CN110618381A - 三相永磁同步电机定子绕组匝间短路故障检测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种三相永磁同步电机定子绕组匝间短路故障检测方法及装置，定子的每相绕组的每个线圈的正有效边所在的定子槽中各设有一个霍尔传感器，定子的内部设有两个相同的叉指电路板，每个叉指电路板上有若干个叉指，每个叉指与对应编号的霍尔传感器相连接，每个叉指均经叉指电路板接线端口连接MCU控制电路，逆变器的一端连接定子绕组接线端，另一端连接MCU控制电路，MCU控制电路通过其串行通信接口连接上位机，霍尔传感器对每个绕组线圈有效边产生的磁场信息进行采集，当电机定子绕组发生匝间短路故障时，通过传感器采集到的信号差异准确定位到故障槽并判断出故障程度的大小，消除因三相电压不平衡引起的误差，提高了检测的准确性。

Description

三相永磁同步电机定子绕组匝间短路故障检测方法及装置

技术领域

本发明涉及电机故障诊断技术领域，具体是利用霍尔传感器来间接检测永磁同步电机的定子绕组匝间短路故障。

背景技术

永磁同步电机以永磁体提供励磁，省去了容易出问题的集电环和电刷，提高了运行的可靠性，又因无需励磁电流，没有励磁损耗，提高了效率和功率密度，与传统的电励磁同步电机相比具有损耗少、效率高、节电效果明显的优点，因而是近几年研究较多并在各个领域中应用越来越广泛的一种电机。现有的永磁同步电机的励磁绕组匝间短路是大型发电机最常见的电气故障之一，电机长期过载、绝缘老化、嵌线时造成绝缘损坏、绕组受潮使绝缘电阻下降造成绝缘击穿、端部和层绝缘材料没垫好或过电压等都是导致电机的定子绕组匝间短路故障的原因。绕组匝间短路故障将导致电机转子振动，甚至发展为转子接地、转子绕组烧损、发电机失磁、发电机部件磁化等，危及发电机和系统的安全。

当前对定子绕组匝间短路故障的检测方法有反序电流检测法、频谱分析法和感应线圈检测法等。反序电流法根据电机反序电流来进行检测，但是反序电流容易受供电不平衡和电机自身不平衡的影响，对检测的准确性造成相当大影响。且不能有效发现绕组匝间短路早期故障；频谱分析法，即依据电机发生匝间短路故障时对定子电流的影响来采集电流信号，经傅里叶变换提取故障特征谐波，从而对故障进行判断，过程复杂且信号值易受电压不平衡和负载不平衡变化的影响，从而导致对检测结果漏判和误判，且该方法无法对故障发生位置进行定位；感应线圈检测法是首先采用与被测绕组相同规格的导线，在绕组的任意一组跨距内制作短路匝一匝或多匝，然后用激励线圈对准绕组上圈边，感应线圈对准绕组下圈边，调整激励线圈的激励源使与感应线圈相连接的毫伏表有明显偏移，最后去除电机绕组的短路匝，将电机绕组与感应装置相对转动一周观察毫伏表指针偏移量，并与有短路匝时的毫伏表偏移量作对比，判断绕组是否有短路现象，该方法可以消除因电机定子、转子铁芯制造差异对检测造成的影响，可以准确判断出线圈匝间短路故障点并能判断出故障程度的大小，但该方法为离线检测方法，只能在电机断电状态下实行，不能实现电机短路故障的实时在线监测，且线圈灵敏度较低，不能对轻微匝间短路故障时的故障程度进行准确判断。

发明内容

本发明的目的在于解决当前永磁同步电机定子绕组匝间短路故障检测存在的上述诸多问题，提供一种三相永磁同步电机定子绕组匝间短路故障检测方法及装置，能实时在线监测绕组匝间短路的早期故障，并对故障发生位置进行定位，且对故障程度进行准确判断。

