英语原文共 15 页
IEEE车辆技术交易，第62卷，第3期，2013年3月
一种基于多个诊断指数的处理:
变频器故障在交流传动中的应用
IEEE成员Fabien Meinguet、IEEE学生成员Paul Sandulescu、IEEE成员Xavier Kestelyn和IEEE成员Eric Semail
文摘——提出了一种通用的故障检测和隔离( FDI )方法，并将其应用于电动汽车( EVs )驱动器中的逆变器故障。该方法基于一种变化检测算法，该算法允许组合多个故障指数( FIs )来检索驱动器最有可能的状态。研究中的驱动拓扑是一个与三相开路绕组电机相关联的六脚逆变器。由于固有的容错拓扑，传统的FIs不再有效。因此，对故障条件下的模拟进行分析，可以得出合适的预测结果。这些都是基于相电流的包络以及它们的瞬时频率来进行的。考虑到与电动汽车环境相关的具体操作条件，如磁通减弱区域和能量回收。在这些操作模式中，故障检测与分离环节可能会受到通过自由电流的非控制电流的影响。最后，在稳态和非稳态的条件下，通过仿真和实验结果对FDI方案的性能进行了评估。
术语集：
检测延迟.
J断层的大小.
断层i与断层j之间的距离.
断层发生时断层指数平均值的向量.
阻尼系数.
关联矩阵.
故障指数的方差矩阵.
电气设备.
机械设备.
带宽.
瞬时相X电流.
与断层J相关联的函数.
隔离阈值.
健康状态.
相位电流.
在同步参考帧中表示的相位电流.
D轴和Q轴平行.
零序交叉.
相x电流的包络.
故障指数数.
故障数.
杆对数.
向量表示时间k处故障指数的值.
定子电阻.
故障指数的基础上的分类.
基于瞬时速率Wx的故障指数.
状态j与i之间的对数似然比.
与相位x相关并位于y位置的开关.
抽样周期.
直流侧电压.
B相发生开路故障.
累计金额.
电动汽车.
故障检测与分离.
对数似然比.
比例积分.
锁相环.
信号发生器.
同步参照器.
a相发生单开关开路故障.
一.导言
驱动器的可靠性已经研究了几十年[ 1 ]。这已经被认为是运输系统中的一个关键特征，在这种系统中，故障可能会产生巨大的影响。
逆变器部件通常被指出是驱动器中最薄弱的部件。统计数据通常显示，功率半导体、栅极驱动器和电容器的故障率高于电机[ 2]、[ 3]，即使是控制器故障率也很高[ 3]、[ 4]。
状况监控是避免意外停机的一种方法，因为这允许在早期阶段，即在故障发展成事故之前进行故障检测。应用于电机的状态监测是一项成熟的技术，已经在业界得到广泛认可。基于电机电流或电压分析的技术已被广泛研究，[ 5 ] - [ 8 ]。另一方面，逆变器故障仍然难以预测。尽管[ 9]实现了这一领域的最新发展，但仍需要改进才能进行大规模的再加工。
由于逆变器故障难以预测，容错是防止故障发生时驱动器关闭的唯一方法。目前已经研究了电机[ 10 ] - [ 13 ]和逆变器的容错能力。在[ 14 ]比较了与三相电机相关联的几种容错逆变器拓扑，而多相驱动器在[ 15 ]和[ 16 ]中有所论述。
最初，容错被引入到安全关键系统中。例如航空航天分配器[ 17]、[ 18]、线控转向系统和线控制动系统[ 19 ]或轮毂电机[ 20]、[ 21]。最近，对容错拓扑的进一步研究表明，如何集成廉价、快速的车载充电器[ 22]、[ 23]，使得容错对于电动车辆( EVs )也具有成本效益。该拓扑由一个与三相永磁同步电机( PMSM )相关联的六桥臂逆变器组成。充电功能不需要额外的部件，这比[ 24 ]中提出的解决方案更有利，例如在需要额外离合器的情况下。
实现容错控制( FTC )的方法有很多种。依靠固有的容错能力是解决故障的最简单方法。利用该方案，在不改变控制规律的情况下，其性能是令人满意的。另一方面，控制系统允许修改控制规则，以使其在当前条件下尽可能多地操作驱动器。在后一种情况下，可靠的故障诊断是至关重要的。
在[25]中，基于两个观察者的技术允许在机械传感器故障时实现FTC。最大似然投票算法用于确定控制回路的哪个输入是最合适的。
