CN114035126B - 一种离线状态下永磁同步电机绕组匝间短路匝数确定方法 - Google Patents

一种离线状态下永磁同步电机绕组匝间短路匝数确定方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种离线状态下永磁同步电机绕组匝间短路匝数确定方法，通过将单相交流电压源接入永磁同步电机匝间短路故障模型后，测量需求的参数来确定发生短路故障的绕组匝数。在实际的运用中，单相交流电压源的具体参数可以根据用户需求和现场条件进行配置，不会对最终故障匝数的确定产生影响。

Description

一种离线状态下永磁同步电机绕组匝间短路匝数确定方法
技术领域
本发明属于永磁同步电机技术领域，更为具体地讲，涉及一种离线状态下永磁同步电机绕组匝间短路匝数确定方法。
背景技术
匝间短路故障是永磁同步电机电气故障中较为常见的故障，通常的诊断方法有信号处理法、模型解析法以及基于知识的方法，这些方法能够有效的诊断出匝间短路故障，但是只能估测或无法检测出短路的匝数，在实际运行中，匝间短路的破坏性极强，当故障扩大后，会导致回路中产生较大的涡流，甚至进一步会引发单相接地短路、相间短路或永磁体失磁，使电机的温度升高，最终对电机造成不可逆的损害。因此，提供一种离线永磁同步电机绕组匝间短路故障匝数的判断方法来准确地诊断故障匝数对永磁同步电机的运行、维护有着现实意义。
目前对于永磁同步电机的匝间短路问题，基于信号处理的方法，提取到电压、电流信息故障特征信息后，可以完成对故障的诊断。例如：申请号为202110706905的文献中提出了对永磁同步电机退磁、绕组断路和匝间短路的故障分类方中，采集固定频率下运行的电机的三相电流，计算每一个采集周期中的电流不平衡度，结合经验边界值判断电机的状态。在判定为非断路故障时，通过计算得出的电机实际位置角和三相电流计算出的dq坐标系中电流合成矢量角与直轴夹角，与正常运行状态比较，判断出短路或退磁故障。将故障诊断与分类相结合，但是需要在电机处于特定频率运行的情况下接入额外的电机位置角测量仪器。在申请号为202011168098的文献中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，将电信号与数字信号处理器结合，将电压、电流信号进行希尔伯特变换后求取每一相绕组的广义无功功率和所有相的平均广义无功功率，以平均广义无功功率做基准计算标幺值后与阈值比较完成故障诊断。虽然能够对故障进行诊断，但是需要根据不同情况设置不同的阈值，对使用者有一定要求。申请号为202110268644的文献给出了基于剩余电流诊断方法，在使用龙伯格观测器估算两相旋转坐标系下电流残差量后，将其转换为三相静止坐标系下的定子电流残差，通过幅值变化进行故障诊断。在原理设计中即为估算值，存在不确定性。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种离线状态下永磁同步电机绕组匝间短路匝数确定方法，通过在离线状态下，利用故障后电机电气特征，对故障的匝数进行诊断。
为实现上述发明目的，本发明一种离线状态下永磁同步电机绕组匝间短路匝数确定方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)、在离线状态下，构建永磁同步电机绕组匝间短路故障匝数的星型电路模型；
Figure BDA0003319393490000021
其中，Zs为星型电路模型处于故障状态下的正常相的阻抗，Zf表示故障相的故障阻抗，Rh、Lh是未发生短路故障时整个绕组的电阻、电感，Rsf、Lsf为故障部分在正常情况下的电阻、电感，Rf为故障部分绕组短路后的电阻；f为待接入单相交流电压源的频率，Rs为正常情况下的绕组电阻，Ls为正常情况下的绕组电感；//表示并联；
(2)、接入单相交流电压源并记录数据；
设置单相交流电压源的幅值U、频率f及相位θU；将永磁同步电机两正常相并联后接入单相交流电压源，然后根据星型电路模型测试故障相电流相位θI及幅值I；
(3)、计算离线状态下永磁同步电机的匝间短路匝数比；
(3.1)、构建短路匝数比方程；
