CN112782578B - 一种永磁同步电机定子绕组不对称故障诊断方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种永磁同步电机定子绕组不对称故障诊断方法，包括以下步骤：S1、根据永磁同步电机的数学模型，利用模型参考自适应技术估算电压偏差；S2、利用估算的电压偏差定义故障特征信号；S3、根据故障特征信号中二次谐波的幅值定义不受电机工作点影响的故障特征量；S4、判断是否出现了定子绕组不对称故障：如果故障特征量大于设定的阈值，则出现了定子绕组不对称故障；否则，没有出现定子绕组不对称故障。本发明不需要额外的传感器，易于实现，可以实时地诊断定子绕组不对称故障。

Description

一种永磁同步电机定子绕组不对称故障诊断方法

技术领域

本发明涉及故障诊断的技术领域，尤其涉及一种永磁同步电机定子绕组不对称故障诊断方法。

背景技术

永磁同步电机是一种高效率、高力矩惯量比、高能量密度的环保低碳电机。近年来，在电动汽车和风力发电等场合得到了广泛关注和使用。永磁同步电机本身就是一个机电耦合系统，通常工作在空间狭小、高温、振动等环境恶劣条件下，电机故障发生机理涉及广泛，包括电机学、机械学、热学、信号处理技术和计算机科学等多学科。由于永磁同步电机的运行工况复杂、安装空间狭小和散热环境恶劣等原因，导致了永磁同步电机发生故障的概率较高。

根据永磁同步电机的组成部分，电机故障可大致分三类：定子绕组故障、永磁体故障、机械故障。在所有的故障类型中，电机中的38％的故障是由定子绕组引起的。在定子绕组故障中，定子绕组电阻不对称故障是一种常见的故障。当该故障发生初期，电机还可以继续运转，但是若在该故障情况下长期运行会导致一系列的其他种类电机故障，故障加重时会迫使电机停机，甚至造成不可逆的破坏。目前，已经提出了一些方法来诊断永磁同步电机的定子绕组电阻不对称故障，但是现存的诊断方法和技术仍存在一些不足，如基于定子电流的方法灵敏度较差，且易受逆变器影响；基于零序电压的方法需要附件的电压传感器，增加了成本，同时降低了诊断的可靠性。因此，急需提出新的诊断技术来克服现有诊断技术的缺点。

发明内容

针对背景技术中的不足，为了在不需要附件的情况下可以实时诊断定子绕组不对称的故障，为此，本发明提出了一种永磁同步电机定子绕组不对称故障诊断方法，具体方案如下：

一种永磁同步电机定子绕组不对称故障诊断方法，包括以下步骤：

S1、根据永磁同步电机的数学模型，利用模型参考自适应技术估算电压偏差；

S2、利用估算的电压偏差定义故障特征信号；

S3、根据故障特征信号中二次谐波的幅值定义不受电机工作点影响的故障特征量；

S4、判断是否出现了定子绕组不对称故障：如果故障特征量大于设定的阈值，则出现了定子绕组不对称故障；否则，没有出现定子绕组不对称故障。

本发明的有益效果在于：本发明不需要额外的传感器，易于实现，可以实时地诊断定子绕组不对称故障。

附图说明

图1为本发明提出的永磁同步电机定子绕组不对称等效图

图2为本发明的故障诊断方法流程图。

具体实施方式

如图2所示，本发明提出一种永磁同步电机定子绕组不对称故障诊断方法，包括以下步骤：

S1、根据永磁同步电机的数学模型，如图1所示，利用模型参考自适应技术估算电压偏差；为获得永磁同步电机的数学模型，获得永磁同步电机定子绕组不对称等效图，然后建立数学模型估算电压偏差，估算电压偏差的具体步骤为：

S11、确定永磁同步电机在定子绕组不对称故障情况下的电压方程和永磁同步电机在正常情况下电压方程；

永磁同步电机在定子绕组不对称故障情况下的电压表示为：

式中：L_d、L_q分别为直轴和交轴电感；u_{d_f}和u_{q_f}表示在故障情况下d轴和q轴电压，i_d、i_q为直轴和交轴电流；R_s为定子电阻；ψ_f为永磁磁链，ω_e是转子电角速度，R_{add_a}为定子绕组不对称导致的附件电阻，θ是转子电角度；

永磁同步电机在正常情况下电压方程表示为：

式中：u_d、u_q分别为正常情况下直轴和交轴电压；

S12、根据式(2)，式(1)简化为：

式中：Δu_d和Δu_q为直轴和交轴电压偏差，表示为

从式(4)可以看出，定子绕组不对称故障会导致电压偏差。

S13、得到故障情况下和正常情况下的定子电流表达式；

根据式(1)-式(3)，得到故障情况下的定子电流表达式，为：

根据式(2)，基于模型参考自适应技术，得到正常情况下的定子电流表达式，为

式中：u_d ^*和u_q ^*是d轴和q轴电压指令,i_dm和i_qm是永磁同步电机参考模型的定子电流；

S14、根据式(5)和(6)，得到电压偏差为

S15、从式(7)中导出第k个PWM步内的平均电压偏差为

式中：T_s是采样时间，i_d(k)和i_q(k)为第k个PWM时刻的d轴和q轴电流，i_dm和i_qm根据式(6)的离散模型得到：

式中u_d ^dead(k-1)和u_q ^dead(k-1)为第k-1个PWM时刻的d轴和q轴死区补偿电压。

S2、利用估算的电压偏差定义故障特征信号；

步骤S2具体步骤如下：

S21、为了实现定子绕组不对称故障的可靠诊断，定义一个新的故障特征信号F_sum，为

F_sum＝Δu_di_q+Δu_qi_d (10)

