CN106841901B - 一种变频器驱动内嵌式永磁同步电机定子匝间短路故障诊断方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种变频器驱动的内嵌式永磁电机定子匝间短路故障诊断方法，该方法利用运行中电机电流信号与控制器内部信号，实现匝间短路故障检测及程度判断。首先，通过选择合适的逆变器开关信号作为检测激励源，无需注入附加高频信号，避免高频注入检测方法引入的附加损耗，同时增强早期故障的检测可靠性。其次，通过对三相电流进行旋转坐标变换，将三相坐标系下的开关电流谐波变换到旋转坐标系下，有效解耦电机的凸极性干扰因素。最后，通过频域多点插值提取算法并综合利用多重故障特征信息，有效避免噪声干扰及频谱泄露对检测结果造成的影响。本方法应用范围广、故障检测效果好、识别精度高，可实时地诊断定子匝间短路故障，并给出故障程度指标。

Description

一种变频器驱动内嵌式永磁同步电机定子匝间短路故障诊断 方法

技术领域

本发明涉及故障诊断技术领域，特别涉及一种内嵌式永磁电机定子匝间短路故障诊断的方法。

背景技术

随着工业领域对高功率密度、大转矩能量转换设备的需求逐渐增加，永磁同步电机的应用程度逐渐增加。由于稀土永磁体的引入使得该类型电机具有较高的功率密度，相同体积下能够提高输出转矩能力。同时，内嵌式结构具有明显的转子凸极性，可以进一步增加输出转矩能力。另外，此类电机具有动态性能好、控制方式易实现等优点。包括机车牵引、风力发电设备、工业机床自动化等应用领域近年来大量使用了此类电机。

然而，运行中的永磁电机定子绕组会承受来自温度、湿度、腐蚀、振动等多方面的压力。以风力设备为例，其通常位于较为偏远的内陆或沿海地区，电机处于高风沙或强湿度环境中，极易引起绕组局部过热、绝缘性能退化等问题。而人工例行巡检成本较高、时间间隔长，因此永磁电机绝缘系统的自动化故障诊断具有重要意义。

为了避免故障程度恶化导致电机损坏及系统停工，需要在初期检测并给出故障程度，业界内通常认为严重的定子故障由定子匝间短路开始。常见的“负序电流检测法”利用电流传感器检测电机电流负序信号，并使用微处理器对数据进行实时分析，从而实现检测与诊断。然而，此类检测方法极易受到低频参数变化的影响，可能导致故障误判，影响设备正常运行。部分工业现场采用注入附加高频激励的方法，以此避免来自参数变化的干扰。但是此类方法会增加逆变器的开关次数，从而导致系统噪声与损耗的明显增加，不利于长时间在线运行。

近年来，通过分析电流中逆变器自身开关谐波随故障的变化趋势，进而实现故障诊断的“逆变器开关谐波检测法”逐渐得到关注。此方法无需附加高频注入，从而避免了开关损耗的增加。然而，由于内嵌式永磁电机具有明显的转子凸极性，导致故障特征频率分散、幅值降低，增加了故障检测难度。同时，由于缺少开关频段的内嵌式永磁电机故障模型，很难实现变频调速中各种工况下故障指标的统一。

综上所述，本发明公开一种变频器驱动的内嵌式永磁电机定子匝间短路故障诊断方法，该方法无需电机参数信息、无需修改电机系统结构，仅利用运行中电机电流信号与控制器内部信号，实现匝间短路故障检测及程度判断。首先，通过选择合适的逆变器开关信号作为检测激励源，具有较高的早期故障检测可靠性，且无需注入附加高频信号。其次，通过对三相电流进行旋转坐标变换，在旋转坐标系下分析提取电流开关特征谐波，有效抑制电机转子的凸极性干扰。最后，通过频域多点插值提取算法并综合利用多重故障特征信息，可以有效避免噪声干扰及频谱泄露对检测结果造成的影响。

