開關磁阻電機驅動系統功率變換器的故障檢測

靳志欣，宋建成，曲兵妮，張中華

(太原理工大學 煤礦裝備與安全控制山西省重點實驗室，山西 太原 030024)

開關磁阻電機驅動系統功率變換器的故障檢測

靳志欣，宋建成，曲兵妮，張中華

(太原理工大學 煤礦裝備與安全控制山西省重點實驗室，山西 太原 030024)

針對功率變換器故障導致的故障相繞組不能正常勵磁或續流的問題，以12/8極開關磁阻電機驅動系統三相不對稱半橋型功率變換器為研究對象，分析其故障類型，推導出正常狀態和故障狀態下相繞組電流的解析解。討論了不同工況下直流母線電流的變化規律及其數字化分析結果，并結合功率開關器件的PWM驅動信號和直流母線電流，提出了一種功率變換器主開關器件短路和開路故障檢測方案。最后利用Matlab對功率變換器進行了故障仿真和故障判別，主開關器件短路和開路的仿真結果與理論分析結果相吻合，能夠識別出故障相，并判別出故障相的故障類型，仿真結果驗證了方案的可行性。

開關磁阻電機驅動系統；功率變換器；主開關器件；故障檢測

開關磁阻電機(switched reluctance motor，SRM)具有結構簡單、價格低廉、性能優良、可靠性高、容錯性強等特點[1-6]，已成功應用于煤礦、航空、電車、紡織等眾多領域[7]。

功率變換器主開關器件IGBT是整個系統最容易發生故障的薄弱環節[8-11]，研究表明功率變換器的故障占整個變頻調速系統故障的82.5%[12]，其可靠性問題一直未能得到充分的解決[13]。運行過程中的過電壓、過電流和過熱等原因可能造成IGBT故障而使其可靠性失效，其常見故障為短路故障和開路故障。短路故障將導致相電流急劇上升或續流時間延長；開路故障將造成系統缺相運行，使輸出轉矩降低，影響系統輸出性能。

目前，國內學者對開關磁阻電機驅動系統功率變換器故障的檢測和診斷研究較少。文獻[14-16]仿真分析定子繞組和功率變換器故障的發生對系統電流、轉速和轉矩脈動的影響，難點在于非線性仿真模型的建立，沒有給出具有實用價值的、簡便可行的故障檢測方案。文獻[17]結合遺傳算法仿真分析SRM繞組故障以及功率管故障時相電流、轉矩、轉速的變化規律，該方法為故障分析提供了新思路，但前提是先得到大量的網絡學習樣本，然而這些樣本的獲取具有一定難度。文獻[18-20]在續流總回路和直流母線分別安裝了電流傳感器，通過電流傳感器電流和PWM信號實現了主開關器件MOSFET的短路和開路故障診斷；由于該方法沒有檢測相繞組電流，故對故障相的識別診斷存在一定困難。

筆者分析了功率變換器主開關器件的故障類型，分別推導出正常和故障狀態下相繞組電流的解析解；結合PWM驅動信號和直流母線電流確定出故障檢測方案；最后，利用Matlab/Simulink模塊對短路和開路故障狀態下的功率變換器進行了仿真。

1 功率變換器主電路及其故障類型

以一臺12/8極開關磁阻電機驅動系統的三相不對稱半橋型功率電路為研究對象，如圖1(a)所示。

圖1 功率變換器主電路Fig.1 The main circuit structure of power converter

不對稱半橋型功率電路相間互不影響，容錯能力強，當其中一相繞組發生故障時，其余兩相仍能正常工作，電機最大可輸出2/3倍的額定功率，可靠性較高。以圖1(a)中A相繞組為例，主開關器件上管T1,下管T2分別為A相繞組的斬波管和位置導通管，對應的驅動信號為圖1(b)中Pas和Pax。

