多级式起动发电系统全阶段旋转整流器故障在线诊断方法

本发明属于电机故障诊断，具体涉及一种多级式起动发电系统全阶段旋转整流器故障在线诊断方法。

背景技术：

1、为了提高飞机的可靠性、可维护性、地面保障能力及能源效率，多电飞机(moreelectric aircraft.mea)的概念应运而生，相关研究与应用在近几十年中取得了显著进展。所谓多电飞机，是用电能逐步代替二次能源系统中的液压能和气压能，实现飞机由二次能源系统向单一能源系统的转化。

2、起动/发电一体化是多电飞机领域中的重要技术之一。所谓起动发电一体化，就是利用电机的可逆性，让机载主发电机先工作在电动机模式来起动航空发动机，待起动成功后再工作在发电机模式来为机载用电设备供电。显然，在起动发电一体化系统中，由于发动机不需要配备专门的起动机和提取压缩后的空气，附件传动机匣将得到极大的简化，相应的引气装置也被取消，飞机的可靠性、可维护性和效率将得到明显提升。

3、如图1所示，三级式电机由副励磁机、励磁机、旋转整流器以及主电机构成，其作为发电机时具有高可靠性、低维护成本和发电控制技术简单的优势，因此在飞机上得到了广泛的应用。以三级式无刷同步发电机为基础开展的针对多级式起动发电系统的研究也得到了广泛的关注。

4、多级式起动发电系统主要分为起动和发电两个工作阶段，当系统处于起动阶段时，机载电源将直接为励磁机提供交流励磁电流，励磁机转子三相绕组的感应电势经旋转整流器整流后为主电机转子绕组提供直流励磁电流。当发电机到达一定转速后，系统进入发电阶段，磁极副励磁机定子三相绕组经由发电控制器(gcu)想励磁机定子绕组提供直流励磁电流，励磁机经由旋转整流器向主电机提供直流励磁电流。

5、由上述分析可知，多级式起动发电系统处于不同阶段时，存在交流与直流两种励磁机励磁方式，且励磁机均需经由旋转整流器整流为主电机提供励磁电流，因此旋转整流器的健康与否对系统至关重要。旋转整流器由于与电机同轴安装，较大的离心力和热应力使得旋转整流器的故障率远高于其他部件。因此，为了提高多级式起动发电系统的可靠性和可维护性，有必要开展针对旋转整流器的故障诊断技术研究。当多级式起动发电系统处于起动阶段时，飞机多处于地面待飞状态。处于安全性的考虑，此时无论旋转整流器发生何种故障，飞机(特别是民航客机)均需进行停机检修。当系统处于发电阶段时，若旋转整流器发生二极管开路故障，励磁机的励磁输出能力会小幅降低，此时多级式起动/发电系统既可以停机也可以降额运行；若发生二极管短路故障，励磁机转子电流将会异常增大、励磁输出能力大幅降低，此时多级式起动发电系统作为发电机必须停机以防止故障蔓延，因此需要实现对旋转整流器二极管故障类型的判定。同时，若检测到旋转整流器出现故障，应进一步对故障二极管进行定位，这不仅有助于快速维修，更有助于系统级的故障分析和优化，即找出故障发生的本质原因或者薄弱环节，实现系统的优化升级，从而降低故障率、提高可靠性。

6、因此，从故障应对措施、快速维修以及系统级故障分析和优化的角度来讲，针对多级式起动发电系统旋转整流器故障诊断方法应实现在全阶段均能够完成故障类型区分和故障二极管定位的功能。

技术实现思路

1、要解决的技术问题：

2、为了避免现有技术的不足之处，本发明提供一种多级式起动发电系统全阶段旋转整流器故障在线诊断方法，能够在多级式起动发电系统全阶段的运行过程中，在线实时诊断旋转整流器中的二极管是否发生故障，并判断故障类型及故障二极管的位置；该方法实现简单，在起动阶段与发电阶段之间算法不需要进行复杂的切换。