发明内容

本发明公开一种变频器驱动的内嵌式永磁电机定子匝间短路故障诊断方法，该方法计算简单、易于实现，无需电机参数信息、无需修改电机系统结构，仅利用运行中电机电流信号与控制器内部信号，实现匝间短路故障检测及程度判断。首先，通过选择合适的逆变器开关信号作为检测激励源，无需注入附加高频信号，从而避免高频注入检测方法引入的附加损耗，同时增强早期故障的检测可靠性。其次，通过对三相电流进行旋转坐标变换，将三相坐标系下的开关电流谐波变换到旋转坐标系下，有效解耦电机的凸极性干扰因素。最后，通过频域多点插值提取算法并综合利用多重故障特征信息，可以有效避免噪声干扰及频谱泄露对检测结果造成的影响。本方法应用范围广、故障检测效果好、识别精度高，可以实时地诊断定子匝间短路故障，并给出故障程度指标。

本发明是通过以下技术方案实现的：一种变频器驱动内嵌式永磁同步电机定子匝间短路故障诊断方法，包括以下步骤：

(1)采集内嵌式永磁电机三相电流i_a、i_b、i_c。其中，采样频率为f_s，满足f_s>6f_c，f_c为逆变器载波频率；采样通路中的前置滤波器的频率大于3f_c、小于f_s的奈奎斯特频率。

(2)采集控制器信号，包括调制比信号M、直流母线电压u_dc、同步信号s_α＝cosθ_r、s_β＝sinθ_r，θ_r为转子角度。其中，采样频率为f_s，采样通路中的前置滤波器的频率大于3f_1N、小于f_s的奈奎斯特频率，f_1N为电机额定情况下的基波频率。

(3)构建电流旋转矢量同步信号旋转矢量

其中，e为自然常数，j为虚部单位。

(4)进行复数信号坐标变换，并分别取变换结果的实部、虚部：

其中，经过复数坐标变换后的电流矢量，i_d、i_q为变换后的d、q轴电流，Re[]为取实部操作，Im[]为取虚部操作，[]^*为取共轭操作。

(5)提取d轴电流中2f_c的左边频和右边的幅值，提取目标频率为f_h，

f₁为基波频率；对i_d做汉宁窗离散傅里叶变换，取变换后频率范围[f_h-1Hz,f_h+1Hz]内最大点L的幅值|X(L)|以及最大值点两侧L-1、L+1的值|X(L-1)|、|X(L+1)|。计算偏差频率变量Δ：

其中，|X()|为i_d傅里叶变换后频谱幅值。可以得到如下d轴电流中目标频率f_h的谐波幅值A：

由此，分别得到左边频的谐波幅值I_d2L和右边频的谐波幅值I_d2H。

(6)按照步骤5所述的方法，得到q轴电流中左边频的谐波幅值I_q2L和右边频的谐波幅值I_q2H

(7)根据步骤5和步骤6得到的谐波幅值，得到评价指数FI：

其中，J₁为第1阶贝塞尔函数，M为调制比信号，u_dc为直流母线电压。

(8)将计算得到的评价指数FI与正常情况下的评价指数FI0相比较，若FI大于FI0，即表示故障存在。

本发明的有益效果是，该方法计算简单、易于实现、鲁棒性高，无需电机参数信息。通过选择合适的逆变器开关信号作为检测激励源，具有较高的早期故障检测可靠性，且无需注入附加高频信号。通过对三相电流进行旋转坐标变换，在旋转坐标系下分析提取电流开关特征谐波，有效抑制电机转子的凸极性干扰。通过频域多点插值提取算法并综合利用多重故障特征信息，可以有效避免噪声干扰及频谱泄露对检测结果造成的影响。应用范围广、动态效果好、识别精度高，可以实时地诊断内嵌式永磁电机定子匝间短路故障，并给出故障程度。

附图说明

图1为本方案内嵌式永磁电机匝间短路故障诊断连接示意图；

图2为内嵌式永磁电机匝间短路故障示意图；

图3为本方案信号提取流程图；

图4为本方案内嵌式永磁电机匝间短路故障诊断实施流程图。

图5为本方案内嵌式永磁电机匝间短路故障评价指数实验测试曲线。

具体实施方式

实施例1

本实施例以一台15kW三相内嵌式永磁电机A相发生匝间短路为例，推导一般化高频激励的故障计算模型。

常见的永磁电机d、q轴模型可以描述为：

其中，u_d、u_q表示d、q轴电压，i_d、i_q表示d、q轴电流，R_d、R_q分别d、q轴定子电阻，L_d、L_q表示d、q轴定子电感，ω_r表示转子旋转角频率，ψ_m表示永磁体磁链幅值，p＝d/dt表示时间微分算子。

