CN113687261B - 匝间短路故障诊断方法、存储介质和电子设备 - Google Patents

匝间短路故障诊断方法、存储介质和电子设备 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种匝间短路故障诊断方法、存储介质和电子设备。其中，该方法包括以下步骤：确定永磁同步电机的理论电磁转矩；确定所述永磁同步电机的实际电磁转矩；当所述永磁同步电机满足预设条件时，根据所述永磁同步电机的理论电磁转矩与实际电磁转矩确定二倍频交流分量，将所述二倍频交流分量的幅值与预设阈值进行比较，根据比较结果判断所述永磁同步电机是否发生匝间短路故障。本实施例可以在匝间短路发生的早期进行诊断，避免故障程度加大，防止匝间短路故障进一步恶化成接地短路故障或者相间短路故障，有利于提高电机工作的安全性和可靠性。

Description

匝间短路故障诊断方法、存储介质和电子设备
技术领域
本发明涉及电机故障诊断技术领域，尤其涉及一种匝间短路故障诊断方法、存储介质和电子设备。
背景技术
受电磁脉冲、机械应力、温度异常等因素的影响，永磁同步电机的定子绕组可能会发生绝缘失效而导致的短路现象。另外，制造装配不当、工业环境腐蚀等因素同样容易引起永磁同步电机的定子匝间短路故障。一般而言，定子匝间短路故障通常表现为一种绝缘能力缓慢退化的渐变过程。当绕组的绝缘能力降低至一定程度时，微弱的外部应力(例如过热、振动、电压冲击等)便有可能引发局部匝间短路。在初期故障阶段，电机的电压、电流信号受故障影响较为微弱，因此无法触发保护动作；而在故障恶化至完全短路，甚至严重的相间、相地短路后，电机内部严重受损，此时保护为时已晚。
因此，为了更有效地保护电机，现有电机故障诊断技术领域亟需一种能够在永磁同步电机的定子绕组的短路初期即可检测出发生短路故障的方法。
发明内容
本申请提供一种匝间短路故障诊断方法、存储介质和电子设备，以在永磁同步电机的匝间短路故障初期即可进行诊断。
第一方面，本申请的实施方式提供一种永磁同步电机的匝间短路故障诊断方法，包括以下步骤：确定永磁同步电机的理论电磁转矩；确定所述永磁同步电机的实际电磁转矩；当所述永磁同步电机满足预设条件时，根据所述永磁同步电机的理论电磁转矩与实际电磁转矩确定二倍频交流分量，将所述二倍频交流分量的幅值与预设阈值进行比较，根据比较结果判断所述永磁同步电机是否发生匝间短路故障。
在一实施方式中，确定永磁同步电机的理论电磁转矩，包括：确定永磁同步电机的直轴电感与交轴电感的差值，根据所述差值、dq坐标系下d轴的电流分量以及dq坐标系下q轴的电流分量确定每对磁极中电感产生的电磁转矩；根据所述永磁同步电机的转子永磁体磁链以及dq坐标系下q轴的电流分量确定每对磁极中磁链产生的电磁转矩；根据每对磁极中电感产生的电磁转矩、每对磁极中磁链产生的电磁转矩以及所述永磁同步电机的极对数确定所述永磁同步电机的理论电磁转矩。
在一实施方式中，确定所述永磁同步电机的实际电磁转矩，包括：根据所述永磁同步电机工作时的输入瞬时有功功率、消耗瞬时有功功率和转子机械转速确定所述永磁同步电机的实际电磁转矩，其中，消耗瞬时有功功率包括定子电阻消耗的瞬时有功功率以及直轴电感和交轴电感消耗的瞬时有功功率。
在一实施方式中，根据所述永磁同步电机工作时的输入瞬时有功功率、消耗瞬时有功功率和转子机械转速确定所述永磁同步电机的实际电磁转矩，包括以下步骤：根据所述永磁同步电机的相电压瞬时值和电流瞬时值，确定输入瞬时有功功率；根据所述永磁同步电机的电流瞬时值和定子电阻的阻值，确定所述定子电阻消耗的瞬时有功功率；确定所述永磁同步电机的直轴电感和交轴电感消耗的瞬时有功功率；根据输入瞬时有功功率、定子电阻消耗的瞬时有功功率、直轴电感和交轴电感消耗的瞬时有功功率和转子机械转速确定所述永磁同步电机的实际电磁转矩。
