开关磁阻电机驱动系统功率变换器的故障检测

靳志欣，宋建成，曲兵妮，张中华

(太原理工大学 煤矿装备与安全控制山西省重点实验室，山西 太原 030024)

开关磁阻电机驱动系统功率变换器的故障检测

靳志欣，宋建成，曲兵妮，张中华

(太原理工大学 煤矿装备与安全控制山西省重点实验室，山西 太原 030024)

针对功率变换器故障导致的故障相绕组不能正常励磁或续流的问题，以12/8极开关磁阻电机驱动系统三相不对称半桥型功率变换器为研究对象，分析其故障类型，推导出正常状态和故障状态下相绕组电流的解析解。讨论了不同工况下直流母线电流的变化规律及其数字化分析结果，并结合功率开关器件的PWM驱动信号和直流母线电流，提出了一种功率变换器主开关器件短路和开路故障检测方案。最后利用Matlab对功率变换器进行了故障仿真和故障判别，主开关器件短路和开路的仿真结果与理论分析结果相吻合，能够识别出故障相，并判别出故障相的故障类型，仿真结果验证了方案的可行性。

开关磁阻电机驱动系统；功率变换器；主开关器件；故障检测

开关磁阻电机(switched reluctance motor，SRM)具有结构简单、价格低廉、性能优良、可靠性高、容错性强等特点[1-6]，已成功应用于煤矿、航空、电车、纺织等众多领域[7]。

功率变换器主开关器件IGBT是整个系统最容易发生故障的薄弱环节[8-11]，研究表明功率变换器的故障占整个变频调速系统故障的82.5%[12]，其可靠性问题一直未能得到充分的解决[13]。运行过程中的过电压、过电流和过热等原因可能造成IGBT故障而使其可靠性失效，其常见故障为短路故障和开路故障。短路故障将导致相电流急剧上升或续流时间延长；开路故障将造成系统缺相运行，使输出转矩降低，影响系统输出性能。

目前，国内学者对开关磁阻电机驱动系统功率变换器故障的检测和诊断研究较少。文献[14-16]仿真分析定子绕组和功率变换器故障的发生对系统电流、转速和转矩脉动的影响，难点在于非线性仿真模型的建立，没有给出具有实用价值的、简便可行的故障检测方案。文献[17]结合遗传算法仿真分析SRM绕组故障以及功率管故障时相电流、转矩、转速的变化规律，该方法为故障分析提供了新思路，但前提是先得到大量的网络学习样本，然而这些样本的获取具有一定难度。文献[18-20]在续流总回路和直流母线分别安装了电流传感器，通过电流传感器电流和PWM信号实现了主开关器件MOSFET的短路和开路故障诊断；由于该方法没有检测相绕组电流，故对故障相的识别诊断存在一定困难。

笔者分析了功率变换器主开关器件的故障类型，分别推导出正常和故障状态下相绕组电流的解析解；结合PWM驱动信号和直流母线电流确定出故障检测方案；最后，利用Matlab/Simulink模块对短路和开路故障状态下的功率变换器进行了仿真。

1 功率变换器主电路及其故障类型

以一台12/8极开关磁阻电机驱动系统的三相不对称半桥型功率电路为研究对象，如图1(a)所示。

图1 功率变换器主电路Fig.1 The main circuit structure of power converter

不对称半桥型功率电路相间互不影响，容错能力强，当其中一相绕组发生故障时，其余两相仍能正常工作，电机最大可输出2/3倍的额定功率，可靠性较高。以图1(a)中A相绕组为例，主开关器件上管T1,下管T2分别为A相绕组的斩波管和位置导通管，对应的驱动信号为图1(b)中Pas和Pax。

图1(b)中，区间AI，AII为A相绕组导通区间，此时，T2导通，T1斩波。Pas=1时，A相绕组两端电压为正压；Pas=0时，A相绕组两端电压为零；正压电流通路和零压续流通路如图1(c)所示。同时，在区间AI，C相绕组为反压续流状态；在区间AII，C相绕组续流结束，电流为零，A相绕组单独工作直至B相绕组导通。图1(b)中，在BI区，A相绕组反压续流，T1，T2均关断，其反压续流通路如图1(c)所示。

主开关器件有短路和开路两种故障，具体到不对称半桥型功率变换器，其故障类型包括T2短路故障，T1短路故障，T1，T2双管短路故障，T2开路故障，T1开路故障以及T1，T2双管开路故障，其对应的故障电流通路如图2所示。由于续流二极管D1，D2的开关频率远远低于主开关器件T1，T2，故障概率较小，本文暂且忽略。

