基于电流分析的开关磁阻电机功率变换器故障检测方法

肖丽 范书瑞 王博文 申芳 董昊宇

摘 要：以开关磁阻电机不对称半桥型功率变换器为研究对象，提出一种该类电机不对称半桥型功率变换器主功率元件开路与短路故障综合在线检测方法。通过对开路与短路故障机理分析，挖掘故障相电流的奇异特征，揭示主功率元件开路与短路故障下各相电流差值畸变规律，提取故障特征量，提出并建立故障特征量集合，选取各相电流两两间差值为集合中诊断判定元素，设定诊断判据，实现故障发生、故障类型与故障相的诊断。再综合分析故障相电流的退磁时间占比与功率元件通断状态识别出故障元件。仿真与实验结果表明，该方法在不同工况下均可快速准确诊断出故障详情，且无需附加任何额外传感器。

关键词：故障检测；功率变换器；退磁时间占比；电流差值；开关磁阻电机

中图分类号：TM 315

文献标志码：A

文章编号：1007-449X（2018）04-0067-08

Abstract：A comprehensive on-line fault detection method for open-circuit and short-circuit faults is presented for the asymmetrical half-bridge power converter feeding switched reluctance motor. The study is focused on analyzing failure mechanism to excavate the singular feature of fault phase current and the difference between each current. The fault feature was extracted and a fault feature collection was proposed and founded， which included differences between each current， and were considered as diagnostic judgment element. And the diagnosis criterion was set to realize the diagnosis for the occurrence， type and location of the fault. Then based on the demagnetization time and on-off states of power elements of the fault phase， the fault component can be distinguished. The accuracy and effectiveness of the proposed detection method are validated with different conditions by the simulation results and experimental tests. Moreover， any additional sensors is not required.

Keywords：fault detection； power converter； demagnetization time； current difference； switched reluctance motor

0 引 言

开关磁阻电机（switched reluctance motor，SRM）转子既无永磁体也无绕组、控制灵活，已广泛应用于新能源汽车、风力发电装置、工业制造等诸多领域。与其他型电机相比，固有的容错能力是其突出优势之一。这虽在一定程度上提高了系统可靠性，但这并不意味着电机及其控制系统永无故障发生。尤其，对于机电系统中较为薄弱环节的功率变换器而言，其故障发生率占整个开关磁阻电机调速系统（SRD）82.5%[1]。而功率变换器是SRD重要组成部分之一，也是系统正常运行重要保障，其内部器件长期故障工作必将影响电机输出性能品质。

功率变换器各桥臂上的功率器件长期进行高频动作，往往因严重发热而受损，极易发生开路与短路这一常见故障[2]。功率管开路直接造成故障相电流下降至零。因此，根据电流波形畸变情况极易检测出故障发生与故障相，但却无法识别开路元件。功率管短路造成故障相电流幅值大大升高，但在实际应用中，功率变换电路被加以过流保护措施，抑制电流幅值升高[3-4]。因此，检测程序无法根据电流幅值变化情况诊断出短路故障发生。故其故障检测方法的研究具有重要理论意义与实际应用价值。

文献[5-6]基于傅立叶变换分析了功率管开路与短路故障相电流频谱变化规律，提出“相对谱比系数”概念，并以此作为故障特征量实现功率器件故障检测。该法虽可判断出故障类型，但未识别出故障元件。文献[7-8]分别在电机各桥臂下方功率管安装电压传感器实现故障元件识别，但增加额外传感器，且其数量随相数增多而增加，增加了系统复杂度与成本。文献[9]采用Blackman窗差值的快速傅立叶变換法提取直流母线电流故障特征，实现了单相与两相功率管开路故障检测。该文献虽在两相功率管故障检测方法研究方面有所突破，但仅涉及开路故障，且增加了额外传感器。文献[10-11]综合分析直流母线电流与续流总线电流故障畸变特征，提出一种电流信号数字化分析的功率管开路与短路故障在线检测法。该法在未增加额外传感器数量前提下，虽可全面诊断出故障详情，但不适用于高速运行时角度位置控制方式。文献[12]归纳电机正常状态与故障运行时直流母线电流、相电流畸变规律提取相应故障特征量，并综合分析故障时刻功率管通断状态，提出开路与短路故障检测方案，该方法能够在全调速范围内快速诊断出故障详情，但需在直流母线上安装一个额外的电流传感器。文献[13]对相电流进行小波包分解，选取小波包节点能量离散度作为故障特征量，诊断出故障详情，但小波包分解层数与节点数目选择不当将直接影响故障检测结果与速度。若层数与节点数过大，计算复杂度也越大，DSP处理空间消耗过多将直接影响在线诊断速度；若层数与节点数过小，则无法充分表现出故障特征量畸变规律，影响故障检测结果准确度。另外该法只可判断出故障相，而无法定位故障器件。

