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专利名称：基于励磁电流的电励磁双凸极电机整流电路故障诊断方法
技术领域：
本发明涉及一种基于励磁电流的电励磁双凸极电机整流电路故障诊断方 法，属于特种电机控制领域。
背景技术：
整流电路是电励磁双凸极发电机系统的重要组成部分，其工作状态与直流 电压品质密切相关。实践表明，整流电路的故障通常表现为整流元件的开路和 短路。特别是在大功率供电系统中，当整流元件发生直通故障时，瞬间将造成 相电压短路，使短路限流装置动作，切断直流母线，从而抑制故障点的短路电 流。而当整流元件发生开路故障时，整流电路若带病工作，将导致直流电压品 质恶化，发电机系统带载能力下降，而且使三相交流感应电势产生畸变。目前， 整流电路故障诊断常用的技术有神经网络法、频谱分析法、小波分析法。应用 于电励磁双凸极发电机整流电路故障诊断的方法有利用输出电压和中点电压 小波分析两种方法。但这些方法的缺点是由于输出端滤波大电容的存在，导 致输出电压被滤平，使实现在线诊断较困难，中点电压仅适用于全桥整流方式， 不适用于半波整流方式，适用范围窄。

发明内容
本发明要解决的技术问题是针对现有技术存在的缺陷提出一种基于励磁 电流的电励磁双凸极电机整流电路故障诊断方法。
本发明基于励磁电流的电励磁双凸极电机整流电路故障诊断方法，包括如 下步骤
a.)检测整流电路中一个整流二极管或多个整流二极管开路时的故障励磁 电流，共有iV种故障情况，其中7V为自然数，下同；
b.)采样步骤a所述的W种故障情况下的故障励磁电流&，其中/加表示步骤a所述的iV种故障情况中第n种故障情况下的励磁电流，其中n为自然 数，取值范围为1到N，下同；
C.)将采样的故障励磁电流、经过归一化得到特征故障励磁电流 Z/weww max" +min打))/ G/ max"Z/ minwl ， 其中Z / max w为果n禾中故P早时
采样故障励磁电流的最大值，//min 为第n种故障时采故障样励磁电流的最小 值；
d. )将步骤c所述的特征故障励磁电流"^分为J层Q个频带，第_/层的
第A:个小波包序列为《(yt-0,1……义-l)，其中7'、 J和A:、 Q都为自然数，的取 值范围为1到J，下同；
e. )将步骤c所述的特征故障励磁电流"_经过小波分析得到Q个频带
能量特征值《=|>4(《)「A = 0，1,AA，27-1，其中q④表示重构信号《的离
散点的幅值；
f. )以步骤e所述的各个频带能量特征值为元素构造维数为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
各频带信号的总能量为￡ = ；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];将所述新故障特
征向量作为故障档案库；
h.)采样所述电励磁双凸极电机实际运行状态时的励磁电流/,，将该励
磁电流//经过归 一 化得到特征励磁电流
//腳=(2Z'/ — (//腿+ Z'/milJ/(/,ax_ Z/m J ，其中//腿为电励磁双凸极电机实际运行状态时的励磁电流//的最大值，//min为电励磁双凸极电机实际运行状 态时的励磁电流^的最小值；
i.)将特征励磁电流w经过小波分析得到电励磁双凸极电机实际运行状
态时的能量特征值，将电励磁双凸极电机实际运行状态时的能量特征值与步骤 g所述故障档案库中所有的新的能量特征值依次做差得到实际差值，
当有实际差值小于或等于设定的误差判别值，则当前状态即为新的能
量特征值所表征的故障类型；
当没有实际差值小于设定的误差判别值，则当前状态为无故障状态。 本发明有以下有益效果相比于利用输出电压或电机中点电压实现整流故
障判断，该方法利用励磁电流实现判断，检测方便，且波形受滤波电容的影响 较�。�易于实现整流故障的在线诊断。且利用励磁电流适用范围广，不仅局限 于采用全桥整流电路的系统，还适用于采用半波整流的系统。


图1:本发明流程图2:电励磁双凸极发电机系统框图3:电励磁双凸极电机整流电路；
图4:正常工作时电励磁双凸极电机三相电感与励磁电流波形图； 图5 :第一整流二极管D1管发生故障时，三相电感与励磁电流波形图； 图6 :第四整流二极管D4管发生故障时，三相电感与励磁电流波形图； 图7:第一、第四整流二极管D1、 D4双管故障时，三相电感与励磁电流 波形图8:第一、第六整流二极管D1、 D6双管故障时，三相电感与励磁电流 波形图。