本发明三相永磁同步电机定子绕组匝间短路故障检测装置的技术方案是：包括MCU控制电路、逆变器、电流传感器和上位机，定子的每相绕组的每个线圈的正有效边所在的定子槽中各设有一个霍尔传感器，对每相绕组线圈的正有效边上的霍尔传感器按逆时针方向依次编号；定子的内部设有两个相同的叉指电路板，每个叉指电路板上有若干个叉指，叉指上面标有与霍尔传感器上的编号一一对应的编号，每个叉指与对应编号的霍尔传感器相连接，每个叉指均经叉指电路板接线端口连接MCU控制电路，逆变器的一端连接三相永磁同步电机的定子绕组接线端，另一端连接MCU控制电路，MCU控制电路通过其串行通信接口连接上位机。

所述的三相永磁同步电机定子绕组匝间短路故障检测装置的检测采用的技术方案是包括：

步骤1)：在一台无匝间短路故障的正常三相永磁同步电机上，通过MCU控制电路控制逆变器改定子绕组电流的大小，使逆变器产生一个大小为I₁的起始电流，霍尔传感器采集到电流I₁情况下的霍尔电压，霍尔电压经过MCU控制电路计算出电流I₁下的平均霍尔电压

步骤2)：MCU控制电路控制逆变器输出在电流I₁基础上增加一个步长ΔI的第二个电流I₂＝I₁+ΔI，计算出电流I₂下的平均霍尔电压如此循环检测n次，得到结束电流I_n下的平均霍尔电压并将在每个电流I₁·····I_n下分别对应的平均霍尔电压作为阈值电压传送给上位机；

步骤3)：电流传感器采集待测电机的定子电流I，MCU控制电路得到待测电机在电流I下的3N个霍尔电压U₁·····U_3n并上传至上位机，N是电机定子绕组的每相绕组线圈的个数；

步骤4)：上位机查找匹配到在待测电机定子电流I下的对应阈值电压并根据式计算出每个霍尔传感器的霍尔电压差值ΔU_i，得到3N个霍尔传感器在电流I下的霍尔电压与阈值电压之间的电压差值ΔU₁····ΔU_3n，i＝1···3N；

步骤5)：上位机根据得到的电压差值逐个判断，若A相编号的电压差值全部为0，则A相绕组无匝间短路故障，若A相中编号为x的霍尔传感器的霍尔电压差ΔU_x小于0，则A相发生匝间短路故障，且短路故障发生在A相的第x个线圈，x＝1····N；

进一步地，步骤5)中，对于发生短路故障的线圈，上位机根据式计算出故障程度E。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

1、现有技术存在着检测出故障后不能实现对故障位置的准确定位的问题。本发明通过在电机每相绕组的每个线圈的所在的定子槽中安放霍尔传感器并进行编号的方法，可以对每个绕组线圈有效边产生的磁场信息进行采集，当电机定子绕组发生匝间短路故障时，能够通过传感器采集到的信号差异准确定位到故障槽并判断出故障程度的大小。

2、现有技术利用反序电流和定子电流频谱分析的方法，易受供电电压不平衡和负载不平衡影响。本发明在每相绕组布置多个霍尔传感器，通过每相采取多个霍尔电压进行对比的方法，消除了因三相电压不平衡引起的误差，提高了检测的准确性。

3、现有检测技术使用线圈来离线检测电机定子绕组匝间短路故障，灵敏度较低，且不能实现对电机的实时在线监测。本发明通过利用叉指电路板在定子齿槽内布置多个高灵敏度霍尔传感器，通过霍尔传感器对内部磁场信息的采集实现了对电机的实时在线监测，可及时发现电机匝间短路故障，且采用高精度霍尔传感器提高了检测结果的精确度。

附图说明

图1是本发明三相永磁同步电机定子绕组匝间短路故障检测装置的整体结构示意图；

图2为图1中三相永磁同步电机的定子径向截面放大图；

图3为图1中三相永磁同步电机内部的霍尔传感器与叉指、叉指电路板的连接关系立体结构放大图；

图4为图1中MCU控制电路的内部结构及其外接结构框图；

图5为图1所示检测装置的检测方法流程图；

附图中各部件的序号和名称：1、三相永磁同步电机；2、霍尔传感器；3、出线孔；4、逆变器；5、电流传感器；6、定子绕组接线端；7、MCU控制电路；8、信号输入接口；9、串行通信接口；10、连接导线；11、上位机；12、定子槽；13、绕组线圈有效边；14、第一个叉指电路板；15、第二个叉指电路板；16、叉指；17、叉指电路板接线端口。

