專(zhuān)利名稱(chēng)：基于勵(lì)磁電流的電勵(lì)磁雙凸極電機(jī)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(lì)磁電流的電勵(lì)磁雙凸極電機(jī)整流電路故障診斷方 法，屬于特種電機(jī)控制領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
整流電路是電勵(lì)磁雙凸極發(fā)電機(jī)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(shí)踐表明，整流電路的故障通常表現(xiàn)為整流元件的開(kāi)路和 短路。特別是在大功率供電系統(tǒng)中，當(dāng)整流元件發(fā)生直通故障時(shí)，瞬間將造成 相電壓短路，使短路限流裝置動(dòng)作，切斷直流母線(xiàn)，從而抑制故障點(diǎn)的短路電 流。而當(dāng)整流元件發(fā)生開(kāi)路故障時(shí)，整流電路若帶病工作，將導(dǎo)致直流電壓品 質(zhì)惡化，發(fā)電機(jī)系統(tǒng)帶載能力下降，而且使三相交流感應(yīng)電勢(shì)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(luò)法、頻譜分析法、小波分析法。應(yīng)用 于電勵(lì)磁雙凸極發(fā)電機(jī)整流電路故障診斷的方法有利用輸出電壓和中點(diǎn)電壓 小波分析兩種方法。但這些方法的缺點(diǎn)是由于輸出端濾波大電容的存在，導(dǎo) 致輸出電壓被濾平，使實(shí)現(xiàn)在線(xiàn)診斷較困難，中點(diǎn)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(wèn)題是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷提出一種基于勵(lì)磁 電流的電勵(lì)磁雙凸極電機(jī)整流電路故障診斷方法。
本發(fā)明基于勵(lì)磁電流的電勵(lì)磁雙凸極電機(jī)整流電路故障診斷方法，包括如 下步驟
a.)檢測(cè)整流電路中一個(gè)整流二極管或多個(gè)整流二極管開(kāi)路時(shí)的故障勵(lì)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(lì)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(lì)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(lì)磁電流、經(jīng)過(guò)歸一化得到特征故障勵(lì)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(shí)
采樣故障勵(lì)磁電流的最大值，//min 為第n種故障時(shí)采故障樣勵(lì)磁電流的最小 值；
d. )將步驟c所述的特征故障勵(lì)磁電流"^分為J層Q個(gè)頻帶，第_/層的
第A:個(gè)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(lì)磁電流"_經(jīng)過(guò)小波分析得到Q個(gè)頻帶
能量特征值《=|>4(《)「A = 0，1,AA，27-1，其中q④表示重構(gòu)信號(hào)《的離
散點(diǎn)的幅值；
f. )以步驟e所述的各個(gè)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(hào)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(kù)；
h.)采樣所述電勵(lì)磁雙凸極電機(jī)實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)時(shí)的勵(lì)磁電流/,，將該勵(lì)
磁電流//經(jīng)過(guò)歸 一 化得到特征勵(lì)磁電流
//腳=(2Z'/ — (//腿+ Z'/milJ/(/,ax_ Z/m J ，其中//腿為電勵(lì)磁雙凸極電機(jī)實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)時(shí)的勵(lì)磁電流//的最大值，//min為電勵(lì)磁雙凸極電機(jī)實(shí)際運(yùn)行狀 態(tài)時(shí)的勵(lì)磁電流^的最小值；
i.)將特征勵(lì)磁電流w經(jīng)過(guò)小波分析得到電勵(lì)磁雙凸極電機(jī)實(shí)際運(yùn)行狀
態(tài)時(shí)的能量特征值，將電勵(lì)磁雙凸極電機(jī)實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)時(shí)的能量特征值與步驟 g所述故障檔案庫(kù)中所有的新的能量特征值依次做差得到實(shí)際差值，
當(dāng)有實(shí)際差值小于或等于設(shè)定的誤差判別值，則當(dāng)前狀態(tài)即為新的能
量特征值所表征的故障類(lèi)型；