在一实施方式中，所述永磁同步电机满足预设条件，包括：所述永磁同步电机的直轴电感与交轴电感相等。
在一实施方式中，根据所述永磁同步电机的理论电磁转矩与实际电磁转矩确定二倍频交流分量，包括：计算所述永磁同步电机的理论电磁转矩与实际电磁转矩之间的差值，提取所述差值中的二倍频交流分量。
在一实施方式中，根据比较结果判断所述永磁同步电机是否发生匝间短路故障，包括：当所述二倍频交流分量的幅值小于预设阈值时，判定所述永磁同步电机没有发生匝间短路故障，当所述二倍频交流分量的幅值大于或等于预设阈值时，判定所述永磁同步电机发生匝间短路故障。
在一实施方式中，在根据所述永磁同步电机的理论电磁转矩与实际电磁转矩确定二倍频交流分量之后，所述方法还包括步骤：根据所述二倍频交流分量的幅值大小确定所述永磁同步电机的匝间短路故障的严重程度。
第二方面，本申请的实施方式提供一种存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，实现如上文所述的永磁同步电机的匝间短路故障诊断方法。
第三方面，本申请的实施方式提供一种电子设备，包括处理器和存储有程序代码的存储介质，所述程序代码被处理器执行时，实现如上文所述的永磁同步电机的匝间短路故障诊断方法。
本申请实施方式的诊断方法，可以实时监测永磁同步电机的定子匝间短路情况，在匝间短路发生的早期进行诊断，避免故障程度加大，防止匝间短路故障进一步恶化成接地短路故障或者相间短路故障，有利于提高电机工作的安全性和可靠性；可以较好的规避电机机端电压不平衡和电机电阻变化的影响；本申请的诊断方法，计算简便，所需的各项参数都容易获取，更易于实现，可以实时诊断永磁同步电机匝间短路故障，并且具有较高的故障诊断灵敏度。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定，在附图中：
图1为根据本申请一示例性实施方式的永磁同步电机的匝间短路故障诊断方法的流程图；
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
在介绍本发明实施例提供的永磁同步电机的匝间短路故障诊断方法之前，首先，对于本发明实施例建立的永磁同步电机匝间短路故障的模型进行说明。
为了便于研究短路支路电流对永磁同步电机的电磁转矩的影响，本发明通过建立模型的方式进行了研究。通过所建立的模型可以直观的反映出短路支路电流对永磁同步电机的电磁转矩的影响。
下面对于本发明实施例所建立的永磁同步电机的匝间短路故障模型进行详细的说明。
定子绕组是永磁同步电机的重要组成部分，由嵌放在定子铁心槽中的若干线圈按照一定规律并联连接构成。永磁同步电机的定子绕组为三相，即包含A相、B相和C相。这里，我们假设匝间短路故障发生在A相。
在建立模型时首先将永磁同步电机三相相电压、三相电流和短路支路电流变换到静止两相αβ坐标系，得到静止两相αβ坐标系下的相电压、电流和短路支路电流，其表达式如下：
其中，uα和uβ分别表示静止两相αβ坐标系下的电压分量，ua、ub和uc分别表示永磁同步电机的三相相电压，iα和iβ分别表示静止两相αβ坐标系电流分量，ia、ib和ic分别表示永磁同步电机的三相电流，if表示短路支路电流，iαf和iβf分别表示静止两相αβ坐标系短路支路电流分量。