鉴于上述各检测方法特点，本文提取电机各相电流信号，经过处理求取各相电流两两差值，建立故障特征量集合，根据该集合内各诊断变量畸变规律，实现功率管故障发生、故障类型、故障相在线检测，并根据故障相电流退磁时间与功率器件通断状态识别出故障元件。该法在不增加额外传感器前提下，快速准确检测出故障详情。

1 故障模式分析与故障特征量提取

1.1 故障模式分析

本文以三相不对称半桥型功率变换器为例，图1为其拓扑结构。电机A、B、C三相绕组两端均连接IGBT功率管，分别构成励磁回路，并在两侧接两个二极管构成续流回路。

无论功率管发生开路或短路故障均会引起故障相电流发生明显变化[1-2，5]：实质上，功率管开路故障相当于阻断相绕组励磁回路，若上方功率管QU开路，励磁电流无法流经绕组电感，故障相电流立即下降为零；若下方功率管QL开路，励磁电流无法返回电源，而是经旁路二极管流经续流回路，由于存在续流，故障相电流不会瞬变为零，而是在短小时间间隔内逐渐变为零。而功率管短路故障相当于失去斩波功能，无论CCC或APC控制下，当一相导通，其两端功率管，一个功率管处于常闭合状态，另一个不断闭合断开实现斩波功能。因此，短路故障应分为两种情况：情况一，斩波管短路，这相当于为励磁电流提供了直流通路，故障相电流大幅升高，直至出现“尖峰电流”后下降为零；情况二，非斩波管短路，在故障相导通区域，功率管通断状态与控制程序相同，相电流不会发生明显变化，但在下一相导通区域，电流将会明显变大。

1.2 故障特征量提取

经过上述分析，功率管开路、短路故障均可通过故障相电流畸变表现出来，故本文以电机各相电流为研究出发点，揭示电流畸变规律，以便提取恰当故障特征量。

为避免外界信号干扰，本文先对相电流进行标准化处理，如式（1）所示。其中Ink为标准化相电流，In为相电流实测值，Iref为系统给定相电流参考值。

若电机处于正常状态，各相标准化电流平均值应相同，即EAB、EAC、EBC三个诊断变量应为零；若功率变换器单一功率管发生故障，必将引起故障相电流幅值发生畸变，但由于SRM固有容错能力，故障不会对正常相电流造成影响，那么正常相标准化电流平均值仍保持相同，但故障相的标准化电流平均值与其余正常相的存在差值，即EAB、EBC、EAC三个诊断变量中必有两个变量不为零，另一个变量保持为零。因此，Ek可作为故障特征量。

2 故障检测方案的研究

2.1 故障发生、故障类型、故障相检测方案

前述部分已阐述，理想状态下，电机处于正常状态，故障特征量集合Ek中每个诊断变量均应为零；電机处于功率管开路或短路状态下，故障特征量集合Ek中角标含有故障相的诊断变量绝对值必大于零。但需注意，由于仿真研究处于理想运行状态，而电机实际运行的测量信号易受传感器等外界因素影响，即便正常状态下，IAk、IBk、ICk也会略有差值，但该差值的绝对值应很小。因此，为便于说明，定义其绝对值的阈值为pk。该值后续将经过多次仿真与实验给出。

根据开路与短路故障相电流畸变特点，本文分别给出不同故障模式下，故障特征量集合Ek中各诊断变量状态，如表1所示。其中pko为开路故障诊断变量阈值，pks为短路故障诊断变量阈值。

