故障檢測與故障容錯管理系統(tǒng)

1、故障檢測與故障容錯管理系統(tǒng)開關(guān)磁阻電機驅(qū)動器查爾斯M斯蒂芬斯通用電氣公司研究與發(fā)展斯克內(nèi)克塔迪，紐約12301摘要：開關(guān)磁阻電機(SRM)具有獨特特點，能提高電機的容錯能力，這種能力可以使電機繼續(xù)運行不管繞組故障或是在變頻電路中。電機各相磁場的獨立和逆變器各相電路的獨立允許開關(guān)磁阻電機驅(qū)動器繼續(xù)運作即使一個或多個相的禁用。繞組故障檢測器顯示出故障電機繞組的存在，另外控制電路阻止受影響相的半導(dǎo)體功率開關(guān)的門控信號，從而消除故障繞組勵磁，消除能夠產(chǎn)生持續(xù)勵磁的故障繞組的影響。該驅(qū)動器可以在無故障相繼續(xù)運行。Abstract：Theswitchedreluctancemotor(SRM)posses

2、sesuniquecharacteristicsthatpromotethemotorforfaulttolerancecapability-theabilitytocontinueoperationdespitefaultedmotorwindingsorinvertercircuitry.ThemagneticindependenceofthemotorphasesandthecircuitindependenceoftheinverterphasespermittheSRMdrivetocontinueoperationwithoneormorephasesdisabled.Windin

3、gfaultdetectorsindicatetheexistenceoffaultedmotorwindings,andcontrolcircuitryactstoblockthegatingsignalstothesemiconductorpowerswitchesoftheaffectedphase,thusremovingexcitationfromthefaultedwindingandhaltingdamagingeffectsthatcanresultfromthecontinuedexcitationofafaultedwinding.Thedrivecancontinueop

4、erationwithoutthefaultedphase.引言：驅(qū)動系統(tǒng)需要高度的可靠性，應(yīng)考慮具有優(yōu)越的容錯特性的開關(guān)磁阻電動機。由于電機各相磁場的獨立和逆變器各相電路的獨立，不論故障是在電機繞組還是逆變器某相都可以檢測和隔離，不影響其他相。這個驅(qū)動比減小隔離相占總相數(shù)的比例更加無誤的運行。比較下，故障繞組在多相交流電機上有更多嚴重的后果。有故障的某一相將因為彼此定子繞組的磁耦合嚴重影響其他相得運行。此外，對一個典型的三相異步電動機定子繞組是以星形或三角形連接以提高各相的電氣耦合。對斷開的單相，通過斷開繞組或電源開關(guān)失效，使多相電機變?yōu)閱蜗鄤畲?。在作者公司有一個持續(xù)的研究項目，專注于開發(fā)開

5、關(guān)磁阻電動機的容錯特性以應(yīng)對不同類型的錯誤。這個項目以演示各種類型電機繞組的缺點入手。電機繞組故障檢測裝置是以控制電路隔離故障繞組是通過阻斷受影響相的半導(dǎo)體電源開關(guān)的控制信號而建立的。這個開發(fā)是將實驗室實施證明推廣到的各種故障檢測。實驗表明，故障的繞組可以應(yīng)用于運行驅(qū)動，達到立即進行檢測和隔離，使逆變電路不受到損害，也不引起運行錯誤。驅(qū)動故障對性能影響的定義起初，各種驅(qū)動故障對性能的影響只是直覺性懷疑，因此早期的開發(fā)的任務(wù)集中在至少定義的各種驅(qū)動故障對性能的影響。這些性能影響因素是通過在一個實驗室小型驅(qū)動上創(chuàng)建故障條件確定的。這個SR電機的實驗室驅(qū)動是一種大約1/2功率的小型四相電機。圖1為這

