專利名稱：基于勵磁電流的電勵磁雙凸極電機整流電路故障診斷方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于勵磁電流的電勵磁雙凸極電機整流電路故障診斷方 法，屬于特種電機控制領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
整流電路是電勵磁雙凸極發(fā)電機系統(tǒng)的重要組成部分，其工作狀態(tài)與直流 電壓品質(zhì)密切相關(guān)。實踐表明，整流電路的故障通常表現(xiàn)為整流元件的開路和 短路。特別是在大功率供電系統(tǒng)中，當整流元件發(fā)生直通故障時，瞬間將造成 相電壓短路，使短路限流裝置動作，切斷直流母線，從而抑制故障點的短路電 流。而當整流元件發(fā)生開路故障時，整流電路若帶病工作，將導致直流電壓品 質(zhì)惡化，發(fā)電機系統(tǒng)帶載能力下降，而且使三相交流感應電勢產(chǎn)生畸變。目前， 整流電路故障診斷常用的技術(shù)有神經(jīng)網(wǎng)絡法、頻譜分析法、小波分析法。應用 于電勵磁雙凸極發(fā)電機整流電路故障診斷的方法有利用輸出電壓和中點電壓 小波分析兩種方法。但這些方法的缺點是由于輸出端濾波大電容的存在，導 致輸出電壓被濾平，使實現(xiàn)在線診斷較困難，中點電壓僅適用于全橋整流方式， 不適用于半波整流方式，適用范圍窄。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是針對現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷提出一種基于勵磁 電流的電勵磁雙凸極電機整流電路故障診斷方法。
本發(fā)明基于勵磁電流的電勵磁雙凸極電機整流電路故障診斷方法，包括如 下步驟
a.)檢測整流電路中一個整流二極管或多個整流二極管開路時的故障勵磁 電流，共有iV種故障情況，其中7V為自然數(shù)，下同；
b.)采樣步驟a所述的W種故障情況下的故障勵磁電流&，其中/加表示步驟a所述的iV種故障情況中第n種故障情況下的勵磁電流，其中n為自然 數(shù)，取值范圍為1到N，下同；
C.)將采樣的故障勵磁電流、經(jīng)過歸一化得到特征故障勵磁電流 Z/weww max" +min打))/ G/ max"Z/ minwl ， 其中Z / max w為果n禾中故P早時
采樣故障勵磁電流的最大值，//min 為第n種故障時采故障樣勵磁電流的最小 值；
d. )將步驟c所述的特征故障勵磁電流"^分為J層Q個頻帶，第_/層的
第A:個小波包序列為《(yt-0,1……義-l)，其中7'、 J和A:、 Q都為自然數(shù)，的取 值范圍為1到J，下同；
e. )將步驟c所述的特征故障勵磁電流"_經(jīng)過小波分析得到Q個頻帶
能量特征值《=|>4(《)「A = 0，1,AA，27-1，其中q④表示重構(gòu)信號《的離
散點的幅值；
f. )以步驟e所述的各個頻帶能量特征值為元素構(gòu)造維數(shù)為27的故障特征 向量r-l《,，《"AA，《;-卩；
g. )改造故障特征向量T:
2乂—1
各頻帶信號的總能量為￡ = ；新的能量特征值
"0
■ t = ni……薪浙瞎鮮杯向晉.t， = k q……、」
^=^^ = 0,1,……^-l;新故障特征向量T， = [sQ，Sl,……，s2M];將所述新故障特
征向量作為故障檔案庫；
h.)采樣所述電勵磁雙凸極電機實際運行狀態(tài)時的勵磁電流/,，將該勵
磁電流//經(jīng)過歸 一 化得到特征勵磁電流
//腳=(2Z'/ — (//腿+ Z'/milJ/(/,ax_ Z/m J ，其中//腿為電勵磁雙凸極電機實際運行狀態(tài)時的勵磁電流//的最大值，//min為電勵磁雙凸極電機實際運行狀 態(tài)時的勵磁電流^的最小值；