综上所述，通过故障特征量集合Ek可诊断出故障发生、故障类型、故障相。

2.2 故障元件定位

2.2.1 开路故障元件定位

为了便于说明，这里指定各相上方功率管QU为导通区域内的常闭功率管，QL为斩波功率管，并假设A相功率器件发生开路故障。若A相上方功率管QUa开路，此相立刻退磁，相电流瞬时降低直至为零，电机进入缺相运行状态。若A相下方功率管QLa开路，该相电流逐渐下降直至为零。经分析可见，上、下两功率管开路故障虽均造成故障相电流幅值下降至零，但下降速度却不同，所需时间也不同。因此，可利用故障相电流幅值下降至零所用的退磁时间定位出故障元件。此处“退磁时间”定义为：从检测程序诊断出故障相开始计算直至故障相电流幅值变为零。

为使两种故障状态退磁时间差异更为明显，便于检测程序给出快速正确判断，本文引入又一故障特征量Dt，其定义如式（8）所示，即退磁时间占整个励磁周期的百分比。其中Tm为故障相退磁时间，T为励磁周期，该值由式（3）计算可得。

经过不同工况下进行多次仿真与实验，可得如下经验：若常闭功率管开路，Dt远小于15%；若斩波功率管开路，Dt远大于50%。为便于检测程序给出判定结果，本文设定Dt阈值为15%。则基于该阈值可给出故障元件的诊断判据：当Dt<15%时，则可判定上方常闭功率管QU发生开路故障；当Dt>15%时，则可判定下方斩波功率管QL发生开路故障。

2.2.2 短路故障元件定位

此处假设A相功率器件发生短路故障。由于功率管短路故障会造成电流幅值增大，所以，检测程序诊断出故障相后，控制器立刻命令A相上、下两功率管断开，迫使A相电流下降，以免短路故障产生瞬时过大电流对系统造成恶性影响。当该相电流幅值下降到安全水平（即其幅值低于参考电流值的0.01倍）时，检测程序命令A相下方功率管QLa闭合。若此时A相电流上升至正常状态下直流母线电流幅值的三分之一（电机相数为三相），则可判定出短路故障元件为上方功率管QUa；反之，若A相电流幅值没有上升，则可判定短路故障元件为下方功率管QLa。

2.3 故障整体检测方案

图2给出了故障检测的整体流程。检测程序分为四步：第一步，建立故障特征量集合Ek；第二步，将诊断变量绝对值与阈值进行比较，判断功率管是否发生故障；第三步，根据表1判断故障所属情况，进而检测出故障类型与故障相；第四步，根据“退磁时间占比”定位出开路元件，根据故障相电流幅值上升情况定位出短路故障元件。

3故障检测仿真研究与实验验证

本文在Matlab/SIMULINK中搭建SRD整体仿真模型，并利用其电力系统模块工具箱与逻辑控制信号模拟功率管开路与短路故障。实验系统平台选用TMS320LF2407 DSP为核心数字控制器，主功率管选用EXB841 IGBT专用驱动模块，通过设置外部继电器控制功率管驱动信号来模拟开路、短路故障。电机低速运行，为避免过大电流峰值，须加以限幅，以保证安全达到所需输出转矩，采用电流斩波控制方式（CCC）；电机高速运行，通过调节开通角θon与关断角θoff改变电流最大值和有效值，以产生所需电磁转矩，采用角度位置控制方式（APC）。检测程序诊断出故障详情后立即输出相应结果。在诊断出故障详情后，为防止后续短路故障产生瞬间过大电流造成恶性影响，检测系统采用了常规过流保护电路。其中诊断变量阈值pko=pks=0.2。

3.1 仿真研究

3.1.1 高速运行功率管开路故障仿真研究

当转速为2 000 r/min，负载为5 N·m时，电机处于APC方式运行。预设电机运行到0.695 s时A相桥臂上方功率管QUa突发开路故障，即故障发生在ton～toff阶段，其中ton为此相到达开通角θon的时刻、toff为此相到达关断角θoff的时刻。故障检测仿真结果如图3所示。

图中第一屏给出了电机正常状态下三相电流波形，依次为A-B-C；第二屏为故障下三相电流波形变化情况。从图中可见，电机运行到0.695 s后，A相电流开始下降直至为零，而其余各相电流未发生任何变化。第三屏为故障特征量集合中EAB、EAC、EBC三个诊断变量故障前后变化情况。可见，故障前三个诊断变量幅值几乎为零，但发生故障0.3 ms后EAB、EAC下降到-0.2 A，且其幅值随着A相电流下降而继续降低，而EBC幅值却一直无变化，即EAB≤-pko、EAC≤-pko、EBC ≈0，属于表1中的情况①，由此可判定电机A相功率管发生开路故障。