6、種電機的幾何圖形。線圈繞組方向完全相反的定子相互連接成一系列的相，相對的兩相相連,分接到這一系列線圈的接線使故障繞組更易發(fā)現(xiàn)，從組合電機分離出來。電動機上安裝了一個測量儀，用來測量力矩和轉(zhuǎn)速。安裝在電機上的加速度測量儀用來測量外部振動，另外霍爾電流探測儀用來測量系統(tǒng)中各點的電流。單級逆變器的一個角位置確定該相的激磁間隔和霍爾電流檢測器對電流滯后的效準1。圖1：a、實驗電機所用的幾何四相SRMb、允許外部故障時半相繞組接線以下類型的故障模式在實驗室中創(chuàng)建:斷相，開路斷相，短路線圈兩極短路接觸短路相與相電流短路5:U：圖2：四相SR驅(qū)動轉(zhuǎn)化電路，圖示S1S5為故障條件開關(guān)。圖2所示為在逆變電路中連

7、接故障和開關(guān)斷開的情況（一些反激變換器二極管在這個圖中省略）。當驅(qū)動靜態(tài)運行時，故障連接（或斷開）時，驅(qū)動將降低速度，同時注意任何可能的破壞條件。短路時通過減校一系列電阻，直到大部分短路電路能夠或得電流。當電機的某相從逆變電路中斷開（開關(guān)1斷開），該相位的電流大小將減小到原來的3/4,而外部感應(yīng)電流沒有增加。這并不是說沒有增加脈動轉(zhuǎn)矩，而是直到某一相明顯減少大量脈動轉(zhuǎn)矩才會增加。但轉(zhuǎn)矩脈動不產(chǎn)生明顯的可測量的增加振動。不論斷開相電路是開路（開關(guān)2斷開）還是短路（開關(guān)2閉合）對驅(qū)動的性能沒什么影響；這是因為電機各相獨立勵磁相互之間產(chǎn)生很小的影響，只在斷開和短路相產(chǎn)生十分微小的電流。電源開關(guān)在集成

8、電路中失效時，將被關(guān)斷，與斷相的影響是相同。個別故障的將起減振效果，使扭矩增大，因此會引起電動機和逆變器的故障。兩級線圈短路時，會引起連接半相與同相終端的抽頭的故障（開關(guān)3斷開）。這個接頭準備復(fù)制故障線圈短接的部分。在這種情況下，故障電路沒有與此相端子斷開，而且電路在電路保持器下維持在原來的狀態(tài)，因此沒有因結(jié)構(gòu)引起過電流現(xiàn)象。但是由于勵磁的不平衡會引起外部感應(yīng)電勢的增加。通過完全相反的繞組激磁，轉(zhuǎn)子將被牽引偏離中心，重擊軸承。這個時間比例變化電路在故障相位中所占比例很大，因為故障相的感應(yīng)系數(shù)很小。在霍爾電路規(guī)則中對于同種影響開關(guān)頻率影響較大。線圈將下降到原來的7/8（有7/8的線圈仍然在運行）

9、。接地故障是半相直接接在直流源的負極（開關(guān)4閉合）。這種連接將復(fù)制對地短路的一些部分像定子磁心這些線圈的故障。在這種情況下，常規(guī)電流電路檢測器將避免此相端子和旁路故障，在故障下允許一部分相位流過較大的電流。這種過電流很容易引起上部電源開關(guān)的故障。勵磁的不平衡將引起外部振動的增大。相與相之間的故障是由于兩個相鄰相中間接頭連在一起引起的。這種連接將引起故障，能使兩個相鄰線圈電極發(fā)生相互短接。當兩相同時激磁時，在間隔轉(zhuǎn)化電路中，故障電路隨著部分隨從相去降低簽一相。這種故障電路可以擴大，而且使外部勵磁增大。這一些列故障現(xiàn)象將在表1中總結(jié)表1各種故障影響產(chǎn)生的現(xiàn)象四相開關(guān)磁阻電機故障條件相對輸出振蕩增加

10、？過電流?正常運行10斷相或開路3/4否否斷相，短路3/4否否線圈兩極短路7/8是否接觸短路7/8是劇烈相與相電流短路10是是最有害的影響（振蕩和過量電流）在一相短接到一些連接模式時產(chǎn)生。斷相（或無勵磁相位）相對較好，只是在線圈上引起減小。因此故障管理策略是從本質(zhì)上推斷這里應(yīng)該有某種方法來探測短接故障，然后限制受影響相電源開關(guān)門極電壓，從而使驅(qū)動故障情況下以更良性的模式工作。故障檢測裝置一些故障檢測裝置被開發(fā)，而且在實驗室中運用測定其功效。這種裝置必須能夠快速的運行以阻止在運行過程中故障使反向電源開關(guān)引起災(zāi)難性后果。一個有效的故障檢測裝置是一個簡單的過電流檢測器，通過電流檢測器信號運行，根據(jù)相

