CN106019073B - 一种基于信号注入的永磁同步电机定子绕组电阻性失衡故障诊断方法 - Google Patents

一种基于信号注入的永磁同步电机定子绕组电阻性失衡故障诊断方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于信号注入的永磁同步电机定子绕组电阻性失衡故障诊断方法，包括以下步骤：S1、向d轴的参考电流中注入n次不同的交流信号，并记录下每次注入信号后的相电流和零序电压；其中n为大于等于2的自然数；S2、计算S1中记录的n次相电流的平均值和n次零序电压的平均值并根据计算得到的估算出电阻的偏移量ΔRa、ΔRb、ΔRc；S3、判断是否存在电阻性失衡故障：若ΔRa>0，表明永磁同步电机的A相存在电阻性失衡故障；若ΔRb>0，表明永磁同步电机的B相存在电阻性失衡故障；若ΔRc>0，表明永磁同步电机的C相存在电阻性失衡故障；若ΔRa、ΔRb、ΔRc均不大于0，表明永磁同步电机不存在电阻性失衡故障。

Description

一种基于信号注入的永磁同步电机定子绕组电阻性失衡故障 诊断方法
技术领域
本发明涉及故障诊断技术领域，尤其涉及一种基于信号注入的永磁同步电机定子绕组电阻性失衡故障诊断方法。
背景技术
永磁同步电机(Permanent magnet synchronous machine，PMSM)具有功率密度高、效率高、转矩惯量比大、调速范围宽等优点。近年来，在风力发电、升降机驱动等大功率以及电动汽车和数控机床等高新能应用场合得到了广泛关注和使用。
永磁同步电机工作时，具有复杂的机电能量转换过程，在长期运行中，受负载工况和运行环境的影响，某些部件会逐渐失效或损坏。它的典型故障部件包括定子绕组、变换器、电机轴承以及控制系统的关键传感器等，其中电机中38％的故障是由定子绕组引起的。在定子绕组故障中，定子绕组电阻性失衡是一种常见的故障。当发生早期的失衡故障时，电机仍然可继续运行，但若不能及时检测而导致故障严重程度加剧，会引起电机转速等产生震荡，如果这种故障在初期没有被检测到，故障就会加重，使电机的温度不断增加，最后导致电机完全损坏。因此，需要及时地诊断永磁同步电机的定子绕组故障。目前，已经提出了一些方法来诊断永磁同步电机的定子绕组电阻性失衡故障，其中最常用的方法是基于定子电流和零序电压信号的分析方法。但是这种故障诊断方法存在一定的不足：定子绕组电阻性失衡故障和匝间短路故障对定子电流和零序电压造成的影响基本相同，易造成误判。
发明内容
基于背景技术存在的技术问题，本发明提出了一种基于信号注入的永磁同步电机定子绕组电阻性失衡故障诊断方法。
本发明提出的基于信号注入的永磁同步电机定子绕组电阻性失衡故障诊断方法，包括以下步骤：
S1、向d轴的参考电流中注入n次不同的交流信号，交流信号的频率与基波频率相等，并记录下每次注入信号后的相电流和零序电压；其中n为大于等于2的自然数；
S2、计算S1中记录的n次相电流的平均值和n次零序电压的平均值并根据计算得到的估算出电阻的偏移量ΔRa、ΔRb、ΔRc；
S3、判断是否存在电阻性失衡故障：若ΔRa>0，表明永磁同步电机的A相存在电阻性失衡故障；若ΔRb>0，表明永磁同步电机的B相存在电阻性失衡故障；若ΔRc>0，表明永磁同步电机的C相存在电阻性失衡故障；若ΔRa、ΔRb、ΔRc均不大于0，表明永磁同步电机不存在电阻性失衡故障。
优选地，n＝2。
优选地，步骤S2中根据计算得到的估算电阻的偏差量ΔRa、ΔRb、ΔRc的方法为：
零序电压u0,m表示为
式中：
式中：v是谐波次数，λPM,v是v次谐波磁链的幅值，θ是转子电角度，θv是v次谐波磁链和基波磁链之间的角度；
零序电压u0,m的平均值可以表示为
将每相定子电阻看成有两部分构成，可表示为
式中：Rm＝(Ra+Rb+Rc)/3，因此下列条件必须满足
ΔRa+ΔRb+ΔRc＝0
并且
因此，可以表示为
通过注入两次不同的交流信号，可联立方程，求出ΔRa和ΔRb，再将求出的ΔRa和ΔRb代入公式ΔRa+ΔRb+ΔRc＝0中，即可求出ΔRc。
