CN111123105A - 基于高频信号注入的电机匝间短路故障诊断方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于高频信号注入的电机匝间短路诊断方法，用于解决电机绕组匝间短路故障的高精度识别问题，属于测量、测试的技术领域。本申请向拟发生绕组匝间短路故障的电机两相绕组注入幅值相等、相位相差180°的正弦高频电流，从两相线电压中提取与注入高频信号频率相同的高频分量，计算出故障特征量。根据故障特征量与设置的门槛值的比较结果得出注入高频电流的两相绕组是否发生匝间短路故障的结论并记录绕组状态，拟合每个绕组与其它绕组注入高频电流后确定的绕组状态乘积得到识别故障相绕组的标志位，并给出电机绕组诊断结果。本发明能够在线进行电机绕组匝间短路的诊断，对匝间短路故障有较高的灵敏度。

Description

基于高频信号注入的电机匝间短路故障诊断方法

技术领域

本发明属于电机故障诊断技术，尤其是基于高频信号注入的电机绕组匝间短路故障诊断方法，属于测量、测试的技术领域。

背景技术

永磁同步电机(permanent magnet synchronous machine)采用永磁体提供转子磁通，舍去了复杂的励磁装置，具有功率因数高、运行效率高、可靠性高等优点，近些年来在风力发电和电动汽车等领域得到了广泛的应用。

永磁同步电机故障主要包括两类，一类是包含定子绕组短路故障和转子失磁故障等故障类型的电磁故障；另一类为包含转子偏心和轴承损坏等故障类型的机械故障。与定子绕组相关的大部分故障最初都是由一个线圈的几匝绝缘失效引起的，这种故障称为绕组匝间短路故障。若匝间短路故障未能及时处理，有可能引起永磁电机绕组短路故障的扩大，造成两相局部短路、双相短路，甚至是三相绕组短路等更严重的故障。

目前，学者已经提出了一些方法来诊断永磁同步电机的匝间短路故障，如基于电流信号分析的负序电流法、定子电流Park矢量法、零序电压法、探测线圈法等。但是现有的方法存在一定的不足，一方面是采用的基频信号或低次谐波信号对早期匝间短路故障的灵敏度较差；另一方面，现有诊断方案的特征易受到工况变化、不平衡负载等因素的影响，从而影响故障诊断结果。

发明内容

本发明的发明目的是针对上述背景技术的不足，提供了基于高频信号注入的电机匝间短路故障诊断方法，采用间歇性注入高频信号的方式灵活安排电机相绕组匝间短路检测，提高了匝间短路故障的检测灵敏度，解决了现有电机匝间短路故障的检测灵敏度较差且诊断结果易受工况变化等因素影响的技术问题。

本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：

基于高频信号注入的电机匝间短路故障诊断方法，包括如下步骤：

(1)利用旋转高频电流注入法在电机两相绕组(以AB相为例)注入幅值相等、相位相差180°的高频电流信号，注入信号频率通常取电机额定频率的10倍左右；

(2)在高频电流注入后，获取输入SVPWM环节的两相静止坐标系下电压信号v_α和v_β，通过坐标变换计算得到AB相线电压并提取出高频分量v_ab,dh,和v_ab,qh，基于健康电机的高频分量值计算得到故障特征量E_f。

(3)根据设定的门槛值E_th，判断是否出现匝间短路故障。若E_f>E_th，则在AB两相中存在匝间短路故障，并赋值给绕组状态值f_ab＝1；若E_f≤E_th，则在AB两相中没有发生匝间短路故障，赋值f_ab＝0。

(4)重复以上步骤(1)(2)(3)对电机BC和CA相状态进行识别，并得到电机各相绕组状态值，即分别获得f_bc和f_ca的赋值结果。

(5)根据步骤(3)、(4)得到的f_ab、f_bc和f_ca的赋值，计算故障标志位Flag_a、Flag_b和Flag_c。

所述步骤(1)中采用的旋转高频电流注入法，以正负序高频电流分别控制的方式实现注入，具体为：通过高频旋转变换和低频滤波器LP提取当前正、负序高频电流的交直轴分量I_p,dh、I_p,qh、I_n,dh、I_p,qh

式(1)、式(2)中，θ_h＝2πf_ht，f_h为高频信号频率；i_a、i_b和i_c为三相电流。通过PI控制器对正、负序高频电流的调节，当采用AB相高频电流注入时，对应的正、负序高频电流的参考值应满足：