随后，A相电流幅值在故障发生0.5ms后下降到零（如图3第二屏所示），此时检测程序立刻根据公式（8）计算出Dt=7.7%<15%，则可判定故障元件为QUa，检测结果与预设故障完全相符。

3.1.2 低速运行功率管开路故障仿真研究

当转速为600 r/min，负载为5 N·m时，电机处于CCC方式运行。预设A相功率管QLa突发开路故障，发生时刻为0.3 s，即下方功率管开路故障发生在ton～toff阶段。其故障检测仿真结果如图4所示。

图中第一屏为正常状态下三相电流波形。第二屏为开路故障三相电流波形变化情况，从图中可见，电机运行到0.3 s后，A相电流开始下降，经5 ms才降至0 A，而其余相电流未发生任何变化。从第三屏可见，故障前三个診断变量幅值几乎为零，但故障发生0.6 ms后EAB=EAC=-0.2 A，而EBC幅值却始终未发生明显变化，即EAB≤-pko、EAC≤-pko、EBC≈0，亦属于表1中情况①，则可判定A相功率管发生开路故障。

电机运行至0.305 s，IA下降至零，如图4第二屏所示，且特征量Dt=110%>15%，可判定故障元件为QLa，检测结果与预设故障完全相符。

3.1.3 高速运行功率管短路故障仿真研究

转速为2200 r/min，负载为5 N·m时，电机处于APC方式。预设0.810 s时（即ton～toff阶段），A相功率管QUa突发短路故障。其检测结果如图5所示。

图中第一屏仍为正常状态下三相电流波形，顺序依次为A-B-C。第二屏为功率管短路故障三相电流波形变化情况，从中可见，故障发生后，A相电流大幅升高至22A，而其余相电流未变化。第三屏为故障特征量集合中诊断变量故障前后变化情况。从该屏可见，故障前三个诊断变量幅值几乎为零，但故障发生后EAB、EAC幅值上升，经过0.4 ms后EAB=EAC=0.2 A，而EBC幅值却始终未发生明显变化，即EAB≥pks、EAC≥pks、EBC ≈0，属于表1中情况④，可判定A相功率管发生短路故障。随后检测程序立刻驱动A相两个功率管QUa、QLa全部断开，迫使该相绕组退磁，约经2.6 ms后该相电流下降至零。此时，控制器驱使功率管QLa闭合，其相电流在0.815 s时上升至给定电流的三分之一（如图5中第二屏所示）。根据诊断判据，可判定故障元件为QUa。检测程序全部执行完毕，控制程序立即驱动故障相功率管断开QLa，以免短路故障继续恶化。

3.1.4 低速运行功率管短路故障仿真研究

转速为650 r/min，负载为5 N·m时，电机处于CCC方式运行。预设0.33 s时（即A相在ton～toff阶段），A相功率管QLa突发短路故障，从图6第二屏可见，故障发生后IA大幅升高至45 A，而其余相电流未变化。同时，从第三屏可见，故障前三个诊断变量幅值几乎为零，但故障发生后EAB、EAC幅值上升，经0.2 ms后EAB=EAC=0.2 A，即EAB≥pks、EAC≥pks、EBC≈0，亦属于表1中情况④，则可判定电机A相功率管发生短路故障。随后，检测程序驱动QUa、QLa全部断开，经6 ms后IA下降至零。此时，检测程序再驱动QLa闭合，但IA并未上升且始终为零（如图6中第二屏所示）。依据诊断判据，可判定故障元件为A相下方功率管QLa。

3.2 实验验证

3.2.1 高速运行功率管开路故障实验验证

预设0.705 5 s（即B相处于ton～toff阶段）时，此相功率管QUb开路，电机处于APC方式运行。从图7中可见，0.705 5 s之前诊断变量EAB=EAC=EBC=0，该时刻之后，IB立即下降直至为零，IA与IC却保持不变。再经过0.3 ms后EAB上升至0.2 A，EBC下降至-0.2 A，其幅值逐渐增加，而EAC却无变化，即EAB≥pko、EBC≤-pko、EAC=0，属于表1中情况②，则可诊断出故障类型为开路，故障相为B相，且Dt=8.0%<15%，依据诊断判据，可判定故障元件为功率管QUb。实际检测结果与预设故障完全相符。