图2 功率变换器故障类型Fig.2 Fault type of power converter

2 基于线性模型的相绕组电流的解析分析

2.1 正常状态下电流的解析分析

不计电机磁路饱和影响，且忽略磁场的边缘扩散效应，通过公式推导得出基于线性模型的相绕组电流在IGBT不同工作区间的解析解。

由Ψ=L(θ)及dθ/dt=ω得

(1)

其中，Up为相绕组两端电压；Ψ为相绕组磁链；i为相绕组电流；L为相绕组电感。正常状态下，在AI，AII区间，若Pas=1，则A相处于正压状态，绕组两端电压Up为直流母线电压Ud；若Pas=0，则A相处于零压续流状态，Up为0。在B，C相绕组导通区间，A相处于反压续流状态，Up为-Ud。电流分析如下:

(1)在AI，AII区间，即A相绕组导通期间，也即图1(b)中转子位置为θon～θoff时，有Up=DUd(D为PWM斩波的占空比)，其电流解析式为

(2)

(2)在BI区间，即A相绕组续流期间，也即图1(b)中转子位置为θoff～θc时，Up=-Ud，则有

(3)

此续流阶段，θ=(D+1)θoff-Dθon时，i(θ)将降为0。

2.2 主开关器件故障状态下电流的解析分析

2.2.1位置导通管T2短路故障电流分析

(1)在AI，AII区间，即A相绕组导通期间，也即转子位置为θon～θoff时，Up=DUd，i(θ)不变，仍为式(2)

(2)在BI区间，即A相绕组续流期间，也即转子位置为θoff～θc时，Up=0，其电流解析式为

(4)

位置导通管短路后，A相绕组电流下降速度将因不能反压续流而变慢，电流将可能持续到电感下降区，从而产生一定的制动转矩。

2.2.2斩波管T1短路故障电流分析

(1)在AI，AII区间，即A相绕组导通期间，也即转子位置为θon～θoff时，Up=Ud，则有

(5)

在此阶段，正压占空比固定为100%，与式(2)相比有所增加。

(2)在BI区间，即A相绕组续流期间，也即转子位置为θoff～θc时，Up=0，其电流解析式为

(6)

与位置导通管T2短路类似，A相绕组电流下降速度也将因不能反压续流而变慢，但由于续流初始电流相对较大，电流续流时间将更长，从而产生比位置导通管T2短路时更大的制动转矩。

(3)当T1,T2双管短路时，Up恒为Us，i(θ)迅速增大至极大值，驱动系统将进行过电流保护。

(4)当主开关器件发生开路故障时，相绕组电流为0，故障特征明显。

3 功率变换器的故障检测方案

功率变换器相间电路以及SRM本体相间磁路完全对称，三相电流对母线电流的影响相同。通过检测相绕组电流可判别出故障相，然后根据下述方案可进一步判别出故障相主开关器件短路和开路故障。

以A相绕组为例，对正常及不同故障情况下直流母线电流Idr变化趋势分析如下:T2发生短路故障后，在BI区间，A相绕组不能反压续流，Idr从0逐渐增加，与正常状态下Idr值由负变正的情况不同。T1发生短路故障后，A相绕组无法正常斩波，在AII区间，Idr恒为正值，与正常状态下A相绕组零压续流Idr为0的情况不同；在BI区间，Idr从0逐渐增加，与正常状态下Idr值由负变正的情况不同。T1,T2发生双管短路故障后，在AII区间，与正常状态下A相绕组零压续流Idr为0的情况不同，Idr恒为正值；在BI区间，与正常状态下Idr值由负变正的情况不同，其电流恒为正值。T2发生开路故障，T1发生开路故障或T1,T2发生双管开路故障，相绕组无法构成励磁回路，AII区间，Idr保持为0，与正常状态下A相绕组正压续流Idr大于0的情况不同。

表1为正常及故障状态下，根据以上分析情况，对Idr变化趋势数字化处理后的结果。

表1功率变换器故障检测方案
Table1Faultdiagnosisschemeofpowerconverter

工作状态AI区间Pas=1Pas=0AII区间Pas=1Pas=0BI区间Pbs=1Pbs=0正常Idr—-110—-1T2短路Idr—-11010T1短路Idr——1110双管短路Idr——1111开路Idr-1-10010