当电机处于高频激励情况下，可以忽略(1)中包含ω_r的项及铜耗电阻，考虑稳态情况,时间微分算子可以替换为p＝jω_h，有：

其中，j为虚部单位，ω_h为高频激励角频率。

根据上式，可以将正常高频情况下的永磁电机A、B、C三相绕组等效为d、q轴两个方向的等效绕组。如图1所示，以A相发生短路为例，此时高频故障电感模型可以描述为：

其中，μ表示短路匝数与故障相绕组的比例系数，i_a、i_b、i_c为A、B、C相电流，i_f为短路点流经电流，u_a1、u_b、u_c为A、B、C正常部分绕组端电压，u_a2为被短路部分端电压。L_aa、L_bb、L_cc为A、B、C相绕组自感，M_ab为A、B相互感，M_ac为A、C相互感，M_bc为B、C相互感，j为虚部单位，ω_h为高频激励角频率。

利用坐标变换，可以将式(3)变化为：

其中，u_d、u_q表示d、q轴电压，L_d、L_q表示d、q轴定子电感，θ_r为转子位置角度，j为虚部单位，ω_h为高频激励角频率。

与此同时，高频情况下可以将永磁体等效为一个附加线圈，因此式(3)可以修正为：

其中，i_d、i_q表示d、q轴电流，i_r为永磁体等效绕组电流，i_f为短路点流经电流。M_dr为d轴定子正常部分与转子等效绕组互感，M_fr为d轴定子故障部分与转子等效绕组互感，M_df为d轴定子故障部分与故障部分的互感，M_qf为q轴定子故障部分与故障部分的互感。

利用(5)中第三行，可以得到：

将(6)带入(5)，可以得到：

其中，为d轴的故障端部阻抗，为q轴的故障端部阻抗，为短路电流对d轴影响的等效阻抗，为短路电流对q轴影响的等效阻抗，其表达式如下：

其中，为d轴端部阻抗，为q轴端部阻抗，

利用式(7)与(8)，可以得到：

短路电流表达式：

其中，为短路回路阻抗，将(10)带入(9)，并整理利用电压表示电流，可以得到：

上式给出了故障情况下高频电压激励对应的电流响应表达式。从(11)中可以看到，故障情况下d、q轴电流i_d、i_q中激励信号的两倍基波旁带信号中，将存在与短路比例系数μ以及短路回路阻抗有关的分量。

实施例2

本实施例以一电动汽车用15kW内嵌式永磁电机控制系统为例，并选择常见的正弦波PWM作为逆变器调制方法，给出激励电压的表达结构。

依据二元傅里叶级数，可以得到相对于母线电压中点的逆变器相电压波形表达式为：

其中，u_PWM为逆变器调制电压，θ_c为载波相角，θ₁为调制波相角，A_m,n、B_m,n分别为对应的正余弦系数，其下标m,n分别为载波及调制波谐波指数。

式(12)中载波相角θ_c、调制波相角θ₁均为时间的函数，可以描述为如下关系：

其中，ω_c为载波角频率，ω₁为基波角频率，t为时间，表征A、B、C相调制波的相位关系，在A、B、C相中分别有 为电机当前功率因数角。

由(12)调制电压解析式可知，可以充当激励源的谐波频率f_h有如下形式：

f_h＝mf_c+nf₁ (14)

其中，f_c＝ω_c/2π为载波频率，f₁＝ω₁/2π为基波频率。

由于任何旋转电压激励的电流响应均会受到电机转子凸极结构的干扰。本方案中，为了解决这一问题，取2次载波频段(即m＝2)中主要频率分量，并考虑到各相中n＝0的谐波具有相同的相位，不会产生有效电机电流谐波，从而电机上的PWM相电压(m＝2,n＝±1)可以用矢量形式表示为：

其中，为abc坐标系下第2载波频段电压矢量，A_2,-1、A_2,+1为m＝2,n＝±1情况下，逆变器激励谐波电压幅值，j为虚部单位，e为自然常数，θ_c为载波相角，θ₁为调制波相角。

