開關磁阻電機調速系統故障診斷和容錯控制方法的研究現狀及展望

開關磁阻電動機(SRM)具有可靠性高、製造成本低、響應速度快和結構簡單等優點,但過熱、潮溼和過電壓等複雜外部環境,以及執行過程中頻繁起停、頻繁加減速、負載變化等多重複雜工況,容易導致SRM、功率變換器或各類感測器出現故障,加劇過電流、轉矩脈動和噪聲等問題,影響電機調速系統正常工作,因此非常有必要開展開關磁阻電機調速系統(SRD)可靠性研究。

河北省電磁場與電器可靠性重點實驗室(河北工業大學)、省部共建電工裝備可靠性與智慧化國家重點實驗室(河北工業大學)的研究人員孫德博、胡豔芳、牛峰、李永建,在2022年第9期《電工技術學報》上撰文,結合國內外SRD可靠性研究的文獻,從功率變換器、電機本體和檢測器三個方面分別進行分析,全面探究目前有關開關磁阻電機調速系統故障診斷和容錯控制方法的原理、適用範圍以及優缺點。最後對SRD故障診斷和容錯控制方案的發展趨勢進行預測。

開關磁阻電機調速系統故障診斷和容錯控制方法的研究現狀及展望

開關磁阻電機調速系統(Switched Reluctance motor Drive system, SRD)主要由開關磁阻電動機(Switched Reluctance Motor, SRM)、功率變換器、檢測單元和控制器等部分組成,其基本結構如圖1所示。

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圖1 開關磁阻電機調速系統基本結構

其中,SRM負責實現機電能量轉換,是一種雙凸極結構電機,轉子既無繞組也無永磁體,結構簡單、可靠性高、容錯能力強,可應用於超過500℃的航空航天、高粉塵等較為惡劣的環境,以及電動汽車、高速主軸和飛輪儲能系統等可靠性要求較高的場合;功率變換器負責對電源提供的能量進行轉換後提供給SRM,在SRD中佔據重要地位,其效能直接決定SRD的效能;電流檢測和位置檢測分別為系統提供執行時必要的電流和位置資訊;控制器根據給定訊號以及檢測環節反饋的電流和位置資訊,決定功率變換器開關管的導通關斷狀態。

儘管SRD整體可靠性較高,但複雜的執行環境和執行工況也會使系統產生故障。首先,電機過載執行或操作不當會使繞組過電流、老化,導致匝間短路、相間短路或開路等故障;同時,電機在製造加工過程中工藝水平受限可能會導致氣隙偏心。功率變換器中的半導體器件在低速執行時,由於長時間工作在斬波狀態,容易出現開路或短路故障。

另外,SRD執行時通常需要進行位置檢測和電流檢測等,由此而引入的各種感測器在潮溼、過熱、粉塵等惡劣環境下容易出現訊號延遲或缺失等故障,降低系統魯棒性,影響系統正常執行。

從以上分析可以看出,在SRD各組成部分中,電機本體、功率變換器和各類感測器在系統執行過程中均可能出現相應的故障,引起系統執行不穩定,甚至導致嚴重事故。因此,為了進一步提高SRD可靠性,保障電力拖動系統在故障狀態下不至於癱瘓,最大程度降低故障引起的人員和裝置損傷,非常有必要對SRD的可靠性進行研究。

故障診斷和容錯控制是研究系統可靠性必不可少的兩個環節:故障診斷是系統在發生故障時進行檢測和分離故障的技術,只有精確判斷出故障型別和故障器件,才能採取相應的容錯控制策略;容錯控制是系統發生故障時可自主調整的技術,分為被動容錯控制和主動容錯控制,其中,被動容錯控制不依賴故障診斷技術,其容錯能力非常有限,而主動容錯控制則在故障診斷環節獲得故障資訊後採取控制策略,可以很大程度提高系統容錯能力。