圖1(b)中，區間AI，AII為A相繞組導通區間，此時，T2導通，T1斬波。Pas=1時，A相繞組兩端電壓為正壓；Pas=0時，A相繞組兩端電壓為零；正壓電流通路和零壓續流通路如圖1(c)所示。同時，在區間AI，C相繞組為反壓續流狀態；在區間AII，C相繞組續流結束，電流為零，A相繞組單獨工作直至B相繞組導通。圖1(b)中，在BI區，A相繞組反壓續流，T1，T2均關斷，其反壓續流通路如圖1(c)所示。

主開關器件有短路和開路兩種故障，具體到不對稱半橋型功率變換器，其故障類型包括T2短路故障，T1短路故障，T1，T2雙管短路故障，T2開路故障，T1開路故障以及T1，T2雙管開路故障，其對應的故障電流通路如圖2所示。由于續流二極管D1，D2的開關頻率遠遠低于主開關器件T1，T2，故障概率較小，本文暫且忽略。

圖2 功率變換器故障類型Fig.2 Fault type of power converter

2 基于線性模型的相繞組電流的解析分析

2.1 正常狀態下電流的解析分析

不計電機磁路飽和影響，且忽略磁場的邊緣擴散效應，通過公式推導得出基于線性模型的相繞組電流在IGBT不同工作區間的解析解。

由Ψ=L(θ)及dθ/dt=ω得

(1)

其中，Up為相繞組兩端電壓；Ψ為相繞組磁鏈；i為相繞組電流；L為相繞組電感。正常狀態下，在AI，AII區間，若Pas=1，則A相處于正壓狀態，繞組兩端電壓Up為直流母線電壓Ud；若Pas=0，則A相處于零壓續流狀態，Up為0。在B，C相繞組導通區間，A相處于反壓續流狀態，Up為-Ud。電流分析如下:

(1)在AI，AII區間，即A相繞組導通期間，也即圖1(b)中轉子位置為θon～θoff時，有Up=DUd(D為PWM斬波的占空比)，其電流解析式為

(2)

(2)在BI區間，即A相繞組續流期間，也即圖1(b)中轉子位置為θoff～θc時，Up=-Ud，則有

(3)

此續流階段，θ=(D+1)θoff-Dθon時，i(θ)將降為0。

2.2 主開關器件故障狀態下電流的解析分析

2.2.1位置導通管T2短路故障電流分析

(1)在AI，AII區間，即A相繞組導通期間，也即轉子位置為θon～θoff時，Up=DUd，i(θ)不變，仍為式(2)

(2)在BI區間，即A相繞組續流期間，也即轉子位置為θoff～θc時，Up=0，其電流解析式為

(4)

位置導通管短路后，A相繞組電流下降速度將因不能反壓續流而變慢，電流將可能持續到電感下降區，從而產生一定的制動轉矩。

2.2.2斬波管T1短路故障電流分析

(1)在AI，AII區間，即A相繞組導通期間，也即轉子位置為θon～θoff時，Up=Ud，則有

(5)

在此階段，正壓占空比固定為100%，與式(2)相比有所增加。

(2)在BI區間，即A相繞組續流期間，也即轉子位置為θoff～θc時，Up=0，其電流解析式為

(6)

與位置導通管T2短路類似，A相繞組電流下降速度也將因不能反壓續流而變慢，但由于續流初始電流相對較大，電流續流時間將更長，從而產生比位置導通管T2短路時更大的制動轉矩。

(3)當T1,T2雙管短路時，Up恒為Us，i(θ)迅速增大至極大值，驅動系統將進行過電流保護。

(4)當主開關器件發生開路故障時，相繞組電流為0，故障特征明顯。

3 功率變換器的故障檢測方案

功率變換器相間電路以及SRM本體相間磁路完全對稱，三相電流對母線電流的影響相同。通過檢測相繞組電流可判別出故障相，然后根據下述方案可進一步判別出故障相主開關器件短路和開路故障。