式(3)中，I_h为所注入高频电流的幅值。

采用BC相高频电流注入时，对应的正、负序高频电流的参考值满足：

采用CA相高频电流注入时，对应的正、负序高频电流的参考值满足：

步骤(2)中根据坐标变换理论基于电压控制信号v_α和v_β计算AB相间电压并提取高频分量计算故障特征量E_f的方法为：

根据坐标变换理论计算求出对应的三相电压：

进一步可求得AB相间电压

v_ab＝v_a-v_b (7)，

利用三角变换和低通滤波器可得

根据健康电机的记录值计算故障特征量E_f

E_f＝(V_ab,dh-V_dh)²+(V_ab,qh-V_qh)² (9)，

式(9)中，V_dh和V_qh为采用前述方法计算得到的健康电机的高频分量。

步骤(3)中门槛值E_th通过离线的方式确定，即在正常电机上，按照步骤(1)、(2)计算得到正常状态电机的特征量值并将适当留有余量的结果记录保存为E_th，在线进行故障诊断时用来绕组状态识别和计算故障标志位。

步骤(3)-(5)进行故障标志位计算的方法为：

若Flag_a＝1，则判断A相绕组发生了匝间短路，若Flag_b＝1，则判断B相绕组发生了匝间短路，若Flag_c＝1，则判断C相绕组发生了匝间短路，若多个Flag标志位同时为1，则判断多相绕组同时出现了匝间短路故障。

电机类型包括永磁同步电动机和永磁同步发电机。

本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：

(1)本申请提供的一种基于高频注入的电机匝间短路故障诊断方法，从两相线电压中提取与注入高频信号频率相同的高频分量并依据提取的高频分量与健康电机的高频分量误差拟合故障特征量，由故障特征量与门槛值的比较结果判定高频注入相是否发生匝间短路故障并记录绕组状态值，再根据定子绕组两两注入高频电流后确定的绕组状态值精确定位发生匝间短路故障的电机相绕组，不受电机工作状态影响，诊断结果稳定可靠，对匝间短路故障有较高的灵敏度，实现了电机绕组匝间短路故障高精度在线识别；

(2)本申请可采用间歇性注入的方式，灵活安排电机相绕组匝间短路检测，在故障诊断过程中不需要额外的传感器和数据采集设备，诊断成本低。

附图说明

图1是高频电流控制器的框图。

图2是矢量控制下高频信号注入的控制框图。

图3是基于高频信号注入的电机匝间短路故障诊断方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明。

下面以永磁同步电机A相发生匝间短路为例(其余的情况类似)对本申请的技术方案进行说明，如图3所示，本申请公开的电机绕组匝间短路故障诊断方法，大致包括如下个3步骤。

(1)建立定子绕组的高频模型

在永磁同步电机A相发生匝间短路的情况下，abc坐标系下定子绕组的高频模型可表示为：

式(11)中，R是定子电阻，L和M分别是定子绕组自感和互感，v_a,h、v_b,h和v_c,h分别表示abc三相端口电位的高频分量，v_0,h表示中性点电位中的高频分量，i_a,h、i_b,h和i_c,h分别表示abc三相高频电流，i_f,h表示短路回路中的高频电流，μ为匝间短路故障的短路匝数比，满足μ＝N_f/N(0＜η＜1)，其中，N_f为短路匝数，N为相总匝数，R_f为短路电阻。

(2)提取故障特征量

a.对AB相注入幅值相等、相位相差180°的高频电流信号：

根据图1和图2中的控制框图，按式(3)确定正、负序高频电流控制的参考输入即可实现对AB相注入幅值相等、相位相差180°的高频电流信号。

根据式(11)可得：

显然对于健康电机有：

短路电流的高频分量i_f,h表示为：

式(15)中，I_f,h是短路电流高频分量的幅值,

是短路电流高频分量的初相位。

故障特征量E_f：

E_f＝(V_ab,dh-V_dh)²+(V_ab,qh-V_qh)²(16)。

根据E_f>E_th可判断出在AB两相中存在匝间短路故障，f_ab＝1。

b.对BC相注入幅值相等、相位相差180°的高频电流信号：

根据图1和图2中的控制框图，按式(4)确定正、负序高频电流控制的参考输入即可实现对BC相注入幅值相等、相位相差180°的高频电流信号。如图2所示，旋转高频电流注入法通过根据电机电流生成的两相静止坐标系下的高频控制电压实现，对电机电流进行正序高频变换和负序高频旋转变换后得到正、负序高频电流，对正、负序高频电流进行低通滤波得到正、负序高频电流的交直轴分量，对正、负序高频电流的交直轴分量与其参考值的差值进行PI调节和高频解耦后得到正、负序高频电压，将正、负序高频电压反变换至静止abc坐标系下叠加后再进行CLARK变换得到两相静止坐标系下的高频控制电压。

此时式(11)第四行可简化为：

显然从式(18)中可以看出i_f,h＝0，即短路电流中不含高频分量，此时故障特征量E_f理论上为0，显然有E_f≤E_th,即在BC两相中没有发生匝间短路故障，f_bc＝0。