當(dāng)沒(méi)有實(shí)際差值小于設(shè)定的誤差判別值，則當(dāng)前狀態(tài)為無(wú)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(jī)中點(diǎn)電壓實(shí)現(xiàn)整流故
障判斷，該方法利用勵(lì)磁電流實(shí)現(xiàn)判斷，檢測(cè)方便，且波形受濾波電容的影響 較小，易于實(shí)現(xiàn)整流故障的在線(xiàn)診斷。且利用勵(lì)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(lì)磁雙凸極發(fā)電機(jī)系統(tǒng)框圖3:電勵(lì)磁雙凸極電機(jī)整流電路；
圖4:正常工作時(shí)電勵(lì)磁雙凸極電機(jī)三相電感與勵(lì)磁電流波形圖； 圖5 :第一整流二極管D1管發(fā)生故障時(shí)，三相電感與勵(lì)磁電流波形圖； 圖6 :第四整流二極管D4管發(fā)生故障時(shí)，三相電感與勵(lì)磁電流波形圖； 圖7:第一、第四整流二極管D1、 D4雙管故障時(shí)，三相電感與勵(lì)磁電流 波形圖8:第一、第六整流二極管D1、 D6雙管故障時(shí)，三相電感與勵(lì)磁電流 波形圖。
具體實(shí)施例方式
如圖1所示。本發(fā)明基于勵(lì)磁電流的電勵(lì)磁雙凸極電機(jī)整流電路故障診斷 方法，包括如下步驟
a.)檢測(cè)整流電路中一個(gè)整流二極管或多個(gè)整流二極管開(kāi)路時(shí)的故障勵(lì)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(lì)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(lì)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(lì)磁電流、經(jīng)過(guò)歸一化得到特征故障勵(lì)磁電流 Z/we簡(jiǎn)(^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(lì)磁電流的最大值，//min 為第n種故障時(shí)采故障樣勵(lì)磁電流的最小 值；
d. )將步驟c所述的特征故障勵(lì)磁電流"_分為J層Q個(gè)頻帶，第y層的
第&個(gè)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(lì)磁電流/^"經(jīng)過(guò)小波分析得到Q個(gè)頻帶
能量特征值《=1>^)卩,"0,1,AA^-1，其中^(《)表示重構(gòu)信號(hào)S)的離
散點(diǎn)的幅值；
f.)以步驟e所述的各個(gè)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(hào)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(kù)；
h.)采樣所述電勵(lì)磁雙凸極電機(jī)實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)時(shí)的勵(lì)磁電流/,，將該勵(lì)
磁電流經(jīng)過(guò)歸 一 化得至IJ特征勵(lì)磁電流Z/腳 /maxmi/max _Z'/milJ，其中Z'/max為電勵(lì)磁雙凸極電機(jī)實(shí)
際運(yùn)行狀態(tài)時(shí)的勵(lì)磁電流/,的最大值，//n^為電勵(lì)磁雙凸極電機(jī)實(shí)際運(yùn)行狀 態(tài)時(shí)的勵(lì)磁電流//的最小值；
i.)將特征勵(lì)磁經(jīng)過(guò)小波分析得到電勵(lì)磁雙凸極電機(jī)實(shí)際運(yùn)行狀
態(tài)時(shí)的能量特征值，將電勵(lì)磁雙凸極電機(jī)實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)時(shí)的能量特征值與步驟
g所述故障檔案庫(kù)中所有的新的能量特征值依次做差得到實(shí)際差值，
當(dāng)有實(shí)際差值小于或等于設(shè)定的誤差判別值，則當(dāng)前狀態(tài)即為新的能
量特征值所表征的故障類(lèi)型；
當(dāng)沒(méi)有實(shí)際差值小于設(shè)定的誤差判別值，則當(dāng)前狀態(tài)為無(wú)故障狀態(tài)。 如圖2所示為電勵(lì)磁雙凸極發(fā)電機(jī)系統(tǒng)框圖，包括電機(jī)本體、控制電路、勵(lì) 磁功率電路、整流電路、濾波電容和負(fù)載幾部分。
如圖3所示為常用的全橋整流電路。
對(duì)于電勵(lì)磁雙凸極發(fā)電機(jī)，由于電樞反應(yīng)作用，導(dǎo)致勵(lì)磁電流隨電機(jī)電感