Figure BDA0003319393490000022
其中，(θU-θI)为电压源相位与故障电流相位间差值
(3.2)、将步骤(2)测得的故障相电流相位θI代入至短路匝数比方程，通过求解短路匝数比方程得到两组短路匝数比k1、k2；
(3.3)、确定短路匝数比；
将k1、k2分别代入如下方程，得到两组故障相电流幅值I1、I2；
Figure BDA0003319393490000031
将计算得到的两组故障相电流幅值I1、I2与测得的故障相电流幅值I进行比较，取其差值最小对应的短路匝数比作为离线状态下永磁同步电机的匝间短路匝数比；
(4)、确定离线状态下永磁同步电机绕组匝间短路匝数n；
n＝k*N
其中，N为永磁同步电机绕组总匝数。
本发明的发明目的是这样实现的：
本发明一种离线状态下永磁同步电机绕组匝间短路匝数确定方法，通过将单相交流电压源接入永磁同步电机匝间短路故障模型后，测量需求的参数来确定发生短路故障的绕组匝数。在实际的运用中，单相交流电压源的具体参数可以根据用户需求和现场条件进行配置，不会对最终故障匝数的确定产生影响。
同时，本发明一种离线状态下永磁同步电机绕组匝间短路匝数确定方法还具有以下有益效果：
(1)不需要额外的仪器和复杂的操作，仅以单相交流电压源作为外接仪器，测量电流信号完成故障匝数的确定，节约成本，降低了对工作人员的要求。
(2)与现有的基于磁场、功率等方法相比，具有更简单的结构，实现了更高的准确度。
附图说明
图1是本发明一种离线状态下永磁同步电机绕组匝间短路匝数确定方法流程图；
图2是永磁同步电机故障等效电路图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。
实施例
图1是本发明一种离线状态下永磁同步电机绕组匝间短路匝数确定方法流程图。
在本实施例中，如图1所示，本发明一种离线状态下永磁同步电机绕组匝间短路匝数确定方法，包括如下步骤：
S1、在离线状态下，构建永磁同步电机绕组匝间短路故障匝数的星型电路模型；
在本实施例中，选取线性三相等效电路模型进行分析，当处于离线状态时，模型为对称的星型电路；
当永磁同步电机处在正常情况下，星型电路模型中每相的阻抗为：
Zs＝Rs+j2πfLs
其中，Zs为星型电路模型处于故障状态下的正常相的阻抗，f为待接入单相交流电压源的频率，Rs为正常情况下的绕组电阻，Ls为正常情况下的绕组电感。
当永磁同步电机发生匝间短路后，其等效电路如图2，永磁同步电机的故障相阻抗和正常相阻抗为：
Figure BDA0003319393490000041
其中，Zf表示故障相的故障阻抗，Rh、Lh是未发生短路故障时整个绕组的电阻、电感，Rsf、Lsf为故障部分在正常情况下的电阻、电感，Rf为故障部分绕组短路后的电阻；//表示并联；
根据绕组短路比可以得到故障状态下等效模型中电感、电阻为：
Figure BDA0003319393490000042
在本实施例中，将电路中的电阻Rs设置为1.5Ω，电感Ls设置为0.112H。
S2、接入单相交流电压源并记录数据；
在本实施例中，以表1的第七种情况为例，设置单相交流电压源的幅值U＝100V、频率f＝100Hz及相位θU＝30°；将永磁同步电机两正常相并联后接入单相交流电压源，然后根据星型电路模型测试故障相电流相位θI及幅值I；
k' f θ<sub>U</sub> θ<sub>I</sub> θ<sub>U</sub>-θ<sub>I</sub> k I
0.01 50 0 -87.54 87.54 0.011 1.918
0.01 50 10 -77.54 87.54 0.011 1.918
0.09 60 10 -78.84 87.84 0.0899 1.782
0.2 40 50 -36.52 86.52 0.2014 3.11
0.5 30 60 -24.588 84.588 0.4995 6.287
0.99 50 30 -57.51 87.51 0.989 5.677
0.99 100 30 -58.75 88.75 0.988 2.84
表1