(3)故障诊断

在对永磁同步电机定子绕组(AB、BC、CA)依次进行高频电流注入后，可计算故障标志位：

若Flag_a＝1，则判断A相绕组发生了匝间短路，若Flag_b＝1，则判断B相绕组发生了匝间短路，若Flag_c＝1，则判断C相绕组发生了匝间短路，若多个Flag标志位同时为1，则判断多相绕组同时出现了匝间短路故障。

E_th通过离线的方式确定，即在正常电机上，按照步骤(1)、(2)计算得到正常状态电机的特征量值并将适当留有余量的结果记录保存为E_th。

本发明提出的方法，对匝间短路故障有较高的灵敏度；不受电机工作状态影响，诊断结果稳定可靠；可采用间歇性注入的方式，灵活安排电机相绕组匝间短路检测；在故障诊断过程中，不需要额外的传感器和数据采集设备，诊断成本低。

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，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.基于高频信号注入的电机匝间短路故障诊断方法，其特征在于，利用旋转高频电流注入法向两相待检测绕组注入幅值相等、相位相差180°的高频电流信号，从注入高频电流信号后SVPWM环节输出的两相静止坐标系下的电压信号中获取待检测两相之间的线电压，根据从注入高频电流后待检测两相之间的线电压提取出的高频分量拟合待检测两相绕组的故障特征量，由待检测两相绕组的故障特征量与门槛值的比较结果判定待检测的两相绕组是否发生匝间短路故障，记录比较结果为待检测相绕组状态值，以当前相绕组与其它绕组注入高频电流后确定的待检测相绕组状态值的乘积为当前相绕组的故障标志位，由故障标志位的计算结果判定该相绕组是否发生了匝间短路。

2.根据权利要求1所述基于高频信号注入的电机匝间短路故障诊断方法，其特征在于，旋转高频电流注入法通过根据电机电流生成的两相静止坐标系下的高频控制电压实现。

3.根据权利要求2所述基于高频信号注入的电机匝间短路故障诊断方法，其特征在于，根据电机电流生成的两相静止坐标系下的高频控制电压的具体方法为：对电机电流进行正序高频变换和负序高频旋转变换后得到正、负序高频电流，对正、负序高频电流进行低通滤波得到正、负序高频电流的交直轴分量，对正、负序高频电流的交直轴分量与其参考值的差值进行PI调节和高频解耦后得到正、负序高频电压，将正、负序高频电压反变换至静止abc坐标系下叠加后再进行CLARK变换得到两相静止坐标系下的高频控制电压。

4.根据权利要求1所述基于高频信号注入的电机匝间短路故障诊断方法，其特征在于，根据从注入高频电流后待检测两相之间的线电压提取出的高频分量拟合待检测两相绕组的故障特征量的方法为：从注入高频电流后待检测两相之间的线电压提取出的高频分量，从健康电机待检测两相之间的线电压提取出的高频分量，以高频分量差值的平方和为待检测两相绕组的故障特征量。

5.根据权利要求1所述基于高频信号注入的电机匝间短路故障诊断方法，其特征在于，以当前相绕组与其它绕组注入高频电流后确定的两个待检测相绕组状态值的乘积为当前相绕组的故障标志位，具体为：

其中，f_ab为A相绕组与B相绕组注入高频电流后确定的AB相绕组状态值，f_bc为B相绕组与C相绕组注入高频电流后确定的BC相绕组状态值，f_ca为C相绕组与A相绕组注入高频电流后确定的CA相绕组状态值，Flag_a、Flag_b、Flag_c分别为A相、B相、C相绕组的故障标志位。

6.根据权利要求3所述基于高频信号注入的电机匝间短路故障诊断方法，其特征在于，

向A相绕组和B相绕组注入高频电流时，正、负序高频电流的交直轴分量的参考值为：

向B相绕组和C相绕组注入高频电流时，正、负序高频电流的交直轴分量的参考值为：

向C相绕组和A相绕组注入高频电流时，正、负序高频电流的交直轴分量的参考值为：

其中，I_{p,dh_ref}、I_{p,qh_ref}为正序高频电流的交直轴分量，I_{n,dh_ref}、I_{n,qh_ref}为负序高频电流的交直轴分量，I_h为所注入高频电流的幅值。

7.根据权利要求1至6中任意一项所述基于高频信号注入的电机匝间短路故障诊断方法，其特征在于，该方法适用于永磁同步电动机、永磁同步发电机。

8.根据权利要求1至6中任意一项所述基于高频信号注入的电机匝间短路故障诊断方法，其特征在于，该方法适用于三相电机或多相电机。

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