CN115902619A - 同步磁阻电机匝间短路检测方法 - Google Patents

同步磁阻电机匝间短路检测方法 Download PDF

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CN115902619A CN202211403481.1A CN202211403481A CN115902619A CN 115902619 A CN115902619 A CN 115902619A CN 202211403481 A CN202211403481 A CN 202211403481A CN 115902619 A CN115902619 A CN 115902619A
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邵锦敏
郑欢
李千里
王世武
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Hangzhou Zhouju Electronic Technological Co ltd
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Abstract

本发明提供一种同步磁阻电机匝间短路检测方法，建立了同步磁阻电机无匝间短路故障时的电气模型，该模型作为故障模型的参考，用来校验电机是否存在匝间短路故障，根据误差电流
Figure DDA0003936054080000011
以及
Figure DDA0003936054080000012
来确定匝间的状态，将误差电流
Figure DDA0003936054080000013
以及
Figure DDA0003936054080000014
中的将直流误差项通过高通滤波器滤除掉，以2次项作为判断标准，取
Figure DDA0003936054080000015
以及
Figure DDA0003936054080000016
2次项的模FS作为表征匝间短路电流大小的值，进而表征匝间短路的故障程度，当FS超过故障阈值FSthr时，立刻关闭驱动输出，并提示故障状态。本发明根据同步磁阻电机真实电流与估算电流之间的误差，可简便快速的得出电机匝间状态，确保电机安全可靠运行。

