CN113064073A - 基于剩余电流的永磁同步电机匝间短路故障诊断方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于剩余电流的永磁同步电机匝间短路故障诊断方法，用于解决现有的定子绕组匝间短路故障诊断方法不适合实时地诊断故障，且通过判断残差信号的平均值是否近似为零不利于故障诊断的问题，定子绕组匝间短路故障的检测问题，其技术方案是：首先，根据永磁同步电机两相旋转标系下电压方程，利用龙伯格观测器估算两相旋转标系下电流残差量；然后，通过转换矩阵将两相旋转标系下电流残差量变换为三相静止坐标系下定子电流残差；最后，通过观察三相定子电流残差量的幅值变化情况判断有没有出现匝间短路，本发明能够克服现有诊断方法的不足，不需要额外的设备，可以实现在线诊断，提高诊断的实时性和可靠性。

Description

基于剩余电流的永磁同步电机匝间短路故障诊断方法

技术领域

本发明属于电机领域，涉及故障诊断技术，具体是基于剩余电流的永磁同步电机匝间短路故障诊断方法。

背景技术

在电机故障中，定子绕组匝间短路是一种最为常见且破坏力很强的故障。因此，为了保证安全运行，一种有效的故障诊断方法是很有必要的。

目前，用于定子绕组匝间短路故障诊断方法主要有三种：

第一种基于信号分析的方法，如定子电流、磁链、电压等，这些方法利用相应的信号处理方法分析与匝间短路故障有关的特征频率成分，这些方法不适合实时地诊断故障；

第二种是基于知识的方法，如模糊逻辑系统，神经网络，支持向量机等，这些方法需要大量的训练样本和训练时间，往往不适合实时诊断的需要；

第三种是基于状态或参数故障估算的方法，可以实时地诊断故障，但是往往通过判断残差信号的平均值是否近似为零，不利于故障诊断，为此，我们提出基于剩余电流的永磁同步电机匝间短路故障诊断方法。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明目的是提供基于剩余电流的永磁同步电机匝间短路故障诊断方法，该方法不需要额外的设备，成本低，可以实时地诊断匝间短路故障，且可提高故障的可靠性。

本发明所要解决的技术问题为：

(1)如何解决现有的定子绕组匝间短路故障诊断方法不适合实时地诊断故障的问题；

(2)如何解决现有的定子绕组匝间短路故障诊断方法通过判断残差信号的平均值是否近似为零，导致不利于故障诊断的问题。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

1、基于剩余电流的永磁同步电机匝间短路故障诊断方法，其特征在于，永磁同步电机匝间短路故障诊断方法包括如下步骤：

步骤一，根据永磁同步电机两相旋转标系下电压方程，利用龙伯格观测器估算两相旋转标系下电流残差量；

步骤二，通过转换矩阵将两相旋转标系下电流残差量变换为三相静止坐标系下定子电流残差；

步骤三，通过观察三相定子电流残差量的幅值变化情况判断有没有出现匝间短路。

进一步地，利用龙伯格观测器估算两相旋转标系下电流残差量，具体如下：

以a相出现匝间短路，根据永磁同步电机匝间短路故障下的电压方程，选取状态变量和输入变量分别为

则系统对应的状态方程为：

式中：

进一步地，选取dq坐标系下的定子电流作为观测输出量，即y＝(i_d i_q)^T，则系统的测量方程为：

y＝Cx；

式中：

引入测量误差到系统输入端参与调节观测器状态，进行状态重构，调节增益矩阵使得测量误差

为0。

进一步地，重构后的离散化系统状态方程为：

式中：状态变量为

输入变量为

L矩阵为状态修正向量；

通过选取L矩阵中合适的各增益值k_j(j＝1，2，……，8)，通过极点配置，使得状态误差向量的值逼近于0。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明提供的一种基于剩余电流的永磁同步电机匝间短路故障诊断方法，根据永磁同步电机两相旋转标系下电压方程，利用龙伯格观测器估算两相旋转标系下电流残差量，而后通过转换矩阵将两相旋转标系下电流残差量变换为三相静止坐标系下定子电流残差，通过观察三相定子电流残差量的幅值变化情况，来以此判断有没有出现匝间短路；

综上，本发明能够克服现有诊断方法的不足，不需要额外的设备，可以实现在线诊断，提高诊断的实时性和可靠性。

附图说明

为了便于本领域技术人员理解，下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1为本发明中永磁电机匝间短路等效图；

图2为本发明中匝间短路故障诊断框图。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1和图2所示，基于剩余电流的永磁同步电机匝间短路故障诊断方法，永磁同步电机匝间短路故障诊断方法包括如下步骤：