具体实施方式

参见图1，本发明三相永磁同步电机定子绕组匝间短路故障检测装置包括MCU控制电路7、逆变器4、电流传感器5、上位机11以及3N个霍尔传感器2，N是三相永磁同步电机定子绕组的每相绕组线圈的个数。

参见图2所示的三相永磁同步电机1的定子径向视图，A、B、C三相绕组置放在定子槽12中，图2中示出每相绕组有4个线圈，即N＝4，分别为A相的线圈A1、A2、A3、A4、B相的线圈B1、B2、B3、B4和C相的线圈C1、C2、C3、C4。每相的4个线圈串联在一起，每个线圈有正负两条有效边13，即A1+、A1-、A2+·····C4+、C4-。A、B、C三相绕组线圈有效边13镶嵌在定子槽12中。在定子的每相绕组的每个线圈的正有效边13所在的定子槽12中各设有一个霍尔传感器2，即将3N共计12个霍尔传感器2分别安装在每相绕组的每个线圈的正有效边13所在的定子槽12中。并对每相绕组线圈的正有效边13上的霍尔传感器2按逆时针方向依次编号，即对A相绕组线圈的4条正有效边13上的4个霍尔传感器2按逆时针方向依次编号为1、2、3、4，对B相绕组线圈的4条正有效边13上的霍尔传感器2按逆时针方向依次编号为5、6、7、8，对C相绕组线圈4个正有效边13上的霍尔传感器2按逆时针方向依次编号为9、10、11、12。

参见图3，在电机定子的内部安装两个相同的叉指电路板，即第一叉指电路板14和第二叉指电路板15，均由FPC超薄软板制成。每个叉指电路板14、15上有若干个叉指16，叉指16上面标有编号，叉指16上的编号与霍尔传感器2上的编号一一对应。每个叉指16一端延伸到一个安装有对应编号的霍尔传感器2的定子槽12中，并与对应编号的霍尔传感器2相连接，用胶固定。霍尔传感器2采集电机绕组线圈一条有效边13的磁感应强度并输出霍尔电压U。每个叉指16内部含有连接导线，并且这些连接导线共同连接叉指电路板接线端口17。例如在图2中，共安装12个霍尔传感器2，故每个叉指电路板14、15各有6个叉指16，12个霍尔传感器2分别产生霍尔电压U1、U2·····U12，通过叉指16传输到叉指电路版接线端口17。

参见图1和图3，在三相永磁同步电机1上设有出线孔3，叉指电路板接线端口17通过出线孔3引出到电机外部，并连接MCU控制电路7。三相绕组均连接三相永磁同步电机1的定子绕组接线端6，同时，逆变器4的一端连接到定子绕组接线端6，另一端连接到MCU控制电路7的信号输入接口8，MCU控制电路7控制逆变器4中电力电子器件的通断来改变定子绕组的电流大小。电流传感器5的一端连接到三相永磁同步电机1的定子绕组接线端6，用于检测定子绕组电流，另一端连接到MCU控制电路7的信号输入接口8。MCU控制电路7通过其串行通信接口9经连接导线10连接上位机11。这样，使霍尔传感器2、逆变器4和电流传感器5分别与MCU控制电路7建立连接关系，MCU控制电路7完成信号采集与装置控制，并将结果传给上位机11。

参见图4，MCU控制电路7包括单片机、DSP控制模块、A/D采集电路、电源模块、滤波电路和放大电路。单片机由电源模块进行供电，霍尔传感器2的输出端经叉指电路板接线端口17依次连接放大电路、滤波电路、A/D采集电路和单片机。电流传感器5检测定子电流并通过输入端口连接单片机。单片机的输出端经串行通信接口9连接上位机11，单片机将接收到的信号输送到上位机11。DSP控制模块为MCU控制电路7中的独立模块，与上位机11双向连接，DSP控制模块的输出端连接逆变器4，通过输出的PWM波控制逆变器4电力电子器件的通断来改变定子电流的大小。

