河北工业大学科研人员孙德博、胡艳芳等开关磁阻电机调速系统故障诊断和容错控制方法研究现状及展望

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开关磁阻电念头（SRM）具有靠得住性高、制作本钱低、相应速率快和布局简单等长处，但过热、湿润和过电压等繁杂外部情况，以及运行进程中频仍起停、频仍加减速、负载变化等多反复杂工况，容易导致SRM、功率变换器或各种传感器呈现故障，加剧过电流、转矩脉动和噪声等问题，影响电机调速体系正常事情，是以异常有需要开睁开关磁阻电机调速体系（SRD）靠得住性研讨。 河北省电磁场与电器靠得住性重点试验室（河北工业年夜学）、省部共建电工设备靠得住性与智能化国度重点试验室（河北工业年夜学）的研讨职员孙德博、胡艳芳、牛峰、李永建，在2022年第9期《电工技术学报》上撰文，联合海内外SRD靠得住性研讨的文献，从功率变换器、电机本体和检测器三个方面分离进行阐发，周全探讨今朝有关开关磁阻电机调速体系故障诊断和容错节制办法的原理、实用规模以及优毛病。末了对SRD故障诊断和容错节制计划的成长趋向进行猜测。

开关磁阻电机调速体系（Switched Reluctance motor Drive system, SRD）主要由开关磁阻电念头（Switched Reluctance Motor, SRM）、功率变换器、检测单位和节制器等部门构成，其根本布局如图1所示。

图1 开关磁阻电机调速体系根本布局

此中，SRM卖力实现机电能量转换，是一种双凸极布局电机，转子既无绕组也无永磁体，布局简单、靠得住性高、容错才能强，可利用于跨越500℃的航空航天、高粉尘等较为恶劣的情况，以及电动汽车、高速主轴和飞轮储能体系等靠得住性要求较高的场所；功率变换器卖力对电源提供的能量进行转换后提供应SRM，在SRD中盘踞紧张位置，其机能直接决议SRD的机能；电流检测和地位检测分离为体系提供运行时需要的电流和地位信息；节制器依据给定旌旗灯号以及检测环节反馈的电流和地位信息，决议功率变换器开关管的导通关断状况。

只管SRD整体靠得住性较高，但繁杂的运行情况和运行工况也会使体系发生故障。起首，电机过载运行或操作欠妥会使绕组过电流、老化，导致匝间短路、相间短路或开路等故障；同时，电机在制作加工进程中工艺程度受限可能会导致气隙偏爱。功率变换器中的半导体器件在低速运行时，因为永劫间事情在斩波状况，容易呈现开路或短路故障。

另外，SRD运行时通常必要进行地位检测和电流检测等，由此而引入的各类传感器在湿润、过热、粉尘等恶劣情况下容易呈现旌旗灯号延迟或缺失等故障，低落体系鲁棒性，影响体系正常运行。

从以上阐发可以看出，在SRD各构成部门中，电机本体、功率变换器和各种传感器在体系运行进程中均可能呈现响应的故障，引起体系运行不稳固，乃至导致严重事故。是以，为了进一步进步SRD靠得住性，保障电力拖动体系在故障状况下不至于瘫痪，最年夜水平低落故障引起的职员和装备毁伤，异常有需要对SRD的靠得住性进行研讨。

故障诊断和容错节制是研讨体系靠得住性必弗成少的两个环节：故障诊断是体系在产生故障时进行检测和分别故障的技术，只有准确断定出故障类型和故障器件，能力采取响应的容错节制策略；容错节制是体系产生故障时可自立调整的技术，分为被动容错节制和自动容错节制，此中，被动容错节制不依附故障诊断技术，其容错才能异常有限，而自动容错节制则在故障诊断环节得到故障信息后采取节制策略，可以很年夜水平进步体系容错才能。

