电励磁起发电机旋转整流器的故障诊断方法及系统

1.本发明涉及电机故障诊断技术，尤其涉及一种电励磁无刷同步起动/发电机(简称电励磁起发电机)旋转整流器的故障诊断方法及系统。


背景技术：

[0002]“双碳”目标对于多/全电飞机的发展提出了更高的要求。其中，大容量、高可靠性航空起动发电一体化技术亟需突破。电励磁无刷同步电机由于发电技术成熟、励磁可控且在航空电源系统中广泛应用已经成为该技术的重点研究对象。电励磁起发电机主要包括同轴安装的副励磁机、励磁机、旋转整流器和主电机等部件，如图1所示。电励磁起发电机具有如下工作特点：1.励磁机励磁绕组采用多相(两相或三相)绕组结构来实现高励磁输出能力；2.装有位置传感器来为起动控制提供位置信息。
[0003]
励磁机通过旋转整流器为主电机提供励磁电流，因此旋转整流器故障与否对主电机能否正常起动航空发动机以及向电网输出电能至关重要。由于与主电机同轴安装，旋转、高温、振动等恶劣工作环境带来的较大离心力和热应力使得旋转整流器的故障率远高于其他部件。为了保证系统的正常运行，研究旋转整流器的在线故障诊断方法具有重要意义。旋转整流器由六个电力二极管组成。在实际应用中，旋转整流器的故障多为单个二极管开路故障和短路故障，且需要单个二极管发生故障时系统就要作出准确诊断并采取相应措施。


技术实现要素：

[0004]
发明目的：本发明针对现有技术存在的问题，提供一种可以诊断和定位单个二极管的电励磁起发电机旋转整流器的故障诊断方法及系统。
[0005]
技术方案：本发明所述的电励磁起发电机旋转整流器的故障诊断方法包括：
[0006]
(1)根据励磁机定子电压、电流和转子位置估算励磁机转子的三相电流，并计算一个电周期内三相电流的近零值占比绝对差值和最值电流和值；
[0007]
(2)根据三相电流近零值占比绝对差值和任意相电流的最值电流绝对比值，判断旋转整流器是否发生故障以及故障类型；
[0008]
(3)依据判断的故障类型借助占比绝对差值的最小值以及最值电流和值，对旋转整流器故障二极管进行定位。
[0009]
进一步的，步骤(1)具体包括：
[0010]
(1.1)对励磁机定子电压、电流和转子位置进行测量，根据测量得到的数据估算励磁机转子的三相电流，并进行采样得到三相电流采样序列；
[0011][0012]
式中，l为一个电周期内电流采样点数，ia，ib，ic为三相电流采样序列，则在当前采样时刻，ia()，ib()，ic()为三相电流采样序列的采样点；
[0013]
(1.2)将三相电流采样序列中每一采样点与预设阈值i
th
比较，按照下式得到三相电流的近零值数量；
[0014][0015]
式中，n
x
表示x相电流的近零值数量；
[0016]
(1.3)根据近零值数量按照下式计算得到当前时刻三相电流的近零值占比：
[0017][0018]
式中，pa、pb、pc分别表示a、b、c相电流的近零值占比；
[0019]
(1.4)根据近零值占比，按照下式分别计算三相电流近零值占比绝对差值：
[0020][0021]
式中，da、db、dc分别表示a、b、c相电流的近零值占比绝对差值；
[0022]
(1.5)获取三相电流采样序列中采样点的最大值和最小值，并根据下式计算得到三相电流最值和值：
[0023][0024]
式中，sa、sb和sc分别表示示a、b、c相电流最值和值，i
amax
和i
amin
、i
bmax
和i
bmin
、i
cmax
和i
cmin
分别表示a、b、c相电流一个电周期内的最大值和最小值。
[0025]
进一步的，步骤(2)具体包括：
[0026]
(2.1)获取三相电流近零值占比绝对差值da、db、dc中的最大值和最小值，分别记为d
max
和d
min
；
[0027]
(2.2)若d
min
＜d
th
且d
max
＞d
th
，则判定旋转整流器发生开路故障并执行步骤(3)；否则执行步骤(2.3)；其中，d
th
为预设阈值；
[0028]
(2.3)根据三相电流值采用下式计算得到三相电流的最值电流绝对比值：
[0029]rx
＝|i
xmax
/i
xmin
|，x＝a，b，c
[0030]rx
表示x相电流的最值电流绝对比值，i
xmax
和i
xmin
分别表示x相电流一个电周期内的最大值和最小值；
[0031]
(2.4)若r
x
＞r
th
或r
x
＜1/r
