CN111123104A - 一种无需先验知识的永磁电机绕组故障诊断方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无需先验知识的永磁电机绕组故障诊断方法，属于测量、测试的技术领域。首先利用坐标变换理论提取零序电压中的基波幅值以识别绕组状态；接着，通过永磁电机的变流器先后注入幅值相同但频率不同的高频电流，根据零序电压中的高频响应信号的幅值区分故障类型；最后，针对不同类型绕组故障，采用对应的故障程度和故障位置诊断方法。该方法能够实时在线进行故障诊断，无需先验知识即可自动识别出故障类型，且该方法不受电机工作状态变化的和逆变器非线性的影响，诊断结果稳定可靠。

Description

一种无需先验知识的永磁电机绕组故障诊断方法

技术领域

本发明涉及故障诊断技术，尤其是一种无需先验知识的永磁电机绕组故障诊断方法，属于测量、测试的技术领域。

背景技术

近些年来，永磁同步电机(permanent magnet synchronous machine)因其具有高效率、体积小、重量轻等优点在风力发电和电动汽车等领域得到了广泛的应用，电机多处于设备的核心部分，一旦出现故障会直接影响整体设备的性能。

永磁同步电机的绕组故障主要包括两类：一类是绕组匝间短路故障，主要由相邻两匝或数匝线圈之间由于绝缘破坏而发生短路，是绕组短路故障的早期阶段，如不能及时检测到，会逐渐发展为单相接地短路或相间短路等故障，最终导致电机损坏；另一类是绕组电阻不平衡故障，即为定子绕组的电阻值增加而导致的不对称故障，该故障会导致定子电压电流的不平衡，增大转矩脉动，增加损耗和电机发热。

针对这两类故障，目前学者们已经提出了一系列的故障诊断方案，如基于电流、电压和振动的信号分析、扩展卡尔曼滤波、反电势估计以及各类观测器等。然而，上述的传统方法多在基于已知故障类型的条件下进行。电机是一个复杂的机电耦合系统，其故障特点是相同故障特征可能是由不同的故障原因造成的，同一故障也有可能产生不同的故障特征。采用上述传统故障诊断方案进行诊断存在较强的不确定性，甚至出现误报。

发明内容

本发明的发明目的是针对上述背景技术的不足，提供了一种无需先验知识的永磁电机绕组故障诊断方法，该方法能够实时在线进行永磁同步电机绕组的诊断且不受电机工作状态变化和逆变器非线性的影响，诊断结果稳定可靠，解决了现有故障诊断方法依赖于先验知识的积累以及诊断结果不可靠的技术问题。

本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：

一种无需先验知识的永磁电机绕组故障诊断方法，包括如下4个步骤。

(1)在线判断永磁电机绕组状态

通过电压传感器实时采集永磁电机变流器系统的零序电压，计算其基波幅值V_ZS1并作为绕组状态识别状态量，将该绕组状态识别量赋值为F_S，将F_S与预先设定的阈值E_th1比较，若F_S≥E_th1，则判断电机绕组存在故障；若F_S<E_th1，则判断电机绕组正常，此时无需进入下一步，继续在线监测电机变流器系统的零序电压。

(2)高频电流注入

若电机绕组存在故障，需采用高频电流注入的方式区分故障类型。通过与永磁电机定子绕组相连接的变流器，向电机绕组中注入幅值相同但频率不同(f₁，f₂，且f₁<f₂)的高频电流，基于坐标变换计算零序电压中分别对应于频率f₁和f₂的高频响应信号V_ZSf1和V_ZSf2。

(3)区分永磁电机绕组故障类型

计算高频响应信号V_ZSf2和V_ZSf1的比值D_S，若存在D_S>E_th2，其中，E_th2为第二阈值，则确定故障类型为匝间短路，否则为绕组不平衡。

(4)提取零序电压v_zs中高频信号f₂分量的幅值V_ZSf2和初始相位θ_ZSf2后判断故障相

针对永磁电机匝间短路故障，根据高频响应信号f₂分量计算S_f判断匝间短路故障程度，计算θ_fh判断故障位置：如果|θ_fh|<θ_th时，则匝间故障发生在A相；如果|θ_fh+120°|<θ_th时，则匝间故障发生在B相；如果|θ_fh-120°|<θ_th时，则匝间故障发生在C相。针对永磁电机绕组不平衡故障，根据高频响应信号f₂分量计算U_f判断绕组不平衡故障程度，θ_ZSf2判断故障位置：如果|θ_ZSf2|<θ_th时，则绕组不平衡故障发生在A相；如果|θ_ZSf2+120°|<θ_th时，则绕组不平衡故障发生在B相；如果|θ_ZSf2-120°|<θ_th时，则绕组不平衡故障发生在C相。本方案提高了绕组匝间短路故障程度的分辨率，且可在不受电机工作状态的情况下进行故障程度评估和故障定位。

步骤(2)中的高频电流注入方法，具体为：通过高频旋转变换和低通滤波器LP提取当前旋转高频电流的交直轴分量i_dh、i_qh，并通过PI控制器对高频交直轴分量进行调节，对应i_dh的参考值为I_h，对应i_qh的参考值为0。

