CN101221206A - 诊断永磁容错电机匝间短路故障的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种诊断永磁容错电机匝间短路故障的方法，其点是包括以下步骤：(a)对电机绕组进行瞬时功率分析，当短路匝数≥10时，通过求取故障前后瞬时功率的平均值的变化来判断故障的发生，当短路匝数＜10时，进入下一步；(b)采用一阶复高斯小波函数的导数作为小波函数，对匝间短路的非稳态信号进行分析和定位；(c)比较故障相和正常相瞬时功率信号小波模极大值变换情况，相同，即无故障；不同即匝间短路故障存在。由于采用复高斯小波的模极大值，能够明显观测到匝间短路故障前后瞬时功率的畸变点，准确地捕获电机发生匝间短路故障时的故障特征，解决了永磁电机定子绕组小匝数匝间短路的在线故障诊断难题。

Description

诊断永磁容错电机匝间短路故障的方法

技术领域

本发明涉及一种诊断永磁容错电机匝间短路故障的方法。

背景技术

永磁容错电机主要应用于航空、航天、武器装备、工业控制等领域的高可靠性要求的系统中，这种结构的电机可以避免绕组的相间短路，但电机匝间短路难以避免，一旦发生匝间短路会对系统产生严重危害。永磁容错电机定子绕组的开路故障和端部短路故障由于故障特征明显使得在线故障诊断相对比较容易实现。永磁容错电机匝间短路发生概率较大，小匝数匝间短路时的故障信号微弱，其故障检测诊断尤其是在线检测诊断技术难度非常大。

目前，关于匝间短路故障诊断的研究文献比较少，有针对三相异步电机采用通过检测电机的负序阻抗、负序电流的方法对匝间短路进行诊断，但是对永磁容错电机，目前还没有有效的方法。另外，采用检测负序阻抗、负序电流的方法，或是采用震动监测、诊断电机故障的方法，对于小匝数匝间短路故障难以适用。另外，特别是电机绕组发生小匝数匝间短路时，对电机的转速、电流影响都不大，突变信号很弱，其故障特征不明显，很难通过提取电流的故障特征进行故障诊断。

发明内容

本发明提供一种诊断永磁容错电机匝间短路故障的方法，采用复高斯小波变换方法，对电机的瞬时功率进行分析和变换，能够有效提取出故障特征，在线诊断出永磁容错电机匝间短路故障的位置、程度、发生时刻，并可以解决小匝数匝间短路故障的快速诊断和定位问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案：一种诊断永磁容错电机匝间短路故障的方法，其点是包括以下步骤：

(a)对电机绕组进行瞬时功率分析，当短路匝数≥10时，通过求取故障前后瞬时功率的平均值的变化来判断故障的发生，当短路匝数＜10时，进入下一步；

(b)采用一阶复高斯小波函数的导数作为小波函数，对匝间短路的非稳态信号进行分析和定位；

(c)比较故障相和正常相瞬时功率信号小波模极大值变换情况，相同，即无故障；不同即匝间短路故障存在。

本发明的有益效果是：由于采用复高斯小波的模极大值，能够明显观测到匝间短路故障前后瞬时功率的畸变点，准确地捕获电机发生匝间短路故障时的故障特征，即便在匝间短路匝数仅为1匝时，这种算法也能准确判别故障点，解决了永磁电机定子绕组小匝数匝间短路的在线故障诊断难题。

下面结合附图和实施例对本发明作详细说明。

附图说明

图1是本发明诊断永磁容错电机匝间短路故障的方法实施例六相八极永磁容错电机拓扑结构。

图2是本发明诊断永磁容错电机匝间短路故障的方法中电机A相绕组发生1、2、5、10、25、40匝绕组匝间短路时A相瞬时功率变化曲线图。

图3是本发明诊断永磁容错电机匝间短路故障的方法中电机A相发生1匝匝间短路时小波连续变换幅值色谱图。

图4是本发明诊断永磁容错电机匝间短路故障的方法中电机A相绕组1匝发生短路时A相瞬时功率幅值小波变换图。

图5是本发明诊断永磁容错电机匝间短路故障的方法中电机A相绕组1匝发生短路时B相瞬时功率幅值小波变换图。

图6是本发明诊断永磁容错电机匝间短路故障的方法中电机A相绕组1匝发生短路时C相瞬时功率幅值小波变换图。

图7是本发明诊断永磁容错电机匝间短路故障的方法中电机A相绕组1匝发生短路时D相瞬时功率幅值小波变换图。

图8是本发明诊断永磁容错电机匝间短路故障的方法中电机A相绕组1匝发生短路时E相瞬时功率幅值小波变换图。

图9是本发明诊断永磁容错电机匝间短路故障的方法中电机A相绕组1匝发生短路时F相瞬时功率幅值小波变换图。

具体实施方式

本发明以六相8极永磁容错电机为例进行说明，六相10极、五相8极、四相4极等结构永磁容错电机匝间短路故障诊断方法与本实施例相同。

参照图1，具有容错能力的多相永磁同步电机转子镶嵌稀土永磁磁钢，可采用径向或切向结构。定子结构是每相绕组绕在一个电枢齿上，每槽只有一相绕组，没有绕组的电枢齿作为磁通回路起着相间热隔离和电隔离的作用。这种结构的电机绕组端部由于不交叠而产生物理隔离，从而避免了相间短路这种严重故障。当一相绕组发生短路故障时，短路电流产生的热量会对磁钢和其它相绕组产生不利影响，而没有绕组的电枢齿对其产生的瞬间热量有隔离作用，良好的电机外壳冷却设计也会帮助散热。绕组设计为高电抗用于限制短路电流，磁钢采用钐钴稀土永磁材料以抵抗温度对磁钢性能的影响。另外，当检测到电机绕组故障时，驱动控制会切掉故障相，由正常相承担负载，通过控制来补偿故障影响。这样，短路相绕组产生的热量对正常相绕组的影响将会很小。对永磁容错电机在故障情况下的电磁场有限元分析表明，短路相绕组几乎不改变相邻相的磁通量，因此称这种结构的电机为永磁容错电机。

