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良性的模式工作。

故障检测装置

一些故障检测装置被开发，而且在实验室中运用测定其功效。这种装置必须能够快速的运行以阻止在运行过程中故障使反向电源开关引起灾难性后果。

一个有效的故障检测装置是一个简单的过电流检测器，通过电流检测器信号运行，根据相电流的正常范围设置一个比较值。这种探测仪十分容易生效，但是不能快速反应，因为故障指示不稳定，直到电流十分高才能检测出来。只要检测器通过电流检测运行，就不能检测所有类型的故障；早期的部分描述故障都是忽略电流检测器。

图3、电流微分检测器

电流差动探测器,如图3,采用了铁芯电流转化器。输入和输出相引线是通过CT中心，所以在正常运行中感应电流相等、反向，而且没有网络流量集中在CT的核心。当产生故障时，一部分的相电流将从线圈中释放，而且有网络流量集中在CT的核心，使CT产生的磁流量。这种检测器反应迅速;它在故障产生的一瞬间开始运行，不用等到故障电流超过正常范围。这种检测器运用于检测接地故障和相与相故障，但不适用于线圈短路故障，这种CT能够方便的安装在反相器内。

图4 流量微分检测器

流量微分检测器，如图4所示，利用检测定子线圈，检测各对反向连接的线圈实现。所以在正常运行时检测线圈的感应电势是相等、反向的，在各系列成对的绕组网络端子上电压为0。当有一个故障产生时将引起励磁电流的不平衡，使一边电压高于另一边，产生的网络电压经过双向比较将被检测到。这种检测器运用于检测接地故障、相与相故障和线圈短接故障，这是电流微分检测器不能完成的。它能检测到线圈短接故障，包括很小数量的线圈短接。不幸的是，在实际中这种检测器过于灵敏，它将把其他相也认为是故障相（在不平衡部分中产生的磁流量流过其他相，也认为是故障）。在其他相感应到电流时这种探测器在运行中将受到限制。附加动力组合得十分复杂，多余的接线将对这种测量仪附加危害。

图5：升压比例检测器

升压比例检测器如图5所示，由线性磁场耦合器放置在各相线圈引线附近而构成。这个线性耦合器比CTs要小，但是次要的是当连接到高阻值的负载时，它本质相当于开路，而且中心是由磁性材料组成，将延长运行范围。线性耦合器的输出电压与随时间变化的相电流成比例。当发生故障时，比如一部分相得线圈短路，使该相的感应电感减小，随时间变化的相电流将超过正常水平，同时线性耦合器的输出一个适当临界比较器。这个临界比较器值不能在正常运行时的最小电感是产生反应，有些可能是单纯的电感或电感增加得较小，但看似接近高度饱和磁场。这个感应器将对各种故障产生反应，但是会缺少因为限制阈值缺少灵敏度。然而他能快速直接十分严格的反应超过比较器阈值的故障。这个线性耦合器能够安装在反相器的封装里。

所有的检测器都是比较线圈提供的一个故障标志逻辑信号进行工作的。反相器包含有简单的逻辑电路，在产生故障标志时切断门极电路。这个逻辑电路包含一个R-S锁存器来保存故障标志，同时复制一个故障的约束，在下次励磁完全之前，直到该相阈值复位。假设故