其中，静止两相αβ坐标系下的电压方程还可以表示为：
uf＝Rfif＝μRs(iα-if)+pψf (5)
其中，Rs表示定子电阻，p表示微分算子，ψα和ψβ表示定子磁链，μ表示故障系数，其定义为永磁同步电机中每相短路匝数与每相线圈总匝数之比，uf为短路支路电压，Rf表示短路支路电阻，ψf表示短路绕组磁链。
在静止两相αβ坐标系中，上述表达式(5)中的ψα、ψβ和ψf的磁链方程可以表示为：
其中，Ld表示永磁同步电机的直轴电感，Lq表示永磁同步电机的交轴电感，θ为d轴轴线与α轴的夹角，ψm表示转子永磁体磁链，Lsσ表示定子漏电感。
结合式(1)至(7)，得到永磁同步电机的电磁转矩方程为：
其中，Te表示永磁同步电机的电磁转矩，表示定子磁链矢量，/>表示等效定子电流矢量，P表示永磁同步电机的极对数。
将式(8)中的部分变量变换到旋转的dq坐标系，永磁同步电机的电磁转矩方程可以进一步表示为：
由式(9)可以看出，永磁同步电机的电磁转矩由两部分组成，一部分为未发生匝间短路故障的支路电流产生的电磁转矩，简称为正常电磁转矩，另一部分为发生短路故障的支路电流产生的电磁转矩，简称为故障电磁转矩。
由此，可得到的永磁同步电机匝间短路故障的模型，即：
其中，Te_normal表示正常电磁转矩；Te_fault表示故障电磁转矩。
由上述表达式(10)可以确定：由于匝间短路故障的发生，局部的短路环流if将产生附加的电磁转矩。
进一步地，当永磁同步电机为面装式永磁同步电机时，Ld＝Lq，设θ＝ωθ+0，if＝Ifmsin(ωt+θf0)，ω表示电角速度，Ifm表示if的幅值，θf0表示if初始相角，θ0表示θ的初始相角。则式(10)中的永磁同步电机的匝间短路故障模型还可表示为：
其中，表示正常电磁转矩，/>表示发生短路故障的支路电流产生的附加的直流分量，/>表示发生短路故障的支路电流产生的二倍频交流分量，ω表示电角速度，Ifm表示if的幅值，θf0表示if初始相角，θ0表示θ的初始相角。
由式(11)可以确定，由于局部的短路环流if的作用，电磁转矩中出现了附加的直流分量和二倍频交流分量。
基于上述分析和永磁同步电机匝间短路故障的模型可知：发生匝间短路故障的永磁同步电机，与非匝间短路故障的永磁同步电机相比(或与该永磁同步电机在未发生匝间短路故障时相比)，电磁转矩多出了附加的直流分量和二倍频交流分量。
本申请所提出的永磁同步电机的匝间短路故障模型，可以直接反映出短路支路电流对电磁转矩的影响。基于此，本发明实施方式提供了一种匝间短路故障诊断方法、存储介质和电子设备。与其他现有的永磁同步电机定子匝间短路故障的诊断方法相比，例如与基于零序电压、磁链观测、电流谐波或电流信号监测的方式相比，本发明实施例的方法灵敏度高，可以实时诊断永磁同步电机匝间短路故障，并且可以在匝间短路发生早期的时候进行诊断，避免故障程度加大，提供电机工作的安全性和可靠性。
实施例一
图1为根据本申请一示例性实施方式的永磁同步电机的匝间短路故障诊断方法的流程图。如图1所示，本申请的实施方式提供一种永磁同步电机的匝间短路故障诊断方法，包括以下步骤：
S110：确定永磁同步电机的理论电磁转矩。
在一实施方式中，确定永磁同步电机的理论电磁转矩，包括：确定永磁同步电机的直轴电感与交轴电感的差值，根据所述差值、dq坐标系下d轴的电流分量以及dq坐标系下q轴的电流分量确定每对磁极中电感产生的电磁转矩；根据所述永磁同步电机的转子永磁体磁链以及dq坐标系下q轴的电流分量确定每对磁极中磁链产生的电磁转矩；根据每对磁极中电感产生的电磁转矩、每对磁极中磁链产生的电磁转矩以及所述永磁同步电机的极对数确定所述永磁同步电机的理论电磁转矩。