故障診斷是容錯控制的前提,只有兩者有機結合,才可保證系統安全執行。因此,本文從故障診斷和容錯控制兩個方面對SRD的可靠性進行論述。

有學者將SRD故障診斷方法分為數學變換方法、數字法和試錯法三類;容錯控制方法分為基於位置訊號輔助方法、基於硬體輔助方法和智慧演算法三類。這種從數學物理角度分類的方式邏輯性強,但需要建立在已初步判別故障部件的基礎上,而在實際電機系統中,不同環節的故障可能具有相似的系統表現,如功率變換器開關管開路故障與繞組開路故障均會導致故障相電流缺失、輸出轉矩減小等,並非能夠輕而易舉定位故障單元。

因而本文按照SRD的基本組成,在分析不同故障環節物理變化特徵的基礎上,綜合對比不同故障診斷和容錯控制方法優缺點、適用物件和範圍,從電機本體、功率變換器和檢測單元三個方面,詳細闡述上述各部分故障診斷和容錯控制策略的研究現狀及發展動態,旨在為探索SRD不同部件的新型故障診斷和容錯控制方法提供思路。

鑑於控制器的核心部分是微處理器,其輸入、輸出端一般均設有隔離和保護電路,工作時不接觸大電流或高電壓,且精密度極高,失效率遠低於其他元器件,使得其可靠性極高,在故障分析過程中通常忽略其故障,因此本文未涉及有關控制器故障診斷和容錯控制方法的內容。

1 SRD功率變換器故障診斷和容錯控制方法

圖1所示組成SRD的各部分中,功率變換器最易發生故障,原因在於功率變換器主要由功率開關管和二極體等電子元器件構成,在電機執行過程中持續承受高電壓和大電流。功率變換器主電路拓撲結構或各元器件的作用不同,也會影響其可靠性,研究表明不對稱半橋式功率變換器具有最高的可靠性,且開關管對功率變換器可靠性的影響最大。

功率變換器故障主要表現為開關管的開路或短路故障。在軟斬波控制方式下,開關管一般有兩種工作方式,一種為單脈衝導通方式,即開關管在開通和關斷位置之間保持導通狀態;另一種為開關管在此期間通以一系列脈衝訊號以實現電流、轉矩或轉速的控制。本文將採用第一種工作方式的開關管稱為位置管,採用第二種工作方式的開關管稱為斬波管。由於兩個開關管的作用和工作方式不同,故兩種開關管的故障發生率和診斷方法也不同。

1.1 故障診斷

根據故障發生時特徵變數的不同,本文將功率變換器故障診斷方法歸納為基於電流變化檢測和基於故障評價值提取的故障診斷方法。

1。1。3 小結

表1對功率變換器故障診斷方法進行了總結,從可定位的故障型別、是否改變功率變換器拓撲結構、演算法複雜度和優缺點五個方面進行了對比。

從表中可以看出:①故障診斷方案一般不需要改變功率變換器拓撲結構,方法通用性較好;②整體來看,故障評價值提取演算法較複雜;③需要利用閾值進行判斷的方案,因閾值均為經驗值,容易出現誤診斷。

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表1 功率變換器故障診斷方法對比

1.2 容錯控制

針對功率變換器故障的容錯控制方法可從硬體和軟體兩方面出發,即改進功率變換器拓撲或採用合理的控制策略。

1。2。3 小結

表2對提高功率變換器容錯控制方法進行了總結,從針對的故障型別、是否改變功率變換器拓撲結構、演算法複雜度、所用開關管數量和優缺點六個方面進行了對比。

從表中可以看出:①與故障診斷方案相比,容錯控制透過改變功率變換器拓撲結構的方案多是新增備用開關管;②容錯控制演算法相對簡單,效率較高;③針對短路故障進行容錯控制時,通常需要的繼電器數量較多,接線相對複雜;④僅靠容錯拓撲結構對短路故障實現容錯控制,容易引起相間電壓不平衡問題。

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表2 功率變換器容錯控制方法對比

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表2(續)

2 SRM故障診斷和容錯控制方法

SRM結構簡單,是SRD中可靠性較高的部分,但電機定子齒極纏有集中式繞組,繞組容易因絕緣老化、高溫、高溼等因素出現相間短路、開路以及匝間短路等故障,且功率變換器短路故障導致的電流過大將加劇繞組故障;另外,根據有關文獻,集中式繞組電機的可靠性與電機相數成比例關係,即電機相數越少,可靠性越低。因此,繞組故障尤其對少相數的電機影響較大。

