开关磁阻电机系统的故障诊断方法研究

【摘要】： 开关磁阻电机系统以其结构简单坚固、调速性能优良、容错性能强等诸多优点已成为当代电气传动领域研究的热点之一。随着现代工业电气化和自动化程度的不断提高,对电气传动系统可靠性的要求也越来越高。对具有一定容错能力基础的SRD系统开展故障诊断与容错控制研究,将进一步提高系统可靠性能,突出容错性能优势,因此具有重大的理论研究和实际应用价值。根据系统的故障类型,本文重点针对故障机率高的定子绕组匝间短路故障、功率变换器故障和转子位置检测器故障等方面进行深入分析和诊断方法研究。论文主要内容归纳如下: 相电流的非正弦与铁心磁通密度的局部高饱和是SRM运行的两个特点。本文基于有限元方法对SRM样机电磁特性的计算结果,分别采用基于幂函数的磁链解析模型、基于傅立叶级数的电感解析模型、基于遗传算法优化的BP网络这三种方法进行SRM非线性建模。并最终基于优化的BP网络模型建立全模块化的SRD系统仿真模型,为SRD系统的故障研究奠定了基础。 绕组的绝缘系统是SRM电机本体上最薄弱的部分,而绕组匝间短路故障将破坏电机各相对称性。本文通过重构各相电流相量,给出SRM电流对称分量的计算方法。在此基础上,为提取出对系统工况具备鲁棒性的故障特征量,本文采用以滤波后的电流负序分量与正序分量的幅值比作为绕组匝间短路故障特征的检测方法,有效提高检测的灵敏度和可靠性。 功率变换器是SRD系统中故障率较高的环节之一。功率变换器故障将严重破坏系统平衡状态,长期故障运行将导致整个系统的损坏。针对不对称半桥功率变换器,本文以仿真和实测结果展开故障机理分析;然后基于傅立叶变换研究了变换器故障前后相电流频谱的变化规律,提出了以相对谱比系数作为故障特征量的故障诊断方法;最后结合RT-LAB半实物仿真系统和SRD样机进行模拟故障的诊断实验,实验结果验证了该方法的灵敏性和准确度。 SRM工作特性决定其所有相不能同时工作,因此结合总线电流及驱动信号,即可监测各相桥臂的工作状态。本文以实现方便、监测快速可靠为目标,针对不对称半桥功率变换器给出了基于直流母线电流和上续流总线电流检测、基于斩波总线电流检测以及基于励磁总线电流和上续流总线电流检测的三种功率变换器在线诊断方法。这几种检测方法节省了硬件成本,同时通过对检测电流的数字化处理即可简单快速的获取诊断所需要的故障特征信息,实现简单、抗干扰能力和可靠性得到提高。通过以DSP为核心的控制与诊断实验系统得到的结果,证明了检测电流特征显著,诊断快速,且易于实现故障定位,这将为系统进一步实施容错控制提供有效指导。 有效的位置信号是SRD系统可靠运行的重要保障。经过深入分析单个或多个位置传感器失效故障对系统的影响,本文提出在位置信号触发中引入诊断缓冲区来实现故障检测的方法,从而有效保证检测结果的准确性。针对单个或两个位置传感器失效故障提出了位置信号容错控制方案,重构了失效的换相动作。故障模拟实验结果验证了位置信号故障检测和容错方法的有效性和快速性。