电流传感器故障在[ 26] - [ 29]中得到解决。在[ 26]中，离线测试允许确定有故障的传感器。FTC通过用软件估计来代替测量，从而获得更好的效果。在[ 27]中，故障检测和隔离( FDI )在开环运行的短时间内进行。在[ 28 ]中，提出了一种基于信号的故障隔离技术和广义的观测器方案，同样采用开环控制器。在[ 29 ]中，硬件冗余用于隔离闭环操作和零速度的故障。
在传感器故障的情况下，也有可能对现有传感器的功能进行调整，如[ 30 ]中所述。
关于逆变器故障，最常见的故障检测方法是通过对收集器电压的监测来检测逆变器的故障。这一特性在许多驱动器中都是可用的，通常被认为是电力电子设备的短路故障检测。然而，这不能保护系统免受其他故障的影响，例如驱动程序故障或门-命令-信号故障。因此，研究一直致力于检测和隔离开放式故障或单开关开路故障[ 31] - [ 37 ]。在[ 31]中，研究了两种方法: 1)电流矢量轨迹分析和2 )电流矢量相位的导数分析。这两种方法都基于alpha;beta;电流。在[ 32 ]中，故障驱动的模拟模型被用来训练人工神经网络。在[ 33 ]中，检测基于alpha;beta;电流的模式，该模式通过模糊技术进行分析，从而隔离故障并评估其严重性。在[ 34]中，重点分析了相位电流的归一化直流分量。通过相电流样本数接近零、指标等基本诊断变量，实现了对多个故障的检测。在[ 35]中，基于归一化电流“平均值绝对值”提出了的类似想法。在[ 36 ]中，将电流矢量相位的导数与相电流极性的分析相结合，以检测和隔离多个故障。在[ 37]中，提出了一种基于模型的技术。将故障建模作为作用于控制变量的附加故障。隔离是通过分析通过alpha;beta;帧中的观测器来实现的。
必须注意的是，上述所有方法都是针对三脚逆变器提出的。
在使用容错逆变器的情况下，驱动器会减少故障，alpha;beta;元件不会受到太大影响，这使得所有依赖这些元件的方法都失效。然而，基于归一化直流分量的方法，例如[ 34 ]和[ 35 ]，仍然是可以适用的。
另一个观察结果是，以前的工作都没有分析过弱磁区或发电机模式下的故障检测。由于电机是为大功率恒功率运行和能量回收而设计的，所以这些操作方式是非常重要的[ 38 ]。在磁通弱化区域，电动势( emf )大于直流链路电压。因此，在故障情况下，可以观察到通过自由电流的不受控制的电流。这种不受控制的电流直接影响了故障检测与分离的执行情况。
本文针对六桥臂逆变器和三相电机的拓扑结构，研究了一种单相和单相开路故障的故障检测与分离的情况。目标是定位故障相并区分开路故障和单开关开路故障。该最小信息可用于启动控制重新配置，这可以适应当前的参考，以获得零转矩脉动的控制，如[ 39 ] - [ 42 ]中所建议的。
拟议故障检测与分离方案的框图如图1所示。基于可用的测量，即相电流和机械速度，首先应用预处理。这允许通过[ 43 ]和[ 44 ]中提出的信号处理技术，即正交信号发生器( QSG )和锁相环( PLL )，提取每个相电流的幅度及其瞬时频率。
接下来，生成两组故障指数( FIs )。第一组是基于相电流的大小，第二组是基于每个相电流的瞬时频率估计。拟议索引的优点是减少了操作次数，并且没有数据存储。
图1：故障检测与分离计划框图
图二：驱动拓扑由一个单一的能源，一个六桥臂逆变器，一个开放的三相变送器组成
最后，在[ 45]中，决策系统用一种变化检测算法来实现，该算法被称为累积和( CUSUM )算法。该算法是一种基于统计的后处理技术，为诊断带来了便利。原则如下。在每个样本中，基于FIs值，评估每个故障状态的可能性。这种可能性在与每个故障相关的CUSUM函数中的几个样本上累积。然后，通过相互比较CUSUM函数，可以检索驱动器的最可能状态。发生故障时，故障标志( FF )设置为高。CUSUM算法的优点是提高了对故障检测分离的鲁棒性。此外，该算法在分类数量和性质方面具有很高的灵活性，可以将故障检测分离扩展到其他故障。
