1、故障檢測(cè)與故障容錯(cuò)管理系統(tǒng)開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(jī)(SRM)具有獨(dú)特特點(diǎn)，能提高電機(jī)的容錯(cuò)能力，這種能力可以使電機(jī)繼續(xù)運(yùn)行不管繞組故障或是在變頻電路中。電機(jī)各相磁場(chǎng)的獨(dú)立和逆變器各相電路的獨(dú)立允許開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)器繼續(xù)運(yùn)作即使一個(gè)或多個(gè)相的禁用。繞組故障檢測(cè)器顯示出故障電機(jī)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(hào)，從而消除故障繞組勵(lì)磁，消除能夠產(chǎn)生持續(xù)勵(lì)磁的故障繞組的影響。該驅(qū)動(dòng)器可以在無故障相繼續(xù)運(yùn)行。Abstract：Theswitchedreluctancemotor(SRM)posses

2、sesuniquecharacteristicsthatpromotethemotorforfaulttolerancecapability-theabilitytocontinueoperationdespitefaultedmotorwindingsorinvertercircuitry.ThemagneticindependenceofthemotorphasesandthecircuitindependenceoftheinverterphasespermittheSRMdrivetocontinueoperationwithoneormorephasesdisabled.Windin

3、gfaultdetectorsindicatetheexistenceoffaultedmotorwindings,andcontrolcircuitryactstoblockthegatingsignalstothesemiconductorpowerswitchesoftheaffectedphase,thusremovingexcitationfromthefaultedwindingandhaltingdamagingeffectsthatcanresultfromthecontinuedexcitationofafaultedwinding.Thedrivecancontinueop

4、erationwithoutthefaultedphase.引言：驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)需要高度的可靠性，應(yīng)考慮具有優(yōu)越的容錯(cuò)特性的開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)。由于電機(jī)各相磁場(chǎng)的獨(dú)立和逆變器各相電路的獨(dú)立，不論故障是在電機(jī)繞組還是逆變器某相都可以檢測(cè)和隔離，不影響其他相。這個(gè)驅(qū)動(dòng)比減小隔離相占總相數(shù)的比例更加無誤的運(yùn)行。比較下，故障繞組在多相交流電機(jī)上有更多嚴(yán)重的后果。有故障的某一相將因?yàn)楸舜硕ㄗ永@組的磁耦合嚴(yán)重影響其他相得運(yùn)行。此外，對(duì)一個(gè)典型的三相異步電動(dòng)機(jī)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(duì)斷開的單相，通過斷開繞組或電源開關(guān)失效，使多相電機(jī)變?yōu)閱蜗鄤?lì)磁。在作者公司有一個(gè)持續(xù)的研究項(xiàng)目，專注于開發(fā)開

5、關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的容錯(cuò)特性以應(yīng)對(duì)不同類型的錯(cuò)誤。這個(gè)項(xiàng)目以演示各種類型電機(jī)繞組的缺點(diǎn)入手。電機(jī)繞組故障檢測(cè)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(hào)而建立的。這個(gè)開發(fā)是將實(shí)驗(yàn)室實(shí)施證明推廣到的各種故障檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)表明，故障的繞組可以應(yīng)用于運(yùn)行驅(qū)動(dòng)，達(dá)到立即進(jìn)行檢測(cè)和隔離，使逆變電路不受到損害，也不引起運(yùn)行錯(cuò)誤。驅(qū)動(dòng)故障對(duì)性能影響的定義起初，各種驅(qū)動(dòng)故障對(duì)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(dòng)故障對(duì)性能的影響。這些性能影響因素是通過在一個(gè)實(shí)驗(yàn)室小型驅(qū)動(dòng)上創(chuàng)建故障條件確定的。這個(gè)SR電機(jī)的實(shí)驗(yàn)室驅(qū)動(dòng)是一種大約1/2功率的小型四相電機(jī)。圖1為這

