李 洋， 王德明， 張廣明， 梅 磊

(南京工業(yè)大學(xué)，江蘇 南京 211816)

*基金項(xiàng)目： 國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51277092)

0 引 言

軸向磁場(chǎng)開關(guān)磁阻電機(jī)也稱盤式開關(guān)磁阻電機(jī)。將普通開關(guān)磁阻電機(jī)與盤式電機(jī)相結(jié)合,即構(gòu)成了軸向磁場(chǎng)盤式開關(guān)磁阻電機(jī)。普通的開關(guān)磁阻電機(jī)是指目前各種設(shè)備上廣泛采用的開關(guān)磁阻徑向磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)電機(jī)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、控制靈活、起動(dòng)電流小等特點(diǎn),在工業(yè)調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用也越來越廣泛。軸向磁場(chǎng)開關(guān)磁阻電機(jī)綜合了盤式電機(jī)的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)和普通開關(guān)磁阻電機(jī)的性能優(yōu)勢(shì)，非常適合于低速、大轉(zhuǎn)矩的應(yīng)用場(chǎng)合,具有很好的應(yīng)用前景。

典型的開關(guān)磁阻電機(jī)系統(tǒng)主要由開關(guān)磁阻電機(jī)、功率變換器、控制器及檢測(cè)電路等組成。開關(guān)磁阻電機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 開關(guān)磁阻電機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1中SRM為普通的徑向磁場(chǎng)開關(guān)磁阻電機(jī)，可以換成軸向磁場(chǎng)開關(guān)磁阻電機(jī)，以實(shí)現(xiàn)軸向磁場(chǎng)開關(guān)磁阻電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)。該電機(jī)系統(tǒng)中任一環(huán)節(jié)出了故障問題都會(huì)使電機(jī)系統(tǒng)無法運(yùn)行，故要對(duì)電機(jī)本體及系統(tǒng)中其他容易發(fā)生故障的環(huán)節(jié)進(jìn)行研究。

功率變換器是開關(guān)磁阻電機(jī)系統(tǒng)中故障高發(fā)的環(huán)節(jié)。它是系統(tǒng)的核心機(jī)構(gòu)，負(fù)責(zé)繞組與電源的導(dǎo)通、關(guān)斷切換。功率變換器發(fā)生故障將無法為電機(jī)運(yùn)行提供電能。電機(jī)繞組是軸向磁場(chǎng)開關(guān)磁阻電機(jī)本體上最薄弱的環(huán)節(jié)，任一相繞組出現(xiàn)故障都將破壞電機(jī)各相對(duì)稱性，影響電機(jī)正常運(yùn)行。因此，有必要對(duì)電機(jī)繞組故障和功率變換器故障進(jìn)行研究，以便及時(shí)檢測(cè)和發(fā)現(xiàn)故障并及時(shí)采取適當(dāng)?shù)娜蒎e(cuò)方法。

1 軸向磁場(chǎng)開關(guān)磁阻電機(jī)的機(jī)構(gòu)

軸向盤式開關(guān)磁阻電機(jī)繼承了普通開關(guān)磁阻電機(jī)的雙凸極結(jié)構(gòu)。不同的是開關(guān)磁阻電機(jī)的轉(zhuǎn)子位于定子上方，形成軸向結(jié)構(gòu)。以三相6/4極結(jié)構(gòu)為例，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。定子由定子盤和6個(gè)黏附在盤面上的鐵心組成。在鐵心上繞線圈構(gòu)成勵(lì)磁磁極，定子齒采用平行槽結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)子盤和4個(gè)轉(zhuǎn)子齒構(gòu)成，轉(zhuǎn)子上無繞組。

圖2 6/4結(jié)構(gòu)軸向盤式開關(guān)磁阻電機(jī)

軸向磁場(chǎng)開關(guān)磁阻電機(jī)的工作原理與普通開關(guān)磁阻電機(jī)相同，均遵守磁阻最小原則，即磁通總是沿著磁阻最小路徑閉合產(chǎn)生磁拉力進(jìn)而形成轉(zhuǎn)矩。

