CN112415384A - 一种永磁同步电机线圈匝间短路故障在线诊断方法 - Google Patents

一种永磁同步电机线圈匝间短路故障在线诊断方法 Download PDF

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CN112415384A CN202011168098.3A CN202011168098A CN112415384A CN 112415384 A CN112415384 A CN 112415384A CN 202011168098 A CN202011168098 A CN 202011168098A CN 112415384 A CN112415384 A CN 112415384A
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Abstract

本发明公开了一种永磁同步电机线圈匝间短路故障在线诊断方法。当以数字信号处理器为核心的控制器控制永磁同步电机运行时，在每一个采样控制周期内，由控制器实时给出的每一相绕组相电压给定信号和由传感器实时得到的每一相绕组电流信号分别将通过希尔伯特(Hilbert)变换得到相位滞后π/2电角度的每一相绕组相电压给定信号的正交信号和每一相绕组电流信号的正交信号，再分别求取每一相绕组广义瞬时无功功率，以各相绕组广义瞬时无功功率的平均值作为基值，求取每一相绕组广义瞬时无功功率的标幺值，当某一相绕组广义瞬时无功功率的标幺值在多个采样控制周期内持续地最小且小于所设定的数值小于1的阈值，则可以判定该相绕组中有线圈发生了匝间短路故障。

Description

一种永磁同步电机线圈匝间短路故障在线诊断方法
技术领域
本发明属于电气工程领域，涉及一种永磁同步电机线圈匝间短路故障在线诊断方法。
背景技术
同各类电机一样，永磁同步电机在运行过程中也会出现各种故障，其中线圈匝间短路故障是最为常见的故障之一，而且具有很强的破坏性。若不能及时在线诊断出来，故障不断发展，严重时，导致永磁同步电机温升过高电机烧毁，甚至永磁体退磁，可能还会造成控制器逆变器功率器件损坏，影响系统安全运行。因此，永磁同步电机匝间短路故障检测是很有必要的。
发明内容
为了解决上述技术难题，本发明提出了一种永磁同步电机线圈匝间短路故障在线诊断方法。
本发明一种永磁同步电机线圈匝间短路故障在线诊断方法，其特征在于：当以数字信号处理器为核心的控制器控制相数为m的永磁同步电机运行时，在每一个采样控制周期内，控制器完成各种控制算法以及线圈匝间短路故障在线诊断的运算和判断，所完成的永磁同步电机线圈匝间短路故障在线诊断过程为：(1)、控制器实时给出每一相绕组相电压给定信号
Figure BSA0000222688340000011
(其中j＝1，2，…，m)，分别将所述的每一相绕组相电压给定信号通过希尔伯特(Hilbert)变换得到相位滞后π/2电角度的每一相绕组相电压给定信号的正交信号
Figure BSA0000222688340000012
(2)、控制器通过传感器得到实时的每一相绕组电流信号
Figure BSA0000222688340000013
分别将所述的每一相绕组电流信号通过希尔伯特变换得到相位滞后π/2电角度的每一相绕组电流信号的正交信号
Figure BSA0000222688340000014
(3)、控制器利用所述的每一相绕组的相电压给定信号
Figure BSA0000222688340000015
所述的每一相绕组相电压给定信号的正交信号
Figure BSA0000222688340000016
所述的每一相绕组电流信号
Figure BSA0000222688340000017
所述的每一相绕组电流信号的正交信号
Figure BSA0000222688340000018
分别求取每一相绕组广义瞬时无功功率qj，所用计算公式为
Figure BSA0000222688340000019
(4)、控制器求取永磁同步电机m相绕组广义瞬时无功功率的平均值qav，计算公式为
Figure BSA00002226883400000110
(5)、控制器以所述的m相绕组广义瞬时无功功率的平均值qav作为基值，求取每一相绕组广义瞬时无功功率的标幺值
Figure BSA0000222688340000021
所用计算公式为
Figure BSA0000222688340000022
(6)、控制器在m个所述的每一相绕组广义瞬时无功功率的标幺值
Figure BSA0000222688340000023
中选出数值最小值者
Figure BSA0000222688340000024