表1中k'表示故障模型中设置的短路匝数占比，k表示根据测量数据计算得出的故障匝数占比在本实施例中，将k'设置为0.99，测量得到故障相电流相位θI＝-58.75°，幅值I＝2.84A。
S3、计算离线状态下永磁同步电机的匝间短路匝数比；
S3.1、构建短路匝数比方程；
Figure BDA0003319393490000051
其中，(θU-θI)为电压源相位与故障电流相位间差值，在本实施例中，结合前一步骤中记录的数据可以计算得到电压源与故障相电流的相位差为88.75°。
S3.2、将步骤S2测得电压源相位与故障电流相位间差值θU-θI代入至短路匝数比方程，通过求解短路匝数比方程得到两组短路匝数比k1、k2，分别为k1＝0.988，k2＝0.035；
S3.3、确定短路匝数比；
在短路故障发生后，考虑短路电阻Rf时，得到的是关于短路比例k的一元6次方程，基于实际中短路电阻Rf数值极小，Rf视为无穷小。根据图2的故障等效电路构建的原始方程为：
Figure BDA0003319393490000052
对方程进行变换求解，可以得到故障模型电流幅值的计算方程：
Figure BDA0003319393490000061
将k1、k2分别代入上述方程，得到两组故障相电流幅值I1、I2，分别为I1＝2.8405A，I2＝0.9928A；将计算得到的两组故障相电流幅值I1、I2与测得的故障相电流幅值I进行比较，如表1所示，测得故障相电流幅值为2.84A，因此取其差值最小对应的短路匝数比k1＝0.988作为离线状态下永磁同步电机的匝间短路匝数比；
S4、确定离线状态下永磁同步电机绕组匝间短路匝数n；
n＝k*N
其中，N为永磁同步电机绕组总匝数。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (3)

1.一种离线状态下永磁同步电机绕组匝间短路匝数确定方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)、在离线状态下，构建永磁同步电机绕组匝间短路故障匝数的星型电路模型；
Figure FDA0003671564940000011
其中，Zs为星型电路模型处于故障状态下的正常相的阻抗，Zf表示故障相的故障阻抗，Rh、Lh是绕组电阻、电感，其中，绕组电阻Rh满足：Rh＝(1-k)*Rs，绕组电感Lh满足：Lh＝(1-k)2*Ls；Rsf、Lsf为故障部分在正常情况下的电阻、电感，Rf为故障部分绕组短路后的电阻；f为待接入单相交流电压源的频率，Rs为正常情况下的绕组电阻，Ls为正常情况下的绕组电感；//表示并联；
(2)、接入单相交流电压源并记录数据；
设置单相交流电压源的幅值U、频率f及相位θU；将永磁同步电机两正常相并联后接入单相交流电压源，然后根据星型电路模型测试故障相电流相位θI及幅值I；
(3)、计算离线状态下永磁同步电机的匝间短路匝数比；
(3.1)、构建短路匝数比方程；
Figure FDA0003671564940000012
其中，(θU-θI)为电压源相位与故障电流相位间差值
(3.2)、将步骤(2)测得的故障相电流相位θI代入至短路匝数比方程，通过求解短路匝数比方程得到两组短路匝数比k1、k2；
(3.3)、确定短路匝数比；
将k1、k2分别代入如下方程，得到两组故障相电流幅值I1、I2；
Figure FDA0003671564940000013
将计算得到的两组故障相电流幅值I1、I2与测得的故障相电流幅值I进行比较，取其差值最小对应的短路匝数比作为离线状态下永磁同步电机的匝间短路匝数比；
(4)、确定离线状态下永磁同步电机绕组匝间短路匝数n；
n＝k*N
其中，N为永磁同步电机绕组总匝数。
2.根据权利要求1所述的一种离线状态下永磁同步电机绕组匝间短路匝数确定方法，其特征在于，所述绕组故障部分在正常情况下的电阻Rsf满足：Rsf＝k*Rs。
3.根据权利要求1所述的一种离线状态下永磁同步电机绕组匝间短路匝数确定方法，其特征在于，所述绕组故障部分在正常情况下的电感Lsf满足：Lsf＝k2*Ls。
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