在一实施方式中，根据下式确定永磁同步电机的理论电磁转矩：
其中，T1表示永磁同步电机的理论电磁转矩，P表示永磁同步电机的极对数，ψm表示永磁同步电机的转子永磁体磁链，Ld表示永磁同步电机的直轴电感，Lq表示永磁同步电机的交轴电感，id表示dq坐标系下d轴的电流分量，iq表示dq坐标系下q轴的电流分量。
其中，理论电磁转矩可以包括永磁同步电机在正常工况下的电磁转矩，正常工况下的电磁转矩通常为永磁同步电机没有发生匝间短路故障的电磁转矩。
S120：确定永磁同步电机的实际电磁转矩。
在一实施方式中，确定永磁同步电机的实际电磁转矩，包括：
根据永磁同步电机工作时的输入瞬时有功功率、消耗瞬时有功功率和转子机械转速确定永磁同步电机的实际电磁转矩，其中，消耗瞬时有功功率包括定子电阻消耗的瞬时有功功率以及直轴电感和交轴电感消耗的瞬时有功功率。
在一实施方式中，其中，根据永磁同步电机工作时的输入瞬时有功功率、消耗瞬时有功功率和转子机械转速确定永磁同步电机的实际电磁转矩，包括以下步骤：根据永磁同步电机的相电压瞬时值和电流瞬时值，确定输入瞬时有功功率。根据永磁同步电机的电流瞬时值和定子电阻的阻值，确定定子电阻消耗的瞬时有功功率。确定永磁同步电机的直轴电感和交轴电感消耗的瞬时有功功率。根据输入瞬时有功功率、定子电阻消耗的瞬时有功功率、直轴电感和交轴电感消耗的瞬时有功功率和转子机械转速确定永磁同步电机的实际电磁转矩。
其中，根据永磁同步电机的相电压瞬时值和电流瞬时值，确定输入瞬时有功功率，包括：根据下式确定输入瞬时有功功率：
Pin＝uaia+ubib+ucic
其中，Pin表示永磁同步电机的输入瞬时有功功率，ua、ub和uc分别表示三相相电压瞬时值，ia、ib和ic分别表示三相电流瞬时值。
根据永磁同步电机的电流瞬时值和定子电阻的阻值，确定定子电阻消耗的瞬时有功功率，包括：根据下式确定定子电阻消耗的瞬时有功功率：
PRs＝ia 2Rs+ia 2Rs+ia 2Rs
其中，PRs表示定子电阻消耗的瞬时有功功率，ia、ib和ic分别表示三相电流瞬时值，Rs表示定子电阻的阻值。
确定永磁同步电机的直轴电感和交轴电感消耗的瞬时有功功率，包括：根据下式确定永磁同步电机的直轴电感和交轴电感消耗的瞬时有功功率：
其中，PL表示永磁同步电机的直轴电感和交轴电感消耗的瞬时有功功率，Ld表示直轴电感，Lq表示交轴电感，iα和iβ分别表示αβ坐标系电流分量，θ表示d轴轴线与α轴的夹角。
根据输入瞬时有功功率、定子电阻消耗的瞬时有功功率、直轴电感和交轴电感消耗的瞬时有功功率和转子机械转速确定永磁同步电机的实际电磁转矩，包括：根据下式确定永磁同步电机的实际电磁转矩：
其中，T2表示永磁同步电机的实际电磁转矩，Pin表示永磁同步电机的输入瞬时有功功率，PRs表示定子电阻消耗的瞬时有功功率，PL表示永磁同步电机的直轴电感和交轴电感消耗的瞬时有功功率，Ω表示转子机械转速，单位rad/s。
S130：当永磁同步电机满足预设条件时，根据永磁同步电机的理论电磁转矩与实际电磁转矩确定二倍频交流分量，将二倍频交流分量的幅值与预设阈值进行比较，根据比较结果判断永磁同步电机是否发生匝间短路故障。
在一实施方式中，永磁同步电机满足预设条件，包括：永磁同步电机的直轴电感与交轴电感相等。
当永磁同步电机的直轴电感与交轴电感相等时，该电机可以为面装式永磁同步电机，当然也可以为满足条件的其他电机。
在一实施方式中，根据永磁同步电机的理论电磁转矩与实际电磁转矩确定二倍频交流分量，包括：计算永磁同步电机的理论电磁转矩与实际电磁转矩之间的差值，提取差值中的二倍频交流分量。