(其中k∈j，j＝1，2，…，m)，即
Figure BSA0000222688340000025
(7)、控制器将所述的在m个所述的每一相绕组广义瞬时无功功率的标幺值
Figure BSA0000222688340000026
中数值最小值者
Figure BSA0000222688340000027
与数值小于1的阈值
Figure BSA0000222688340000028
(即
Figure BSA0000222688340000029
的数值由具体的永磁同步电机而定)做比较，若第k相绕组广义瞬时无功功率的标幺值
Figure BSA00002226883400000210
在多个采样控制周期内持续地最小且小于所述的阈值
Figure BSA00002226883400000211
则可以判定第k相绕组中有线圈发生了线圈匝间短路故障，若第k相绕组广义瞬时无功功率的标幺值
Figure BSA00002226883400000212
在多个采样控制周期内不是持续地最小且大于等于所述的阈值
Figure BSA00002226883400000213
则说明永磁同步电机定子绕组基本正常。
本发明可适用于各种相数的永磁同步电机。
附图说明
图1是含有线圈匝间短路故障在线诊断功能的三相永磁同步电机控制系统框图。
具体实施方式
本发明具体实施例是以三相永磁同步电机为例进行阐述的。
为了后面的叙述方便，先做以下说明：具体实施例中的三相永磁同步电机，其相数m＝3，定子有A、B、C三相绕组，现将三相绕组英文名称字母A、B、C依次映射成权利要求书中所给出的三相绕组相应的数字名称j(其中j＝1，2，3)，这样一来，A就对应于j＝1，B就对应于j＝2，C就对应于j＝3。
为了后面的叙述方便，再介绍一下希尔伯特(Hilbert)变换。希尔伯特变换是定义解析函数实部与虚部之间关系的理论。按照希尔伯特变换理论，解析函数可以表示为
z(t)＝x(t)+jy(t) (1)
式中，虚部y(t)的计算式为
y(t)＝h(t)*x(t) (2)
式中，“*”代表对时间的卷积，x(t)可以是任意函数。h(t)可表示为
Figure BSA00002226883400000214
由式(1)、式(2)和式(3)可得
Figure BSA0000222688340000031
由式(4)可知，y(t)可以由实部瞬时值的积分实现，计算所用时间在数学上可以忽略不计。因此，从数学角度看，所构造解析函数的实部与虚部之间无延迟时间。
希尔伯特变换相当于一个π/2的移相器，其实质就是经变换后电压和电流的正频率部分发生π/2相移，解析函数z(t)的实部是原信号，虚部为原信号移相π/2的信号，实部与虚部信号相互正交。
设三相永磁同步电机中A相绕组的电压uA和电流信号iA分别为
Figure BSA0000222688340000032
Figure BSA0000222688340000033
式中，n为谐波次数；UAn和IAn分别为A相n次谐波电压和电流有效值；
Figure BSA0000222688340000034
和
Figure BSA0000222688340000035
分别为A相n次谐波电压和电流初相角。
三相永磁同步电机中A相绕组的电压uA是原信号，是所构建的A相绕组的电压解析函数的实部
Figure BSA0000222688340000036
A相绕组的电流iA是原信号，就是所构建的A相绕组的电流解析函数的实部
Figure BSA0000222688340000037
利用希尔伯特变换，得到三相永磁同步电机中所构建的电压解析函数的虚部
Figure BSA0000222688340000038
三相永磁同步电机中所构建的A相绕组的电流解析函数的实部是虚信号
Figure BSA0000222688340000039
利用希尔伯特变换，构建出A相绕组电压解析函数和电流解析函数的正交信号为
Figure BSA00002226883400000310
Figure BSA00002226883400000311
同理，三相永磁同步电机中B相绕组的电压uB是原信号，是所构建的B相绕组的电压解析函数的实部
Figure BSA00002226883400000312
B相绕组的电流iB是原信号，就是所构建的B相绕组的电流解析函数的实部
Figure BSA00002226883400000313
利用希尔伯特变换，得到三相永磁同步电机中所构建的电压解析函数的虚部
Figure BSA00002226883400000314
三相永磁同步电机中所构建的B相绕组的电流解析函数的实部是虚信号
Figure BSA00002226883400000315