S22、将(4)代入(10)，可得

式中：F_dc是直流分量，F₂和θ_f是F_sum中二次谐波的幅值和初始相位角，并表示为

S23、利用故障特征信号F_sum中二次谐波分量来诊断永磁同步电机定子绕组不对称故障。与正常情况下相比，在故障情况下，故障特征信号F_sum中将出现直流分量和二次谐波分量。本发明中采用二次谐波分量。

S3、根据故障特征信号中二次谐波的幅值定义不受电机工作点影响的故障特征量；根据式(12)，可以看出F_sum中二次谐波的幅值F₂表示为

不受电机工作点影响的故障特征量为：

S4、判断是否出现了定子绕组不对称故障：如果故障特征量大于设定的阈值，则出现了定子绕组不对称故障；否则，没有出现定子绕组不对称故障。具体地说，设定故障特征量FI，设定阈值为thr，如果FI>thr，则表示出现了定子绕组不对称故障；否则，没有出现定子绕组不对称故障。

利用本发明提出的方法，能够有效地诊断永磁同步电机定子绕组不对称故障。本发明提出的方法计算量小、易于实现、是一种能够有效提高永磁同步电机安全、可靠性的故障诊断方法。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种永磁同步电机定子绕组不对称故障诊断方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、根据永磁同步电机的数学模型，利用模型参考自适应技术估算电压偏差；

S2、利用估算的电压偏差定义故障特征信号；

S3、根据故障特征信号中二次谐波的幅值定义不受电机工作点影响的故障特征量；

S4、判断是否出现了定子绕组不对称故障：如果故障特征量大于设定的阈值，则出现了定子绕组不对称故障；否则，没有出现定子绕组不对称故障；

步骤S1的具体步骤如下：

S11、确定永磁同步电机在定子绕组不对称故障情况下的电压方程和永磁同步电机在正常情况下电压方程；

永磁同步电机在定子绕组不对称故障情况下的电压表示为：

式中：L_d、L_q分别为直轴和交轴电感；u_{d_f}和u_{q_f}表示在故障情况下d轴和q轴电压，i_d、i_q为直轴和交轴电流；R_s为定子电阻；ψ_f为永磁磁链，ω_e是转子电角速度，R_{add_a}为定子绕组不对称导致的附件电阻，θ是转子电角度；

永磁同步电机在正常情况下电压方程表示为：

式中：u_d、u_q分别为正常情况下直轴和交轴电压；

S12、根据式(2)，式(1)简化为：

式中：Δu_d和Δu_q为直轴和交轴电压偏差，表示为

S13、得到故障情况下和正常情况下的定子电流表达式；

根据式(1)-式(3)，得到故障情况下的定子电流表达式，为：

根据式(2)，基于模型参考自适应技术，得到正常情况下的定子电流表达式，为

式中：u_d ^*和u_q ^*是d轴和q轴电压指令,i_dm和i_qm是永磁同步电机参考模型的定子电流；

S14、根据式(5)和(6)，得到电压偏差为

S15、从式(7)中导出第k个PWM步内的平均电压偏差为

式中：T_s是采样时间，i_d(k)和i_q(k)为第k个PWM时刻的d轴和q轴电流，i_dm和i_qm根据式(6)的离散模型得到：

式中u_d ^dead(k-1)和u_q ^dead(k-1)为第k-1个PWM时刻的d轴和q轴死区补偿电压；

步骤S2具体步骤如下：

S21、定义一个新的故障特征信号F_sum，为

F_sum＝Δu_di_q+Δu_qi_d (10)

S22、将(4)代入(10)，可得

式中：F_dc是直流分量，F₂和θ_f是F_sum中二次谐波的幅值和初始相位角，并表示为

S23、利用故障特征信号F_sum中二次谐波分量来诊断永磁同步电机定子绕组不对称故障。

2.根据权利要求1所述的一种永磁同步电机定子绕组不对称故障诊断方法，其特征在于，根据式(12)，步骤S3中不受电机工作点影响的故障特征量为：

3.根据权利要求2所述的一种永磁同步电机定子绕组不对称故障诊断方法，其特征在于，步骤S4具体为：设定故障特征量FI，设定阈值为thr，如果FI>thr，则表示出现了定子绕组不对称故障；否则，没有出现定子绕组不对称故障。