th
，则判定旋转整流器发生短路故障并执行步骤(3)；否则判定旋转整流器处于正常工作状态，其中，r
th
为预设阈值。
[0032]
进一步的，步骤(3)具体包括：
[0033]
(3.1)若步骤(2)判定的故障类型为开路故障，则获取占比绝对差值的最小值d
min
所对应的电流相x，并判定与x相绕组连接的桥臂为故障桥臂，执行步骤(3.3)；
[0034]
(3.2)若步骤(2)判定的故障类型为短路故障，则判断是否满足sy×
sz＞0，若是，则
判定与x相绕组连接的桥臂为故障桥臂，执行步骤(3.3)；其中，s
*
表示*相电流最值和值，y＝a或b或c，z＝a或b或c，且x≠y≠z；
[0035]
(3.3)若s
x
＜0，则判定故障桥臂上位于上桥臂的二极管出现故障；若s
x
＞0，则判定故障桥臂上位于下桥臂的二极管出现故障。
[0036]
进一步的，所述预设阈值i
th
＝0.1i
erm
，i
rm
为三相电流合成矢量的幅值在一个电周期内的平均值。
[0037]
本发明所述的电励磁起发电机旋转整流器的故障诊断系统包括：
[0038]
数据处理模块，用于根据励磁机定子电压、电流和转子位置估算励磁机转子的三相电流，并计算一个电周期内三相电流的近零值占比绝对差值和最值电流和值；
[0039]
故障判断模块，用于根据三相电流近零值占比绝对差值和任意相电流的最值电流绝对比值，判断旋转整流器是否发生故障以及故障类型；
[0040]
故障定位模块，用于依据判断的故障类型借助占比绝对差值的最小值以及最值电流和值，对旋转整流器故障二极管进行定位。
[0041]
进一步的，所述数据处理模块具体包括：
[0042]
测量单元，用于对励磁机定子电压、电流和转子位置进行测量；
[0043]
电流估算单元，用于根据测量得到的数据估算励磁机转子的三相电流；
[0044]
电流采样单元，用于对三相电流进行采样得到三相电流采样序列；
[0045][0046]
式中，l为一个电周期内电流采样点数，ia，ib，ic为三相电流采样序列，则在当前采样时刻，ia()，ib()，ic()为三相电流采样序列的采样点；
[0047]
近零值数量计算单元，用于将三相电流采样序列中每一采样点与预设阈值i
th
比较，按照下式得到三相电流的近零值数量；
[0048][0049]
式中，n
x
表示x相电流的近零值数量；
[0050]
近零值占比计算单元，用于根据近零值数量按照下式计算得到当前时刻三相电流的近零值占比：
[0051][0052]
式中，pa、pb、pc分别表示a、b、c相电流的近零值占比；
[0053]
近零值占比绝对差值计算单元，用于根据近零值占比，按照下式分别计算三相电流近零值占比绝对差值：
[0054][0055]
式中，da、db、dc分别表示a、b、c相电流的近零值占比绝对差值；
[0056]
最值和值计算单元，用于获取三相电流采样序列中采样点的最大值和最小值，并根据下式计算得到三相电流最值和值：
[0057][0058]
式中，sa、sb和sc分别表示示a、b、c相电流最值和值，i
amax
和i
amin
、i
bmax
和i
bmin
、i
cmax
和i
cmin
分别表示a、b、c相电流一个电周期内的最大值和最小值。
[0059]
进一步的，所述故障判断模块具体包括：
[0060]
最值获取单元，用于获取三相电流近零值占比绝对差值da、db、dc中的最大值和最小值，分别记为d
max
和d
min
；
[0061]
第一判断单元，用于在d
min
＜d
th
且d
max
＞d
th
时，判定旋转整流器发生开路故障并执行故障定位模块；否则执行最值电流绝对比值计算单元；其中，d
th
为预设阈值；
[0062]
最值电流绝对比值计算单元，用于根据三相电流值采用下式计算得到三相电流的最值电流绝对比值：
[0063]rx
＝|i
xmax
/i
xmin
|，x＝a，b，c
[0064]rx
表示x相电流的最值电流绝对比值，i
xmax
和i
xmin
分别表示x相电流一个电周期内的最大值和最小值；
[0065]
第二判断单元，用于在r
x
＞r
th
或r
x
＜1/r
th
时，判定旋转整流器发生短路故障并执行故障定位模块；否则判定旋转整流器处于正常工作状态，其中，r
th
为预设阈值。
[0066]
进一步的，所述故障定位模块具体包括：
[0067]