利用希尔伯特变换，构建出B相绕组电压解析函数和电流解析函数的正交信号。
同理，三相永磁同步电机中C相绕组的电压uC是原信号，是所构建的C相绕组的电压解析函数的实部
Figure BSA0000222688340000041
C相绕组的电流iC是原信号，就是所构建的C相绕组的电流解析函数的实部
Figure BSA0000222688340000042
利用希尔伯特变换，得到三相永磁同步电机中所构建的电压解析函数的虚部
Figure BSA0000222688340000043
三相永磁同步电机中所构建的C相绕组的电流解析函数的实部是虑信号
Figure BSA0000222688340000044
利用希尔伯特变换，构建出C相绕组电压解析函数和电流解析函数的正交信号。
下面，结合图1对三相永磁同步电机线圈匝间短路故障在线诊断方法的实现进行阐述。
图1中给出了含有线圈匝间短路故障在线诊断功能的三相永磁同步电机控制系统框图，它是典型的采用空间电压矢量脉冲宽度调制技术实现的三相永磁同步电机转速电流双闭环矢量控制系统。
以数字信号处理器(DSP)为核心的控制器是控制系统，在每一个采样控制周期内，控制器完成各种控制算法以及线圈匝间短路故障在线诊断的运算和判断，驱动控制三相永磁同步电机运行的同时，也完成的永磁同步电机线圈匝间短路故障在线诊断。
与永磁同步电机转子同轴安装的永磁转子位置传感器实时测量并经处理运算后得到永磁转子位置电角度信号θ和转速反馈信号n。
转速给定信号nref与转速反馈信号n比较后输入到具有比例积分(PI)特性的转速调节器(ASR)进行调节，转速调节器输出同步旋转坐标系交轴电流给定信号
Figure BSA0000222688340000045
同步旋转坐标系的直轴电流给定信号
Figure BSA0000222688340000046
根据具体的永磁同步电机结构和控制方式而定，这里不再赘述。
电流传感器测量得到定子三相绕组的A、B、C三相电流信号iA、iB、iC，A、B、C三相电流信号iA、iB、iC经ABC三相静止坐标系到dq同步旋转坐标系的旋转变换后得到dq同步旋转坐标系交轴电流iq和直轴电流id。
交轴电流给定信号
Figure BSA0000222688340000047
与作为反馈的交轴电流iq比较后输入到具有比例积分特性的电流调节器1(ACR1)进行调节，电流调节器输出同步旋转坐标系的交轴电压给定信号
Figure BSA0000222688340000048
直轴电流给定信号
Figure BSA0000222688340000049
与作为反馈的直轴电流id比较后输入到具有比例积分特性的电流调节器2(ACR2)进行调节，电流调节器输出同步旋转坐标系的直轴电压给定信号
Figure BSA00002226883400000410
交轴电压给定信号
Figure BSA00002226883400000411
和自轴电压给定信号
Figure BSA00002226883400000412
一起经dq同步旋转坐标系到αβ两相静止坐标系旋转逆变换后得到αβ两相静止坐标系α轴电压给定信号
Figure BSA00002226883400000413
和β轴电压给定信号
Figure BSA00002226883400000414
αβ两相静止坐标系α轴电压给定信号
Figure BSA00002226883400000416
和β轴电压给定信号
Figure BSA00002226883400000415
输入到空间矢量脉冲宽度调制控制器(SVPWM控制器)，由SVPWM控制器生成三相逆变器中6个功率开关管的6路PWM脉冲，控制三相永磁同步电机运行。
同时，交轴电压给定信号
Figure BSA0000222688340000051
和直轴电压给定信号
Figure BSA0000222688340000052
一同经dq同步旋转坐标系到ABC三相静止坐标系旋转逆变换后得到得到ABC三相静止坐标系A相电压给定信号
Figure BSA0000222688340000053
B相电压给定信号
Figure BSA0000222688340000054
C相电压给定信号
Figure BSA0000222688340000055
当已知三相逆变器直流母线电压UDC时，当忽略功率器件死区影响时，对于DSP而言就可以近似的认为ABC三相静止坐标系A相电压给定信号
Figure BSA0000222688340000056
B相电压给定信号
Figure BSA0000222688340000057
C相电压给定信号
Figure BSA0000222688340000058