6、種電機(jī)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(duì)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(jī)分離出來。電動(dòng)機(jī)上安裝了一個(gè)測(cè)量?jī)x，用來測(cè)量力矩和轉(zhuǎn)速。安裝在電機(jī)上的加速度測(cè)量?jī)x用來測(cè)量外部振動(dòng)，另外霍爾電流探測(cè)儀用來測(cè)量系統(tǒng)中各點(diǎn)的電流。單級(jí)逆變器的一個(gè)角位置確定該相的激磁間隔和霍爾電流檢測(cè)器對(duì)電流滯后的效準(zhǔn)1。圖1：a、實(shí)驗(yàn)電機(jī)所用的幾何四相SRMb、允許外部故障時(shí)半相繞組接線以下類型的故障模式在實(shí)驗(yàn)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(dòng)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(gè)圖中省略）。當(dāng)驅(qū)動(dòng)靜態(tài)運(yùn)行時(shí)，故障連接（或斷開）時(shí)，驅(qū)動(dòng)將降低速度，同時(shí)注意任何可能的破壞條件。短路時(shí)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(dāng)電機(jī)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(dòng)轉(zhuǎn)矩，而是直到某一相明顯減少大量脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩才會(huì)增加。但轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)不產(chǎn)生明顯的可測(cè)量的增加振動(dòng)。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(duì)驅(qū)動(dòng)的性能沒什么影響；這是因?yàn)殡姍C(jī)各相獨(dú)立勵(lì)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(shí)，將被關(guān)斷，與斷相的影響是相同。個(gè)別故障的將起減振效果，使扭矩增大，因此會(huì)引起電動(dòng)機(jī)和逆變器的故障。兩級(jí)線圈短路時(shí)，會(huì)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(gè)接頭準(zhǔn)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(lì)磁的不平衡會(huì)引起外部感應(yīng)電勢(shì)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?fù)糨S承。這個(gè)時(shí)間比例變化電路在故障相位中所占比例很大，因?yàn)楣收舷嗟母袘?yīng)系數(shù)很小。在霍爾電路規(guī)則中對(duì)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(yùn)行）

9、。接地故障是半相直接接在直流源的負(fù)極（開關(guān)4閉合）。這種連接將復(fù)制對(duì)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(cè)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(lì)磁的不平衡將引起外部振動(dòng)的增大。相與相之間的故障是由于兩個(gè)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(gè)相鄰線圈電極發(fā)生相互短接。當(dāng)兩相同時(shí)激磁時(shí)，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(kuò)大，而且使外部勵(lì)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(jī)故障條件相對(duì)輸出振蕩增加

10、？過電流?正常運(yùn)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(shí)產(chǎn)生。斷相（或無勵(lì)磁相位）相對(duì)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(cè)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(dòng)故障情況下以更良性的模式工作。故障檢測(cè)裝置一些故障檢測(cè)裝置被開發(fā)，而且在實(shí)驗(yàn)室中運(yùn)用測(cè)定其功效。這種裝置必須能夠快速的運(yùn)行以阻止在運(yùn)行過程中故障使反向電源開關(guān)引起災(zāi)難性后果。一個(gè)有效的故障檢測(cè)裝置是一個(gè)簡(jiǎn)單的過電流檢測(cè)器，通過電流檢測(cè)器信號(hào)運(yùn)行，根據(jù)相

11、電流的正常范圍設(shè)置一個(gè)比較值。這種探測(cè)儀十分容易生效，但是不能快速反應(yīng)，因?yàn)楣收现甘静环€(wěn)定，直到電流十分高才能檢測(cè)出來。只要檢測(cè)器通過電流檢測(cè)運(yùn)行，就不能檢測(cè)所有類型的故障；早期的部分描述故障都是忽略電流檢測(cè)器。PHASEWINDIMG圖3、電流微分檢測(cè)器電流差動(dòng)探測(cè)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(yùn)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(dāng)產(chǎn)生故障時(shí),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(cè)器反應(yīng)迅速;它在故障產(chǎn)生的一瞬間開始運(yùn)行，不用等到故障電流超過正常范圍。這種檢測(cè)器運(yùn)用于檢測(cè)