2 電機(jī)繞組故障分析

軸向磁場(chǎng)開關(guān)磁阻電機(jī)繞組的故障有很多，為了能夠直觀的說明繞組故障，利用開關(guān)S1、S2、S3、S4、S5斷開(開路)和閉合(短路)的方式來表示故障。軸向磁場(chǎng)開關(guān)磁阻電機(jī)繞組故障電路圖如圖3所示。當(dāng)S5斷開(其余4個(gè)開關(guān)處于正常斷開狀態(tài))，繞組發(fā)生開路故障。當(dāng)只有開關(guān)S3、S5閉合時(shí)，繞組正負(fù)端短接形成短路故障。當(dāng)只有S2、S5閉合時(shí)，發(fā)生某一相內(nèi)的繞組匝間短路故障。當(dāng)只有S1、S5閉合時(shí)，發(fā)生相鄰繞組短路故障。當(dāng)只有S4、S5閉合時(shí)，發(fā)生繞組接地故障。這些故障主要是由于電機(jī)內(nèi)部繞組品質(zhì)變化而引起的。由于長(zhǎng)期運(yùn)行或過載運(yùn)行，尤其是頻繁地起動(dòng)和反向，過電流產(chǎn)生的熱溫使繞線絕緣系統(tǒng)發(fā)生質(zhì)變，起初會(huì)造成局部的匝間短路或?qū)Φ囟搪?，?yán)重時(shí)，甚至?xí)龤щ姍C(jī)。在上述幾種故障中，繞組開路、繞組正負(fù)端短路、繞組匝間短路是最可能發(fā)生的故障類型。

圖3 軸向磁場(chǎng)開關(guān)磁阻電機(jī)繞組故障電路圖

2.1 繞組正負(fù)端短路

開關(guān)磁阻電機(jī)系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)有繞組勵(lì)磁階段和續(xù)流階段。所以，在某相繞組短路分為兩種情況： (1) 在繞組勵(lì)磁階段，該相繞組的正端與負(fù)端短接(S3、S5閉合)，導(dǎo)致該相繞組短路。(2) 在續(xù)流階段，繞組正端與負(fù)端短接(S3、S5閉合)，導(dǎo)致短路。如果在勵(lì)磁階段發(fā)生繞組短路，電流會(huì)迅速增大，可能會(huì)燒毀功率開關(guān)管。這時(shí)短路相繞組由于有反電動(dòng)勢(shì)存在而產(chǎn)生短路電流,通過該相繞組回路衰減,如果短路電流較大，則有可能燒毀該相繞組。

2.2 繞組開路

繞組開路是由繞組的一端或者兩端斷開造成的，例如S5斷開。一旦發(fā)生開路，該相電流為零，相應(yīng)的轉(zhuǎn)矩輸出也為零，造成總輸出轉(zhuǎn)矩減小，導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的性能降低，控制器將增大勵(lì)磁電壓，提高其余正常相的電流，從而維持系統(tǒng)的穩(wěn)定輸出。由于開關(guān)磁阻電機(jī)的各相之間耦合較小，缺相故障對(duì)其他相造成的影響也小，因此系統(tǒng)可以缺相運(yùn)行。

2.3 繞組匝間短路

如圖3所示，當(dāng)S2、S5閉合時(shí)，發(fā)生繞組匝間短路。匝間故障的發(fā)生一般由于電機(jī)經(jīng)常處于潮濕、腐蝕等惡劣環(huán)境中，繞組絕緣層長(zhǎng)期受到碰磨、老化、過熱的影響，從而破損，造成故障。短路故障的嚴(yán)重程度取決于短路的匝數(shù)，輕微的匝間短路故障不會(huì)造成太大的影響，但是短路匝間產(chǎn)生的短路電流會(huì)導(dǎo)致局部溫度升高，引起周圍絕緣損壞，發(fā)展成更大故障。匝間短路發(fā)生時(shí)，繞組的電感會(huì)降低。當(dāng)電機(jī)其他參數(shù)給定后，電感值和短路的匝數(shù)有一定的函數(shù)關(guān)系。因此可以通過改變?cè)褦?shù)值來改變電感值，即可仿真匝間短路故障。

3 功率變換器故障分析

開關(guān)磁阻電機(jī)系統(tǒng)中，不對(duì)稱半橋式功率變換器電路的使用最為廣泛。因?yàn)樵撾娐返娜蒎e(cuò)能力較強(qiáng)，各相控制具有獨(dú)立性，某相發(fā)生故障對(duì)其他相幾乎沒有影響。其主電路結(jié)構(gòu)如圖4所示，每相橋臂均由兩個(gè)功率開關(guān)管和兩個(gè)續(xù)流二極管構(gòu)成。以A相橋臂為例說明其工作原理： 當(dāng)兩只功率開關(guān)VT1、VT2同時(shí)導(dǎo)通時(shí)，電源向電機(jī)相繞組A供電。當(dāng)VT1、VT2關(guān)斷時(shí)，相電流經(jīng)續(xù)流二極管VD1和VD2續(xù)流，續(xù)流就是將磁能轉(zhuǎn)化為電能回饋給電源。