就分别与ABC三相静止坐标系A相电压信号uA、B相电压信号uB、C相电压给定信号uC等效，即可以近似认为
Figure BSA0000222688340000059
Figure BSA00002226883400000510
所得到的定子A、B、C三相绕组电压信号uA、uB、uC信号，就是做希尔伯特变换的A、B、C三相绕组电压原信号，即就是A、B、C三相电流解析函数的实部
Figure BSA00002226883400000511
Figure BSA00002226883400000512
即
Figure BSA00002226883400000513
做希尔伯特变换后可以得到A、B、C三相电压解析函数的虚部
Figure BSA00002226883400000514
电流传感器测量得到定子A、B、C三相绕组电流信号iA、iB、iC，定子A、B、C三相绕组电流信号iA、iB、iC信号就是做希尔伯特变换的A、B、C三相绕组电流原信号，也就是A、B、C三相电流解析函数的实部
Figure BSA00002226883400000515
相当于
Figure BSA00002226883400000516
做希尔伯特变换后可以得到A、B、C三相电流解析函数的虚部
Figure BSA00002226883400000517
随后，使用由希尔伯特变换构建出的A、B、C三相绕组各自电压解析函数和电流解析函数的正交信号，利用由学者Akagi所提出的瞬时无功功率理论，经演变该理论，而得到A、B、C三相绕组的每一相的广义瞬时无功功率qA、qB、qC，它们的计算公式分别为
Figure BSA00002226883400000518
Figure BSA00002226883400000519
Figure BSA00002226883400000520
则A、B、C三相绕组的每一相的广义瞬时无功功率qA、qB、qC的平均值qav为
qav＝(qA+qB+qC)/3 (12)
以A、B、C三相绕组的每一相的广义瞬时无功功率的平均值qav作为基值，可以求取A、B、C三相绕组的每一相的广义瞬时无功功率的标幺值
Figure BSA00002226883400000521
它们的计算公式分别为
Figure BSA0000222688340000061
Figure BSA0000222688340000062
Figure BSA0000222688340000063
当三相永磁同步电机定子三相绕组正常时，A、B、C三相绕组的每一相的广义瞬时无功功率qA、qB、qC这三者之间的大小差异极小，A、B、C三相绕组的每一相的广义瞬时无功功率的标幺值
Figure BSA0000222688340000064
这三者之间的大小差异也相应很小。
当三相永磁同步电机定子三相绕组中某一相绕组的某一线圈匝间短路故障时，则该相的广义瞬时无功功率相比于其它两相的广义瞬时无功功率变小，A、B、C三相绕组的每一相的广义瞬时无功功率的标幺值
Figure BSA0000222688340000065
也相应这三者之间的大小出现差异。选出A、B、C三相绕组广义瞬时无功功率的标幺值
Figure BSA0000222688340000066
这三个中数值最小值者
Figure BSA0000222688340000067
(其中k∈j，j＝A，B，C)，即
Figure BSA0000222688340000068
将三
Figure BSA0000222688340000069
与数值小于1的阈值
Figure BSA00002226883400000610
(即
Figure BSA00002226883400000611
)做比较，阈值
Figure BSA00002226883400000612
数值的选择与永磁同步电机的结构有关，阈值
Figure BSA00002226883400000613
的数值根据具体的永磁同步电机而设定。若第k相绕组广义瞬时无功功率的标幺值
Figure BSA00002226883400000614
在多个采样控制周期内持续地最小且小于阈值
Figure BSA00002226883400000615
则可以判定第k相绕组中有线圈发生了线圈匝间短路故障，若第k相绕组广义瞬时无功功率的标幺值
Figure BSA00002226883400000616
在多个采样控制周期内不是持续地最小且大于等于阈值
Figure BSA00002226883400000617
则说明永磁同步电机定子绕组基本正常。
例如，当三相永磁同步电机定子三相绕组中的A相绕组中的某一线圈匝间短路故障时，则A相的广义瞬时无功功率相比于B、C两相的广义瞬时无功功率变小，A相的广义瞬时无功功率的标幺值