当三相永磁同步电机1定子绕组发生匝间短路故障时，由安培环路定理可知，定子绕组线圈的一条有效边13在霍尔传感器2处所产生的感应磁场强度为其中μ₀表示真空磁导率，I表示每匝线圈中的电流，n表示线圈匝数，R表示待测点与线圈的距离，由磁场强度的公式可知，当待测点与导体的距离R一定时，定子绕组有效边13在霍尔传感器2中产生的感应磁场强度B与每个绕组匝数n和导体中的电流I有关。因电机是经双闭环控制的，电流I在发生匝间短路故障时经电流环调节仍可保持恒定不变，此时线圈匝数n为影响有效边13产生磁感应强度的唯一变量。当某相绕组线圈发生匝间短路故障时，故障相中发生短路的线圈匝数n₁将减少Δn变为n₂，其中Δn为短路匝数，此时，其线圈有效边13产生的磁感应强度而故障相中未发生匝间短路的线圈有效边13产生的感应磁场强度保持不变，因n₂<n₁，所以B2<B1，故障线圈有效边13产生的磁感应强度将比正常值低。安装在定子槽12中的霍尔传感器2采集线圈有效边13产生的感应磁场强度B并转换成霍尔电压U输出。其转换公式为U＝B*S，其中S为霍尔传感器的灵敏度，霍尔电压U与感应磁场强度B成正比关系，因此霍尔电压U的变化值ΔU可直接反应出线圈有效边13产生的磁感应强度的变化值ΔB。

参见1-5，本发明三相永磁同步电机定子绕组匝间短路故障检测装置工作时，对匝间短路故障检测方法的具体步骤如下：

步骤1：首先，在一台无匝间短路故障的正常三相永磁同步电机上，将电机允许的定子电流范围从I₁到I_n分为若干份，通过MCU控制电路7中的DSP控制模块输出PWM波控制逆变器4来改定子绕组电流的大小，使逆变器4产生一个大小为I₁的起始电流信号，此时安装在定子槽12中的霍尔传感器2采集到在电机定子绕组电流为I₁情况下的霍尔电压信号，该霍尔电压经过MCU控制电路7中放大电路和滤波电路分别进行信号放大和滤波处理后，被A/D采集电路所采集后输入到单片机中，单片机根据输入的信号，计算出安装在定子槽12中的3N个霍尔传感器在电流I₁下的平均霍尔电压

步骤2：在起始电流I₁下的平均霍尔电压计算完成后，MCU控制电路7控制逆变器4输出第二个大小为I₂的电流信号。第二个电流I₂是在当前起始电流I₁的基础上增加一个步长ΔI，即I₂＝I₁+ΔI。之后，按步骤1所述相同的方法，霍尔传感器2获得在电流I₂下的霍尔电压信号，经单片机得到在第二个电流I₂下的平均霍尔电压

如此循环，控制逆变器4产生递增的电流信号，逆变器4输出的电流均是在前次输出电流的基础上增加相同的步长ΔI。如此循环的检测n次，直到得到结束电流I_n下的平均霍尔电压为止。最终得到在每个电流I₁·····I_n下分别对应的平均霍尔电压如此完成了对正常电机信号的采集，MCU控制电路7将传送给上位机11，上位机11将平均霍尔电压作为阈值电压保存。

步骤3：当对正常电机的平均霍尔电压检测完成并保存于上位机11后，开始对待测电机进行检测。首先，电流传感器5采集此时待测电机的定子电流I，然后MCU控制电路7中的单片机开始分别采集A、B、C三相中共3N个霍尔传感器2的霍尔电压，最终得到在电流I下的3N个霍尔电压U₁·····U_3n。

步骤4：当对待测电机的霍尔电压U₁·····U_3n采集完成后，MCU控制电路7中将采集到的3N个霍尔电压上传至上位机11中。上位机11查找匹配到在待测电机定子电流I下的对应阈值电压并按照以下公式计算出每个霍尔传感器2的霍尔电压差值ΔU_i：

这样便得到3N个霍尔传感器在电流I下的霍尔电压与阈值电压之间的电压差值ΔU₁····ΔU_3n。

步骤5：上位机11根据得到的电压差ΔU_i进行逐个判断：首先判断A相编号为1····N的n个霍尔电压差ΔU₁···ΔU_n，若n个电压差值全部为0，则A相绕组无匝间短路故障；若A相中编号为x的霍尔传感器2的霍尔电压差ΔU_x小于0，则A相发生匝间短路故障，且短路故障发生在A相的第x个线圈，x＝1····N。