具体实施例方式
如图1所示。本发明基于励磁电流的电励磁双凸极电机整流电路故障诊断 方法，包括如下步骤
a.)检测整流电路中一个整流二极管或多个整流二极管开路时的故障励磁
电流，共有iV种故障情况，其中JV为自然数，下同；b.)采样步骤a所述的7V种故障情况下的故障励磁电流Z;，其中Z;表
示步骤a所述的7V种故障情况中第n种故障情况下的励磁电流，其中n为自然 数，取值范围为1到N，下同；
C.)将采样的故障励磁电流、经过归一化得到特征故障励磁电流 Z/we簡(^Zyh(//maxw + Z/minw))/i//maxwZ/min")， 其中Z /maxw为弟n禾中故卩早日寸
采样故障励磁电流的最大值，//min 为第n种故障时采故障样励磁电流的最小 值；
d. )将步骤c所述的特征故障励磁电流"_分为J层Q个频带，第y层的
第&个小波包序列为《(* = 0,1……,2^-1)，其中_/、 J禾BA:、 Q都为自然数，7'的取 值范围为1到J，下同；
e. )将步骤c所述的特征故障励磁电流/^"经过小波分析得到Q个频带
能量特征值《=1>^)卩,"0,1,AA^-1，其中^(《)表示重构信号S)的离
散点的幅值；
f.)以步骤e所述的各个频带能量特征值为元素构造维数为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:
各频带信号的总能量为￡ = ；新的能量特征值
...... —1.叙脉瞎姓怀r^i畏.T，一r。 c ......Sj
A=^ij = 0,l,……新故障特征向量T' = [sQ，Sl,……,s2M];将所述新故障特
征向量作为故障档案库；
h.)采样所述电励磁双凸极电机实际运行状态时的励磁电流/,，将该励
磁电流经过归 一 化得至IJ特征励磁电流Z/腳 /maxmi/max _Z'/milJ，其中Z'/max为电励磁双凸极电机实
际运行状态时的励磁电流/,的最大值，//n^为电励磁双凸极电机实际运行状 态时的励磁电流//的最小值；
i.)将特征励磁经过小波分析得到电励磁双凸极电机实际运行状
态时的能量特征值，将电励磁双凸极电机实际运行状态时的能量特征值与步骤
g所述故障档案库中所有的新的能量特征值依次做差得到实际差值，
当有实际差值小于或等于设定的误差判别值，则当前状态即为新的能
量特征值所表征的故障类型；
当没有实际差值小于设定的误差判别值，则当前状态为无故障状态。 如图2所示为电励磁双凸极发电机系统框图，包括电机本体、控制电路、励 磁功率电路、整流电路、滤波电容和负载几部分。
如图3所示为常用的全桥整流电路。
对于电励磁双凸极发电机，由于电枢反应作用，导致励磁电流随电机电感
周期性地变化；其波动周期由电机转子齿数以及电机转速决定，而其波动幅值 与电枢电流，励磁电流、转速等因素均有关。当电机在某一稳态下正常运行时， 励磁电流脉动情况固定不变；当整流电路某元件发生开路故障，电枢电流情况 发生变化，导致电机内部磁场发生畸变且电枢反应发生变化，最终体现在励磁 电流波动发生变化。针对不同故障状态进行模拟实验，得到不同故障下的励磁 电流波形并进行离线数据分析，建立故障样本库。当故障发生时，将励磁电流 进行分析，与样本值进行比较，即可实现故障类型的诊断。
电励磁双凸极电机正常运行时，最大相电势依次为A相绕组-B相绕组-C相绕 组顺序循环，即六个整流二极管也按相应顺序导通，每个周期内电机磁场分布 状态也是周期性变化，由于电枢反应，导致励磁电流周期性波动。
以A相电势最高，C相绕组电势最低时刻为例进行分析。正常运行时，由电 势关系可以判断，此时第一整流二极管D1、第六整流二极管D6管导通。
当第一整流二极管D1管发生开路故障，电流转而流经第二整流二极管D2、 第六整流二极管D6管。此时，电流流通路径与B相绕组电势最高、C相绕组电势 最低时刻相同。由于双凸极电机的特殊凸极结构，此时的磁场分布不同于正常 运行时第二整流二极管D2、第六整流二极管D6两管导通的时刻，对应的励磁电 流也发生畸变。同样可分析另外两种故障类型当第六整流二极管D6管发生开路故障，电 流流经第一整流二极管D1、第五整流二极管D5管；第一整流二极管D1、第六整 流二极管D6双管故障时，电流流经第二整流二极管D2、第四整流二极管D4管。这 两种导通方式对应的电机磁场分布也不同与正常运行时刻的磁场分布，不同的 电枢反应使得励磁电流发生不同形式的畸变。