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(cè)器流量微分檢測(cè)器，如圖4所示，利用檢測(cè)定子線圈，檢測(cè)各對(duì)反向連接的線圈實(shí)現(xiàn)。所以在正常運(yùn)行時(shí)檢測(cè)線圈的感應(yīng)電勢(shì)是相等、反向的，在各系列成對(duì)的繞組網(wǎng)絡(luò)端子上電壓為0。當(dāng)有一個(gè)故障產(chǎn)生時(shí)將引起勵(lì)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(cè)到。這種檢測(cè)器運(yùn)用于檢測(cè)接地故障、相與相故障和線圈短接故障，這是電流微分檢測(cè)器不能完成的。它能檢測(cè)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(shí)際中這種檢測(cè)器過于靈敏，它將把其他相也認(rèn)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(rèn)為是故障）。在其他相感應(yīng)到電流時(shí)這種探測(cè)器在運(yùn)行中將受到限制。附加動(dòng)力組合得十分復(fù)雜，多余的接線將對(duì)這種測(cè)量?jī)x附加危害。圖5：升壓比例檢測(cè)器升壓比例檢測(cè)器如圖5所示，由線性磁場(chǎng)耦合器放置在各相線圈引線附近而構(gòu)成。這個(gè)線性耦合器比CTs要小，但是次要的是當(dāng)連接到高阻值的負(fù)載時(shí)，它本質(zhì)相當(dāng)于開路，而且中心是由磁性材料組成，將延長(zhǎng)運(yùn)行范圍。線性耦合器的輸出電壓與隨時(shí)間變化的相電流成比例。當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，比如一部分相得線圈短路，使該相的感應(yīng)電感減小，隨時(shí)間變化的相電流將超過正常水平，同時(shí)線性耦合器的輸出一個(gè)適當(dāng)臨界比較器。這個(gè)臨界比較器值不能在正常運(yùn)行時(shí)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(chǎng)。這個(gè)感應(yīng)器將對(duì)各種故障產(chǎn)生反應(yīng)，但是會(huì)缺少因?yàn)橄拗崎撝等鄙凫`敏度。然而他能快速直接十分嚴(yán)格的反應(yīng)超過比較器閾值的故障。這個(gè)線性耦合器能夠安裝在反相器的封裝里。所有的檢測(cè)器都是比較線圈提供的一個(gè)故障標(biāo)志邏輯信號(hào)進(jìn)行工作的。反相器包含有簡(jiǎn)單的邏輯電路，在產(chǎn)生故障標(biāo)志時(shí)切斷門極電路。這個(gè)邏輯電路包含一個(gè)R-S鎖存器來保存故障標(biāo)志，同時(shí)復(fù)制一個(gè)故障的約束，在下次勵(lì)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(lì)磁間隔被清0如果故障標(biāo)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(shí)驗(yàn)驅(qū)動(dòng)上對(duì)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(cè)器應(yīng)用于接地故障時(shí)的性能。上面的一個(gè)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(jì)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(jìn)輸入，同時(shí)檢測(cè)器的的比較器范圍只有幾毫伏，直到CT副邊明顯滿值都會(huì)很好運(yùn)轉(zhuǎn)。電源開關(guān)在相電流開始放電時(shí)斷開。相電流放電緩慢因?yàn)榻拥毓收弦鸬脑谏厦娌糠值木€圈和二極管的單相傳動(dòng)循環(huán)。2SCurrentTaansformerLoadVoltage0.03.0圖6在接地故障時(shí)故障感應(yīng)器的性能如圖7所示的是比例上升檢測(cè)器應(yīng)用于

16、線圈短路故障時(shí)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(jì)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(shì)感應(yīng)磁場(chǎng)變大，但是感應(yīng)器的比較器沒有直接運(yùn)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(shí)故障檢測(cè)器的性能一個(gè)特別嚴(yán)重的故障是脫相故障，即整個(gè)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(jī)中的擊穿故障。NtxvrFault蝕汕*丫CouplerVoltageCUftAENTOUT-OF*RANGEFAULTCOMTACTTime,milliseconds圖8、故障檢測(cè)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(cè)故障隔離該相后，減小SR驅(qū)動(dòng)器轉(zhuǎn)矩和電流輸出，在一些應(yīng)用中會(huì)引起異常。如果在設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)器時(shí)有充分的磁力和大量的能量，保持運(yùn)行的相位被驅(qū)動(dòng)更加多的補(bǔ)償被隔離相位減少的。采用一個(gè)簡(jiǎn)單的自動(dòng)運(yùn)行技術(shù)，用

18、一個(gè)封閉循環(huán)的速度控制器實(shí)現(xiàn)。圖9所示為一個(gè)系統(tǒng)對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的補(bǔ)償。理想速度設(shè)置在一個(gè)電位器上，電位器信號(hào)與電角度旋轉(zhuǎn)模擬速度信號(hào)進(jìn)行比較。速度的錯(cuò)誤信號(hào)將提供給一個(gè)比例積分控制器與模擬觀測(cè)電路進(jìn)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?yàn)檗D(zhuǎn)矩的減小而減小。這是就產(chǎn)生一個(gè)速度錯(cuò)誤信號(hào)，使PI控制器的的輸出增加來抵制較大的相電流，同時(shí)正常運(yùn)行的相位產(chǎn)生力矩直到設(shè)備速度恢復(fù)到正常點(diǎn)。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(gè)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(duì)轉(zhuǎn)子的位置進(jìn)行時(shí)間、位置勵(lì)磁間隔的調(diào)整。這是另一種開關(guān)磁阻驅(qū)動(dòng)器輸出控制，特別是對(duì)額定電流霍爾電路運(yùn)行模式不適用【1】。在隔離相得情況下啟動(dòng)電機(jī)另外需要注意的一點(diǎn)是當(dāng)一個(gè)轉(zhuǎn)子內(nèi)包含故障隔離相時(shí)啟動(dòng)SR驅(qū)動(dòng)器。一些類型的驅(qū)動(dòng)器直接反向，然后靜止；這里沒有呈現(xiàn)出問題因?yàn)閷?duì)反向轉(zhuǎn)矩死區(qū)不是同時(shí)發(fā)生。就像前面所提到的，