CN113391170B - 一种逆变器驱动电机的端部绝缘状态在线监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种逆变器驱动电机的端部绝缘状态在线监测方法，包括步骤：1)采集电机三相相线上的电流信号，并截取开关高频振荡电流片段；2)使用变分模态分解算法将截取的开关高频振荡电流片段分解为三个子模态，获取高频共模电流及其中心频率，将高频共模电流的中心频率作为提取的频率特征；3)利用高频共模电流的中心频率，计算三相绝缘电容的总改变量；4)获取三相高频共模电流在谐振点处的幅值变化量作为提取的幅值特征，利用幅值特征进行故障相定位。与现有技术相比，本发明具有高灵敏度、高鲁棒性以及强安全性等优点。

Description

一种逆变器驱动电机的端部绝缘状态在线监测方法

技术领域

本发明涉及电机绝缘在线监测领域，尤其是涉及一种逆变器驱动电机的端部绝缘状态在线监测方法。

背景技术

采用脉宽调制技术的逆变器驱动电机具有易启动、效率高和调速性好等优点，广泛应用于新能源汽车、风力发电、船舶推进等工业领域，其可靠性是系统经济安全运行的关键。电机故障将导致非计划性停机，带来经济损失，甚至导致灾难性的故障。工业调查表明，主绝缘故障是引发电机故障的重要原因。主绝缘故障占据全部电机故障的30％以上。对于变频调速电机，逆变器输出产生的高dv/dt会在电机端部施加过大的电应力，加速端部绝缘老化。为保证变频调速系统的安全可靠运行，有必要在电机运行时对其主绝缘状态进行持续的监测。此外，与电机的机械故障相比，电气故障的发生速度要快得多。因此，有必要在绝缘劣化初期识别故障，并采取必要的修理、更换或者容错控制等措施，这对绝缘状态监测的灵敏度提出了很高的要求。

BL Sang等人的题名为“An Online Technique for Monitoring the InsulationCondition of AC Machine Stator Windings.”的文章利用高灵敏传感器测量基频漏电流，通过计算主绝缘等效电容和介质损耗角进行电机的在线主绝缘监测。电机绝缘层在低频下的容性阻抗很大，必须使用高灵敏传感器才能监测基频漏电流的微弱变化，昂贵的设备和对传感器灵敏度的高要求使得该方法有一定局限性。

P Neti等人的题名为“Online Broadband Insulation Spectroscopy ofInduction Machines Using Signal Injection”的文章利用在线注入高频低幅值信号的方法，通过电流响应实现绝缘状态的监测。然而这种方法会增加系统复杂性，且可能干扰电机正常运行，在实际应用中受到一定的限制。

专利(CN110456270A)公开了一种电机绝缘在线监测方法和装置。该发明通过测量电机三相入线端各相对地电压以及各相漏电流，获取定子绝缘的等效电容，实现电机绝缘的监测。该方法采集电压信号时会与被测系统产生电气接触，这将影响系统的稳定性和安全性。

通常，逆变器驱动的电机系统中，由于电缆和电机阻抗不匹配，会在电机绕组端部产生开关瞬态过电压。过电压在整个绕组上呈非线性非均匀分布，靠近相端部的绕组第一匝相比其他部分承受更大的电压应力，这使得电机端部绝缘更容易发生劣化。现有的方法通常是针对电机的整体绝缘劣化进行监测，无法实现针对电机绕组端部的绝缘状态监测。有时端部绝缘已经损坏，而整体绝缘状态变化不大，因此有必要针对端部绝缘状态进行监测。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种逆变器驱动电机的端部绝缘状态在线监测方法，该方法具有灵敏性好，鲁棒性高，监测安全等优点。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种逆变器驱动电机的端部绝缘状态在线监测方法，该方法包括如下步骤：

S1：采集电机三相相线上的电流信号，并截取开关高频振荡电流片段。

S2：使用变分模态分解算法将截取的开关高频振荡电流片段分解为三个子模态，包括中频共模，高频共模和差模。获取高频共模电流及其中心频率，将高频共模电流的中心频率作为提取的频率特征。