式(1)中，ω_h＝2πf_h为高频信号角频率，可通过调节ω_h实现注入高频电流的频率变化。PI控制器的输出信号通过旋转变换至静止两相坐标系并于SVPWM调制模块前与基波控制信号叠加。

步骤(2)中的高频电流注入方法，通过变流器分别注入幅值相同、频率不同的高频电流，并分别采集注入高频电流后的零序电压高频响应信号，注入频率f₁通常取电机额定频率的10倍左右，f₂通常取f₁的2倍左右。

步骤(3)中的电机绕组故障类型判断，第二阈值E_th2的确定方法为：

步骤(4)中的电机绕组故障程度判断，在确定故障类型后基于零序电压v_zs中高频信号f₂分量的幅值V_ZSf2和初始相位θ_ZSf2，针对永磁电机匝间短路故障，计算S_f和θ_fh的具体步骤为：

θ_fh＝θ_ZSf2-π+tan^-1k (5)。

针对永磁电机匝间短路故障，计算U_f的具体步骤为：

第三阈值θ_th取60°。

本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：本发明提供的一种永磁同步电机绕组故障诊断方法，根据永磁电机变流器系统零序电压中高频分量的幅值和相位拟合故障类型及故障相的判据，通过实时监测注入高频电流后永磁电机变流器系统的零序电压，即可在线进行永磁同步电机绕组故障的诊断，克服了现有诊断方法需要先验知识的缺陷，且不受电机工作状态变化的和逆变器非线性的影响，诊断结果稳定可靠。

附图说明

图1是永磁同步电机绕组故障时的等效模型图。

图2是永磁同步电机在矢量控制情况下注入高频电流的控制框图。

图3是永磁同步电机注入高频电流的控制器框图。

图4是基于高频注入的永磁同步电机绕组故障诊断方法的流程图。

具体实施方式

下面以永磁同步电机A相发生匝间短路、C相发生电阻不平衡为例(其余的情况类似)对本发明的技术方案进行说明。本发明公开的永磁电机绕组故障诊断方法如图4所示，大致包括以下3个步骤。

(1)在线判断永磁电机绕组状态

根据图1可知，在永磁同步电机A相发生匝间短路、C相发生电阻不平衡的情况下，在abc坐标系下绕组的模型可表示为：

式(7)中：[V_f,abc]＝[v_a v_b v_c 0]^t为电机三相绕组端口电位，[V₀]＝[v₀ v₀ v₀ 0]^t为电机三相绕组中性点电位，[i_f,abc]＝[i_a i_b i_c i_f]^t为电机定子三相电流和匝间短路电流，[λ_PMf,abc]＝[λ_PMa λ_PMb λ_PMc μλ_PMa]^t为电机三相绕组磁链和匝间短路回路中的磁链，L_f,abc为电机三相绕组电感，R_f,abc为电机三相绕组电阻，

R_s表示相电阻，L和M分别为绕组自感和互感，R_f表示匝间短路电阻，μ为匝间短路匝数比，R_add则表示C相的不平衡电阻。

将式(7)中前三行相加并化简可得：

式(8)中，

图1中，中性点和电阻平衡网络之间所测量的压差v_zs满足：

从式(8)中可以看出，在永磁同步电机正常工作状态下，有i_f和R_add均为0。测量的零序电压v_zs仅受零序磁链λ_PM0的影响，其中，仅存在三次谐波和其奇数倍次谐波。当出现匝间短路故障或绕组不平衡故障时，i_f和R_add的存在会使得零序电压v_zs中出现幅值较大的基波，因此，零序电压中的基波幅值V_ZS1可用于诊断绕组中是否出现故障，但仅根据零序电压中的基波幅值并不能判断具体的故障类型。

(2)高频电流注入

高频电流注入由一个高频电流控制器并联在基频控制器两端以调节高频电流分量的幅值，图2中展示了永磁同步电机在矢量控制情况下高频电流注入的控制框图。图3展示了高频电流控制器的结构，由高频旋转变换、低通滤波器LP、PI控制器和高频解耦环节构成，此高频电流控制器可以实现三相对称的高频电流注入，所注入的电流满足i_dh＝I_h、i_qh＝0,根据高频坐标旋转变换有：

式(11)中，θ_h＝2πf_ht。

(3)电机绕组故障诊断

a.永磁同步电机在A相发生匝间短路

在匝间短路情况下，R_add为0，此时，零序电压的高频分量可表示为：

根据式(7)中第四行匝间短路回路的电压方程有：

考虑：

i_ah＝I_h cos(θ_h+θ_ah) (14)，

i_fh＝I_fhcos(θ_h+θ_fh) (15)，

v_ZSh＝V_ZShcos(θ_h+θ_ZSh) (16)，

联立(12)-(16)可得：

式(17)中，

根据式(17)和(18)可以看出，当所注入电流信号的频率提升时，对应零序电压中的高频分量幅值V_ZSh会增加，以f₂＝2f₁为例，

在确定故障类型为匝间短路时，可提取零序电压v_zs中高频信号f₂分量的幅值V_ZSf2和初始相位θ_ZSf2，进行故障程度判断。根据式(17)的第一行可计算中间量k值，

