故障检测与故障容错管理系统

故障检测与故障容错管理系统

开关磁阻电机驱动器

查尔斯M ·斯蒂芬斯

通用电气公司研究与发展

斯克内克塔迪，纽约12301

摘要:开关磁阻电机（SRM）具有独特特点，能提高电机的容错能力，这种能力可以使电机继续运行不管绕组故障或是在变频电路中。电机各相磁场的独立和逆变器各相电路的独立允许开关磁阻电机驱动器继续运作即使一个或多个相的禁用。绕组故障检测器显示出故障电机绕组的存在，另外控制电路阻止受影响相的半导体功率开关的门控信号，从而消除故障绕组励磁，消除能够产生持续励磁的故障绕组的影响。该驱动器可以在无故障相继续运行。

Abstract：The switched reluctance motor(SRM) possesses unique characteristics that promote the motor for fault tolerance capability - the ability to continue operation despite faulted motor windings or inverter circuitry. The magnetic independence of the motor phases and the circuit independence of the inverter phases permit the SRM drive to continue operation with one or more phases disabled. Winding fault detectors indicate the existence of faulted motor windings, and control circuitry acts to block the gating signals to the semiconductor power switches of the affected phase, thus removing excitation from the faulted winding and halting damaging effects that can result from the continued excitation of a faulted winding. The drive can continue operation without the faulted phase.

引言：驱动系统需要高度的可靠性，应考虑具有优越的容错特性的开关磁阻电动机。由于电机各相磁场的独立和逆变器各相电路的独立,不论故障是在电机绕组还是逆变器某相都可以检测和隔离，不影响其他相。这个驱动比减小隔离相占总相数的比例更加无误的运行。

比较下，故障绕组在多相交流电机上有更多严重的后果。有故障的某一相将因为彼此定子绕组的磁耦合严重影响其他相得运行。此外,对一个典型的三相异步电动机定子绕组是以星形或三角形连接以提高各相的电气耦合。对断开的单相，通过断开绕组或电源开关失效，使多相电机变为单相励磁。

在作者公司有一个持续的研究项目，专注于开发开关磁阻电动机的容错特性以应对不同类型的错误。这个项目以演示各种类型电机绕组的缺点入手。电机绕组故障检测装置是以控制电路隔离故障绕组是通过阻断受影响相的半导体电源开关的控制信号而建立的。这个开发是将实验室实施证明推广到的各种故障检测。实验表明，故障的绕组可以应用于运行驱动，达到立即进行检测和隔离，使逆变电路不受到损害，也不引起运行错误。

驱动故障对性能影响的定义

起初,各种驱动故障对性能的影响只是直觉性怀疑,因此早期的开发的任务集中在至少定义的各种驱动故障对性能的影响。这些性能影响因素是通过在一个实验室小型驱动上创建故障条件确定的。这个SR电机的实验室驱动是一种大约1 / 2功率的小型四相电机。图1为这

种电机的几何图形。线圈绕组方向完全相反的定子相互连接成一系列的相，相对的两相相连，分接到这一系列线圈的接线使故障绕组更易发现，从组合电机分离出来。电动机上安装了一个测量仪，用来测量力矩和转速。安装在电机上的加速度测量仪用来测量外部振动，另外霍尔电流探测仪用来测量系统中各点的电流。单级逆变器的一个角位置确定该相的激磁间隔和霍尔电流检测器对电流滞后的效准[1]。

图1：a、实验电机所用的几何四相SRM

b、允许外部故障时半相绕组接线

以下类型的故障模式在实验室中创建：

——断相，开路

——断相，短路

——线圈两极短路

——接触短路

——相与相电流短路

图2：四相SR驱动转化电路，图示S1~S5为故障条件开关。

图2所示为在逆变电路中连接故障和开关断开的情况（一些反激变换器二极管在这个图

中省略）。当驱动静态运行时，故障连接（或断开）时，驱动将降低速度，同时注意任何可能的破坏条件。短路时通过减校一系列电阻，直到大部分短路电路能够或得电流。

当电机的某相从逆变电路中断开（开关1断开），该相位的电流大小将减小到原来的3/4，而外部感应电流没有增加。这并不是说没有增加脉动转矩,而是直到某一相明显减少大量脉动转矩才会增加。但转矩脉动不产生明显的可测量的增加振动。不论断开相电路是开路（开关2断开）还是短路（开关2闭合）对驱动的性能没什么影响；这是因为电机各相独立励磁相互之间产生很小的影响，只在断开和短路相产生十分微小的电流。

电源开关在集成电路中失效时，将被关断，与断相的影响是相同。个别故障的将起减振效果，使扭矩增大，因此会引起电动机和逆变器的故障。

两级线圈短路时，会引起连接半相与同相终端的抽头的故障（开关3断开）。这个接头准备复制故障线圈短接的部分。在这种情况下，故障电路没有与此相端子断开，而且电路在电路保持器下维持在原来的状态，因此没有因结构引起过电流现象。但是由于励磁的不平衡会引起外部感应电势的增加。通过完全相反的绕组激磁，转子将被牵引偏离中心，重击轴承。这个时间比例变化电路在故障相位中所占比例很大，因为故障相的感应系数很小。在霍尔电路规则中对于同种影响开关频率影响较大。线圈将下降到原来的7/8（有7/8的线圈仍然在运行）。

接地故障是半相直接接在直流源的负极（开关4闭合）。这种连接将复制对地短路的一些部分像定子磁心这些线圈的故障。在这种情况下，常规电流电路检测器将避免此相端子和旁路故障，在故障下允许一部分相位流过较大的电流。这种过电流很容易引起上部电源开关的故障。励磁的不平衡将引起外部振动的增大。

相与相之间的故障是由于两个相邻相中间接头连在一起引起的。这种连接将引起故障，能使两个相邻线圈电极发生相互短接。当两相同时激磁时，在间隔转化电路中，故障电路随着部分随从相去降低签一相。这种故障电路可以扩大，而且使外部励磁增大。

这一些列故障现象将在表1中总结

表1

各种故障影响产生的现象

四相开关磁阻电机

故障条件相对输出振荡增加？过电流？

正常运行 1.0 - -

断相或开路3/4 否否

断相，短路3/4 否否

线圈两极短路7/8 是否

接触短路>7/8 是剧烈

相与相电流短路 1.0 是是

最有害的影响（振荡和过量电流)在一相短接到一些连接模式时产生。断相（或无励磁相位）相对较好，只是在线圈上引起减小。因此故障管理策略是从本质上推断这里应该有某种方法来探测短接故障，然后限制受影响相电源开关门极电压，从而使驱动故障情况下以更