注:1，0,-1分别表示正向、零和反向电流；—表示方向不能确定。

由表1可知，T2短路故障，T1短路故障，T1，T2双管短路故障的故障特征不同，可根据故障特征判别短路故障的类型。判别方法如下:若BI区间Idr恒为正值，则发生T1，T2双管短路故障；若AII区间Idr恒为正值，且BI区间Pbs=0时Idr为0，则T1发生短路故障；若AII区间，Pas=1时Idr为正值，Pas=0时Idr为0，且BI区间Pbs=0时Idr为0，则T2发生短路故障。T2开路故障，T1开路故障，T1，T2双管开路故障时，在AII区间，Idr保持为0，因此开路故障特征与短路故障不同。通过开路故障特征可以识别出开路故障相，但无法判别出开路故障类型。

由表1分析可知，通过PWM驱动信号和Idr电流确定出的故障判别流程如图3所示，此方案可检测并判别出A相主开关器件短路和开路故障。类似地，可结合B，C相PWM驱动信号分别对B，C相主开关器件的短路和开路故障进行判别。

图3 故障检测流程Fig.3 Program of fault detection

4 功率变换器故障检测方案仿真验证

4.1 仿真模型

在Matlab仿真软件中搭建开关磁阻电机驱动系统的非线性仿真模型，该模型包括:控制器，功率变换器，位置信号、电流信号检测及SRM本体。A相绕组故障仿真模型如图4所示。

图4 A相绕组故障仿真模型Fig.4 The fault simulation model of winding A

调整模型中Switch前的输入信号可改变功率变换器主开关器件的驱动信号，来模拟IGBT短路和开路故障，得出仿真波形，对上述理论进行验证。

4.2 正常状态下电流波形

模型实验条件为空载，给定转速为1500r/min，开通角为0°，关断角为15°，上管为斩波管，下管为位置导通管。正常状态电流波形如图5所示，图中4条竖线标出了AI，AII和BI三个区间。在AI，AII区间，位置导通管T2导通，A相绕组正压导通，即斩波管T1导通时，ia逐渐增大，Idr为正值；A相绕组零压续流，即T1关断时，ia有所减小，但整体趋势是上升的，Idr为0。在BI区间，A相绕组反压续流，即T1，T2同时关断时，ia迅速下降至0，B相绕组正压导通时，Idr为正值，B相绕组零压续流时，Idr为负值。

图5 功率变换器正常情况下的波形Fig.5 Waveforms under normal condition

4.3 主开关器件故障状态下电流波形

主开关器件故障状态下Pas，Pax，Idr以及ia仿真波形如图6所示。

(1)位置导通管T2短路故障电流波形。由图6(a)可知，位置导通管T2短路后，AII区间Pas=1时Idr为正值、Pas=0时Idr为0，且BI区间Pbs=0时Idr为0。

(2)斩波管T1短路故障电流波形。由图5(b)可知，斩波管T1短路后，AII区间Pas=0时Idr为正值，且BI区间Pbs=0时Idr为0。

(3)由图6(c)可知T1，T2双管短路后，BI区间Pas=0时Idr为正值。

(4)由图6(d)，(e)，(f)可知，开路故障后，A相绕组无励磁回路，ia为0，故障特征明显。AII区间，Idr保持为0。仿真波形与理论推导结果一致。

由上述可知，主开关器件短路和开路的仿真结果与理论分析结果相吻合，能够识别出故障相，并判别出故障相的类型，证明了故障检测方案的可行性。

图6 功率变换器故障情况下的波形Fig.6 Waveforms under fault conditions

5 结 论

(1)分析了三相不对称半桥型功率变换器主开关器件短路和开路故障表现形式，推导了不同工况下相绕组电流的解析解，讨论了主开关器件正常、短路及开路故障情况下直流母线电流的变化规律。

(2)提出了主开关器件的故障检测方案，通过检测各工作区间直流母线电流的状态，结合PWM驱动信号，判别出故障相和故障类型，实现了主开关器件短路和开路故障的检测与定位。

(3)利用Matlab对功率变换器进行故障仿真和故障判别，仿真结果验证了方案的可行性，为开关磁阻电机驱动系统的故障诊断提供了理论和实践参考。

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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

山西省自然科学基金资助项目(2012011027-2)

靳志欣(1987—)，女，河北石家庄人，硕士研究生。E-mail:hbjinzhixin@163.com。通讯作者:曲兵妮(1974—)，女，山西运城人，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.开关磁阻电机驱动系统功率变换器的故障检测[J].煤炭学报,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