此外,受制造工藝限制,電機在加工和不正常執行過程中引起的氣隙偏心也是常見故障之一。繞組故障和氣隙偏心故障是SRM故障型別中最常見的兩種,兩者都會使轉子承受徑向不平衡磁拉力,而徑向不平衡磁拉力是轉矩脈動增大、噪聲增大等問題的主要來源。

另外,兩種故障之間相互作用,繞組出現故障後,轉子容易在徑向不平衡磁拉力的作用下發生偏移,從而引起或加劇氣隙偏心故障;當氣隙偏心故障出現後,氣隙磁通密度變得不均勻,導致繞組承受的應力也不均勻,其中承受較大電磁力的線圈繞組便容易出現變形甚至斷裂。作者針對SRM故障,從以上兩種常見故障型別進行分類論述。

2.1 繞組故障

SRM定轉子為雙凸極結構,轉子無繞組,定子上有集中繞組,因此繞組故障僅會出現在定子側。為了防止因轉子受力不均勻造成轉矩脈動增大,引起噪聲和損耗等問題,SRM的定轉子齒數皆為偶數,然而繞組發生故障時,轉子徑向受力會變得不平衡,嚴重影響電機的正常執行。

2。1。2 小結

表3對繞組故障診斷和容錯控制方法進行了總結,從適用場合、針對的故障型別、是否改變功率變換器拓撲結構、演算法複雜度和優缺點六個方面進行了對比。從表3中可以看出:改變功率變換器拓撲結構的控制策略,通用性較差;但容錯控制演算法較為簡單,所需計算時間短;健康相補償策略不能徹底解決故障,可在短時間內作為緩衝措施。

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表3 繞組故障診斷與容錯控制方法對比

2.2 氣隙偏心故障

氣隙偏心故障是指電機定子或轉子中心位置出現偏離,分為三種類型:靜態偏心故障、動態偏心故障和混合故障,如圖2所示。靜態偏心指轉子中心與旋轉中心重合,但它們不與定子中心重合;動態偏心指定子中心與旋轉中心重合,但它們不與轉子中心重合;混合偏心是靜態偏心和動態偏心的疊加,定、轉子中心與旋轉中心均不重合。氣隙偏心故障將造成定子與轉子間氣隙分佈不均勻,使轉子承受不平衡徑向力,從而進一步加深偏心故障程度並加劇電機的振動和噪聲,甚至使定轉子發生掃膛。

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圖2 氣隙偏心型別

2。2。2 小結

表4對氣隙偏心故障診斷和容錯控制方法進行了總結,從適用場合、是否改變電機本體結構、演算法複雜度和優缺點五個方面進行了對比。從表4中可以看出:①脈衝訊號注入法需要檢測感應電壓或電流,會增大開關管損耗,引發電磁干擾;②可對常見的三種氣隙偏心故障型別實現全面診斷,適合用於對新出廠電機做檢測檢驗;③均在離線狀態下進行診斷,不易實現線上診斷;④對於容錯控制方案,一般需要改變電機本體結構,通用性受到限制。

3 SRD檢測單元故障診斷和容錯控制方法

SRM依據磁阻變化執行,其電感、磁鏈等物理量是電流和轉子位置的非線性函式,在進行電機系統建模、分析和控制時通常需要實時、準確的電流和轉子位置資訊。SRD檢測單元主要包括電流感測器、電壓感測器和位置感測器三部分。電流感測器和電壓感測器向控制器提供電流和電壓資訊,位置感測器向控制器提供位置資訊,控制器根據三者所提供的資訊控制開關管開通或關斷。若其中任一感測器故障,電機控制系統都會受到影響。