其中，我们可以定义T3＝T2-T1，当永磁同步电机没有发生定子匝间短路故障，则无论电机的机端电压是否对称，T3恒为零；当电机发生定子匝间短路故障时，由于短路环流的作用，T3不再等于零，会包含直流分量和二倍频交流分量。
在一实施方式中，根据比较结果判断永磁同步电机是否发生匝间短路故障，包括：当二倍频交流分量的幅值小于预设阈值时，判定永磁同步电机没有发生匝间短路故障，当二倍频交流分量的幅值大于或等于预设阈值时，判定永磁同步电机发生匝间短路故障。
在一实施方式中，在根据永磁同步电机的理论电磁转矩与实际电磁转矩确定二倍频交流分量之后，该方法还包括步骤：根据二倍频交流分量的幅值大小确定永磁同步电机的匝间短路故障的严重程度。
当二倍频交流分量的幅值很大时，说明永磁同步电机的匝间短路故障很严重，当二倍频交流分量的幅值很小时，说明永磁同步电机的故障比较轻微。
根据本申请实施方式的永磁同步电机的匝间故障诊断方法，以二倍频分量的幅值作为故障严重程度指标，当该幅值超过预先设定的阈值时，认为发生了匝间短路故障，当该幅值低于设定的阈值时，则认为电机正常运行。
本申请实施方式的诊断方法，可以在匝间短路发生的早期进行诊断，避免故障程度加大，防止匝间短路故障进一步恶化成接地短路故障或者相间短路故障，有利于提高电机工作的安全性和可靠性；可以较好的规避电机机端电压不平衡和电机电阻变化的影响；本申请的诊断方法，计算简便，所需的各项参数都容易获取，更易于实现，可以实时诊断永磁同步电机匝间短路故障，并且具有较高的故障诊断灵敏度。
实施例二
本申请的实施方式提供一种存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，实现如上文所述的永磁同步电机的匝间短路故障诊断方法。
在本实施例中，上述存储介质可以包括但不限于：U盘、只读存储器(ROM，ReadOnly Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、EEPROM、闪存或其他存储器技术、CD-ROM、数字多功能盘(DVD)或其他光盘存储、磁盒、磁带、磁盘存储或其他磁存储装置、或者可以用于存储期望的信息并且可以被计算机访问的任何其他的介质。
实施例三
本申请的实施方式提供一种电子设备，包括处理器和存储有程序代码的存储介质，程序代码被处理器执行时，实现如上文所述的永磁同步电机的匝间短路故障诊断方法。
显然，本领域的技术人员应该明白，上述的本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，在一实施方式中，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明不限制于任何特定的硬件和软件组合。
虽然本发明所公开的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所公开的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (9)

1.一种永磁同步电机的匝间短路故障诊断方法，其特征在于，包括以下步骤：
确定永磁同步电机的理论电磁转矩；
确定所述永磁同步电机的实际电磁转矩；
当所述永磁同步电机的直轴电感与交轴电感相等时，根据所述永磁同步电机的理论电磁转矩与实际电磁转矩确定二倍频交流分量，将所述二倍频交流分量的幅值与预设阈值进行比较，根据比较结果判断所述永磁同步电机是否发生匝间短路故障；