步骤一，根据永磁同步电机两相旋转标系下电压方程，利用龙伯格观测器估算两相旋转标系下电流残差量；

步骤二，通过转换矩阵将两相旋转标系下电流残差量变换为三相静止坐标系下定子电流残差；

步骤三，通过观察三相定子电流残差量的幅值变化情况判断有没有出现匝间短路。

下面以永磁同步电机a相(b相和c相类似)发生匝间短路为例对本案进行说明：

a.数学模型；

永磁同步电机在健康状态下的数学模型表达式为：

根据图1，永磁同步电机在a相发生匝间短路故障的情况下，定子绕组的电压方程在dq坐标系下表示为：

式中：μ是a相绕组短路匝数比，i_f是短路回路电流，R_f是短路电阻，R_s是定子电阻，L_d,L_q是dq轴自感。

表达式(2)可改写为：

其中：

b.龙伯格观测器设计；

根据永磁同步电机匝间短路故障下的电压方程(3)，选取状态变量和输入变量分别为

则系统对应的状态方程为：

式中：

选取dq坐标系下的定子电流作为观测输出量，即y＝(i_d i_q)^T，则系统的测量方程为：

y＝Cx； (5)

式中：

引入测量误差到系统输入端参与调节观测器状态，进行状态重构，调节增益矩阵使得测量误差

为0，从而使得系统的观测状态逼近实际状态。

重构后的离散化系统状态方程：

式中：状态变量为

输入变量为

L矩阵为状态修正向量；

通过选取L矩阵中合适的各增益值k_j(j＝1，2，……，8)，通过极点配置，使得状态误差向量的值逼近于0，从而使得系统的估计状态逼近于实际状态。

d.故障诊断；

根据估算dq轴电流残差量，经转换矩阵T(θ)

将电流误差量转换到abc坐标系下得到

从上式可以看出，故障相的幅值为健康相的2倍，故障相与健康相的幅值比为2：1：1，因此，根据幅值比2：1：1的关系判断故障相。

综述所述，对利用本发明提出的方法，能有效地诊断电机的匝间短路故障。本发明不需要额外的设备，成本低，可以实时地诊断匝间短路故障，是一种能够有效提高电机安全、可靠性的故障诊断方法。

基于剩余电流的永磁同步电机匝间短路故障诊断方法，工作时，根据永磁同步电机两相旋转标系下电压方程，利用龙伯格观测器估算两相旋转标系下电流残差量，通过转换矩阵将两相旋转标系下电流残差量变换为三相静止坐标系下定子电流残差，通过观察三相定子电流残差量的幅值变化情况判断有没有出现匝间短路。

上述公式均是去量纲取其数值计算，公式是由采集大量数据进行软件模拟得到最近真实情况的一个公式，公式中的预设参数由本领域的技术人员根据实际情况进行设置。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (4)

1.基于剩余电流的永磁同步电机匝间短路故障诊断方法，其特征在于，永磁同步电机匝间短路故障诊断方法包括如下步骤：

步骤一，根据永磁同步电机两相旋转标系下电压方程，利用龙伯格观测器估算两相旋转标系下电流残差量；

步骤二，通过转换矩阵将两相旋转标系下电流残差量变换为三相静止坐标系下定子电流残差；

步骤三，通过观察三相定子电流残差量的幅值变化情况判断有没有出现匝间短路。

2.根据权利要求1所述的基于剩余电流的永磁同步电机匝间短路故障诊断方法，其特征在于，利用龙伯格观测器估算两相旋转标系下电流残差量，具体如下：

以a相出现匝间短路，根据永磁同步电机匝间短路故障下的电压方程，选取状态变量和输入变量分别为

则系统对应的状态方程为：

式中：

3.根据权利要求2所述的基于剩余电流的永磁同步电机匝间短路故障诊断方法，其特征在于，选取dq坐标系下的定子电流作为观测输出量，即y＝(i_di_q)^T，则系统的测量方程为：

y＝Cx；

式中：

引入测量误差到系统输入端参与调节观测器状态，进行状态重构，调节增益矩阵使得测量误差

为0。

4.根据权利要求3所述的基于剩余电流的永磁同步电机匝间短路故障诊断方法，其特征在于，重构后的离散化系统状态方程为：

式中：状态变量为

输入变量为

L矩阵为状态修正向量；

通过选取L矩阵中合适的各增益值k_j(j＝1，2，……，8)，通过极点配置，使得状态误差向量的值逼近于0。

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