S3：利用高频共模电流的中心频率，计算三相绝缘电容的总改变量。

S4：获取三相高频共模电流在谐振点处的幅值变化量作为提取的幅值特征，利用幅值特征进行故障相定位。

S2中，将变分模态分算法的待分解模态数量设置为三。

进一步地，所述高频共模电流的中心频率为高频共模流通回路的谐振频率，该谐振频率的表达式为：

式中：C_stray为变频器中的功率器件与接地外壳之间的分布电容，C_cab1、C_cab2分别为逆变器与电机之间的输电线缆和大地之间的分布电容，L_cab为输电线缆的等效电感，C_g为电机三相端部绝缘总电容，即C_g＝C_{g_a}+C_{g_b}+C_{g_c}，C_{g_a}、C_{g_b}、C_{g_c}分别为a相、b相、c相端部绝缘电容。

S3中，通过多次改变端部绝缘总电容C_g，得到多组高频共模谐振频率f_s和三相绝缘电容总变化量ΔC_g。利用多组f_s和ΔC_g，并结合上述谐振频率公式，通过最小二乘非线性回归建立f(f_s)＝ΔC_g，以此可以用任意f_s计算对应的ΔC_g。

S4中，基于三相高频共模电流在谐振点处的幅值变化量计算绝缘电容的总变化量在每一相上的分布情况，利用该分部情况实现故障相定位。

绝缘电容的总变化量在每一相上的分布情况的表达式为：

式中，ΔC_g为三相绝缘电容的总改变量，ΔI_a，ΔI_b，ΔI_c分别为各相振荡电流敏感模态谐振点幅值的变化量。

本发明提供的逆变器驱动电机的端部绝缘状态在线监测方法，相较于现有技术至少包括如下有益效果：

1)高灵敏度：本发明利用端部绝缘电容与系统中的杂散参数产生的高频串联谐振响应进行绝缘状态监测，可以识别电机微弱的绝缘电容变化；在高频段，系统的容性阻抗小，响应电流大，响应电流变化明显，因此响应电流用于监测绝缘状态时具有更高的灵敏度；另外，串联谐振发生时，系统的阻抗达到极小，而响应电流达到极大，因此谐振响应的变化更灵敏。

2)鲁棒性：本发明使用开关高频振荡响应的频率特征监测总体绝缘状态，并利用开关高频振荡响应的三相幅值特征的相对变化辨识故障相；其中，谐振频率是能够直接反映系统参数变化的本征特征，而三相谐振点幅值的相对变化也不受工况影响，因此本发明可以在不同的运行工况下实现绝缘状态的监测。

3)安全性：本发明利用开关高频振荡电流响应中的频率和幅值特征进行绝缘状态监测，因此只需要在电机正常运行时采集三相上的电流信号，可以做到非接触的监测，不会影响系统运行的稳定性。

附图说明

图1为实施例中搭建的试验台示意图；

图2为实施例中逆变器驱动电机的端部绝缘状态在线监测方法的监测流程示意图；

图3为实施例中PWM电压产生的开关振荡示意图；

图4为实施例中开关振荡电流的变分模态分解示意图；

图5为实施例中敏感模态的传导路径等值电路；

图6为实施例中不同绝缘状态下的敏感模态时域频域图；

图7为实施例中不同绝缘状态下的中心频率；

图8为实施例中不同绝缘状态下的中心频率均值；

图9为实施例中各相不同绝缘状态下的谐振点幅值。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

实施例

本发明涉及一种逆变器驱动电机的端部绝缘状态在线监测方法，在本实施例中，搭建了如图1所示的实验台。实验被测电机为8极380V，3kW永磁同步电机(PMSM)。负载电机采用380V，3kW的感应电机(IM)。两个变频器分别以速度模式和转矩模式控制永磁同步电机和感应电机。采用高速信号采集单元(Pico 5444D，14位，125MS/s)和上位机进行信号采集和处理。使用高频差分探头CYBERTEK DP6150A(带宽为100MHz)测量电机端部电压。带宽为50MHz的高频电流探头CYBERTEK CP8030B用于测量电机电流。在电机三相端部分别布置三个电流探头以采集包含开关高频振荡的电流信号，在电机端部与直流母线负极之间布置电压探头观察PWM开关信号(电压信号仅用于实验观察，不参与最终的状态监测，本发明状态监测仅需要使用电流信号)。采集的电流信号经上位机进行数据处理，包括变分模态分解，最小二乘非线性回归等。

