双馈无刷发电机整流器故障诊断及容错

摘要

为了提高四相双馈无刷起动发电机容错系统的可靠性，提出了一种基于小波包分析的整流器故障诊断方法。给出了高可靠DFBLSG的系统组成和容错原理。并分析了整流器的常见故障。详细介绍了小波包变换故障检测/识别算法的过程。通过容错性能和输出电压实验，利用电压传感器采集能量特性。采用五层小波包对信号进行分析，得到各频带的能量特征值。同时引入能量特征值容差，提高了诊断精度。容错四相DFBLSG通过小波包故障诊断，能够检测出常见的开路故障，并在出现故障时保持容错模式运行。结果表明，本文提出的故障分析方法是准确有效的。

1.介绍

起动发电机可以启动发动机并为航空和汽车提供电力。为波音787研制了一种变频起动发电机，该发电机于[1].开关磁阻电机（SRM）[2]和PM机器[3.也被认为是启动发电机。然而，开关磁阻发电机的可控电力电子电路非常复杂和昂贵。而PM材料对工作温度要求非常严格[4，5］.SRM和永磁电机作为发电机工作时，都很难调节输出电压。

双馈无刷起动机发电机(DFBLSG)是在双凸极永磁电机基础上采用励磁绕组代替永磁钢的一种新型无刷直流电机[6］.其电枢绕组和励磁绕组均安装在定子凸极上，具有与SRM转子相似的凸转子结构。DFBLSG作为一种发电机，在SRM发电机中不需要转子位置信息和受控的电力电子电路。DFBLSG具有结构简单、成本低、可靠性高、容错能力强等优点。因此，在风力发电、航空航天、汽车、船舶等领域具有良好的应用前景[7］.特别是它在发电和启动方面都有优异的性能，可以作为航空起动机使用[8，9］.

机器系统的容错原理图如图所示1．当系统中装有三相以上的多相电机时，即使在不同传感器的监控器上有一个或两个开路相位，也能继续工作。因此，有必要建立一个具有故障检测传感器和控制器的容错应用系统[10，11］.

发电方式对起动器和发电机尤为重要。整流器作为双馈无刷发电机系统的薄弱环节，容易出现故障。实践表明，整流器的故障可分为短路故障和开路故障。短路故障会导致熔断器停止操作[8］.一旦发生开路故障，整流电路的不平衡运行状态会导致输出电压变化、相电流畸变，甚至系统崩溃。因此，对双馈无刷发电机整流器故障检测的研究具有重要意义。

近年来，针对整流器故障诊断的应用提出了许多不同的方法。其主要思想是对输出电压中的故障信息进行诊断。为检测12相整流器的故障，在电压分析的基础上，利用[12］.利用扩展卡尔曼滤波器估计非线性动态系统的未知模型参数[13］.傅立叶变换和小波分析在故障诊断中的应用14- - - - - -16］.在[14]，提出了一种基于双正交b样条小波的齿轮箱故障检测方法。在[15]，研究了一种石油管道泄漏信号的自动识别方法。由于小波分析具有分析窗口大小随频率变化的优点，因此采用小波分析对输入信号进行处理[16］.

提出了一种容错四相DFBLSG，提出了一种基于小波包分析的整流器故障诊断方法。给出了12/9极高可靠DFBLSG的系统组成和容错原理。并分析了整流器的常见故障。详细介绍了小波包变换故障检测/识别算法的过程。电压传感器检测到的输出电压信号作为小波包输入信号。并进行了能量特性采集实验。对故障电压信号进行小波包分析，得到小波系数，然后对各频带进行小波重构。同时引入能量特征值容差，提高了诊断精度。容错四相DFBLSG通过小波包故障诊断，能够检测出常见的开路故障，并在出现故障时保持容错模式运行。结果表明，本文提出的故障分析方法是准确有效的。

2.系统组成及原理

2．1．系统组件

DFBLSG由机身和控制器组成，如图所示2．DFBLSG采用四相全桥逆变器驱动。A相和C相串联，形成一个独立的通道。另一个通道由B相和d相组成。位置传感器用于检测转子在启动模式下的位置和转速。并采用电压传感器检测整流器的故障。该控制器用于控制输出电压、机器的旋转和故障检测。

当DFBLSG作为一个发生器工作时，所有的开关管都被关断，四相输出电压由八个二极管进行整流。在电压传感器的监控下，通过调节励磁绕组电流来稳定输出电压。

启动发电机作为发电机运行时，可为电机输出14v直流电源。当机器需要启动发动机时，12v DC电池可提供直流电源。

2．2.DFBLSG的结构与原理

数字3.展示了小说四相照片的结构。不同于传统的12/8极三相电机[17，因为它有12个定子极和9个转子极2)．

显然，每个相绕组由三个集中线圈组成。例如，A相由A1、A2和A3组成，它们串联在一起，如图所示3..需要注意的是，这种配置的相绕组方向不同于传统四相DFBLSG的拓扑in，后者将磁场线圈缠绕在四个定子磁极周围。但两者的方向与磁场线圈相同。两段的相绕组没有直接连接。因此，存在re两个通道，分别标记为A、C和B、D。

2．3.整流器及其故障

传统的三相发电机有三种整流器[18，分别为正全桥整流、半波整流和负半波整流。同样，四相DFBLSG也可以使用上述整流器。四相全桥整流器如图所示4由于其具有故障隔离的能力，因此对其进行了研究。