i.)將特征勵磁電流w經(jīng)過小波分析得到電勵磁雙凸極電機實際運行狀
態(tài)時的能量特征值，將電勵磁雙凸極電機實際運行狀態(tài)時的能量特征值與步驟 g所述故障檔案庫中所有的新的能量特征值依次做差得到實際差值，
當有實際差值小于或等于設定的誤差判別值，則當前狀態(tài)即為新的能
量特征值所表征的故障類型；
當沒有實際差值小于設定的誤差判別值，則當前狀態(tài)為無故障狀態(tài)。 本發(fā)明有以下有益效果相比于利用輸出電壓或電機中點電壓實現(xiàn)整流故
障判斷，該方法利用勵磁電流實現(xiàn)判斷，檢測方便，且波形受濾波電容的影響 較小，易于實現(xiàn)整流故障的在線診斷。且利用勵磁電流適用范圍廣，不僅局限 于采用全橋整流電路的系統(tǒng)，還適用于采用半波整流的系統(tǒng)。


圖1:本發(fā)明流程圖2:電勵磁雙凸極發(fā)電機系統(tǒng)框圖3:電勵磁雙凸極電機整流電路；
圖4:正常工作時電勵磁雙凸極電機三相電感與勵磁電流波形圖； 圖5 :第一整流二極管D1管發(fā)生故障時，三相電感與勵磁電流波形圖； 圖6 :第四整流二極管D4管發(fā)生故障時，三相電感與勵磁電流波形圖； 圖7:第一、第四整流二極管D1、 D4雙管故障時，三相電感與勵磁電流 波形圖8:第一、第六整流二極管D1、 D6雙管故障時，三相電感與勵磁電流 波形圖。
具體實施例方式
如圖1所示。本發(fā)明基于勵磁電流的電勵磁雙凸極電機整流電路故障診斷 方法，包括如下步驟
a.)檢測整流電路中一個整流二極管或多個整流二極管開路時的故障勵磁
電流，共有iV種故障情況，其中JV為自然數(shù)，下同；b.)采樣步驟a所述的7V種故障情況下的故障勵磁電流Z;，其中Z;表
示步驟a所述的7V種故障情況中第n種故障情況下的勵磁電流，其中n為自然 數(shù)，取值范圍為1到N，下同；
C.)將采樣的故障勵磁電流、經(jīng)過歸一化得到特征故障勵磁電流 Z/we簡(^Zyh(//maxw + Z/minw))/i//maxwZ/min")， 其中Z /maxw為弟n禾中故卩早日寸
采樣故障勵磁電流的最大值，//min 為第n種故障時采故障樣勵磁電流的最小 值；
d. )將步驟c所述的特征故障勵磁電流"_分為J層Q個頻帶，第y層的
第&個小波包序列為《(* = 0,1……,2^-1)，其中_/、 J禾BA:、 Q都為自然數(shù)，7'的取 值范圍為1到J，下同；
e. )將步驟c所述的特征故障勵磁電流/^"經(jīng)過小波分析得到Q個頻帶
能量特征值《=1>^)卩,"0,1,AA^-1，其中^(《)表示重構(gòu)信號S)的離
散點的幅值；
f.)以步驟e所述的各個頻帶能量特征值為元素構(gòu)造維數(shù)為27的故障特征 向量r=《,《，AA,f-1
V ,2" 2)
g.)改造故障特征向量T:
各頻帶信號的總能量為￡ = ；新的能量特征值
...... —1.敘脈瞎姓懷r^i畏.T，一r。 c ......Sj
A=^ij = 0,l,……新故障特征向量T' = [sQ，Sl,……,s2M];將所述新故障特
征向量作為故障檔案庫；
h.)采樣所述電勵磁雙凸極電機實際運行狀態(tài)時的勵磁電流/,，將該勵
磁電流經(jīng)過歸 一 化得至IJ特征勵磁電流Z/腳 /maxmi/max _Z'/milJ，其中Z'/max為電勵磁雙凸極電機實
際運行狀態(tài)時的勵磁電流/,的最大值，//n^為電勵磁雙凸極電機實際運行狀 態(tài)時的勵磁電流//的最小值；
i.)將特征勵磁經(jīng)過小波分析得到電勵磁雙凸極電機實際運行狀
態(tài)時的能量特征值，將電勵磁雙凸極電機實際運行狀態(tài)時的能量特征值與步驟
g所述故障檔案庫中所有的新的能量特征值依次做差得到實際差值，
當有實際差值小于或等于設定的誤差判別值，則當前狀態(tài)即為新的能