以A相繞組為例，對正常及不同故障情況下直流母線電流Idr變化趨勢分析如下:T2發生短路故障后，在BI區間，A相繞組不能反壓續流，Idr從0逐漸增加，與正常狀態下Idr值由負變正的情況不同。T1發生短路故障后，A相繞組無法正常斬波，在AII區間，Idr恒為正值，與正常狀態下A相繞組零壓續流Idr為0的情況不同；在BI區間，Idr從0逐漸增加，與正常狀態下Idr值由負變正的情況不同。T1,T2發生雙管短路故障后，在AII區間，與正常狀態下A相繞組零壓續流Idr為0的情況不同，Idr恒為正值；在BI區間，與正常狀態下Idr值由負變正的情況不同，其電流恒為正值。T2發生開路故障，T1發生開路故障或T1,T2發生雙管開路故障，相繞組無法構成勵磁回路，AII區間，Idr保持為0，與正常狀態下A相繞組正壓續流Idr大于0的情況不同。

表1為正常及故障狀態下，根據以上分析情況，對Idr變化趨勢數字化處理后的結果。

表1功率變換器故障檢測方案
Table1Faultdiagnosisschemeofpowerconverter

工作狀態AI區間Pas=1Pas=0AII區間Pas=1Pas=0BI區間Pbs=1Pbs=0正常Idr—-110—-1T2短路Idr—-11010T1短路Idr——1110雙管短路Idr——1111開路Idr-1-10010

注:1，0,-1分別表示正向、零和反向電流；—表示方向不能確定。

由表1可知，T2短路故障，T1短路故障，T1，T2雙管短路故障的故障特征不同，可根據故障特征判別短路故障的類型。判別方法如下:若BI區間Idr恒為正值，則發生T1，T2雙管短路故障；若AII區間Idr恒為正值，且BI區間Pbs=0時Idr為0，則T1發生短路故障；若AII區間，Pas=1時Idr為正值，Pas=0時Idr為0，且BI區間Pbs=0時Idr為0，則T2發生短路故障。T2開路故障，T1開路故障，T1，T2雙管開路故障時，在AII區間，Idr保持為0，因此開路故障特征與短路故障不同。通過開路故障特征可以識別出開路故障相，但無法判別出開路故障類型。

由表1分析可知，通過PWM驅動信號和Idr電流確定出的故障判別流程如圖3所示，此方案可檢測并判別出A相主開關器件短路和開路故障。類似地，可結合B，C相PWM驅動信號分別對B，C相主開關器件的短路和開路故障進行判別。

圖3 故障檢測流程Fig.3 Program of fault detection

4 功率變換器故障檢測方案仿真驗證

4.1 仿真模型

在Matlab仿真軟件中搭建開關磁阻電機驅動系統的非線性仿真模型，該模型包括:控制器，功率變換器，位置信號、電流信號檢測及SRM本體。A相繞組故障仿真模型如圖4所示。

圖4 A相繞組故障仿真模型Fig.4 The fault simulation model of winding A

調整模型中Switch前的輸入信號可改變功率變換器主開關器件的驅動信號，來模擬IGBT短路和開路故障，得出仿真波形，對上述理論進行驗證。

4.2 正常狀態下電流波形

模型實驗條件為空載，給定轉速為1500r/min，開通角為0°，關斷角為15°，上管為斬波管，下管為位置導通管。正常狀態電流波形如圖5所示，圖中4條豎線標出了AI，AII和BI三個區間。在AI，AII區間，位置導通管T2導通，A相繞組正壓導通，即斬波管T1導通時，ia逐漸增大，Idr為正值；A相繞組零壓續流，即T1關斷時，ia有所減小，但整體趨勢是上升的，Idr為0。在BI區間，A相繞組反壓續流，即T1，T2同時關斷時，ia迅速下降至0，B相繞組正壓導通時，Idr為正值，B相繞組零壓續流時，Idr為負值。