第一定位单元，用于在故障判断模块判定的故障类型为开路故障时，获取占比绝对差值的最小值d
min
所对应的电流相x，并判定与x相绕组连接的桥臂为故障桥臂，执行第三定位单元；
[0068]
第二定位单元，用于在故障判断模块判定的故障类型为短路故障时，判断是否满足sy×
sz＞0，若是，则判定与x相绕组连接的桥臂为故障桥臂，执行第三定位单元；其中，s
*
表示*相电流最值和值，y＝a或b或c，z＝a或b或c，且x≠y≠z；
[0069]
第三定位单元，用于在s
x
＜0时，判定故障桥臂上位于上桥臂的二极管出现故障；s
x
＞0时，则判定故障桥臂上位于下桥臂的二极管出现故障。
[0070]
进一步的，所述预设阈值i
th
＝0.1i
er
，i
rm
为三相电流合成矢量的幅值在一个电周期内的平均值。
[0071]
有益效果：本发明与现有技术相比，其显著优点是：本发明采用励磁机转子三相电流在一个基波电周期内的近零值占比、占比绝对差值、最值电流和值以及任意相电流的最值电流绝对比值等作为特征差异，进行故障类型的判断和故障二极管的定位，准确率高，数据处理过程和算法简洁，易实现在线运行。有助于提高航空电励磁起发电机系统运行的可靠性。
附图说明
[0072]
图1为电励磁起动/发电机结构示意图；
[0073]
图2为电励磁起动/发电机转子部分等效电路示意图；
[0074]
图3为本发明提供的电励磁起发电机旋转整流器的故障诊断方法的流程示意图；
[0075]
图4为励磁机转子三相估算电流；
[0076]
图5为励磁机转子三相电流近零值占比；
[0077]
图6为励磁机转子三相电流近零值占比绝对差值；
[0078]
图7为励磁机转子三相电流最值电流和值；
[0079]
图8为励磁机转子a相最值电流绝对比值。
具体实施方式
[0080]
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述，本发明包括但不仅限于下述实施例。
[0081]
实施例一
[0082]
本实施例提供一种电励磁起发电机旋转整流器的故障诊断方法，所用电励磁起发电机结构示意图如图1所示，电励磁起发电机转子部分等效电路示意图如图2所示，其中励磁机励磁绕组为三相绕组结构。如图3所示，本实施例包含的具体步骤如下：
[0083]
(1)根据励磁机定子电压、电流和转子位置估算励磁机转子的三相电流，并计算一个电周期内三相电流的近零值占比绝对差值和最值电流和值。
[0084]
该步骤具体包括：
[0085]
(1.1)对励磁机定子电压、电流和转子位置进行测量，根据测量得到的数据估算励磁机转子的三相电流，并进行采样得到三相电流采样序列；
[0086][0087]
式中，l为一个电周期内电流采样点数，ia，ib，ic为三相电流采样序列，则在当前采样时刻，ia()，ib()，ic()为三相电流采样序列的采样点。
[0088]
其中，励磁机定子电压、电流和转子位置的测量分别采用电压传感器、电流传感器和位置传感器实现，得到励磁机定子a相和b相电压(ua、ub)、电流(ia、ib)和转子位置θ
er
。通过已有方法估算出励磁机转子三相电流，记为ia、ib、ic，如图4所示。
[0089]
以电机运行转速为200r/min，励磁机定子励磁频率为210hz，励磁机转子电流基波频率为200hz，与励磁机转子a相绕组相连结的上桥臂二极管d1(如图2所示)发生短路故障为例，则一个周期内电流的采样点数l＝20k/200＝100，据此采用滑动窗方式实时采样一个电周期内的励磁机转子三相电流并形成采样序列ia，ib，ic。
[0090]
(1.2)将三相电流采样序列中每一采样点与预设阈值i
th
比较，按照下式得到三相电流的近零值数量；
[0091][0092]
式中，n
x
表示x相电流的近零值数量，i
th
＝0.1i
er
。
[0093]
接上例，通过实时计算获得励磁机转子三相电流合成矢量幅值在一个电周期内的
平均值i
rm
＝5.4a，则设定阈值i
th
＝0.1i
erm
＝0.54a。将电流采样序列中的采样点与阈值i
th
进行比较并获取三相电流的近零值个数分别为na＝7、nb＝18、nc＝14。
[0094]
(1.3)根据近零值数量按照下式计算得到当前时刻三相电流的近零值占比：
[0095][0096]
式中，pa、pb、pc分别表示a、b、c相电流的近零值占比。