Figure BSA00002226883400000618
低于B、C两相的广义瞬时无功功率的标幺值
Figure BSA00002226883400000619
A相的广义瞬时无功功率的标幺值
Figure BSA00002226883400000620
在多个采样控制周期内持续地最小且小于阈值
Figure BSA00002226883400000621
则可以判定A相绕组中有线圈发生了线圈匝间短路故障，否则，永磁同步电机定子绕组基本正常。
本发明可使用于各种多相永磁同步电机控制系统中。也使用于采用无位置传感器技术驱动多相永磁同步电机控制系统中。
以上实施例显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。所属领域的普通技术人员应当理解：以上实施例的讨论仅为示例性的。因此，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种永磁同步电机线圈匝间短路故障在线诊断方法，其特征在于：当以数字信号处理器为核心的控制器控制相数为m的永磁同步电机运行时，在每一个采样控制周期内，控制器完成各种控制算法以及线圈匝间短路故障在线诊断的运算和判断，所完成的永磁同步电机线圈匝间短路故障在线诊断过程为：(1)、控制器实时给出每一相绕组相电压给定信号
Figure FSA0000222688330000011
(其中j＝1，2，…，m)，分别将所述的每一相绕组相电压给定信号通过希尔伯特(Hilbert)变换得到相位滞后π/2电角度的每一相绕组相电压给定信号的正交信号
Figure FSA0000222688330000012
(2)、控制器通过传感器得到实时的每一相绕组电流信号
Figure FSA0000222688330000013
分别将所述的每一相绕组电流信号通过希尔伯特变换得到相位滞后π/2电角度的每一相绕组电流信号的正交信号
Figure FSA0000222688330000014
(3)、控制器利用所述的每一相绕组的相电压给定信号
Figure FSA0000222688330000015
所述的每一相绕组相电压给定信号的正交信号
Figure FSA0000222688330000016
所述的每一相绕组电流信号
Figure FSA0000222688330000017
所述的每一相绕组电流信号的正交信号
Figure FSA0000222688330000018
分别求取每一相绕组广义瞬时无功功率qj，所用计算公式为
Figure FSA0000222688330000019
(4)、控制器求取永磁同步电机m相绕组广义瞬时无功功率的平均值qav，计算公式为
Figure FSA00002226883300000110
(5)、控制器以所述的m相绕组广义瞬时无功功率的平均值qav作为基值，求取每一相绕组广义瞬时无功功率的标幺值
Figure FSA00002226883300000111
所用计算公式为
Figure FSA00002226883300000112
(6)、控制器在m个所述的每一相绕组广义瞬时无功功率的标幺值
Figure FSA00002226883300000113
中选出数值最小值者
Figure FSA00002226883300000114
(其中k∈j，j＝1，2，…，m)，即
Figure FSA00002226883300000115
(7)、控制器将所述的在m个所述的每一相绕组广义瞬时无功功率的标幺值
Figure FSA00002226883300000116
中数值最小值者
Figure FSA00002226883300000117
与数值小于1的阈值
Figure FSA00002226883300000118
(即
Figure FSA00002226883300000119
的数值由具体的永磁同步电机而定)做比较，若第k相绕组广义瞬时无功功率的标幺值
Figure FSA00002226883300000120
在多个采样控制周期内持续地最小且小于所述的阈值
Figure FSA00002226883300000121
则可以判定第k相绕组中有线圈发生了线圈匝间短路故障，若第k相绕组广义瞬时无功功率的标幺值
Figure FSA00002226883300000122
在多个采样控制周期内不是持续地最小且大于等于所述的阈值
Figure FSA00002226883300000123
则说明永磁同步电机定子绕组基本正常。
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