3.2.2 低速运行功率管开路故障实验验证

预设0.285 s（即C相处于ton～toff阶段）时， C相功率管QLc开路，电机处于CCC方式运行，从图8可见，0.285 s前诊断变量EAB=EAC=EBC=0，之后IC立即下降为零，IA与IB不变。再经过0.7 ms后EAC与EBC上升至0.2 A，且逐渐上升，而EAB却无变化，即EAC=EBC≥pko、EAB≈0，且Dt≈86%>15%，属于表1中情况③，则故障类型为开路，故障相为C相，故障元件为QLc。

3.2.3 高速运行功率管短路故障实验验证

预设0.725 s（即B相处于ton～toff阶段）时， B相功率管QUb短路，电机处于APC方式运行，实际检测结果如图9所示。从图中可见，0.725 s前诊断变量EAB=EAC=EBC=0，之后IB立即上升，IA与IC不变。再经过0.4 ms后EBC上升至0.2 A，EAB下降至-0.2 A，而EAC却无变化，即EBC≥pko、EAB≤-pko、EAC≈0，属于表1中情况⑤，则故障类型为短路，故障相为B相。此时IB上升至45 A后迅速下降，这是由于检测程序诊断出故障类型为短路后，控制器立即驱动QUb和QLb全部关闭。直到0.728 s，IB下降至零，此刻控制器命令QLb闭合，经过0.25 ms后IB再次上升，则可判定故障元件为QUb。

3.2.4 低速运行功率管短路故障实验验证

图10为电机n=570 r/min，TL=5 N·m，处于CCC方式运行时，C相功率管QLc短路故障实际检测结果，故障依然发生在C相的ton～toff阶段。从图中可见，0.307 s前诊断变量EAB=EAC=EBC=0，该时刻之后，IC大幅上升，IA与IB保持不变，经过0.3 ms后EAC与EBC下降至-0.2 A，且幅值逐渐降低，而EAB却无变化，即EAC=EBC<-pko、EAB=0，属于表1中情况⑥，C相功率管短路。当检测程序诊断出故障类型与故障相，控制器立刻驱动C相两功率管同时关闭，直至其相电流下降至零，再命令下方功率管QLc闭合，但从图中可见C相电流并未上升，始终保持幅值为零。根据诊断判据，可判定故障元件为下方功率管QLc。实际检测结果与预设故障完全相符。

上述仿真研究与实验验证中的故障均发生在tON～tOFF阶段。而故障发生在0～tON阶段需等待到故障相到达导通期间方可进行实时检测；故障发生在续流阶段的则需等待故障相到达下一导通期间进行实时诊断。两阶段的故障检测过程均与故障发生在tON～tOFF阶段检测过程相同，故本文不再赘述。

4 结 论

本文以三相6/4极SRM的不对称半桥型功率变换器为研究对象，揭示单功率管开路与短路故障下正常相电流与故障相电流差值规律，构建故障特征量集合Ek。通过分析故障状态下，集合中各诊断变量畸变特征，诊断出故障发生、故障类型、故障相。再基于退磁时间占比与功率元件通断状态定位出故障元件。不同转速与带载工况下的仿真与实验结果表明，该检测方法可快速、准确诊断出故障详情。

与其他检测法相比，此法具有以下优点：①可快速准确诊断出故障详情，实现故障综合检测；②适用于高速或低速、空载或带载的不同工况，且适用于不同结构、极数、相数SRM；③无需增加任何额外传感器，未增加系统复杂度，检测成本低。

参 考 文 献：

[1] 肖丽. 基于电流信号提取技术的SRD故障检测方法的研究[D]. 天津：河北工业大学，2014.

[2] 刘晓旭. 开关磁阻电机功率变换去故障诊断研究[D]. 徐州： 中国矿业大学，2015.

[3] 徐阳. 开关磁阻电机不对称半桥功率变换器热分析[D]. 徐州： 中国矿业大学，2015.