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表4

電流和電壓感測器的故障主要有偏置故障和訊號缺失。偏置故障會使電流或電壓資訊產生偏差,訊號缺失故障會使電流或電壓資訊丟失,兩種情況均會導致系統控制效果不佳。位置感測器的常見故障包括訊號丟失、延遲或提前等。當訊號丟失時,控制器無法獲得電流、電壓或轉子位置資訊,便無法控制開關管的開通和關斷;當訊號延遲或提前時,控制器得到錯誤的位置和電壓電流資訊,使開關管在錯誤的時刻動作。以上三種故障皆會引起SRM轉矩脈動增加、噪聲增大等問題。

小結

表5對感測器故障診斷和容錯控制方法進行了總結,從適用場合、適用的故障型別、演算法複雜度和優缺點五個方面進行了對比。從表中可以看出:①感測器故障診斷和容錯控制方法一般不需改變功率變換器拓撲結構,通用性強且演算法較簡單;②磁飽和現象是無位置感測器控制策略中比較棘手的問題,其會引起磁鏈波形發生變化,而目前多數方案沒有考慮磁飽和問題,所以容易存在檢測誤差;③電流波動、轉速波動和負載變化容易對控制策略產生不利影響,應該合理選取閾值或減少經驗性閾值的使用,降低引數波動產生的誤差。

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表5

開關磁阻電機調速系統故障診斷和容錯控制方法的研究現狀及展望

表5(續)

4 總結與展望

本文從功率變換器、電機本體、檢測單元三個方面概述了開關磁阻電機調速系統現有故障診斷和容錯控制方法。功率變換器可靠性最低,主要故障診斷方案包括基於電流檢測和基於故障評價值提取兩類,透過改變拓撲結構和採取合理的控制策略可提高其容錯效能。

電機本體故障主要包括繞組故障和氣隙偏心故障兩種,其中,繞組故障診斷方案以匝間短路和相間短路為主,繞組容錯控制方案主要針對繞組開路,同時可以提升功率變換器容錯效能;偏心故障診斷多透過注入脈衝訊號實現,而提高偏心故障下的容錯效能可透過改變電機本體結構實現。

檢測單元故障主要包括電流感測器、電壓感測器和位置感測器故障,其中以位置感測器故障容錯控制方法為主,而無位置感測器方案多被用來提升位置感測器容錯效能。

綜上所述,未來SRD故障診斷方法可從以下幾個方面開展:

1)故障評價值提取方法可以以直觀的數字化的形式體現故障,然而當前很多方法所提取的故障評價值無法精確定位開路故障,因此需要對開關管開路故障進行針對性的研究。

2)在任何應用場合下都有必要不斷縮短診斷時間,故仍然需要繼續探索診斷速度快、計算量小的方案。

3)離線診斷方案不能實時獲取系統執行資訊,診斷時間存在延遲,不能有效保證系統平穩執行,需要研究快速精確的線上診斷方法。

4)目前多數方案只能針對單一故障進行診斷,由於某一處故障可能會引起其他部件故障,因此,需要探索適用於複合故障診斷的方案。

在SRD容錯控制方面,可開展的研究如下:

1)改變功率變換器拓撲結構是提高其容錯效能的常用方法,而目前大部分方案透過新增元器件改變拓撲,不利於與市場銜接和工業大規模生產,因此有必要繼續研究新型整合化功率拓撲。

2)功率變換器和繞組故障、多相故障、多感測器故障等複合故障對系統正常執行產生的影響較大,因此應該針對複合故障來研究新型容錯控制方案。

3)當前無位置感測器控制策略受限於磁飽和和轉速變化等問題而沒有得到全面應用,所以需要研究不受非線性問題影響且適用於全轉速範圍的無位置感測器控制策略。

4)神經網路、蟻群演算法等方法不需要建立電機數學模型,可以解決SRM難以建立精準非線性數學模型問題,隨著智慧控制演算法的發展,此類方法在開關磁阻電機調速系統容錯控制方面具有廣闊的應用前景。

本文編自2022年第9期《電工技術學報》,論文標題為“開關磁阻電機調速系統故障診斷和容錯控制方法研究現狀及展望”。本課題得到了河北省高等學校科學技術研究重點專案、中央引導地方科技發展資金專案和河北工業大學省部共建電工裝備可靠性與智慧化國家重點實驗室專案資助的支援。

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