CN106199424A - 一种永磁同步电机匝间短路故障诊断方法 - Google Patents

一种永磁同步电机匝间短路故障诊断方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种永磁同步电机匝间短路故障诊断方法，该方法利用霍尔电流传感器采集了定子端电流信号，经过尼高力数据采集仪对此信号进行FFT分析，之后对谐波幅值进行处理，利用采集的电流信号的故障系数与预设的故障系数进行对比，判断出永磁同步电机是否发生了匝间短路故障。

Description

一种永磁同步电机匝间短路故障诊断方法
技术领域
本发明涉及电机故障诊断方法领域，更具体地，涉及一种永磁同步电机匝间短路故障诊断方法。
背景技术
永磁电机定子故障主要是匝间短路故障，调查表明，80%的定子故障是由匝间短路引起的，当发生匝间短路时，短路线圈会产生和其他线圈相反的磁动势。因此，短路线圈产生的磁场方向和气隙合成磁场方向相反，诱发电机发生失磁。
匝间短路是永磁同步电机的常见故障，其故障原因很多，成因非常复杂，但一般可以简单归结为如下四点：
(1)在电机启动过程中匝间绝缘承受暂态过电压；
(2)电机定子绕组温度过高导致匝间绝缘失效；
(3)电机定子绕组线圈因振动导致匝间绝缘相互摩擦、破损；(4)电机在潮湿高温等恶劣环境下长期运行。
如不及早消除匝间短路故障，短路线圈过高的短路环流会产生高温损坏绝缘，发展为更严重的单相接地短路和相间短路故障，所以对永磁同步电机匝间短路故障情况进行在线监测和判断十分重要。
发明内容
本发明提供一种磁同步电机匝间短路故障诊断方法，该系统可较快地实现永磁电机绕组短路故障的诊断。
为了达到上述技术效果，本发明的技术方案如下：
一种永磁同步电机匝间短路故障诊断方法，包括以下步骤：
S1：采集电机定子端任意一相电流信号并利用尼高力数据采集仪进行快速傅立叶变换得到基波分量幅值I1和5次谐波分量幅值I5；
S2：根据电流5次谐波幅值I5计算出5次谐波含量HRX5，令HRX5为故障特征C；
S3：确定电机正常运行时定子端任意一相电流5次谐波含量，令该电流5次谐波含量为故障预警阀值B；
S4：故障特征C与故障预警阀值B的比值为故障因子k，根据故障因子k的大小判断电机是否发生了匝间短路故障。
进一步地，所述步骤S1中的采集的电流信号是从电流信号过零点开始整周期截取，得到的电流波形。
进一步地，步骤S2中的5次谐波含量HRX5是5次谐波有效值X5与基波有效值X1的比值。
进一步地，步骤S3中的故障预警阀值B是电机不同负载和转速下正常运行状态时根据电流波形的5次谐波含量。
进一步地，所述步骤S4的具体过程如下：
S41：预先设定电机处于健康状态的故障系数k1；
S42：将所述故障因子k与k1进行比较；当故障因子k< k1时，表示电机处于健康状态；当故障因子k>k1时, 表示电机处于匝间短路故障状态。
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：
本发明利用霍尔电流传感器采集了定子端电流信号，经过尼高力数据采集仪对此信号进行FFT分析，之后对谐波幅值进行处理，利用采集的电流信号的故障系数与预设的故障系数进行对比，判断出永磁同步电机是否发生了匝间短路故障。
附图说明
图1为本发明方法的流程图；
图2为实施例2中应用本发明方法的永磁同步电机匝间短路故障诊断系统的结构示意图。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；
对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
实施例1
如图1所示，一种永磁同步电机匝间短路故障诊断方法，包括以下步骤：
S1：采集电机定子端任意一相电流信号并利用尼高力数据采集仪进行快速傅立叶变换得到基波分量幅值I1和5次谐波分量幅值I5；
S2：根据电流5次谐波幅值I5计算出5次谐波含量HRX5，令HRX5为故障特征C；
S3：确定电机正常运行时定子端任意一相电流5次谐波含量，令该电流5次谐波含量为故障预警阀值B；
S4：故障特征C与故障预警阀值B的比值为故障因子k，根据故障因子k的大小判断电机是否发生了匝间短路故障。
步骤S1中采集的电流信号是从电流信号过零点开始整周期截取，而从正向过零点或负向过零点开始对其分析没有影响，如果不是整周期截取，则对电流波形进行快速傅立叶分析师会产生较大误差。
步骤S2中5次谐波含量根据5次谐波有效值X5与基波有效值X1的比算得，即为HRX5。
在更优选的实施方式中，步骤S3中电机运行工况复杂，永磁同步电机的运行状态随负载和转速的变化而变化，因此故障预警阀值B为一动态阀值，所述故障预警阀值B为电机不同负载和转速下正常运行时电流波形的5次谐波含量。为了不局限于对某一特定电机系统进行故障诊断，预先设定电机处于健康状态的故障系数k1。将所述故障因子k与k1进行比较；当所述故障因子k< k1时,表示电机处于健康状态，且k越小电机越健康；当所述故障因子k>k1时, 表示电机处于匝间短路故障状态，且k越大电机故障越严重。
实施例2