[0097]
接上例，可以计算得到如图5所示。
[0098]
(1.4)根据近零值占比，按照下式分别计算三相电流近零值占比绝对差值：
[0099][0100]
式中，da、db、dc分别表示a、b、c相电流的近零值占比绝对差值。
[0101]
接上例，da＝|p
b-pc|＝0.04，db＝|p
a-pc|＝0.07，dc＝|p
a-pb|＝0.11。如图6所示。
[0102]
(1.5)获取三相电流采样序列中采样点的最大值和最小值，并根据下式计算得到三相电流最值和值：
[0103][0104]
式中，sa、sb和sc分别表示示a、b、c相电流最值和值，i
amax
和i
amin
、i
bmax
和i
bmin
、i
cmax
和i
cmin
分别表示a、b、c相电流一个电周期内的最大值和最小值。
[0105]
接上例，可得i
amax
＝0.84a、i
amin
＝-10.07a，i
bmax
＝7.3a、i
bmin
＝-0.81a，i
cmax
＝8.49a、i
cmin
＝-0.90a。因此，三相电流最值和值分别为sa＝i
amax
+i
amin
＝-9.23a，sb＝i
bmax
+i
bmin
＝6.49a，sc＝i
cmax
+i
cmin
＝7.59a，如图7所示。
[0106]
(2)根据三相电流近零值占比绝对差值和任意相电流的最值电流绝对比值，判断旋转整流器是否发生故障以及故障类型。
[0107]
该步骤具体包括：
[0108]
(2.1)获取三相电流近零值占比绝对差值da、db、dc中的最大值和最小值，分别记为d
max
和d
min
。
[0109]
接上例，d
max
＝dc＝0.11，d
min
＝da＝0.04。如图6所示。
[0110]
(2.2)若d
min
＜d
th
且d
max
＞d
th
，则判定旋转整流器发生开路故障并执行步骤(3)；否则执行步骤(2.3)；其中，d
th
为预设阈值，取值为0.2～0.5，根据实际应用对象确定。
[0111]
接上例，设定阈值d
th
＝0.3。经过比较判断，d
max
＜d
th
＝0.3，故判断旋转整流器未发生开路故障，处于正常状态或短路故障状态。
[0112]
(2.3)根据三相电流值采用下式计算得到三相电流的最值电流绝对比值：
[0113]rx
＝|i
xmax
/i
xmin
|，x＝a，b，c
[0114]rx
表示x相电流的最值电流绝对比值，i
xmax
和i
xmin
分别表示x相电流一个电周期内的最大值和最小值。
[0115]
(2.4)若r
x
＞r
th
或r
x
＜1/r
th
，则判定旋转整流器发生短路故障并执行步骤(3)；否则判定旋转整流器处于正常工作状态，其中，r
th
为预设阈值，取值为1.5～4，根据实际应用对象确定。
[0116]
接上例，设定阈值r
th
＝2，且利用转子a相电流的最值电流绝对比值进行正常状态和短路故障状态的区分。计算获取转子a相电流的最值电流绝对比值ra＝|i
amax
/i
amin
|＝0.083，如图8所示。经过比较判断，ra＜1/r
th
＝0.5，故判断旋转整流器发生短路故障。
[0117]
(3)依据判断的故障类型借助占比绝对差值的最小值以及最值电流和值，对旋转整流器故障二极管进行定位。
[0118]
该步骤具体包括：
[0119]
(3.1)若步骤(2)判定的故障类型为开路故障，则获取占比绝对差值的最小值d
min
所对应的电流相x，并判定与x相绕组连接的桥臂为故障桥臂，执行步骤(3.3)。
[0120]
(3.2)若步骤(2)判定的故障类型为短路故障，则判断是否满足sy×
sz＞0，若是，则判定与x相绕组连接的桥臂为故障桥臂，执行步骤(3.3)；其中，s
*
表示*相电流最值和值，y＝a或b或c，z＝a或b或c，且x≠y≠z。
[0121]
(3.3)若s
x
＜0，则判定故障桥臂上位于上桥臂的二极管出现故障；若s
x
＞0，则判定故障桥臂上位于下桥臂的二极管出现故障。具体的故障判别准则表如表1所示。
[0122]
表1
[0123][0124]
接上例，由于sb×
sc＞0，依据故障二极管定位规则表判断与a相绕组相连接的桥臂为故障桥臂，即与a相绕组相连的某二极管发生短路故障，再由于sa＜0，依据故障二极管定位规则表判断发生短路故障的二极管是编号为d1的二极管，即二极管d1发生短路故障。