优选地，当永磁同步电机不存在电阻性失衡故障时，向d轴的参考电流中注入一次交流信号，并记录下注入信号后的相电流和零序电流，并与S1中任一次交流信号进行对比，计算出两次相电流的平均值和零序电压的平均值，再估算出电阻的偏移量ΔRa、ΔRb、ΔRc，以验证永磁同步电机是否不存在电阻性失衡故障。
优选地，当永磁同步电机不存在电阻性失衡故障时，向d轴的参考电流中注入一次交流信号，并记录下注入信号后的相电流和零序电流，并与S1中每一次交流信号进行对比，计算出n+1次相电流的平均值和零序电压的平均值，再估算出电阻的偏移量ΔRa、ΔRb、ΔRc，以验证永磁同步电机是否不存在电阻性失衡故障。
本发明诊断永磁同步电机定子绕组电阻性失衡故障的方法为：首先向d轴的参考电流中注入两次不同的交流信号，并记录下每次注入信号后的相电流和零序电压的值；再计算出记录的两次相电流和零序电压的平均值，建立二元一次方程组，估算出电阻的偏移量；最后根据估算出的电阻的偏移量判断是否出现电阻性失衡故障。利用本发明提出的方法，不仅可以诊断永磁同步电机是否存在定子绕组电阻性失衡故障，而且可以判断出故障相所在；本发明克服了现有技术中对永磁同步电机定子绕组电阻性失衡故障判断的不确定性，利用记录的两次相电流和零序电压的平均值，建立二元一次方程组，估算出电阻的偏移量，再根据电阻的偏移量判断是否出现电阻性失衡故障；本发明提出的方法计算量小、易于实现，保证了对永磁同步电机定子绕组电阻性失衡故障诊断的确定性和可靠性。
附图说明
图1为一种基于信号注入的永磁同步电机定子绕组电阻性失衡故障诊断方法的框图；
图2为一种基于信号注入的永磁同步电机定子绕组电阻性失衡故障诊断方法的步骤图。
具体实施方式
如图1、图2所示，图1、图2为本发明提出的一种基于信号注入的永磁同步电机定子绕组电阻性失衡故障诊断方法。
参照图1、图2，本发明提出的基于信号注入的永磁同步电机定子绕组电阻性失衡故障诊断方法，包括以下步骤：
S1、向d轴的参考电流中注入n次不同的交流信号，交流信号的频率与基波频率相等，并记录下每次注入信号后的相电流和零序电压；其中n等于2；
S2、计算S1中记录的2次相电流的平均值和2次零序电压的平均值并根据计算得到的估算出电阻的偏移量ΔRa、ΔRb、ΔRc；
S3、判断是否存在电阻性失衡故障：若ΔRa>0，表明永磁同步电机的A相存在电阻性失衡故障；若ΔRb>0，表明永磁同步电机的B相存在电阻性失衡故障；若ΔRc>0，表明永磁同步电机的C相存在电阻性失衡故障；若ΔRa、ΔRb、ΔRc均不大于0，表明永磁同步电机不存在电阻性失衡故障。
下面对本方法作进一步说明：
根据图1，在abc坐标系下永磁同步电机定子绕组的电压方程表示为
式中：ua、ub、uc为三相定子电压，u0是零序电压，ia、ib、ic为三相定子电流，L是定子绕组自感，M是定子绕组互感。Ra、Rb、Rc为三相定子电阻，当永磁同步电机是健康时，Ra、Rb、Rc是相等的；当定子绕组电阻性失衡故障发生时，Ra、Rb、Rc不再相等。λPM,a，λPM,b和λPM,c是三相定子绕组的永磁磁链，其表示为
式中：λPM,1是基波磁链的幅值，v是谐波次数，λPM,v是v次谐波磁链的幅值，θ是转子电角度，θv是v次谐波磁链和基波磁链之间的角度；
图1中零序电压u0,m表示为
式中：
零序电压u0,m的平均值可以表示为
将每相定子电阻看成有两部分构成，可表示为
式中：Rm＝(Ra+Rb+Rc)/3，因此下列条件必须满足
ΔRa+ΔRb+ΔRc＝0 (6)
并且
因此，可表示为
从式(8)可以看出，只需要注入两次不同的信号，并且记录两种情况下的零序电压u0,m和相电流，然后计算其平均值，代入到式(8)并求解二元一次方程组，就能到相电阻偏差ΔRa、ΔRb、ΔRc，通过观察电阻偏差就能完成定子绕组电阻性失衡故障诊断和定位。具体过程如下：若相电阻偏差ΔRa>0，表明永磁同步电机的A相有电阻性失衡故障发生；若相电阻偏差ΔRb>0，表明永磁同步电机的B相有电阻性失衡故障发生；若相电阻偏差ΔRc>0时，表明永磁同步电机的C相有电阻性失衡故障发生；若相电阻偏差ΔRa、ΔRb、ΔRc均不大于0，表明永磁同步电机不存在电阻性失衡故障，处于正常运行状态。
