun。检测过程中的特征量状态与故障类型、故障元件对应关系见表3。特征量状态与故障类型、故障元件对应关系2第20页，共23页，2023年，2月20日，星期一4第部分故障仿真与实验第21页，共23页，2023年，2月20日，星期一故障仿真与实验04电气工程故障仿真利用Simulink电力系统模块软件工具箱及逻辑控制信号模拟不对称半桥型功率变换器功率管的开路及短路故障。第22页，共23页，2023年，2月20日，星期一故障仿真与实验04电气工程左图是以一台1.5kW的四相8/6极SRM为样机利用simul