发生匝间短路故障的所述永磁同步电机的电磁转矩通过下式表示：
其中，Te表示永磁同步电机的电磁转矩，P表示永磁同步电机的极对数，ψm表示转子永磁体磁链，μ表示故障系数，t表示时间，表示正常电磁转矩，表示发生短路故障的支路电流产生的附加的直流分量，表示发生短路故障的支路电流产生的二倍频交流分量，ω表示电角速度，Ifm表示if的幅值，θf0表示if初始相角，θ0表示θ的初始相角，if表示短路支路电流。
2.根据权利要求1所述的永磁同步电机的匝间短路故障诊断方法，其特征在于，确定永磁同步电机的理论电磁转矩，包括：
确定永磁同步电机的直轴电感与交轴电感的差值，根据所述差值、dq坐标系下d轴的电流分量以及dq坐标系下q轴的电流分量确定每对磁极中电感产生的电磁转矩；
根据所述永磁同步电机的转子永磁体磁链以及dq坐标系下q轴的电流分量确定每对磁极中磁链产生的电磁转矩；
根据每对磁极中电感产生的电磁转矩、每对磁极中磁链产生的电磁转矩以及所述永磁同步电机的极对数确定所述永磁同步电机的理论电磁转矩。
3.根据权利要求1所述的永磁同步电机的匝间短路故障诊断方法，其特征在于，确定所述永磁同步电机的实际电磁转矩，包括：
根据所述永磁同步电机工作时的输入瞬时有功功率、消耗瞬时有功功率和转子机械转速确定所述永磁同步电机的实际电磁转矩，其中，消耗瞬时有功功率包括定子电阻消耗的瞬时有功功率以及直轴电感和交轴电感消耗的瞬时有功功率。
4.根据权利要求3所述的永磁同步电机的匝间短路故障诊断方法，其特征在于，根据所述永磁同步电机工作时的输入瞬时有功功率、消耗瞬时有功功率和转子机械转速确定所述永磁同步电机的实际电磁转矩，包括以下步骤：
根据所述永磁同步电机的相电压瞬时值和电流瞬时值，确定输入瞬时有功功率；
根据所述永磁同步电机的电流瞬时值和定子电阻的阻值，确定所述定子电阻消耗的瞬时有功功率；
确定所述永磁同步电机的直轴电感和交轴电感消耗的瞬时有功功率；
根据输入瞬时有功功率、定子电阻消耗的瞬时有功功率、直轴电感和交轴电感消耗的瞬时有功功率和转子机械转速确定所述永磁同步电机的实际电磁转矩。
5.根据权利要求1所述的永磁同步电机的匝间短路故障诊断方法，其特征在于，根据所述永磁同步电机的理论电磁转矩与实际电磁转矩确定二倍频交流分量，包括：
计算所述永磁同步电机的理论电磁转矩与实际电磁转矩之间的差值，提取所述差值中的二倍频交流分量。
6.根据权利要求1所述的永磁同步电机的匝间短路故障诊断方法，其特征在于，根据比较结果判断所述永磁同步电机是否发生匝间短路故障，包括：
当所述二倍频交流分量的幅值小于预设阈值时，判定所述永磁同步电机没有发生匝间短路故障，
当所述二倍频交流分量的幅值大于或等于预设阈值时，判定所述永磁同步电机发生匝间短路故障。
7.根据权利要求1所述的永磁同步电机的匝间短路故障诊断方法，其特征在于，在根据所述永磁同步电机的理论电磁转矩与实际电磁转矩确定二倍频交流分量之后，所述方法还包括步骤：
根据所述二倍频交流分量的幅值大小确定所述永磁同步电机的匝间短路故障的严重程度。
8.一种存储介质，存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时，实现如权利要求1-7中任一项所述的永磁同步电机的匝间短路故障诊断方法。
9.一种电子设备，包括处理器和存储有程序代码的存储介质，所述程序代码被处理器执行时，实现如权利要求1-7中任一项所述的永磁同步电机的匝间短路故障诊断方法。
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