如图2所示，逆变器驱动电机的端部绝缘状态在线监测方法具体包括以下步骤：

步骤一、采集电机三相相线上的电流信号，并截取开关高频振荡片段。

开关高频振荡信号在功率器件开关动作后一般几μs就会衰减到0，所以只需截取开关高频振荡部分信号。截取的振荡信号如图3所示。

步骤二、对截取的振荡信号片段进行变分模态分解(VMD)。

将VMD算法的待分解模态数量设置为3，得到三个子模态和对应的中心频率。分解结果如图4所示。模态1为中频共模，其频率约为200KHz；模态2为高频共模，其频率约为4MHz(即本发明的中心频率f_s)；模态3为差模，其频率约为8MHz。其中，模态2即高频共模，是本方法用于监测电机端部绝缘状态的敏感模态。

步骤三、利用高频共模的中心频率f_s(即高频共模传导回路的谐振频率)，计算三相绝缘电容的总改变量ΔC_g。

敏感模态的传导路径等值电路如图5所示，通过该等值电路可得到谐振频率f_s的公式。图5中，i_Cg为高频共模电流，C_stray代表变频器中的功率器件与接地外壳之间的分布电容，C_cab1、C_cab2代表逆变器与电机之间的输电线缆和大地之间的分布电容，L_cab代表输电线缆的等效电感，C_g为电机三相端部绝缘电容之和，即C_g＝C_{g_a}+C_{g_b}+C_{g_c}。根据式(1)可知，敏感模态流通回路的谐振频率f_s与C_g有关，当C_g发生了ΔC_g的变化时，f_s也会发生相应改变。

在本实施例中，通过并联电容的方式改变原C_g以模拟绝缘劣化，即C_g→C_g+ΔC_g。通过并联多个电容，得到多组f_s和ΔC_g，以此拟合曲线f(f_s)＝ΔC_g，最后通过f_s求解ΔC_g。具体地，在电机端部与地之间并联不同大小的电容模拟不同程度的电机端部绝缘劣化。并联电容大小ΔC_g分别选用25pF，50pF，100pF，220pF，330pF，680pf。并联不同的ΔC_g将改变振荡电流敏感模态的频率f_s，以此可以得到多组f_s和ΔC_g的对应关系。并联不同大小电容时，开关振荡电流的时域和频域波形如图6所示，频率变化如图7所示，其平均值的变化如图8所示。结果显示，随并联电容增大，高频共模的谐振频率f_s逐渐从4.3MHz降低到3.4MHz。

结合式(1)的模型以及图8中的实验结果，可以通过最小二乘法非线性回归建立敏感模态中心频率f_s与端部对地电容的总改变量ΔC_g的关系，即f(f_s)＝ΔC_g。通过图8中的估计结果和表1可以看出，模型估计结果与实验结果误差很小，能够准确定量评估绝缘的劣化情况。其中，相对误差可由|ΔC_g-ΔC_g'|/(C_g+ΔC_g)得到，其中ΔC_g为实际并联电容，ΔC_g'为估计并联电容，C_g为电机端部绝缘电容，可由阻抗分析仪测得为1.15nF。

表1 并联电容的估计值与实际值

4)利用三相高频共模电流的谐振幅值变化量ΔI_a，ΔI_b，ΔI_c进一步进行故障相定位。

根据式(2)可以计算出三相绝缘电容的总变化量在各相上的分布情况，其中，ΔI_a，ΔI_b，ΔI_c为各相振荡电流敏感模态谐振点幅值的变化量。通过对各相上的振荡电流敏感模态进行快速傅里叶变换，可以得到频谱最大值，即谐振点幅值I_a，I_b，I_c。计算在绝缘劣化发生前后谐振点幅值的变化量ΔI_a，ΔI_b，ΔI_c，并结合式(2)可以得到绝缘电容的总变化量在每一相上的分布情况，以此实现故障相定位。