1、瞬时功率分析。

参照图2，对于六相永磁容错电机而言，由于各相之间的独立性，所以每一相瞬时功率p₁(t)为：

p₁(t)＝u_ji_j    (1)

式中，j＝A，B，…，F，u_j为电动机的第j相相电压，i_j为流过第j相的电流。

由于电机闭环调速，故障前后转速变化并不大，信号仍然具有周期性。假设电机A相绕组发生匝间短路，获取的A相瞬时功率变化曲线如图2所示。由于故障相发生匝间短路，其输出瞬时功率将会减小，当短路匝数为10时，可以明显看出正常相和故障相的差别，也可通过求取故障前后瞬时功率的平均值的变化来判断故障的发生，但当短路匝数小于10时，瞬时功率的变化并不明显，不宜采用求取故障前后瞬时功率的平均值的变化来判断故障的方法进行故障诊断。

2、构造一阶复高斯小波。

复值小波变换可以同时提取幅值和相位信息，还可根据小波变换的可调时频窗，能将高低频混合信号分离在不同的尺度下研究，更加有利于匝间短路故障的判断。选用复值小波对故障信号进行分析，根据复值小波变换的模极大值理论，利用复值小波变换分析故障前后信号幅值发生的变化，就可以根据模极大值捕捉到幅值突变点的特性，及时捕捉到故障信号的突变点。

采用一阶复高斯小波函数的导数作为小波函数，进行小波变换。一阶复高斯小波函数的表达式为：

$\mathrm{\ψ}\left(t\right)=C_n\×e^{-u}\·e^{{-t}^2}---\left(2\right)$

式中，C_n为一常数，n∈Z，n＞0。对于一阶复高斯小波函数而言， $C_n=\sqrt{e/\mathrm{\π}}\·(-i-2x).$

3、采用一阶复高斯小波变换检测匝间短路故障。

以一阶复高斯函数的微分作为小波函数，对故障相的瞬时功率进行检测。设A相发生匝间短路，短路发生时间为t＝0.25秒，对应采样点5000点，采样频率为20K。A相发生1匝匝间短路时，对A相瞬时功率进行连续小波变换，其变换系数幅值的色谱图如图2所示，其中尺度连续变化值为1～64，用颜色的深浅代表幅值的变化.

图2纵坐标表示尺度值，横坐标表示采集点数，对于各尺度而言均为一连续变化的曲线，其中颜色越深表示小波变换值越小，颜色越亮则越大。从图3中可以看出，当尺度值为22时，能够看出故障前后颜色有较大变化，即小波变换值变化较大，图像两端部颜色较亮是由于电机刚开始时瞬时功率变换变化较大和边缘效应引起的，实际中不用考虑。

参照图4～9，图4～9分别为电机A相绕组发生1匝匝间短路故障前后电机各相绕组瞬时功率幅值小波变换曲线。

从图4～9可以看出，发生故障后A相瞬时功率幅值小波变换的变化最大值为435，而B、C、D、E、F相变换后最大幅值分别为460、460、455、455、460。可以看出，B、C、D、E、F五相瞬时功率小波变换幅值非常接近，A相瞬时功率小波变换幅值明显小于其余五相。因此，可以通过对各相瞬时功率的小波模极大值变换，准确的进行电机发生匝间短路故障的位置判断。

A相发生2～10匝匝间短路时各相瞬时功率幅值小波变换值如表1所示。

表1电机A相发生2～10匝匝间短路时各相瞬时功率幅值小波变换值。

短路匝数	A	B	C	D	E	F	值1	值2	比值
										2	468	508	526	516	512	510	40	18	45％
3	507	534	545	546	537	541	27	12	44.4％
										4	469	533	540	540	559	536	64	26	40.6％
5	461	519	539	555	525	534	58	36	62.1％
										6	433	510	533	526	535	535	77	25	32.5％
7	424	515	529	543	525	526	91	28	30.8％
										8	406	512	530	520	522	507	101	23	22.8％
9	387	522	535	519	503	531	116	32	27.6％
										10	383	531	528	509	522	507	124	24	19.4％

注：其中①值1表示B、C、D、E、F相最小值与A相小波系数差值；

②值2表示B、C、D、E、F中小波系数值最大值与最小值之差；

③比值为值2/值1。

从表1中可以看出，由于电机良好的容错特性，使得正常相小波变换系数值之间相差不大，差值2远小于差值1，最大为36。根据各相瞬时功率的模极大值变换，很容易得出正常相与故障相之间的差异，从而可以判别匝间短路发生的状况。

对于六相八极永磁容错电机而言，由于各相之间的相互隔离，使得相与相之间的影响已减小到最小，所以，若同时有两相或者三相发生匝间短路仍能对匝间短路故障进行检测。

Claims (1)

1.一种诊断永磁容错电机匝间短路故障的方法，其特征包括以下步骤：

(a)对电机绕组进行瞬时功率分析，当短路匝数≥10时，通过求取故障前后瞬时功率的平均值的变化来判断故障的发生，当短路匝数＜10时，进入下一步；

(b)采用一阶复高斯小波函数的导数作为小波函数，对匝间短路的非稳态信号进行分析和定位；

(c)比较故障相和正常相瞬时功率信号小波模极大值变换情况，相同，即无故障；不同即匝间短路故障存在。

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