圖4 三相不對(duì)稱半橋功率變換器電路

功率變換器有功率開關(guān)管開路、短路以及續(xù)流二極管開路、短路4種主要故障類型。過壓、過流及工作溫度過高都會(huì)損壞功率開關(guān)器件，造成功率開關(guān)管的開路和短路故障。由于開關(guān)磁阻電機(jī)A、B、C三相繞組之間無電氣連接，而且三相不對(duì)稱半橋功率變換器各橋臂獨(dú)立工作，每一相橋臂中的故障表現(xiàn)形式相似，因此只需對(duì)一個(gè)橋臂中的故障狀態(tài)進(jìn)行分析并加以推廣就能涵蓋整個(gè)功率變換器的故障狀態(tài)。以A相橋臂為研究對(duì)象，該橋臂上的故障類型如圖5所示。

圖5 A相橋臂故障類型示意圖

3.1 功率開關(guān)管開路

功率開關(guān)管在閉合時(shí)為繞組勵(lì)磁階段，在斷開時(shí)為繞組續(xù)流階段，所以功率開關(guān)管開路時(shí)主要影響的是繞組的勵(lì)磁。功率開關(guān)管開路故障分為上管開路、下管開路和雙管開路3種情況。無論是相橋臂上的上管開路或是下管開或是雙管開路，這幾種開路故障最終對(duì)系統(tǒng)所造成的影響一樣，都將導(dǎo)致該故障相停止工作。該相電流及輸出轉(zhuǎn)矩為零，但是剩余相可以繼續(xù)工作，系統(tǒng)整體的輸出轉(zhuǎn)矩會(huì)下降。以上開關(guān)管開路為例，當(dāng)上開關(guān)管VT1管開路，則VT1管所控制的A相繞組與勵(lì)磁電源斷開，繞組無電流通過，對(duì)應(yīng)的A相輸出轉(zhuǎn)矩為零，但B、C相可以繼續(xù)運(yùn)行并且輸出功率轉(zhuǎn)矩，電機(jī)整體的輸出功率會(huì)有所下降。

3.2 功率開關(guān)管短路

功率開關(guān)管短路故障也可分為上管短路、下管短路、雙管短路。由于短路電流過大，容易燒毀其他器件，于是在電機(jī)各相繞組中串聯(lián)快速熔斷器，快速熔斷器的反時(shí)延特性可以對(duì)電機(jī)系統(tǒng)起到保護(hù)作用。當(dāng)過載電流在一定范圍內(nèi)，熔斷器不會(huì)熔斷，可以繼續(xù)使用。過載電流較大時(shí)，熔斷器熔斷。本文以功率開關(guān)管上管短路故障為例進(jìn)行分析。

上管短路故障后，故障所在相的繞組勵(lì)磁回路與正常情況下相同。當(dāng)下管關(guān)斷后，繞組開始續(xù)流。正常狀態(tài)下的續(xù)流回路如圖6所示箭頭路徑指向，而上管短路后的續(xù)流回路如圖7所示箭頭路徑指向，續(xù)流時(shí)繞組兩端電壓不再反向，而是為零。由于續(xù)流回路不經(jīng)過VD2和負(fù)載，因此勵(lì)磁階段獲得的能量，全部供給繞組，而繞組的阻值很小，所以繞組電流增大，一直到下一周期功率開關(guān)管開通時(shí)續(xù)流仍然存在，隨著繞組獲得的能量不斷增加，繞組電流也不斷增大。當(dāng)繞組電流超過安全電流限值時(shí)，熔斷器熔斷，將功率變換器與繞組斷開，此時(shí)上管短路故障轉(zhuǎn)變?yōu)槿毕喙收稀?/p>

圖6 正常狀態(tài)下續(xù)流回路

圖7 上管短路的續(xù)流回路

因?yàn)樯瞎芘c下管是串聯(lián)在同一橋臂上的，下管短路的情況與上管短路基本相同。此時(shí)續(xù)流回路路徑有所改變，續(xù)流回路不經(jīng)過VD1和負(fù)載。與上管短路類似，繞組電流迅速增大。由于過流，熔斷器熔斷，下管短路故障也轉(zhuǎn)變?yōu)槿毕喙收?。?dāng)兩個(gè)功率開關(guān)管VT1、VT2同時(shí)短路時(shí)，相當(dāng)于電源兩端直接與繞組相連，此時(shí)續(xù)流回路也不存在，繞組持續(xù)勵(lì)磁，電流持續(xù)增大，熔斷器會(huì)迅速熔斷，雙管短路故障轉(zhuǎn)變?yōu)槿毕喙收稀?/p>

3.3 續(xù)流二極管開路

在勵(lì)磁階段，只有功率開關(guān)管工作，此時(shí)二極管中無電流通過。在續(xù)流階段，功率開關(guān)管斷開，二極管開始輸出工作。仍然以A相橋臂為研究對(duì)象，當(dāng)上管VD1管開路時(shí)，勵(lì)磁回路正常工作，但續(xù)流回路不存在，在功率開關(guān)管關(guān)斷的一瞬間，繞組兩端會(huì)產(chǎn)生反向高壓，使得功率開關(guān)管VT1過壓毀壞，則二極管開路故障轉(zhuǎn)換為缺相故障。同理，下管開路或者雙管開路與上管開路的故障情況一致，都將轉(zhuǎn)變成缺相故障。