故障诊断是容错节制的条件，只有两者有机联合，才可保证体系平安运行。是以，本文从故障诊断和容错节制两个方面临SRD的靠得住性进行阐述。

有学者将SRD故障诊断办法分为数学变换办法、数字法和试错法三类；容错节制办法分为基于地位旌旗灯号辅助办法、基于硬件辅助办法和智能算法三类。这种从数学物理角度分类的方式逻辑性强，但必要树立在已初步判别故障部件的根基上，而在现实电机体系中，分歧环节的故障可能具有类似的体系表示，如功率变换器开关管开路故障与绕组开路故障均会导致故障相电流缺失、输出转矩减小等，并非可以或许易如反掌定位故障单位。

因而本文依照SRD的根本构成，在阐发分歧故障环节物理变化特性的根基上，综合对照分歧故障诊断和容错节制办法优毛病、实用工具和规模，从电机本体、功率变换器和检测单位三个方面，具体论述上述各部门故障诊断和容错节制策略的研讨近况及成长动态，旨在为摸索SRD分歧部件的新型故障诊断和容错节制办法提供思绪。

鉴于节制器的焦点部门是微处置器，其输入、输出端一样平常均设有隔离和掩护电路，事情时不打仗年夜电流或高电压，且周详度极高，失效力远低于其他元器件，使得其靠得住性极高，在故障阐发进程中通常疏忽其故障，是以本文未涉及有关节制器故障诊断和容错节制办法的内容。

1 SRD功率变换器故障诊断和容错节制办法

图1所示构成SRD的各部门中，功率变换器最易产生故障，缘故原由在于功率变换器主要由功率开关管和二极管等电子元器件组成，在电机运行进程中连续蒙受高电压和年夜电流。功率变换器主电路拓扑布局或各元器件的作用分歧，也会影响其靠得住性，研讨注解纰谬称半桥式功率变换用具有最高的靠得住性，且开关管对功率变换器靠得住性的影响最年夜。

功率变换器故障主要表示为开关管的开路或短路故障。在软斩波节制方式下，开关管一样平常有两种事情方式，一种为单脉冲导通方式，即开关管在开通和关断地位之间坚持导通状况；另一种为开关管在此时代通以一系列脉冲旌旗灯号以实现电流、转矩或转速的节制。本文将采纳第一种事情方式的开关管称为地位管，采纳第二种事情方式的开关管称为斩波管。因为两个开关管的作用和事情方式分歧，故两种开关管的故障产生率和诊断办法也分歧。

1.1 故障诊断

依据故障产生时特性变量的分歧，本文将功率变换器故障诊断办法归纳为基于电流变化检测和基于故障评代价提取的故障诊断办法。

1.1.3 小结

表1对功率变换器故障诊断办法进行了总结，从可定位的故障类型、是否转变功率变换器拓扑布局、算法繁杂度和优毛病五个方面进行了对照。

从表中可以看出：①故障诊断计划一样平常不必要转变功率变换器拓扑布局，办法通用性较好；②整体来看，故障评代价提取算法较繁杂；③必要应用阈值进行断定的计划，因阈值均为履历值，容易呈现误诊断。

表1 功率变换器故障诊断办法对照

1.2 容错节制

针对功率变换器故障的容错节制办法可从硬件和软件两方面动身，即改良功率变换器拓扑或采纳合理的节制策略。

1.2.3 小结

表2对进步功率变换器容错节制办法进行了总结，从针对的故障类型、是否转变功率变换器拓扑布局、算法繁杂度、所用开关管数目和优毛病六个方面进行了对照。

从表中可以看出：①与故障诊断计划相比，容错节制经由过程转变功率变换器拓扑布局的计划多是添加备用开关管；②容错节制算法相对简单，效力较高；③针对短路故障进行容错节制时，通常必要的继电器数目较多，接线相对繁杂；④仅靠容错拓扑布局对短路故障实现容错节制，容易引起相间电压不屈衡问题。

表2 功率变换器容错节制办法对照

表2（续）

2 SRM故障诊断和容错节制办法

SRM布局简单，是SRD中靠得住性较高的部门，但电机定子齿极缠有集中式绕组，绕组容易因绝缘老化、高温、高湿等因素呈现相间短路、开路以及匝间短路等故障，且功率变换器短路故障导致的电流过年夜将加剧绕组故障；另外，依据有关文献，集中式绕组电机的靠得住性与电机相数成比例关系，即电机相数越少，靠得住性越低。是以，绕组故障尤其对少相数的电机影响较年夜。