圖5 功率變換器正常情況下的波形Fig.5 Waveforms under normal condition

4.3 主開關器件故障狀態下電流波形

主開關器件故障狀態下Pas，Pax，Idr以及ia仿真波形如圖6所示。

(1)位置導通管T2短路故障電流波形。由圖6(a)可知，位置導通管T2短路后，AII區間Pas=1時Idr為正值、Pas=0時Idr為0，且BI區間Pbs=0時Idr為0。

(2)斬波管T1短路故障電流波形。由圖5(b)可知，斬波管T1短路后，AII區間Pas=0時Idr為正值，且BI區間Pbs=0時Idr為0。

(3)由圖6(c)可知T1，T2雙管短路后，BI區間Pas=0時Idr為正值。

(4)由圖6(d)，(e)，(f)可知，開路故障后，A相繞組無勵磁回路，ia為0，故障特征明顯。AII區間，Idr保持為0。仿真波形與理論推導結果一致。

由上述可知，主開關器件短路和開路的仿真結果與理論分析結果相吻合，能夠識別出故障相，并判別出故障相的類型，證明了故障檢測方案的可行性。

圖6 功率變換器故障情況下的波形Fig.6 Waveforms under fault conditions

5 結 論

(1)分析了三相不對稱半橋型功率變換器主開關器件短路和開路故障表現形式，推導了不同工況下相繞組電流的解析解，討論了主開關器件正常、短路及開路故障情況下直流母線電流的變化規律。

(2)提出了主開關器件的故障檢測方案，通過檢測各工作區間直流母線電流的狀態，結合PWM驅動信號，判別出故障相和故障類型，實現了主開關器件短路和開路故障的檢測與定位。

(3)利用Matlab對功率變換器進行故障仿真和故障判別，仿真結果驗證了方案的可行性，為開關磁阻電機驅動系統的故障診斷提供了理論和實踐參考。

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Faultdetectionmethodforpowerconverterofswitchedreluctancedrive

JIN Zhi-xin，SONG Jian-cheng，QU Bing-ni，ZHANG Zhong-hua

(ShanxiKeyLaboratoryofCoalMiningEquipmentandSafetyControl,TaiyuanUniversityofTechnology,Taiyuan030024,China)

The failure of normal excitation or freewheeling often occurs when power converter is damaged.The fault type was then analyzed in an asymmetric half-bridge converter,applied to a 12/8switched reluctance drive(SRD).The analytical solution of the phase winding current was obtained by formula derivation under nomal and fault conditions.Ditailed discussions were presented about the amplitude changes of the DC bus current and its digital analysis results under different work conditions.The short-circuit and open-circuit fault detect method of transistors was also proposed，which was connected to the voltage pulse width modulation(PWM)signals and the DC bus current.A model was used to build the pattern of the power converter of SRD system and the simulation has been implemented with matlab.The short-circuit and open-circuit fault simulation result of transistors are agreement with the theoretical analysis results.The detect method can identify the fault phase and determine the fault type.As a result,it has been proved that the method is effective.

switched reluctance drive(SRD)；power converter；main switches；fault detect

10.13225/j.cnki.jccs.2013.0145

山西省自然科學基金資助項目(2012011027-2)

靳志欣(1987—)，女，河北石家莊人，碩士研究生。E-mail:hbjinzhixin@163.com。通訊作者:曲兵妮(1974—)，女，山西運城人，副教授，博士。E-mail:463482400@qq.com

TD614;TM352

A

0253-9993(2014)01-0186-06

靳志欣，宋建成，曲兵妮,等.開關磁阻電機驅動系統功率變換器的故障檢測[J].煤炭學報,2014,39(1):186-191.

Jin Zhixin，Song Jiancheng，Qu Bingni,et al.Fault detection methodfor power converter of switched reluctance drive[J].Journal of China Coal Society,2014,39(1):186-191.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2013.0145