周期性地變化；其波動(dòng)周期由電機(jī)轉(zhuǎn)子齒數(shù)以及電機(jī)轉(zhuǎn)速?zèng)Q定，而其波動(dòng)幅值 與電樞電流，勵(lì)磁電流、轉(zhuǎn)速等因素均有關(guān)。當(dāng)電機(jī)在某一穩(wěn)態(tài)下正常運(yùn)行時(shí)， 勵(lì)磁電流脈動(dòng)情況固定不變；當(dāng)整流電路某元件發(fā)生開(kāi)路故障，電樞電流情況 發(fā)生變化，導(dǎo)致電機(jī)內(nèi)部磁場(chǎng)發(fā)生畸變且電樞反應(yīng)發(fā)生變化，最終體現(xiàn)在勵(lì)磁 電流波動(dòng)發(fā)生變化。針對(duì)不同故障狀態(tài)進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，得到不同故障下的勵(lì)磁 電流波形并進(jìn)行離線(xiàn)數(shù)據(jù)分析，建立故障樣本庫(kù)。當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，將勵(lì)磁電流 進(jìn)行分析，與樣本值進(jìn)行比較，即可實(shí)現(xiàn)故障類(lèi)型的診斷。
電勵(lì)磁雙凸極電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，最大相電勢(shì)依次為A相繞組-B相繞組-C相繞 組順序循環(huán)，即六個(gè)整流二極管也按相應(yīng)順序?qū)ǎ總€(gè)周期內(nèi)電機(jī)磁場(chǎng)分布 狀態(tài)也是周期性變化，由于電樞反應(yīng)，導(dǎo)致勵(lì)磁電流周期性波動(dòng)。
以A相電勢(shì)最高，C相繞組電勢(shì)最低時(shí)刻為例進(jìn)行分析。正常運(yùn)行時(shí)，由電 勢(shì)關(guān)系可以判斷，此時(shí)第一整流二極管D1、第六整流二極管D6管導(dǎo)通。
當(dāng)?shù)谝徽鞫O管D1管發(fā)生開(kāi)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(shí)，電流流通路徑與B相繞組電勢(shì)最高、C相繞組電勢(shì) 最低時(shí)刻相同。由于雙凸極電機(jī)的特殊凸極結(jié)構(gòu)，此時(shí)的磁場(chǎng)分布不同于正常 運(yùn)行時(shí)第二整流二極管D2、第六整流二極管D6兩管導(dǎo)通的時(shí)刻，對(duì)應(yīng)的勵(lì)磁電 流也發(fā)生畸變。同樣可分析另外兩種故障類(lèi)型當(dāng)?shù)诹鞫O管D6管發(fā)生開(kāi)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(shí)，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(dǎo)通方式對(duì)應(yīng)的電機(jī)磁場(chǎng)分布也不同與正常運(yùn)行時(shí)刻的磁場(chǎng)分布，不同的 電樞反應(yīng)使得勵(lì)磁電流發(fā)生不同形式的畸變。
同樣，B相繞組電勢(shì)最大、A相繞組電勢(shì)最小，和C相繞組電勢(shì)最大、B相繞 組電勢(shì)最小兩個(gè)時(shí)刻的分析都與此類(lèi)似。因此，發(fā)生不同開(kāi)路故障時(shí)，勵(lì)磁電 流將會(huì)發(fā)生不同形式的畸變。通過(guò)勵(lì)磁電流分析可以判斷故障類(lèi)型。針對(duì)各種 故障狀態(tài)，進(jìn)行模擬故障實(shí)驗(yàn)，并記錄各種狀態(tài)下的勵(lì)磁電流采樣波形；對(duì)采 樣數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，以保證分析結(jié)果的通用性；對(duì)各種狀態(tài)下的勵(lì)磁電流 進(jìn)行小波分析，得到各個(gè)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(duì)每種故障 進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)，通過(guò)統(tǒng)計(jì)平均最終確定故障特征向量；同時(shí)，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(kù)。當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，通過(guò)故障特征向量與誤差判別向量運(yùn)算，與 故障檔案庫(kù)中數(shù)據(jù)進(jìn)行比較匹配，即可確定故障類(lèi)型。
如圖4所示，由于電樞反應(yīng)作用，電勵(lì)磁雙凸極電機(jī)勵(lì)磁電流隨電機(jī)磁場(chǎng)的 變化而變化，表現(xiàn)為勵(lì)磁電流隨三相電感周期性波動(dòng)。