同样，B相绕组电势最大、A相绕组电势最�。�和C相绕组电势最大、B相绕 组电势最小两个时刻的分析都与此类似。因此，发生不同开路故障时，励磁电 流将会发生不同形式的畸变。通过励磁电流分析可以判断故障类型。针对各种 故障状态，进行模拟故障实验，并记录各种状态下的励磁电流采样波形；对采 样数据进行归一化处理，以保证分析结果的通用性；对各种状态下的励磁电流 进行小波分析，得到各个频带下的能量特征值；构造故障特征向量，以反映不 同频带的能量在总能量中所占的比例，以及各频带之间的能量差。对每种故障 进行多次实验，通过统计平均最终确定故障特征向量；同时，建立误差判别向 量，力求诊断误差最小化；根据各种故障状态下的特征向量和误差判别向量， 建立故障档案库。当故障发生时，通过故障特征向量与误差判别向量运算，与 故障档案库中数据进行比较匹配，即可确定故障类型。
如图4所示，由于电枢反应作用，电励磁双凸极电机励磁电流随电机磁场的 变化而变化，表现为励磁电流随三相电感周期性波动。
图5 —8分别是第一整流二极管D1管故障、第四整流二极管D4管故障、第一 整流二极管和第四整流二极管D1和D4双管故障、第一整流二极管和第六整流二 极管D1和D6双管故障时，电机三相电感和励磁电流的对应关系图。由图对比可 以看出，在不同故障状态下，由于三相电流的状态发生不同形式的变化，电机 磁场分布规律也会随之发生不同形式的变化，电枢反应作用导致励磁电流发生 不同形式的畸变。可以看出，故障状态与正常运行状态之间，以及不同故障状 态之间，相应的励磁电流波形有较明显区别。因此，通过分析励磁电流可以实 现电励磁双凸极电机整流电路的故障诊断。
权利要求
1. 一种基于励磁电流的电励磁双凸极电机整流电路故障诊断方法，其特征在于包括如下步骤a. )检测整流电路中一个整流二极管或多个整流二极管开路时的故障励磁电流，共有N种故障情况，其中N为自然数，下同；b. )采样步骤a所述的N种故障情况下的故障励磁电流ifn，其中ifn表示步骤a所述的N种故障情况中第n种故障情况下的励磁电流，其中n为自然数，取值范围为1到N，下同；c. )将采样的故障励磁电流经过归一化得到特征故障励磁电流ifnewn＝(2ifn-(ifmaxn+ifminn))/(ifmaxn-ifminn)，其中ifmax n为第n种故障时采样故障励磁电流的最大值，ifminn为第n种故障时采故障样励磁电流的最小值；d. )将步骤c所述的特征故障励磁电流ifnewn分为J层Q个频带，第j层的第k个小波包序列为(k＝0，1……，2j-1)，其中j、J和k、Q都为自然数，j的取值范围为1到J，下同；e. )将步骤c所述的特征故障励磁电流ifnewn经过小波分析得到Q个频带能量特征值k＝0，1，ΛΛ，2j-1，其中ek(q)表示重构信号的离散点的幅值；f. )以步骤e所述的各个频带能量特征值为元素构造维数为2j的故障特征向量g. )改造故障特征向量T各频带信号的总能量为；新的能量特征值k＝0，1，……，2j-1；新故障特征向量；将所述新故障特征向量作为故障档案库；h. )采样所述电励磁双凸极电机实际运行状态时的励磁电流if，将该励磁电流if经过归一化得到特征励磁电流ifnew＝(2if-(ifmax+ifmin))/(ifmax-ifmin)，其中ifmax为电励磁双凸极电机实际运行状态时的励磁电流if的最大值，ifmin为电励磁双凸极电机实际运行状态时的励磁电流if的最小值；i. )将特征励磁电流ifnew经过小波分析得到电励磁双凸极电机实际运行状态时的能量特征值，将电励磁双凸极电机实际运行状态时的能量特征值与步骤g所述故障档案库中所有的新的能量特征值依次做差得到实际差值，当有实际差值小于或等于设定的误差判别值，则当前状态即为新的能量特征值所表征的故障类型；当没有实际差值小于设定的误差判别值，则当前状态为无故障状态。
全文摘要
本发明公布了一种基于励磁电流的电励磁双凸极电机整流电路故障诊断方法，属特种电机控制领域。本发明所述方法的特征是针对各种发电机整流故障进行模拟故障实验，对各种故障下的励磁电流进行离线数据分析，建立故障数据库。将发生故障时的励磁电流与故障数据库进行比较匹配即可确定故障类型。本发明受电励磁双凸极无刷直流发电机输出端滤波电容的影响�。�易于实现在线故障诊断，有很大的实用价值。
文档编号G01R31/34GK101413989SQ20081023540
公开日2009年4月22日 申请日期2008年12月1日 优先权日2008年12月1日
发明者波 周, 乐 张, 张永帅, 胡朝燕, 魏佳丹 申请人:南京航空航天大学