当诊断结果表明永磁同步电机不存在电阻性失衡故障时，此时可通过向d轴的参考电流中注入一次交流信号，并记录下注入信号后的相电流和零序电流，并与S1中任一次交流信号进行对比，计算出两次相电流的平均值和零序电压的平均值，再估算出电阻的偏移量ΔRa、ΔRb、ΔRc，以验证永磁同步电机是否不存在电阻性失衡故障。
或者，当诊断结果表明永磁同步电机不存在电阻性失衡故障时，可通过向d轴的参考电流中注入一次交流信号，并记录下注入信号后的相电流和零序电流，并与S1中n次交流信号进行对比，计算出n+1次相电流的平均值和零序电压的平均值，再估算出电阻的偏移量ΔRa、ΔRb、ΔRc，以验证永磁同步电机是否不存在电阻性失衡故障。
上述两种验证方法是为了对永磁同步电机定子绕组电阻性失衡故障的诊断结果进行进一步的验证，以保证验证结果的可靠性和准确性。
利用本发明提出的方法，不仅能够诊断永磁同步电机子绕组电阻性失衡故障，而且能够判断故障相；本发明提出的方法计算量小、易于实现、灵敏度高、是一种能够有效提高永磁同步电机安全和可靠性的故障诊断方法。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于信号注入的永磁同步电机定子绕组电阻性失衡故障诊断方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、向d轴的参考电流中注入n次不同的交流信号，交流信号的频率与基波频率相等，并记录下每次注入信号后的相电流和零序电压；其中n为大于等于2的自然数；
S2、计算S1中记录的n次相电流的平均值和n次零序电压的平均值并根据计算得到的估算出电阻的偏移量ΔRa、ΔRb、ΔRc；
S3、判断是否存在电阻性失衡故障：若ΔRa>0，表明永磁同步电机的A相存在电阻性失衡故障；若ΔRb>0，表明永磁同步电机的B相存在电阻性失衡故障；若ΔRc>0，表明永磁同步电机的C相存在电阻性失衡故障；若ΔRa、ΔRb、ΔRc均不大于0，表明永磁同步电机不存在电阻性失衡故障。
2.根据权利要求1所述的基于信号注入的永磁同步电机定子绕组电阻性失衡故障诊断方法，其特征在于，n＝2。
3.根据权利要求1所述的基于信号注入的永磁同步电机定子绕组电阻性失衡故障诊断方法，其特征在于，步骤S2中根据计算得到的估算电阻的偏差量ΔRa、ΔRb、ΔRc的方法为：
零序电压u0,m表示为
式中：
式中：Ra、Rb、Rc为三相定子电阻，ia、ib、ic为三相定子电流，λPM,0零序永磁磁链，λPM,a、λPM,b、λPM,c是a、b、c相永磁磁链，v是谐波次数，λPM,v是v次谐波磁链的幅值，θ是转子电角度，θv是v次谐波磁链和基波磁链之间的角度；
零序电压u0,m的平均值表示为
式中：为零序电压平均值，为三相定子电流的平均值；
将每相定子电阻看成有两部分构成，表示为
式中：Rm＝(Ra+Rb+Rc)/3，Rm为三相定子电阻的平均值，ΔRa、ΔRb、ΔRc为三相定子电阻偏差，因此下列条件必须满足
ΔRa+ΔRb+ΔRc＝0
并且
因此，表示为
通过注入两次不同的交流信号，可联立方程，求出ΔRa和ΔRb，再将求出的ΔRa和ΔRb代入公式ΔRa+ΔRb+ΔRc＝0中，即可求出ΔRc。
4.根据权利要求1所述的基于信号注入的永磁同步电机定子绕组电阻性失衡故障诊断方法，其特征在于，当永磁同步电机不存在电阻性失衡故障时，向d轴的参考电流中注入一次交流信号，并记录下注入信号后的相电流和零序电流，并与S1中任一次交流信号进行对比，计算出两次相电流的平均值和零序电压的平均值，再估算出电阻的偏移量ΔRa、ΔRb、ΔRc，以验证永磁同步电机是否不存在电阻性失衡故障。
5.根据权利要求1所述的基于信号注入的永磁同步电机定子绕组电阻性失衡故障诊断方法，其特征在于，当永磁同步电机不存在电阻性失衡故障时，向d轴的参考电流中注入一次交流信号，并记录下注入信号后的相电流和零序电流，并与S1中每一次交流信号进行对比，计算出n+1次相电流的平均值和零序电压的平均值，再估算出电阻的偏移量ΔRa、ΔRb、ΔRc，以验证永磁同步电机是否不存在电阻性失衡故障。
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