11、電流的正常范圍設(shè)置一個比較值。這種探測儀十分容易生效，但是不能快速反應(yīng)，因為故障指示不穩(wěn)定，直到電流十分高才能檢測出來。只要檢測器通過電流檢測運行，就不能檢測所有類型的故障；早期的部分描述故障都是忽略電流檢測器。PHASEWINDIMG圖3、電流微分檢測器電流差動探測器，如圖3,采用了鐵芯電流轉(zhuǎn)化器。輸入和輸出相引線是通過CT中心，所以在正常運行中感應(yīng)電流相等、反向，而且沒有網(wǎng)絡(luò)流量集中在CT的核心。當產(chǎn)生故障時,一部分的相電流將從線圈中釋放，而且有網(wǎng)絡(luò)流量集中在CT的核心，使CT產(chǎn)生的磁流量。這種檢測器反應(yīng)迅速;它在故障產(chǎn)生的一瞬間開始運行，不用等到故障電流超過正常范圍。這種檢測器運用于檢測

12、接地故障和相與相故障，但不適用于線圈短路故障，這種CT能夠方便的安裝在反相器內(nèi)。圖4流量微分檢測器流量微分檢測器，如圖4所示，利用檢測定子線圈，檢測各對反向連接的線圈實現(xiàn)。所以在正常運行時檢測線圈的感應(yīng)電勢是相等、反向的，在各系列成對的繞組網(wǎng)絡(luò)端子上電壓為0。當有一個故障產(chǎn)生時將引起勵磁電流的不平衡，使一邊電壓高于另一邊，產(chǎn)生的網(wǎng)絡(luò)電壓經(jīng)過雙向比較將被檢測到。這種檢測器運用于檢測接地故障、相與相故障和線圈短接故障，這是電流微分檢測器不能完成的。它能檢測到線圈短接故障，包括很小數(shù)量的線圈短接。不幸的是，在實際中這種檢測器過于靈敏，它將把其他相也認為是故障相（在不平衡部分中產(chǎn)生的磁流量流過其他相，

13、也認為是故障）。在其他相感應(yīng)到電流時這種探測器在運行中將受到限制。附加動力組合得十分復(fù)雜，多余的接線將對這種測量儀附加危害。圖5：升壓比例檢測器升壓比例檢測器如圖5所示，由線性磁場耦合器放置在各相線圈引線附近而構(gòu)成。這個線性耦合器比CTs要小，但是次要的是當連接到高阻值的負載時，它本質(zhì)相當于開路，而且中心是由磁性材料組成，將延長運行范圍。線性耦合器的輸出電壓與隨時間變化的相電流成比例。當發(fā)生故障時，比如一部分相得線圈短路，使該相的感應(yīng)電感減小，隨時間變化的相電流將超過正常水平，同時線性耦合器的輸出一個適當臨界比較器。這個臨界比較器值不能在正常運行時的最小電感是產(chǎn)生反應(yīng)，有些可能是單純的電感或電

14、感增加得較小，但看似接近高度飽和磁場。這個感應(yīng)器將對各種故障產(chǎn)生反應(yīng)，但是會缺少因為限制閾值缺少靈敏度。然而他能快速直接十分嚴格的反應(yīng)超過比較器閾值的故障。這個線性耦合器能夠安裝在反相器的封裝里。所有的檢測器都是比較線圈提供的一個故障標志邏輯信號進行工作的。反相器包含有簡單的邏輯電路，在產(chǎn)生故障標志時切斷門極電路。這個邏輯電路包含一個R-S鎖存器來保存故障標志，同時復(fù)制一個故障的約束，在下次勵磁完全之前，直到該相閾值復(fù)位。假設(shè)故障相互聯(lián)系，鎖存器將在勵磁間隔被清0如果故障標志復(fù)制被接受后，鎖存器將被一直設(shè)置。故障中斷性能故障傳感儀和門極阻斷電路在實驗驅(qū)動上對中斷故障十分有效。所有故障能夠足夠迅