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(shí)，電機(jī)三相電感和勵(lì)磁電流的對(duì)應(yīng)關(guān)系圖。由圖對(duì)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(jī) 磁場(chǎng)分布規(guī)律也會(huì)隨之發(fā)生不同形式的變化，電樞反應(yīng)作用導(dǎo)致勵(lì)磁電流發(fā)生 不同形式的畸變?？梢钥闯觯收蠣顟B(tài)與正常運(yùn)行狀態(tài)之間，以及不同故障狀 態(tài)之間，相應(yīng)的勵(lì)磁電流波形有較明顯區(qū)別。因此，通過(guò)分析勵(lì)磁電流可以實(shí) 現(xiàn)電勵(lì)磁雙凸極電機(jī)整流電路的故障診斷。
權(quán)利要求
1. 一種基于勵(lì)磁電流的電勵(lì)磁雙凸極電機(jī)整流電路故障診斷方法，其特征在于包括如下步驟a. )檢測(cè)整流電路中一個(gè)整流二極管或多個(gè)整流二極管開(kāi)路時(shí)的故障勵(lì)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(lì)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(lì)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(lì)磁電流經(jīng)過(guò)歸一化得到特征故障勵(lì)磁電流ifnewn＝(2ifn-(ifmaxn+ifminn))/(ifmaxn-ifminn)，其中ifmax n為第n種故障時(shí)采樣故障勵(lì)磁電流的最大值，ifminn為第n種故障時(shí)采故障樣勵(lì)磁電流的最小值；d. )將步驟c所述的特征故障勵(lì)磁電流ifnewn分為J層Q個(gè)頻帶，第j層的第k個(gè)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(lì)磁電流ifnewn經(jīng)過(guò)小波分析得到Q個(gè)頻帶能量特征值k＝0，1，ΛΛ，2j-1，其中ek(q)表示重構(gòu)信號(hào)的離散點(diǎn)的幅值；f. )以步驟e所述的各個(gè)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(hào)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(kù)；h. )采樣所述電勵(lì)磁雙凸極電機(jī)實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)時(shí)的勵(lì)磁電流if，將該勵(lì)磁電流if經(jīng)過(guò)歸一化得到特征勵(lì)磁電流ifnew＝(2if-(ifmax+ifmin))/(ifmax-ifmin)，其中ifmax為電勵(lì)磁雙凸極電機(jī)實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)時(shí)的勵(lì)磁電流if的最大值，ifmin為電勵(lì)磁雙凸極電機(jī)實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)時(shí)的勵(lì)磁電流if的最小值；i. )將特征勵(lì)磁電流ifnew經(jīng)過(guò)小波分析得到電勵(lì)磁雙凸極電機(jī)實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)時(shí)的能量特征值，將電勵(lì)磁雙凸極電機(jī)實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)時(shí)的能量特征值與步驟g所述故障檔案庫(kù)中所有的新的能量特征值依次做差得到實(shí)際差值，當(dāng)有實(shí)際差值小于或等于設(shè)定的誤差判別值，則當(dāng)前狀態(tài)即為新的能量特征值所表征的故障類(lèi)型；當(dāng)沒(méi)有實(shí)際差值小于設(shè)定的誤差判別值，則當(dāng)前狀態(tài)為無(wú)故障狀態(tài)。
全文摘要
本發(fā)明公布了一種基于勵(lì)磁電流的電勵(lì)磁雙凸極電機(jī)整流電路故障診斷方法，屬特種電機(jī)控制領(lǐng)域。本發(fā)明所述方法的特征是針對(duì)各種發(fā)電機(jī)整流故障進(jìn)行模擬故障實(shí)驗(yàn)，對(duì)各種故障下的勵(lì)磁電流進(jìn)行離線(xiàn)數(shù)據(jù)分析，建立故障數(shù)據(jù)庫(kù)。將發(fā)生故障時(shí)的勵(lì)磁電流與故障數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行比較匹配即可確定故障類(lèi)型。本發(fā)明受電勵(lì)磁雙凸極無(wú)刷直流發(fā)電機(jī)輸出端濾波電容的影響小，易于實(shí)現(xiàn)在線(xiàn)故障診斷，有很大的實(shí)用價(jià)值。
文檔編號(hào)G01R31/34GK101413989SQ20081023540
公開(kāi)日2009年4月22日 申請(qǐng)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(lè) 張, 張永帥, 胡朝燕, 魏佳丹 申請(qǐng)人:南京航空航天大學(xué)