量特征值所表征的故障類型；
當沒有實際差值小于設定的誤差判別值，則當前狀態(tài)為無故障狀態(tài)。 如圖2所示為電勵磁雙凸極發(fā)電機系統(tǒng)框圖，包括電機本體、控制電路、勵 磁功率電路、整流電路、濾波電容和負載幾部分。
如圖3所示為常用的全橋整流電路。
對于電勵磁雙凸極發(fā)電機，由于電樞反應作用，導致勵磁電流隨電機電感
周期性地變化；其波動周期由電機轉(zhuǎn)子齒數(shù)以及電機轉(zhuǎn)速決定，而其波動幅值 與電樞電流，勵磁電流、轉(zhuǎn)速等因素均有關(guān)。當電機在某一穩(wěn)態(tài)下正常運行時， 勵磁電流脈動情況固定不變；當整流電路某元件發(fā)生開路故障，電樞電流情況 發(fā)生變化，導致電機內(nèi)部磁場發(fā)生畸變且電樞反應發(fā)生變化，最終體現(xiàn)在勵磁 電流波動發(fā)生變化。針對不同故障狀態(tài)進行模擬實驗，得到不同故障下的勵磁 電流波形并進行離線數(shù)據(jù)分析，建立故障樣本庫。當故障發(fā)生時，將勵磁電流 進行分析，與樣本值進行比較，即可實現(xiàn)故障類型的診斷。
電勵磁雙凸極電機正常運行時，最大相電勢依次為A相繞組-B相繞組-C相繞 組順序循環(huán)，即六個整流二極管也按相應順序?qū)?，每個周期內(nèi)電機磁場分布 狀態(tài)也是周期性變化，由于電樞反應，導致勵磁電流周期性波動。
以A相電勢最高，C相繞組電勢最低時刻為例進行分析。正常運行時，由電 勢關(guān)系可以判斷，此時第一整流二極管D1、第六整流二極管D6管導通。
當?shù)谝徽鞫O管D1管發(fā)生開路故障，電流轉(zhuǎn)而流經(jīng)第二整流二極管D2、 第六整流二極管D6管。此時，電流流通路徑與B相繞組電勢最高、C相繞組電勢 最低時刻相同。由于雙凸極電機的特殊凸極結(jié)構(gòu)，此時的磁場分布不同于正常 運行時第二整流二極管D2、第六整流二極管D6兩管導通的時刻，對應的勵磁電 流也發(fā)生畸變。同樣可分析另外兩種故障類型當?shù)诹鞫O管D6管發(fā)生開路故障，電 流流經(jīng)第一整流二極管D1、第五整流二極管D5管；第一整流二極管D1、第六整 流二極管D6雙管故障時，電流流經(jīng)第二整流二極管D2、第四整流二極管D4管。這 兩種導通方式對應的電機磁場分布也不同與正常運行時刻的磁場分布，不同的 電樞反應使得勵磁電流發(fā)生不同形式的畸變。
同樣，B相繞組電勢最大、A相繞組電勢最小，和C相繞組電勢最大、B相繞 組電勢最小兩個時刻的分析都與此類似。因此，發(fā)生不同開路故障時，勵磁電 流將會發(fā)生不同形式的畸變。通過勵磁電流分析可以判斷故障類型。針對各種 故障狀態(tài)，進行模擬故障實驗，并記錄各種狀態(tài)下的勵磁電流采樣波形；對采 樣數(shù)據(jù)進行歸一化處理，以保證分析結(jié)果的通用性；對各種狀態(tài)下的勵磁電流 進行小波分析，得到各個頻帶下的能量特征值；構(gòu)造故障特征向量，以反映不 同頻帶的能量在總能量中所占的比例，以及各頻帶之間的能量差。對每種故障 進行多次實驗，通過統(tǒng)計平均最終確定故障特征向量；同時，建立誤差判別向 量，力求診斷誤差最小化；根據(jù)各種故障狀態(tài)下的特征向量和誤差判別向量， 建立故障檔案庫。當故障發(fā)生時，通過故障特征向量與誤差判別向量運算，與 故障檔案庫中數(shù)據(jù)進行比較匹配，即可確定故障類型。
如圖4所示，由于電樞反應作用，電勵磁雙凸極電機勵磁電流隨電機磁場的 變化而變化，表現(xiàn)為勵磁電流隨三相電感周期性波動。