3.4 續(xù)流二極管短路

二極管的上管短路與下管短路表現(xiàn)形式相同。當(dāng)二極管上管VD1短路，功率開關(guān)管VT2開通后，VD1、VT2相當(dāng)于導(dǎo)線，電源被短路，起動(dòng)過流保護(hù)。當(dāng)雙管都短路時(shí)，有兩種情況： (1) 功率開關(guān)管開通時(shí)，電源被短路，過流使熔斷器熔斷。(2) 功率開關(guān)管關(guān)斷時(shí)，相當(dāng)于在繞組兩端施加反向勵(lì)磁電壓，繞組中出現(xiàn)反向電流，并且電流增大越來越快。

4 故障容錯(cuò)技術(shù)的研究展望

目前，很多學(xué)者對(duì)開關(guān)磁阻電機(jī)故障模式進(jìn)行分析研究并取得了一定的成果。文獻(xiàn)[8]闡述了電機(jī)運(yùn)行時(shí)繞組開路和短路等故障以及故障對(duì)輸出轉(zhuǎn)矩造成的影響。文獻(xiàn)[9]重點(diǎn)分析了繞組在短路故障下對(duì)系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩輸出的影響。文獻(xiàn)[10]研究了開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)在各類不同故障條件下的勵(lì)磁需求問題以及故障與開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)勵(lì)磁條件之間的關(guān)系，并通過仿真給出詳細(xì)的分析。文獻(xiàn)[11]介紹了功率變換器的幾種故障對(duì)開關(guān)磁阻電機(jī)的轉(zhuǎn)矩輸出和電流的影響。文獻(xiàn)[12]利用MATLAB對(duì)開關(guān)磁阻電機(jī)模型進(jìn)行仿真，并分析了電機(jī)在各種故障模式下的輸出特性。

很多學(xué)者在對(duì)開關(guān)磁阻電機(jī)系統(tǒng)故障研究的同時(shí)，也對(duì)開關(guān)磁阻電機(jī)故障情況下的容錯(cuò)控制展開了研究。文獻(xiàn)[13]給出了在繞組開路故障下，通過設(shè)計(jì)模糊自適應(yīng)控制器，調(diào)節(jié)正常相的開通關(guān)斷角來實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)控制。文獻(xiàn)[14]分析了開關(guān)磁阻電機(jī)在單相繞組發(fā)生開路和短路條件下的輸出特性，并提出了一種新的基于功率變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的容錯(cuò)方法。文獻(xiàn)[15]提出了“C”形和“E”形兩種新型模塊化定子開關(guān)磁阻電機(jī)，通過改變電機(jī)的設(shè)計(jì)方式，進(jìn)一步提高了開關(guān)磁阻電機(jī)的容錯(cuò)能力。

綜合以上研究的基礎(chǔ)，針對(duì)開關(guān)磁阻電機(jī)的主要故障，提出以下幾種容錯(cuò)控制方法： (1) 設(shè)計(jì)新型的、帶有容錯(cuò)功能的功率變換器的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，使得電機(jī)在故障發(fā)生時(shí)依然能夠達(dá)到輸出標(biāo)準(zhǔn)。(2) 改變電機(jī)本體結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)容錯(cuò)性比較高的開關(guān)磁阻電機(jī)。(3) 針對(duì)故障設(shè)計(jì)容錯(cuò)控制器，當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，控制器可以改變電機(jī)的控制方式，保證電機(jī)在故障狀態(tài)下能夠輸出較好的特性。

5 結(jié) 語

本文首先介紹了軸向磁場(chǎng)開關(guān)磁阻的結(jié)構(gòu)，相比普通開關(guān)磁阻電機(jī)，軸向磁場(chǎng)磁阻電機(jī)具有轉(zhuǎn)動(dòng)慣量比高、軸向長(zhǎng)度短、體積小等優(yōu)點(diǎn)，還可以用于一些特殊應(yīng)用場(chǎng)合。其次詳細(xì)分析了在軸向磁場(chǎng)開關(guān)磁阻電機(jī)系統(tǒng)中兩類重要性的故障： 功率變換器故障和電機(jī)本體故障。最后針對(duì)開關(guān)磁阻電機(jī)的故障提出了三種容錯(cuò)控制方法，大大減少開關(guān)磁阻電機(jī)故障的發(fā)生。但是，目前對(duì)容錯(cuò)控制的研究主要是簡(jiǎn)單的容錯(cuò)控制，研究不夠深入，因此在開關(guān)磁阻電機(jī)的故障和容錯(cuò)控制方面的研究還需要更多更深的探討。

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