此外，受制作工艺限定，电机在加工和不正常运行进程中引起的气隙偏爱也是常见故障之一。绕组故障和蔼隙偏爱故障是SRM故障类型中最常见的两种，两者都邑使转子蒙受径向不屈衡磁拉力，而径向不屈衡磁拉力是转矩脉动增年夜、噪声增年夜等问题的主要起源。

另外，两种故障之间互相作用，绕组呈现故障后，转子容易在径向不屈衡磁拉力的作用下产生偏移，从而引起或加剧气隙偏爱故障；当气隙偏爱故障呈现后，气隙磁通密度变得不平均，导致绕组蒙受的应力也不平均，此中蒙受较年夜电磁力的线圈绕组便容易呈现变形乃至断裂。作者针对SRM故障，从以上两种常见故障类型进行分类阐述。

2.1 绕组故障

SRM定转子为双凸极布局，转子无绕组，定子上有集中绕组，是以绕组故障仅会呈现在定子侧。为了防止因转子受力不平均造成转矩脉动增年夜，引起噪声和损耗等问题，SRM的定转子齿数皆为偶数，然而绕组产生故障时，转子径向受力会变得不屈衡，严重影响电机的正常运行。

2.1.2 小结

表3对绕组故障诊断和容错节制办法进行了总结，从实用场所、针对的故障类型、是否转变功率变换器拓扑布局、算法繁杂度和优毛病六个方面进行了对照。从表3中可以看出：转变功率变换器拓扑布局的节制策略，通用性较差；但容错节制算法较为简单，所需计算光阴短；康健相赔偿策略不克不及彻底办理故障，可在短光阴内作为缓冲步伐。

表3 绕组故障诊断与容错节制办法对照

2.2 气隙偏爱故障

气隙偏爱故障是指电机定子或转子中心地位呈现偏离，分为三种类型：静态偏爱故障、动态偏爱故障和混合故障，如图2所示。静态偏爱指转子中心与扭转中心重合，但它们不与定子中心重合；动态偏爱指定子中心与扭转中心重合，但它们不与转子中心重合；混合偏爱是静态偏爱和动态偏爱的叠加，定、转子中心与扭转中心均不重合。气隙偏爱故障将造成定子与转子间气隙散布不平均，使转子蒙受不屈衡径向力，从而进一步加深偏爱故障水平并加剧电机的振动和噪声，乃至使定转子产生扫膛。

图2 气隙偏爱类型

2.2.2 小结

表4对气隙偏爱故障诊断和容错节制办法进行了总结，从实用场所、是否转变电机本体布局、算法繁杂度和优毛病五个方面进行了对照。从表4中可以看出：①脉冲旌旗灯号注入法必要检测感应电压或电流，会增年夜开关管损耗，激发电磁滋扰；②可对常见的三种气隙偏爱故障类型实现周全诊断，得当用于对新出厂电机做检测查验；③均在离线状况下进行诊断，不易实如今线诊断；④对付容错节制计划，一样平常必要转变电机本体布局，通用性受到限定。

3 SRD检测单位故障诊断和容错节制办法

SRM根据磁阻变化运行，其电感、磁链等物理量是电流和转子地位的非线性函数，在进行电机体系建模、阐发和节制时通常必要及时、精确的电流和转子地位信息。SRD检测单位主要包含电传播感器、电压传感器和地位传感器三部门。电传播感器和电压传感器向节制器提供电流和电压信息，地位传感器向节制器提供地位信息，节制器依据三者所提供的信息节制开关管开通或关断。若此中任一传感器故障，电机节制体系都邑受到影响。