定义S_f以评估匝间短路的故障程度，

从式(21)中可以看出随着短路匝比μ增加或匝间短路电阻R_f减小，S_f取值均有所增大。根据式(17)的第二行和式(20)计算的k值联立可得：

θ_fh＝θ_ZSf2-π+tan^-1k (22)。

根据式(11)，显然当匝间短路发生在A相时即有θ_fh＝θ_ah＝0，匝间短路发生在B相时即有θ_fh＝θ_bh＝-120°，匝间短路发生在C相时即有θ_fh＝θ_ch＝120°，可利用计算的特征相位θ_fh判断故障相。

b.永磁同步电机在C相发生电阻不平衡

此时i_f和匝间短路匝数比μ均为0，此时，零序电压的高频分量可表示为：

则有此时零序电压的高频分量V_ZSh满足：

从式(24)中可以看出，当所注入电流信号的频率提升时，对应零序电压中的高频分量幅值不会发生变化，以f₂＝2f₁的为例，有D_S＝1。

定义U_f以评估绕组不平衡的故障程度：

根据式(11)，显然当匝间短路发生在C相时即有θ_ZSf2＝θ_ch＝120°，如果匝间短路发生在A相时即有θ_ZSf2＝θ_ah＝0，如果匝间短路发生在B相时即有θ_ZSf2＝θ_bh＝-120°，可利用零序电压中对应f₂的高频信号分量的初始相位θ_ZSf2作为特征相位判断故障相。

(4)阈值设定：第一阈值E_th1可根据健康电机基波幅值V_ZS1并留有一定余量确定；第二阈值E_th2取值根据式(2)确定，第三阈值θ_th取60°。

本发明提出的方法能够实时在线进行永磁同步电机绕组的诊断；采用变频高频电流注入进行故障类型的判别；不受电机工作状态变化和逆变器非线性的影响，诊断结果稳定可靠。

应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也落入本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种无需先验知识的永磁电机绕组故障诊断方法，其特征在于，在线监测永磁电机变流器系统零序电压，在永磁电机变流器系统零序电压的幅值超过第一阈值时向电机绕组中注入幅值相同但频率分别为f₁、f₂的两个高频电流，f₁<f₂，计算零序电压中对应两个高频信号的分量幅值，在所述两个分量幅值的比值超过第二阈值时判定故障类型为匝间短路，在两个分量幅值的比值未超过第二阈值时判定故障类型为绕组不平衡，以特征相位为判据并根据零序电压中对应f₂的高频信号分量的幅值和相位定位故障相。

2.根据权利要求1所述一种无需先验知识的永磁电机绕组故障诊断方法，其特征在于，以特征相位为判据并根据零序电压中对应f₂的高频信号分量的幅值和相位定位故障相的具体方法为：当特征相位的绝对值未超过第三阈值时，则故障发生在A相；当特征相位与120°之和的绝对值未超过第三阈值时，则故障发生在B相；否则故障发生在C相。

3.根据权利要求1或2所述一种无需先验知识的永磁电机绕组故障诊断方法，其特征在于，针对匝间短路故障，特征相位依据表达式θ_fh＝θ_ZSf2-π+tan^-1k计算，θ_fh为匝间短路故障的特征相位，θ_ZSf2为零序电压中对应f₂的高频信号分量的初始相位，

V_ZSf2为零序电压中对应f₂的高频信号分量的幅值，I_h为频率为f₂的高频电流交轴分量的参考值也是所注入高频电流的幅值，L为绕组自感，M为绕组互感，ω_f2为高频信号f₂的角频率。

4.根据权利要求1所述一种无需先验知识的永磁电机绕组故障诊断方法，其特征在于，针对绕组不平衡故障，其特征相位为零序电压中对应f₂的高频信号分量的初始相位。

5.根据权利要求1所述一种无需先验知识的永磁电机绕组故障诊断方法，其特征在于，所述第一阈值根据健康电机基波幅值并留有一定余量确定。

6.根据权利要求1所述一种无需先验知识的永磁电机绕组故障诊断方法，其特征在于，所述第二阈值E_th2根据表达式

确定。

7.根据权利要求2所述一种无需先验知识的永磁电机绕组故障诊断方法，其特征在于，所述第三阈值取60°。

8.根据权利要求3所述一种无需先验知识的永磁电机绕组故障诊断方法，其特征在于，依据频率为f₂的高频电流的角频率拟合匝间短路故障程度的评估因子S_f，

R_s为相电阻，R_f为匝间短路电阻。

9.根据权利要求4所述一种无需先验知识的永磁电机绕组故障诊断方法，其特征在于，依据零序电压中对应f₂的高频信号分量的幅值拟合绕组不平衡程度的评估因子U_f，

V_ZSf2为零序电压中对应f₂的高频信号分量的幅值，I_h为频率为f₂的高频电流交轴分量的参考值。

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