对于发生了短路故障的线圈，上位机11根据下式计算出其故障程度E：

依此步骤，上位机11依次对B相编号为N+1·····2N和C相编号为2N+1····3N的电压差进行逐个判断，最终完成对待测电机定子绕组匝间短路故障的诊断，并得到故障相、故障线圈位置和故障程度。

Claims (5)

1.一种三相永磁同步电机定子绕组匝间短路故障检测装置，包括MCU控制电路(7)、逆变器(4)、电流传感器(5)和上位机(11)，其特征是：定子的每相绕组的每个线圈的正有效边所在的定子槽中各设有一个霍尔传感器(2)，对每相绕组线圈的正有效边上的霍尔传感器(2)按逆时针方向依次编号；定子的内部设有两个相同的叉指电路板，每个叉指电路板上有若干个叉指(16)，叉指(16)上面标有与霍尔传感器(2)上的编号一一对应的编号，每个叉指(16)与对应编号的霍尔传感器(2)相连接，每个叉指均经叉指电路板接线端口(17)连接MCU控制电路(7)，逆变器(4)的一端连接三相永磁同步电机的定子绕组接线端(6)，另一端连接MCU控制电路(7)，MCU控制电路(7)通过其串行通信接口连接上位机(11)。

2.根据权利要求1所述的三相永磁同步电机定子绕组匝间短路故障检测装置，其特征是：所述的MCU控制电路(7)包括单片机、DSP控制模块、A/D采集电路、电源模块、滤波电路和放大电路，单片机由电源模块进行供电，所述的叉指电路板接线端口(17)依次连接放大电路、滤波电路、A/D采集电路和单片机，DSP控制模块与上位机11双向连接且其输出端连接所述的逆变器(4)。

3.一种如权利要求1所述的三相永磁同步电机定子绕组匝间短路故障检测装置的检测方法，其特征是包括：

步骤1)：在一台无匝间短路故障的正常三相永磁同步电机上，通过MCU控制电路(7)控制逆变器(4)改定子绕组电流的大小，使逆变器(4)产生一个大小为I₁的起始电流，霍尔传感器(2)采集到电流I₁情况下的霍尔电压，霍尔电压经过MCU控制电路(7)计算出电流I₁下的平均霍尔电压

步骤2)：MCU控制电路(7)控制逆变器(4)输出在电流I₁基础上增加一个步长ΔI的第二个电流I₂＝I₁+ΔI，计算出电流I₂下的平均霍尔电压如此循环检测n次，得到结束电流I_n下的平均霍尔电压并将在每个电流I₁·····I_n下分别对应的平均霍尔电压作为阈值电压传送给上位机(11)；

步骤3)：电流传感器(5)采集待测电机的定子电流I，MCU控制电路(7)得到待测电机在电流I下的3N个霍尔电压U₁·····U_3n并上传至上位机(11)，N是电机定子绕组的每相绕组线圈的个数；

步骤4)：上位机(11)查找匹配到在待测电机定子电流I下的对应阈值电压并根据式计算出每个霍尔传感器(2)的霍尔电压差值ΔU_i，得到3N个霍尔传感器(2)在电流I下的霍尔电压与阈值电压之间的电压差值ΔU₁····ΔU_3n，i＝1···3N；

步骤5)：上位机(11)根据得到的电压差值逐个判断，若A相编号的电压差值全部为0，则A相绕组无匝间短路故障，若A相中编号为x的霍尔传感器(2)的霍尔电压差ΔU_x小于0，则A相发生匝间短路故障，且短路故障发生在A相的第x个线圈，x＝1····N。

4.根据权利要求3所述的三相永磁同步电机定子绕组匝间短路故障检测装置的检测方法，其特征是：步骤5)中，对于发生短路故障的线圈，上位机(11)根据式计算出故障程度E。

5.根据权利要求4所述的三相永磁同步电机定子绕组匝间短路故障检测装置的检测方法，其特征是：上位机(11)依次对B相编号为N+1·····2N和C相编号为2N+1····3N的电压差值逐个判断，完成待测电机定子绕组匝间短路故障的诊断，并得到故障相、故障线圈位置和故障程度。