如图2所示，一种应用实施例1中永磁同步电机匝间短路故障诊断方法的诊断系统，该系统包括与电网1连接的整流电路2，整流电路2与逆变电路3相连，用于给永磁同步电机4供电带动负载5。霍尔速度传感器6与控制器7和永磁同步电机4相连，用于获取永磁同步电机转子旋转角度，并将转子旋转角度输入控制器7，控制器7根据反馈信号和给定信号的差值产生控制信号输入逆变电路3。以上所有模块连接后，形成一个闭环控制系统。
在该系统工作时，霍尔电流传感器8用于检测永磁同步电机PMSM任意一相电流信号，将检测的电流信号输入到尼高力数据采集仪9，尼高力数据采集仪9对电流波形进行FFT分析，分析结果输入到PC机10，PC机10对谐波信号进行处理，并判断永磁同步电机是否发生匝间短路故障。
本实施例中，霍尔电流传感器由两台量程为0～15V的稳压电源供电，其信号输入为永磁同步电机任意一相电流，其信号输出端由电缆线接尼高力采集仪的一个模拟信号输入通道，该尼高力采集仪的输出端口接便携式计算机的USB口。尼高力采集仪的型号是Dimension 4i。便携式计算机的型号是联想（ThinkPad）E450。永磁同步电机任意一相电流瞬时信号送至尼高力采集仪，尼高力采集仪通过USB接口连接至便携式计算机。尼高力采集仪将采集到的电流瞬时信号进行FFT分析，再由便携式计算机对5次谐波和电机转速处理，判断是否存在失磁故障。该配套软件基于Windows 7操作系统并采用Visual Studio 2010应用程序开放平台编制。
通过电流传感器采集了定子端电流信号，数据采集仪对此信号进行FFT分析，并将结果传送到计算机，由计算机对谐波含量进行处理，判断永磁同步电机是否发生了匝间短路故障。
A.霍尔电流传感器输入，为电机定子端三相中的任意一相的电流瞬时信号is；采集频率设定为5kHz、采样时间设定为1s；
B.从尼高力采集仪采集的定子端电流瞬时信号is中根据设定周期个数截取电流波形，首先观察它较正常时电流幅值是否变大波形是否发生畸变，然后对其进行FFT分析，比较谐波分量较正常时是否发生变化，进而初步判断电机发生匝间短路故障可能性的高低；该步骤是判断故障存在的可能性，即电流波形发生畸变且其谐波分量发生变化只能说明发生失磁故障的可能性比较高；
C.将尼高力采集仪对电流波形FFT分析结果传入到便携式计算机，确定波形5次谐波分量占基波分量的百分比HRX5，把它作为5次谐波含量；
D.确定电流波形5次谐波含量HRX5，把它作为故障特征C；
E.根据永磁同步电机刚出厂在不同负载、不同转速情况下的5次谐波含量，设置一个故障预警阀值B，C与故障预警阀值B的比值即为故障因子μ；
F.根据故障因子μ判断是否存在失磁故障；首先设定处于健康状态的故障系数L=1.5，当故障因子μ<1.5，表示电机处于健康状态，且其因子越小，健康状态越明确；故障因子μ>1.5，表示电机处于匝间短路故障状态，且其因子越大，故障状态越严重。
本系统可以在线诊断永磁同步电机匝间短路故障，不受负载（如负载大小、负载性质和波动情况等）和转速的影响（如低速、额定转速和高速情况等），有效克服了传统方法利用定子电流谐波幅值进行诊断的不足，具有灵敏度高、可靠性强等优点。
相同或相似的标号对应相同或相似的部件；
附图中描述位置关系的用于仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种永磁同步电机匝间短路故障诊断方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：采集电机定子端任意一相电流信号并利用尼高力数据采集仪进行快速傅立叶变换得到基波分量幅值I1和5次谐波分量幅值I5；
S2：根据电流5次谐波幅值I5计算出5次谐波含量HRX5，令HRX5为故障特征C；
S3：确定电机正常运行时定子端任意一相电流5次谐波含量，令该电流5次谐波含量为故障预警阀值B；
S4：故障特征C与故障预警阀值B的比值为故障因子k，根据故障因子k的大小判断电机是否发生了匝间短路故障。
2.根据权利要求1所述的永磁同步电机匝间短路故障诊断方法，其特征在于，所述步骤S1中的采集的电流信号是从电流信号过零点开始整周期截取，得到的电流波形。
3.根据权利要求1所述的永磁同步电机匝间短路故障诊断方法，其特征在于，步骤S2中的5次谐波含量HRX5是5次谐波有效值X5与基波有效值X1的比值。
4.根据权利要求1所述的永磁同步电机匝间短路故障诊断方法，其特征在于，步骤S3中的故障预警阀值B是电机不同负载和转速下正常运行状态时根据电流波形的5次谐波含量。
5.根据权利要求1所述的永磁同步电机匝间短路故障诊断方法，其特征在于，所述步骤S4的具体过程如下：
S41：预先设定电机处于健康状态的故障系数k1；
S42：将所述故障因子k与k1进行比较；当故障因子k< k1时，表示电机处于健康状态；当故障因子k>k1时, 表示电机处于匝间短路故障状态。
6.根据权利要求1所述的永磁同步电机匝间短路故障诊断方法，其特征在于，所述步骤S1中利用霍尔电流传感器采集了定子端电流信号。
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