[4] 朱友远. 開关磁阻电机功率变换器故障诊断研究[D]. 徐州：中国矿业大学，2014.

[5] 卢胜利， 陈昊. 开关磁阻电机功率变换器的故障诊断与容错策略[J]. 电工技术学报， 2009， 24（11）：200.

LU Shengli， CHEN Hao. Fault diagnosis and fault-tolerant control strategy for power converter of switched reluctance motor[J]. Transactions of China Electrotechnical Society， 2009， 24（11）： 200.

[6] 卢胜利. 开关磁阻电机系统的故障诊断方法研究[D]. 徐州： 中国矿业大学， 2010.

[7] LEE Kui-Jun，PARK Nam-Ju，KIM Kyung-Hwan.Simple fault detection and tolerant scheme in VSI-fed switched reluctance motor[C]//IEEE Power Electronic Specialists Conference. Jeju， South Korea， 2006： 639.

[8] CHANDRIKA V S，JEYAKUMAR A E.On the detection of openand short fault in switched reluctance motor with classification[J]. Journal of Computer Science， 2014， 10（5）：884.

[9] GAN Chun， WU Janhua， YANG Shiyo. Fault diagnosis scheme for open-circuit faults in switched reluctance motor drives using fast Fourier transform algorithm with bus current detection[J].IET Power Electronics，2016，9（1）：20.

[10] CHEN Hao， LU Shengli.Fault diagnosis digital method for power transistors in power converters of switched reluctance motors[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics， 2013，60（2）：749.

[11] 卢胜利， 陈昊， 曾辉. 开关磁阻电机中功率变换器故障在线诊断方法[J]. 中国电机工程学报，2010， 30（3）： 63.

LU Shengli， CHEN Hao， ZENG Hui. On-line fault diagnosis method of power converter for switched reluctance motor[J]. Proceedings of the CSEE， 2010，30（3）： 63.

[12] 肖丽，孙鹤旭，董砚.四相开关磁阻电机功率变换器故障检测技术[J].电工技术学报，2014，29（1）：156.

XIAO Li， SUN Hexu， DONG Yan.Fault diagnosis strategy of power converter for four-phase switched reluctance motor[J]. Transactions of China Electrotechnical Society， 2014， 29（1）： 156 .

[13] GAN Chun， WU Jianhua， YANG Shiyo. Wavelet packet de-composition-based fault diagnosis scheme for SRM drives with a single current sensor[J].IEEE Transactions on Energy Conversion， 2016， 31（1）： 303.

[14] SHIN Hye-Ung，LEE Kyo-Beum.Fault-tolerant switched reluctance machine drives using a current Park's vector[C]//2015 IEEE Conference on Energy Conversion， Johor Bahru， Malaysia，2015：19.

[15] 戴尚建，刘闯，韩守义. 多相开关磁阻电机中点电压有源调节功率变换器的研究[J].电工技术学报，2015，30（14）：278.

DAI Shangjian， LIU Chuang， HAN Shouyi.Research on the mid-point voltage actively adjusted power converter of multi-phase switched reluctance motor[J]. Transactions of China Electrotechnical Society，2015，30（14）：278.

[16] 趙文祥，程明，花为. 双凸极永磁电机故障分析与容错控制策略[J]. 电工技术学报， 2009， 24（4）： 71.

ZHAO Wenxiang， CHENG Ming， HUA Weil. Fault analysis and remedial strategy of doubly salient permanent magnet motors[J]. Transactions of China Electrotechnical Society，2009，24（4）：71.

[17] 肖丽，范书瑞，李洁，等.开关磁阻电机气隙偏心故障综合检测方法[J]. 电机与控制学报， 2015， 19（2）： 66.

XIAO Li， FANShurui， LI Jie，et al.Fault detection method of air gap eccentricity for switched reluctance motor based on analysis of current[J]. Electric Machines and Control， 2015， 19（2）：66.

[18] 谢志平，伍卫，洪剑锋.直流微电机电枢电流特性及故障多特征量研究[J]. 电机与控制学报， 2009， 19（8）：107-114.

XIE Zhiping， WU Wei， HONG Jianfeng. Study on properties of armature current for micro DC motors and multiple features of fault diagnosis [J]. Electric Machines and Control， 2015， 19（2）：66.

（编辑：刘素菊）