15、速組短故障的電源開關(guān)，并且所有故障都正確處理。圖6所示為電流微分器檢測器應(yīng)用于接地故障時的性能。上面的一個示波圖顯示的是相電流，下面顯示的是通過CT副邊漏電阻的電壓。故障連接在霍爾額定電流的上升沿期間。紀錄在故障出現(xiàn)后由于相電感的降低電流非常迅速的升高。由于CT的副邊反應(yīng)近似步進輸入，同時檢測器的的比較器范圍只有幾毫伏，直到CT副邊明顯滿值都會很好運轉(zhuǎn)。電源開關(guān)在相電流開始放電時斷開。相電流放電緩慢因為接地故障引起的在上面部分的線圈和二極管的單相傳動循環(huán)。2SCurrentTaansformerLoadVoltage0.03.0圖6在接地故障時故障感應(yīng)器的性能如圖7所示的是比例上升檢測器應(yīng)用于

16、線圈短路故障時的性能。上面的波形還是相電流，下面的波形是線性耦合器的電壓輸出。故障出現(xiàn)在常規(guī)霍爾電流的下降沿。紀錄了在故障出現(xiàn)后由于相電感的降低電流非常迅速的升高。耦合器電勢感應(yīng)磁場變大，但是感應(yīng)器的比較器沒有直接運行，而是到了常規(guī)電流的上升沿才開始。FAULTCONTACT10,OtPhaseCurrent,0.0Tihe,millisecondsRate-of-RisCouplerVoltageTiUIComparatorTWAESHOLD圖7、線圈短路故障時故障檢測器的性能一個特別嚴重的故障是脫相故障，即整個線圈短路。線圈上的電感和電阻全都短路，使電流立即上升十分大的值。圖8所示為比例上

17、升感應(yīng)器在脫相故障中應(yīng)用的性能。在故障發(fā)生后電流沖破比例范圍，耦合電壓升到了18V（被反向連接的穩(wěn)壓二極管限制）。故障在15微秒后中斷。這種故障十分像橋式反向器在交流電機中的擊穿故障。NtxvrFault蝕汕*丫CouplerVoltageCUftAENTOUT-OF*RANGEFAULTCOMTACTTime,milliseconds圖8、故障檢測器在脫相故障中的應(yīng)用性能在故障隔離后保持衡量輸出在探測故障隔離該相后，減小SR驅(qū)動器轉(zhuǎn)矩和電流輸出，在一些應(yīng)用中會引起異常。如果在設(shè)計驅(qū)動器時有充分的磁力和大量的能量，保持運行的相位被驅(qū)動更加多的補償被隔離相位減少的。采用一個簡單的自動運行技術(shù)，用

18、一個封閉循環(huán)的速度控制器實現(xiàn)。圖9所示為一個系統(tǒng)對實驗設(shè)備的補償。理想速度設(shè)置在一個電位器上，電位器信號與電角度旋轉(zhuǎn)模擬速度信號進行比較。速度的錯誤信號將提供給一個比例積分控制器與模擬觀測電路進行比較。PI控制器的輸出將提供給額定電流的霍爾電路，從而控制相電流的大小。隨著故障相的隔離，設(shè)備速度因為轉(zhuǎn)矩的減小而減小。這是就產(chǎn)生一個速度錯誤信號，使PI控制器的的輸出增加來抵制較大的相電流，同時正常運行的相位產(chǎn)生力矩直到設(shè)備速度恢復(fù)到正常點。圖9、封閉系統(tǒng)速度控制器在一相隔離后保持比較輸出一個可以在數(shù)字系統(tǒng)中應(yīng)用的更復(fù)雜的控制器，可以對轉(zhuǎn)子的位置進行時間、位置勵磁間隔的調(diào)整。這是另一種開關(guān)磁阻驅(qū)動器輸出控制，特別是對額定電流霍爾電路運行模式不適用【1】。在隔離相得情況下啟動電機另外需要注意的一點是當一個轉(zhuǎn)子內(nèi)包含故障隔離相時啟動SR驅(qū)動器。一些類型的驅(qū)動器直接反向，然后靜止；這里沒有呈現(xiàn)出問題因為對反向轉(zhuǎn)矩死區(qū)不是同時發(fā)生。就像前面所提到的，