[0125]
实施例二
[0126]
本实施例提供一种电励磁起发电机旋转整流器的故障诊断系统，包括：
[0127]
数据处理模块，用于根据励磁机定子电压、电流和转子位置估算励磁机转子的三相电流，并计算一个电周期内三相电流的近零值占比绝对差值和最值电流和值；
[0128]
故障判断模块，用于根据三相电流近零值占比绝对差值和任意相电流的最值电流绝对比值，判断旋转整流器是否发生故障以及故障类型；
[0129]
故障定位模块，用于依据判断的故障类型借助占比绝对差值的最小值以及最值电流和值，对旋转整流器故障二极管进行定位。
[0130]
进一步的，所述数据处理模块具体包括：
[0131]
测量单元，用于对励磁机定子电压、电流和转子位置进行测量；
[0132]
电流估算单元，用于根据测量得到的数据估算励磁机转子的三相电流；
[0133]
电流采样单元，用于对三相电流进行采样得到三相电流采样序列；
[0134][0135]
式中，l为一个电周期内电流采样点数，ia，ib，ic为三相电流采样序列，则在当前采样时刻，ia()，ib()，ic()为三相电流采样序列的采样点；
[0136]
近零值数量计算单元，用于将三相电流采样序列中每一采样点与预设阈值i
th
比较，按照下式得到三相电流的近零值数量；
[0137][0138]
式中，n
x
表示x相电流的近零值数量；
[0139]
近零值占比计算单元，用于根据近零值数量按照下式计算得到当前时刻三相电流的近零值占比：
[0140][0141]
式中，pa、pb、pc分别表示a、b、c相电流的近零值占比；
[0142]
近零值占比绝对差值计算单元，用于根据近零值占比，按照下式分别计算三相电流近零值占比绝对差值：
[0143][0144]
式中，da、db、dc分别表示a、b、c相电流的近零值占比绝对差值；
[0145]
最值和值计算单元，用于获取三相电流采样序列中采样点的最大值和最小值，并根据下式计算得到三相电流最值和值：
[0146][0147]
式中，sa、sb和sc分别表示示a、b、c相电流最值和值，i
amax
和i
amin
、i
bmax
和i
bmin
、i
cmax
和icmin
分别表示a、b、c相电流一个电周期内的最大值和最小值。
[0148]
进一步的，所述故障判断模块具体包括：
[0149]
最值获取单元，用于获取三相电流近零值占比绝对差值da、db、dc中的最大值和最小值，分别记为d
max
和d
min
；
[0150]
第一判断单元，用于在d
min
＜d
th
且d
max
＞d
th
时，判定旋转整流器发生开路故障并执行故障定位模块；否则执行最值电流绝对比值计算单元；其中，d
th
为预设阈值；
[0151]
最值电流绝对比值计算单元，用于根据三相电流值采用下式计算得到三相电流的最值电流绝对比值：
[0152]rx
＝|i
xmax
/i
xmin
|，x＝a，b，c
[0153]rx
表示x相电流的最值电流绝对比值，i
xmax
和i
xmin
分别表示x相电流一个电周期内的最大值和最小值；
[0154]
第二判断单元，用于在r
x
＞r
th
或r
x
＜1/r
th
时，判定旋转整流器发生短路故障并执行故障定位模块；否则判定旋转整流器处于正常工作状态，其中，r
th
为预设阈值。
[0155]
进一步的，所述故障定位模块具体包括：
[0156]
第一定位单元，用于在故障判断模块判定的故障类型为开路故障时，获取占比绝对差值的最小值d
min
所对应的电流相x，并判定与x相绕组连接的桥臂为故障桥臂，执行第三定位单元；
[0157]
第二定位单元，用于在故障判断模块判定的故障类型为短路故障时，判断是否满足sy×
sz＞0，若是，则判定与x相绕组连接的桥臂为故障桥臂，执行第三定位单元；其中，s
*
表示*相电流最值和值，y＝a或b或c，z＝a或b或c，且x≠y≠z；
[0158]
第三定位单元，用于在s
x
＜0时，判定故障桥臂上位于上桥臂的二极管出现故障；s
x
＞0时，则判定故障桥臂上位于下桥臂的二极管出现故障。
[0159]
进一步的，所述预设阈值i
th
＝0.1i
erm
，i
rm
为三相电流合成矢量的幅值在一个电周期内的平均值。
[0160]
本实施例与上述实施例一方法一一对应，未详尽之处不再赘述，请参考实施例一方法描述。