二．驱动模型和控制参数
研究中的拓扑如图2所示。该驱动器由单个能源、六脚逆变器和三相开路绕组永磁同步电机组成。开关的两个下标表示它们对应的相位以及开关相对于相位端子的位置。
A.二次模型
同时考虑了磁饱和的影响，给出了磁饱和的数学模型。
其中Vabc是机器端子上的电压，Rs是定子电阻，Ibc是相电流，[Labc]是电感矩阵，Eabc是永磁体产生的电动势。
开放端绕组永磁同步电机在同步参考坐标系中的电气方程由下式给出。
其中L0是零序电感，Ld和Lq分别是d轴和q轴电感，omega;e是电脉动，theta;e是电位置。假设电动势仅由基波和三次谐波分量组成；因此，零序emf是3theta;e的函数，而Q轴emf取决于永磁体psi;M，1引起的基本磁通链的值。
B.逆变器模型
在正常运行中，相对于相位x ( xinfin;{ a，b，c} )的逆变器输出电压等于
其中VDC是直流链路电压，SXY是与相位X相关联的开关的状态，位于Y ( Yinfin;{ 1，2，3，4 } )，其中“1”是“开”状态。
在逆变器故障的情况下，等式( 4 )不再有效。然而，故障操作中的方程组取决于故障的性质。
在断线或连接的情况下，相应的相电流等于零，相电压等于电动势和磁耦合感应的电压之和，即根据( 1 )。
在驱动器或栅极命令信号故障的情况下，电压方程取决于故障中涉及的开关。公式( 4 )可以针对每种故障组合进行重写。例如，如果SX1或SX4未能打开，则不再可能强制Vx = VDC。然而，只要续流二极管是正常的，唯一的一般说法是：
- VDCle;VXle;VDC。( 5 )
图3：控制方案的框图
表一：驱动参数
因此，根据故障开关和感应电压，故障相不能观察到电流、控制电流或无控制的电流。
C.控制回路
图3给出了控制方案的框图。使用d轴和q轴电流的常规控制，即具有比例积分( PI )控制器和补偿电动势的磁场定向控制。
关于零序分量，特殊性在于只补偿电动势。这允许在正常运行中使用零序列电流进行操作。此外，在开路故障的情况下，这允许固有的FTC。由于零序电流不受控制，dq控制器能够拒绝故障发生时出现的2omega;e处的部分部件，因此，与三相星形连接的电机相比，转矩脉动减小。
D.故障操作中的控制
本文考虑了以下故障:单开关开路故障和单相开路故障。驱动器已被建模以模拟上述故障。在这些故障条件下，也可以操作试验台的驱动，这中操作允许验证模型。驱动参数见表一。
图4：通过模拟和开路开关故障( SWA1O )实验获得的相电流比较，omega;m = 100 rad·s，Iq = 0.7 pu。模拟结果。实验结果。
图4显示了通过模拟和实验获得了针对单开关开路故障( SA1 )的相电流的比较。在下文中，该故障将被称为SWA1O。
这两幅图都清楚地表明，故障相电流是相当大的。特别是，当前仅接受负值。这是因为当相电流为正时，逆变器输出电压不再等于 VDC。因此，逆变器输出电压不能大于感应电压，并且电流在半个周期内保持为零。
在另一半时间里，电流通过自由二极管返回到直流链路，因此，电压基准很好地施加到了机器端子上。必须注意的是，在SA4未能打开的情况下，同样的分析也是有效的。因此，如果没有额外的隔离程序，故障的识别是不可能的:电流的极性只给出一个故障对的信息，即如果电流极性是负的，( SA1，SA4 )，或者如果电流极性是正的( SA2，SA3 )。
还可以在图4中观察到，模拟电流和测量电流的大小存在差异。在模拟中，正常相的电流较大，而故障相的电流则相反。
图5显示了通过模拟和通过实验获得的相电流在b相开路故障的比较。在下文中，该故障将被称为BO。可以观察到，这两个图非常相似。在实验结果中可以观察到额外的谐波分量，特别是当机器加载时由于磁饱和而出现的三次、五次和七次谐波分量。此外，由于固有的容错结构，剩余相的电流增加用以补偿
资料编号：[5673]
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