表4 气隙偏爱故障诊断和容错节制办法对照

电流和电压传感器的故障主要有偏置故障和旌旗灯号缺失。偏置故障会使电流或电压信息发生误差，旌旗灯号缺失故障会使电流或电压信息丧失，两种环境均会导致体系节制后果欠安。地位传感器的常见故障包含旌旗灯号丧失、延迟或提前等。当旌旗灯号丧失时，节制器无法得到电流、电压或转子地位信息，便无法节制开关管的开通和关断；当旌旗灯号延迟或提前时，节制器获得差错的地位和电压电流信息，使开关管在差错的时候动作。以上三种故障皆会引起SRM转矩脉动增长、噪声增年夜等问题。

小结

表5对传感器故障诊断和容错节制办法进行了总结，从实用场所、实用的故障类型、算法繁杂度和优毛病五个方面进行了对照。从表中可以看出：①传感器故障诊断和容错节制办法一样平常不需转变功率变换器拓扑布局，通用性强且算法较简单；②磁饱和征象是无地位传感器节制策略中比拟辣手的问题，其会引起磁链波形产生变化，而今朝多半计划没有斟酌磁饱和问题，以是容易存在检测偏差；③电流颠簸、转速颠簸和负载变化容易对节制策略发生晦气影响，应该合理拔取阈值或削减履历性阈值的使用，低落参数颠簸发生的偏差。

表5 传感器故障诊断与容错节制办法对照

表5（续）

4 总结与瞻望

本文从功率变换器、电机本体、检测单位三个方面概述了开关磁阻电机调速体系现有故障诊断和容错节制办法。功率变换器靠得住性最低，主要故障诊断计划包含基于电流检测和基于故障评代价提取两类，经由过程转变拓扑布局和采取合理的节制策略可进步其容错机能。

电机本体故障主要包含绕组故障和蔼隙偏爱故障两种，此中，绕组故障诊断计划以匝间短路和相间短路为主，绕组容错节制计划主要针对绕组开路，同时可以晋升功率变换器容错机能；偏爱故障诊断多经由过程注入脉冲旌旗灯号实现，而进步偏爱故障下的容错机能可经由过程转变电机本体布局实现。

检测单位故障主要包含电传播感器、电压传感器和地位传感器故障，此中以地位传感器故障容错节制办法为主，而无地位传感器计划多被用来晋升地位传感器容错机能。

综上所述，将来SRD故障诊断办法可从以下几个方面开展：

1）故障评代价提取办法可以以直观的数字化的情势体现故障，然而当前许多办法所提取的故障评代价无法准确定位开路故障，是以必要对开关管开路故障进行针对性的研讨。

2）在任何利用场所下都有需要赓续缩短诊断光阴，故仍旧必要继续摸索诊断速率快、计算量小的计划。

3）离线诊断计划不克不及及时获取体系运行信息，诊断光阴存在延迟，不克不及有用保证体系安稳运行，必要研讨快速准确的在线诊断办法。

4）今朝多半计划只能针对单一故障进行诊断，因为某一处故障可能会引起其他部件故障，是以，必要摸索实用于复合故障诊断的计划。

在SRD容错节制方面，可开展的研讨如下：

1）转变功率变换器拓扑布局是进步其容错机能的常用办法，而今朝年夜部门计划经由过程添加元器件转变拓扑，晦气于与市场连接和工业年夜范围临盆，是以有需要继续研讨新型集成化功率拓扑。

2）功率变换器和绕组故障、多相故障、多传感器故障等复合故障对体系正常运行发生的影响较年夜，是以应该针对复合故障来研讨新型容错节制计划。

3）当前无地位传感器节制策略受限于磁饱和和转速变化等问题而没有获得周全利用，以是必要研讨不受非线性问题影响且实用于全转速规模的无地位传感器节制策略。

4）神经收集、蚁群算法等办法不必要树立电机数学模子，可以办理SRM难以树立精准非线性数学模子问题，跟着智能节制算法的成长，此类办法在开关磁阻电机调速体系容错节制方面具有辽阔的利用远景。

本文编自2022年第9期《电工技术学报》，论文题目为“开关磁阻电机调速体系故障诊断和容错节制办法研讨近况及瞻望”。本课题获得了河北省高等黉舍科学技术研讨重点项目、中间领导处所科技成长资金项目和河北工业年夜学省部共建电工设备靠得住性与智能化国度重点试验室项目资助的支撑。

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