3、本发明的技术方案是：一种多级式起动发电系统全阶段旋转整流器故障在线诊断方法，其特征在于具体步骤如下：

4、步骤1：测量励磁机定子侧电流，通过测量结果计算定子侧电流平方和，同时得到励磁机转子位置θr与励磁机转子相对于磁场的相对角度θw；

5、步骤2：根据励磁机定子电流平方和在每一采样范围内的最小值判断旋转整流器是否发生故障；

6、步骤3：当步骤2判断出旋转整流器发生故障且确定故障类型后，对故障二极管进行定位，即确定故障二极管的位置或者编号。

7、本发明的进一步技术方案是：所述步骤1中，励磁机定子侧电流平方和的计算方法为：通过电流传感器采集励磁机的定子电流，记为iea,ieb,iec,计算励磁机定子侧电流平方和，公式如下：

8、

9、其中，励磁机定子侧电流平方和is2即为表征旋转整流器故障状态的故障信息量。

10、本发明的进一步技术方案是：所述步骤1中，首先通过励磁机定子三相交流电产生的旋转磁场的旋转速度nefm与电机转速nr计算励磁机转子相对于磁场的相对转速nw

11、nw＝nefm-nr

12、然后，计算随时间变化的励磁机转子相对于磁场的相对角度θw，θw＝0～360°，公式如下：

13、θw＝∫2πf(nw)dt+θw0

14、当系统开始运行时，励磁机初始位置为θw0，θw0＝0～360°；当θw＝0时，励磁机定子a相与转子a相对齐。

15、本发明的进一步技术方案是：所述步骤1中，励磁机转子位置θr能够直接通过旋变测量得到，θr＝0～360°。

16、本发明的进一步技术方案是：当系统工作于起动阶段时，将励磁机转子相对于磁场的相对角度θw记为θ；当系统和工作于发电阶段时，将励磁机转子位置θr记为θ；

17、利用所得到的角度θ，在角度处于不同范围时对励磁机定子电流平方和进行采样，得出每一个范围内励磁机定子电流平方和的最小值，分别针对起动阶段与发电阶段分别划定的采样范围如下表所示：

18、

19、

20、本发明的进一步技术方案是：所述步骤2中判断整流器是否发生故障的方法为：

21、2.1利用滑动寄存器将每一次采样范围获得的最小值与前一次采样范围获得的最小值作比，得到比值，记为r；

22、2.2比较2.1中计算得出的比值r与设定阈值r1，r2的大小：若r<r1，则旋转整流器正常工作；若r1<r<r2，则旋转整流器发生开路故障；若r2<r，则旋转整流器发生短路故障。

23、本发明的进一步技术方案是：所述步骤3中对故障二极管进行定位的方法为：

24、3.1当判断发生故障后，记录此时采样范围对应的θ，记为θf。

25、3.2定义旋转整流器a相上桥臂和下桥臂的二极管编号分别为d1和d4，b相上桥臂和下桥臂的二极管编号为d3和d6，c相上桥臂和下桥臂的二极管编号为d5和d2；

26、根据3.1中计算出的θf值处所角度范围判断故障二极管的编号，具体如下表所示：

27、

28、

29、

30、有益效果

31、本发明的有益效果在于：当旋转整流器处于不同的故障状态下时，励磁机转子电流和励磁机定子电流平方和会与健康状态下有所不同。本发明从励磁机定子电流平方和的特征出发，通过判断励磁机定子电流平方和变化与当旋转整流器不同状态的对应关系进行旋转整流器故障诊断。所提方法可以实现旋转整流器是否发生故障的在线诊断以及故障类型的判断及故障二极管的定位。

32、本发明方法适用于多级式起动发电系统全阶段过程中的旋转整流器故障诊断，能够在在线实时判断旋转整流器是否发生故障的基础上判断故障类型以及故障二极管的位置，该方法实现简单，在起动阶段与发电阶段之间算法不需要进行复杂的切换。所提方法有助于提高多级式起动/发电系统运行整体可靠性以及维修效率。具体优势为：

33、1)旋转整流器故障信息量的获取仅需要对励磁机定子电流进行测量，对硬件的需求较小；

34、2)基于励磁机定子侧电流平方和进行故障类型判断和故障二极管定位，不需要对励磁机转子电流进行估算，且避免了估算不准确导致的误判等问题；

35、3)只需要在固定范围内对数据进行采样，对处理器性能要求较低。