根据(13)，可以将(15)式变换为：

对式(16)做坐标变换，有：

其中，为dq坐标系下第2载波频段电压矢量。

由于对于正弦PWM调制中，A_2,-1≈A_2,+1＝A_side，A_side为信号旁带幅值，上式化为

可以发现，上面分析的2次载波频段中主要频率分量实际上等效于与转子相同转速的高频脉振激励电压，其d、q轴电压激励分别为：

其中，分别为逆变器PWM谐波在d、q轴的电压激励，旁带幅值A_side可以描述为：

其中，u_dc为直流母线电压，M为调制比，J₁为第1阶贝塞尔函数，m＝2,n＝±1。

综上所述，逆变器自身谐波中2次载波频段主要频率分量，其不仅具有较明显幅值，并且在电机dq坐标系下可以视为d轴、q轴方向两个频率为2倍载波频率的正弦高频激励，可以用作转子不同轴方向的同步激励信号源。

实施例3

变频器驱动内嵌式永磁电机匝间短路故障诊断方法的步骤如下：

(1)如图2所示，采集内嵌式永磁电机三相电流i_a、i_b、i_c。设置采样频率为f_s＝500kHz，满足f_s>6f_c，f_c＝4kHz为逆变器载波频率。前置滤波截止频率为50kHz满足大于3f_c、小于f_s的奈奎斯特频率。时间长度为NT_s＝1s，N为总采样点数，T_s＝2×10^-6s为采样步长。

(2)如图2所示，采集控制器信号，包括调制比信号M、直流母线电压u_dc、同步信号s_α＝cosθ_r、s_β＝sinθ_r，θ_r为转子角度。设置采样频率为f_s＝500kHz，满足f_s>6f_c，f_c＝4kHz为逆变器载波频率。前置滤波50kHz满足大于3f_1N、小于f_s的奈奎斯特频率，f_1N为电机额定情况下的基波频率。时间长度为NT_s＝1s，N为总采样点数，T_s＝2×10^-6s为采样步长。

(3)如图4所示，构建电流旋转矢量同步信号旋转矢量

其中，e为自然常数，j为虚部单位。

(4)如图4所示，进行复数信号坐标变换，并分别取变换结果的实部、虚部：

其中，经过复数坐标变换后的电流矢量，i_d、i_q为变换后的d、q轴电流，Re[]为取实部操作，Im[]为取虚部操作，[]^*为取共轭操作。

(5)提取d轴电流中2f_c的左边频和右边的幅值，提取目标频率为f_h，

其中，f₁为基波频率，f_c为载波频率。

本步骤如图3所示，具体说明如下：

考虑只有角频率为ω_h的离散目标信号x(k)：

其中，ω_h＝2πf_h，f_h为目标频率，x(k)为离散信号，A为信号幅值，T_s为采样时间间隔，为信号相角，k代表第k个点，w(k)为采样窗函数。

对(31)中信号进行离散傅里叶变换，可以表示为如下频域形式：

其中，X(k)为信号频域第k个点的幅值，j为虚部单位，λ表示目标频率除以频域分辨率f_Δ＝1/(NT_s)。考虑到目标频率变化导致的异步采样情况，λ可以表示为：

其中，f_m为频域最大频率，L为任意整数，偏差频率变量Δ属于范围-0.5<Δ<0.5，表示实际频率超出频谱间隔的分数部分。

(33)式中，偏差频率变量Δ可以通过下式求解：

从而可以利用下式计算目标频率f_h的幅值：

因此分别对i_d做汉宁窗离散傅里叶变换，取变换后频率范围[f_h-1Hz,f_h+1Hz]内最大点L的幅值|X(L)|以及最大值点两侧L-1、L+1的值|X(L-1)|、|X(L+1)|。利用(34)计算偏差频率变量Δ。由此，分别得到左边频的谐波幅值I_d2L和右边频的谐波幅值I_d2H。

(6)按照上一步中所述的方法，得到q轴电流中左边频的谐波幅值I_q2L和右边频的谐波幅值I_q2H。

(7)计算故障指标FI结果。该步骤的具体说明如下：

根据(11)式，分析其中2倍基波旋转频率项，并利用替换u_d、替换u_q，可以得到：

其中，i_d2、i_q2表示电流响应中2倍基波旋转频率，ω₁为转子旋转角频率，t为时间。

将(19)结果代入(29)，可以得到：

利用三角函数关系，(38)可以变化为：

将(39)中不同频率分别表示，有：

其中，i_d2L、i_d2H、i_q2L、i_q2H分别为d轴左旁带电流、右旁带电流，q轴左旁带电流、右旁带电流。

考虑到通常稳态运行的电机仍然存在一定波动，将多组电流信号综合分析可以提高故障特征信号的信噪比，并且可以增加故障检测的可靠性。因此可以得到故障指标表达式为

其中，I_d2L、I_d2H、I_q2L、I_q2H分别为d轴左旁带电流、右旁带电流，q轴左旁带电流、右旁带电流的幅值，J₁为第1阶贝塞尔函数，M为调制比信号，u_dc为直流母线电压。