整流是发电系统的薄弱环节。DFBLSG的潜在故障可分为短路和开路两种。由于短路故障对系统的危害很大，应采用熔断器进行保护。因此，本文将主要研究二极管开路故障，包括单二极管开路故障和双二极管开路故障。

当发生开路故障时，输出电压会按照一定的规律发生畸变，如D1和D2开路时，输出电压在前半个周期内会发生畸变，因此，二极管开路故障可根据波形畸变规律分为4种类型，如表所示1．

3.故障检测过程

在图2，由电压传感器检测电压，经过调理后将模拟电压信号送至DSP。然后DSP控制器对采样信号进行分析，利用小波包选取故障能量特征值。然后，将特征值与DSP控制器中存储的样本进行比较。如果达到故障状态，DSP会做出相应的判断，通过I/O口输出故障指示信号。

故障检测流程包括以下步骤。（1)用小波包对归一化电压采样信号进行分析，设分解层为，提取各波段小波系数[19］.数组的归一化方程可以被描述为 (2)重构小波包的分解系数，提取每个波段的信号。（3)据此计算各波段信号的能量本征值 在哪里为重构信号的离散点幅值。（4)建立故障特征向量有具有每个频带信号能量的元件： 为了消除电压幅值的影响，需要建立一个新的特征向量 新的特征向量表示为 (5）建立故障样本文件。我们需要收集大量的实验数据样本，然后利用样本的统计平均值来确定故障特征向量。

统计平均值可以用 在哪里为实验次数。

误差判别向量是用来描述统计平均值的公差范围，以及可以通过以下方式计算: 在哪里是样品的标准偏差和为容差系数，一般为1。

方程(6)建立能量特征向量与故障状态之间的映射关系。根据得到的故障模式参数，在DSP中存储故障状态与变化参数之间的关系表。然后可以识别并显示故障。

4.实验与小波包分析

4．1.原型实验

在实验台上搭建了一个四相全桥整流器。对样机在正常和故障状态下运行进行了测试。数字5（a）显示机器无故障时的电压波形。数据5（b）和5（c）单二极管开路显示电压波形。图中分别显示了两个或多个相同通道开路故障的二极管、两个不同通道开路故障的二极管以及三个不同通道开路故障的二极管5（d）- - - - - -5 (f),分别。

计算电压纹波的公式如下所示

电压的总谐波失真(THD)表示为

通过对示波器得到的电压波形进行快速傅里叶变换分析，可以得到图中正常和各种故障电压纹波比和THD6．从图中可以看出，四相全桥整流器能够容忍表中的故障列表1但是，当发生开路故障时，电压纹波和总谐波失真度都很高，因此，及时检测故障类型对于缓解这种电压纹波的负面影响是非常必要的。

数字7介绍了发电机和控制器的照片。数字8(一个)显示了四相全桥的无载特性。不同故障下的外部特性如图所示8 (b)当激励电流为4A时。从图中可以看出，由于同一支路的另一个二极管可以整流正电流或负电流，所以该发电机可以很好地容忍一个二极管的开路故障。通过比较各种故障下的特性曲线，发现单相断路故障的输出电压低于单二极管断路故障的输出电压。特性实验结果与图中电压波形的结论一致5。由于相绕组的数量相对较少，因此与普通发电机相比，电机的外部特性是“硬的”。当出现故障时，DFBLSG可以通过增加励磁电流或以相同的励磁电流输出相对较低的功率来实现容错。

4.2.小波包分析

整流电压采样频率为50 kHz，示波器的采样长度为2500，采样重复10次。根据上述诊断方法，我们使用db1小波作为基波进行小波包分析。小波包分解树如图所示9分解层.例如，图10给出了不同波段的小波包分解结果。因为波形描述的是相对能量大小，所以没有单位。

各故障工况的能量特征值统计量如图所示11．从图中可以看出，六次谐波后的元素矢量数据几乎为零。因此，这些频带能量本征值没有实际意义，可以忽略不计。

(7)，我们可以得到每个故障条件下的能量特征值容差统计（表3.)．

如果系统正常，则所有频带的能量特性非常小。如果D1开路，则第一个频带的特性较高。如果D1和D2开路，则第二个频带的能量特性高于第一个频带的能量特性。如果D1D5上存在开路故障，则first和第二频带几乎相同。如果存在D1D2D5断路故障，则所有能量特征都非常高。

实验证明，当发电机整流电路出现故障时，采样信号上电压的小波包分析结果可用于故障诊断。通过建立能量特征与故障状态之间的关系，利用小波包分析对开路故障进行识别。

5.结论

双馈无刷起动发电机在航空航天和汽车工业中具有广阔的应用前景，对整个系统的可靠性要求很高。为了满足容错能力的要求，本文提出了一种具有相位冗余、相位隔离和故障诊断功能的四相DFBLSG。作为系统的薄弱环节，整流器故障分为同一回路开路的一个二极管或两个二极管、同一通道开路的两个二极管、不同通道开路的两个二极管和不同通道开路的三个二极管。

为检测整流器的开路故障，提出了一种基于小波包分析的整流器故障诊断方法。小波包分析可以在整个频率范围内将电压信号分解成若干层。从全频带小波包中提取能量特征值，建立特征向量来描述不同的故障。通过容错性能和输出电压实验，利用电压传感器采集能量特性。通过建立能量特征与故障状态之间的关系，利用小波包分析对开路故障进行诊断。

利益冲突

作者声明本文的发表不存在利益冲突。

致谢

本文得到了山东省自然科学基金资助项目(no. 5130459)的资助。ZR2012EM011)。作者要感谢南京航空航天大学的APSC。

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