故障相的定位的结果如图9和表2所示，结果显示，故障相的高频共模谐振点幅值相比于另外两相有明显增加，以此可以实现故障相定位。

可见本发明所提出的监测方法能够精确给出端部绝缘的劣化程度，并定位故障相。

表2 B相端部绝缘劣化的监测结果

本发明利用端部绝缘电容与系统中的杂散参数产生的高频串联谐振响应进行绝缘状态监测，可以识别电机微弱的绝缘电容变化。在高频段，系统的容性阻抗小，响应电流大，响应电流变化明显，因此响应电流用于监测绝缘状态时具有更高的灵敏度。另外，串联谐振发生时，系统的阻抗达到极小，而响应电流达到极大，因此谐振响应的变化更灵敏。本发明使用开关高频振荡响应的频率特征监测总体绝缘状态，并利用开关高频振荡响应的三相幅值特征的相对变化辨识故障相。其中，谐振频率是能够直接反映系统参数变化的本征特征，而三相谐振点幅值的相对变化也不受工况影响，因此本发明可以在不同的运行工况下实现绝缘状态的监测。利用开关高频振荡电流响应中的频率和幅值特征进行绝缘状态监测，因此只需要在电机正常运行时采集三相上的电流信号，可以做到非接触的监测，不会影响系统运行的稳定性，安全性强。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，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工作人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种逆变器驱动电机的端部绝缘状态在线监测方法，其特征在于，包括下列步骤：

1)采集电机三相相线上的电流信号，并截取开关高频振荡电流片段；

2)使用变分模态分解算法将截取的开关高频振荡电流片段分解为三个子模态，获取高频共模电流及其中心频率，将高频共模电流的中心频率作为提取的频率特征，所述高频共模电流的中心频率为高频共模流通回路的谐振频率，该谐振频率的表达式为：

式中：C_stray为变频器中的功率器件与接地外壳之间的分布电容，C_cab1、C_cab2分别为逆变器与电机之间的输电线缆和大地之间的分布电容，L_cab为输电线缆的等效电感，C_g为电机三相端部绝缘总电容，即C_g＝C_{g_a}+C_{g_b}+C_{g_c}，C_{g_a}、C_{g_b}、C_{g_c}分别为a相、b相、c相端部绝缘电容；

3)利用高频共模电流的中心频率，计算三相绝缘电容的总改变量，具体为：

通过多次改变端部绝缘总电容C_g，得到多组高频共模流通回路的谐振频率f_s和三相绝缘电容总变化量ΔC_g，利用多组f_s和ΔC_g，结合高频共模流通回路的谐振频率f_s的表达式，通过最小二乘非线性回归建立f(f_s)＝ΔC_g，以此实现通过任意高频共模流通回路的谐振频率f_s计算对应的三相绝缘电容总变化量ΔC_g；

4)获取三相高频共模电流在谐振点处的幅值变化量作为提取的幅值特征，利用幅值特征进行故障相定位，具体为：

基于三相高频共模电流在谐振点处的幅值变化量计算绝缘电容的总变化量在每一相上的分布情况，利用该分布情况实现故障相定位；

三相绝缘电容的总变化量在每一相上的分布情况的表达式为：

式中，ΔC_g为三相绝缘电容的总改变量，ΔI_a，ΔI_b，ΔI_c分别为各相振荡电流敏感模态谐振点幅值的变化量。

2.根据权利要求1所述的逆变器驱动电机的端部绝缘状态在线监测方法，其特征在于，步骤2)中，开关高频振荡电流片段分解的三个子模态包括为中频共模，高频共模和差模。

3.根据权利要求2所述的逆变器驱动电机的端部绝缘状态在线监测方法，其特征在于，步骤2)中，将变分模态分算法的待分解模态数量设置为三。

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