(8)将计算得到的评价指数FI与正常情况下的评价指数FI0相比较，若FI大于FI0，即表示故障存在。

本领域技术人员可以通过推导计算，正常情况下的评价指数I_N为额定电流，V_N为额定电压，s为匝数。下面给出推导过程：

根据公式40，

可以得到i_d2L、i_d2H、i_q2L、i_q2H电流幅值I_d2L、I_d2H、I_q2L、I_q2H求和之后，有：

根据公式(28)，有：

将(43)与(44)带入说明书(41)，可以得到：

根据公式(10)

并将其带入(45)，有

其中u_a1+u_a2＝u_dcosθ_r-u_qsinθ_r利用了《电机控制技术》P147-P149中本领域常用的变换公式。

根据说明书中对u_a1,u_a2的定义，u_a1+u_a2最大值为额定电压200V，以及15kw三相内嵌式永磁电机具体参数，可知额定电流为75A，因而短路电流i_f不应超过标准电流；电机绕组匝数为70匝，因而最小一匝发生短路的μ＝1/70≈0.014。因此，可以得到此时的故障程度

因而可以令检测中的阈值FI0＝0.021，即正常阈值范围的上界。根据说明书图5中模拟测试结果，可知该阈值处于合理范围内。

利用实验室15kw内嵌式永磁电机驱动系统，在电机20牛米负载情况下，令电机转速变化自100转每分钟到1200转每分钟，测试正常、2匝、3匝以及8匝短路故障电机的分方案评价指数，测试结果如图5所示。可以看到，在本测试中正常情况下评价指数处于为0.01以下范围内，而故障情况下指数升高明显，可以提供定子匝间短路情况的评价描述。

Claims (1)

1.一种变频器驱动内嵌式永磁同步电机定子匝间短路故障诊断方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)采集内嵌式永磁电机三相电流i_a、i_b、i_c；其中，采样频率为f_s，满足f_s>6f_c，f_c为逆变器载波频率；采样通路中的前置滤波器的频率大于3f_c、小于f_s的奈奎斯特频率；

(2)采集控制器信号，包括调制比信号M、直流母线电压u_dc、同步信号s_α＝cosθ_r、s_β＝sinθ_r，θ_r为转子角度；其中，采样频率为f_s，采样通路中的前置滤波器的频率大于3f_1N、小于f_s的奈奎斯特频率，f_1N为电机额定情况下的基波频率；

(3)构建电流旋转矢量同步信号旋转矢量

其中，e为自然常数，j为虚部单位；

(4)进行复数信号坐标变换，并分别取变换结果的实部、虚部：

其中，经过复数坐标变换后的电流矢量，i_d、i_q为变换后的d、q轴电流，Re[]为取实部操作，Im[]为取虚部操作，[]^*为取共轭操作；

(5)提取d轴电流中2f_c的左边频和右边的幅值，提取目标频率为f_h，

f₁为基波频率；对i_d做汉宁窗离散傅里叶变换，取变换后频率范围[f_h-1Hz,f_h+1Hz]内最大点L的幅值|X(L)|以及最大值点两侧L-1、L+1的值|X(L-1)|、|X(L+1)|；计算偏差频率变量Δ：

其中，|X()|为i_d傅里叶变换后频谱幅值；可以得到如下d轴电流中目标频率f_h的谐波幅值A：

由此，分别得到左边频的谐波幅值I_d2L和右边频的谐波幅值I_d2H；

(6)按照步骤5所述的方法，得到q轴电流中左边频的谐波幅值I_q2L和右边频的谐波幅值I_q2H；

(7)根据步骤5和步骤6得到的谐波幅值，得到评价指数FI：

其中，J₁为第1阶贝塞尔函数，M为调制比信号，u_dc为直流母线电压；

(8)将计算得到的评价指数FI与正常情况下的评价指数FI0相比较，若FI大于FI0，即表示故障存在。