圖5 —8分別是第一整流二極管D1管故障、第四整流二極管D4管故障、第一 整流二極管和第四整流二極管D1和D4雙管故障、第一整流二極管和第六整流二 極管D1和D6雙管故障時，電機三相電感和勵磁電流的對應關(guān)系圖。由圖對比可 以看出，在不同故障狀態(tài)下，由于三相電流的狀態(tài)發(fā)生不同形式的變化，電機 磁場分布規(guī)律也會隨之發(fā)生不同形式的變化，電樞反應作用導致勵磁電流發(fā)生 不同形式的畸變?？梢钥闯?，故障狀態(tài)與正常運行狀態(tài)之間，以及不同故障狀 態(tài)之間，相應的勵磁電流波形有較明顯區(qū)別。因此，通過分析勵磁電流可以實 現(xiàn)電勵磁雙凸極電機整流電路的故障診斷。
權(quán)利要求
1. 一種基于勵磁電流的電勵磁雙凸極電機整流電路故障診斷方法，其特征在于包括如下步驟a. )檢測整流電路中一個整流二極管或多個整流二極管開路時的故障勵磁電流，共有N種故障情況，其中N為自然數(shù)，下同；b. )采樣步驟a所述的N種故障情況下的故障勵磁電流ifn，其中ifn表示步驟a所述的N種故障情況中第n種故障情況下的勵磁電流，其中n為自然數(shù)，取值范圍為1到N，下同；c. )將采樣的故障勵磁電流經(jīng)過歸一化得到特征故障勵磁電流ifnewn＝(2ifn-(ifmaxn+ifminn))/(ifmaxn-ifminn)，其中ifmax n為第n種故障時采樣故障勵磁電流的最大值，ifminn為第n種故障時采故障樣勵磁電流的最小值；d. )將步驟c所述的特征故障勵磁電流ifnewn分為J層Q個頻帶，第j層的第k個小波包序列為(k＝0，1……，2j-1)，其中j、J和k、Q都為自然數(shù)，j的取值范圍為1到J，下同；e. )將步驟c所述的特征故障勵磁電流ifnewn經(jīng)過小波分析得到Q個頻帶能量特征值k＝0，1，ΛΛ，2j-1，其中ek(q)表示重構(gòu)信號的離散點的幅值；f. )以步驟e所述的各個頻帶能量特征值為元素構(gòu)造維數(shù)為2j的故障特征向量g. )改造故障特征向量T各頻帶信號的總能量為；新的能量特征值k＝0，1，……，2j-1；新故障特征向量；將所述新故障特征向量作為故障檔案庫；h. )采樣所述電勵磁雙凸極電機實際運行狀態(tài)時的勵磁電流if，將該勵磁電流if經(jīng)過歸一化得到特征勵磁電流ifnew＝(2if-(ifmax+ifmin))/(ifmax-ifmin)，其中ifmax為電勵磁雙凸極電機實際運行狀態(tài)時的勵磁電流if的最大值，ifmin為電勵磁雙凸極電機實際運行狀態(tài)時的勵磁電流if的最小值；i. )將特征勵磁電流ifnew經(jīng)過小波分析得到電勵磁雙凸極電機實際運行狀態(tài)時的能量特征值，將電勵磁雙凸極電機實際運行狀態(tài)時的能量特征值與步驟g所述故障檔案庫中所有的新的能量特征值依次做差得到實際差值，當有實際差值小于或等于設定的誤差判別值，則當前狀態(tài)即為新的能量特征值所表征的故障類型；當沒有實際差值小于設定的誤差判別值，則當前狀態(tài)為無故障狀態(tài)。
全文摘要
本發(fā)明公布了一種基于勵磁電流的電勵磁雙凸極電機整流電路故障診斷方法，屬特種電機控制領(lǐng)域。本發(fā)明所述方法的特征是針對各種發(fā)電機整流故障進行模擬故障實驗，對各種故障下的勵磁電流進行離線數(shù)據(jù)分析，建立故障數(shù)據(jù)庫。將發(fā)生故障時的勵磁電流與故障數(shù)據(jù)庫進行比較匹配即可確定故障類型。本發(fā)明受電勵磁雙凸極無刷直流發(fā)電機輸出端濾波電容的影響小，易于實現(xiàn)在線故障診斷，有很大的實用價值。
文檔編號G01R31/34GK101413989SQ20081023540
公開日2009年4月22日 申請日期2008年12月1日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月1日
發(fā)明者波 周, 樂 張, 張永帥, 胡朝燕, 魏佳丹 申請人:南京航空航天大學