Description

同步磁阻电机匝间短路检测方法
技术领域
本发明属于电机故障检测技术领域，尤其是涉及一种同步磁阻电机匝间短路检测方法。
背景技术
同步磁阻电机转子结构简单，不需要使用永磁体或转子绕组。同步磁阻电机可以规避永磁体退磁导致的故障，但是，由于定子绕组的存在，匝间短路故障是难以避免的。匝间短路通常由绕线绝缘失效导致，对于电机是一种常见且非常严重的故障。发生匝间短路会造成电机三相电流不平衡，电机转矩脉动加剧，严重的会在短路线圈上产生非常大的电流，导致绕组过热甚至起火，引起严重的安全事故。因此，需要提供一种同步磁阻电机匝间短路检测方法，实时检测匝间短路故障。当实时检测到匝间短路故障时，立刻关闭驱动输出，并提示故障状态。
发明内容
本发明旨在解决以下技术问题：同步磁阻电机发生匝间短路会造成电机三相电流不平衡，电机转矩脉动加剧，严重的会在短路线圈上产生非常大的电流，导致绕组过热甚至起火，引起严重的安全事故，提供一种同步磁阻电机匝间短路检测方法，实时检测匝间短路故障。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种同步磁阻电机匝间短路检测方法，包括以下步骤：
步骤1，建立同步磁阻电机电气模型，根据同步磁阻电机电气模型，计算出无匝间短路故障时的电机电流id，iq；
步骤2，建立同步磁阻电机匝间短路模型，建立三相静止坐标系下同步磁阻电机匝间短路模型的电气方程，将同步磁阻电机匝间短路模型的电气方程变换到同步坐标系下，根据同步坐标系下的同步磁阻电机匝间短路模型的电气方程得到正序误差电流为：
Figure BDA0003936054060000011
其中，α＝n/N,n代表短路匝数，if代表短路电流，if＝If sin(θr+θn)，If为电流幅值，θr为电气角度，θn为发生故障的相角，θn是一个常量；
步骤3，根据正序误差电流
Figure BDA0003936054060000012
以及
Figure BDA0003936054060000013
来确定匝间的状态：
Figure BDA0003936054060000021
可见误差电流均可由两部分构成：d轴误差电流直流项
Figure BDA0003936054060000022
与2次项
Figure BDA0003936054060000023
q轴误差电流直流项
Figure BDA0003936054060000024
与2次项
Figure BDA0003936054060000025
将其中的2次项作为判断标准；
将直流误差项通过高通滤波器滤除掉，滤波后的误差电流近似为：
Figure BDA0003936054060000026
步骤4，根据匝间状态确定控制器动作；
根据步骤3所得的d,q轴误差电流，取二者的模FS作为表征匝间短路电流大小的值，进而表征匝间短路的故障程度：
Figure BDA0003936054060000027
当FS超过故障阈值FSthr时，立刻关闭驱动输出，并提示故障状态。
作为一种优选的技术方案，步骤1中，在同步坐标系下，同步磁阻电机电气模型为：
Figure BDA0003936054060000028
其中，ud，uq代表输出电压，id，iq代表电机电流，Rs，Ld与Lq分别代表电机电阻，d轴电感与q轴电感，ωr代表电气角速度。
作为一种优选的技术方案，步骤2中，同步磁阻电机匝间短路模型为：
Figure BDA0003936054060000029
其中，α＝n/N,n代表短路匝数，ua,ub,uc,uf分别代表a,b,c三相及短路匝数的电压，ia,ib,ic,if分别代表a,b,c三相及短路的电流，L代表三相的自感电感，M代表了三相间的互感电感，其中L＝Lls+LA+LB,
Figure BDA00039360540600000210
且Lls代表漏感，LA代表自感平均值，LB代表电感正弦变化的幅值。
作为一种优选的技术方案，将同步磁阻电机匝间短路模型的电气方程变换到同步坐标系下，得到：
Figure BDA0003936054060000031
电感之间的关系为：
Figure BDA0003936054060000032
故障的电压Δudf,Δuqf为：
Figure BDA0003936054060000033
将同步坐标系下的同步磁阻电机匝间短路模型的电气方程代入在同步坐标系下的同步磁阻电机电气模型，得到：
Figure BDA0003936054060000034
从而得到步骤3中正序误差电流
Figure BDA0003936054060000035
以及
Figure BDA0003936054060000036
采用上述技术方案后，本发明具有如下优点：
本发明建立了同步磁阻电机无匝间短路故障时的电气模型，该模型作为故障模型的参考，用来校验电机是否存在匝间短路故障，根据误差电流
Figure BDA0003936054060000037
以及
Figure BDA0003936054060000038
来确定匝间的状态，将误差电流
Figure BDA0003936054060000039
以及
Figure BDA00039360540600000310
中的将直流误差项通过高通滤波器滤除掉，以2次项作为判断标准，取
Figure BDA00039360540600000311
以及
Figure BDA00039360540600000312
2次项的模FS作为表征匝间短路电流大小的值，进而表征匝间短路的故障程度，当FS超过故障阈值FSthr时，立刻关闭驱动输出，并提示故障状态。
因此，本发明根据同步磁阻电机真实电流与估算电流之间的误差，可简便快速的得出电机匝间状态，确保电机安全可靠运行。
附图说明
图1为同步磁阻电机控制系统的结构示意图；
图2为电机匝间短路示意图；
图3为匝间短路检测流程图；
图中：
1-电机控制单元；2-转速与电流控制器；3-空间矢量脉宽调制单元SVPWM；4-匝间短路检测单元。
具体实施方式
以下结合附图及具体实施例，对本发明作进一步的详细说明。
一种同步磁阻电机匝间短路检测方法，基于如图1所示的同步磁阻电机控制系统。
同步磁阻电机控制系统包括电机控制单元1、转速与电流控制器2、空间矢量脉宽调制单元SVPWM 3、匝间短路检测单元4。
电机控制单元1接收指令转速
Figure BDA0003936054060000041
真实转速ωr、真实电流id与iq，通过控制策略得出目标输出电压ud与uq，根据目标输出电压与空间矢量脉宽调制单元SVPWM 3，得到驱动逆变器的指令序列，进而驱动同步磁阻电机SRM。
为防止匝间短路造成电机起火之类的安全事故，通过匝间短路检测单元4实时检测匝间状态，当检测到匝间短路时，立刻关闭驱动输出并提示故障。
如图3所示，所述同步磁阻电机匝间短路检测方法，包括以下步骤：
步骤1，建立同步磁阻电机电气模型，
在同步坐标系下，同步磁阻电机的电气方程如式(1)所示，其中ud，uq代表输出电压，id，iq代表电机电流，Rs，Ld与Lq分别代表电机电阻，d轴电感与q轴电感，ωr代表电气角速度。
Figure BDA0003936054060000042
式(1)是同步磁阻电机无匝间短路故障时的电气模型，该模型作为故障模型的参考，用来校验电机是否存在匝间短路故障。根据该模型，可计算出无匝间短路故障时的电机电流id，iq。
步骤2，建立同步磁阻电机匝间短路模型，
同步磁阻电机的匝间短路情形如图2所示，其中的abc代表三个绕组，N代表绕组匝数，Rf代表短路匝数形成的电阻，if代表短路电流。短路电流值可表达为if＝Ifsin(θr+θn)，其中If为电流幅值，θr为电气角度，θn为发生故障的相角，θn是一个常量。
为了在同步坐标系下建立匝间短路的电气模型，需要首先考虑三相静止坐标系下的电气方程，如式(2)所示。其中α＝n/N,n代表短路匝数，ua,ub,uc,uf分别代表a,b,c三相及短路匝数的电压，ia,ib,ic,if分别代表a,b,c三相及短路的电流，L代表三相的自感电感，M代表了三相间的互感电感，其中L＝Lls+LA+LB,
Figure BDA0003936054060000051
且Lls代表漏感，LA代表自感平均值，LB代表电感正弦变化的幅值。
Figure BDA0003936054060000052
将上述式子变换到同步坐标系下，可得式(3)，电感之间的关系如式(4)所示，代表故障的电压Δudf,Δuqf如式(5)所示。
Figure BDA0003936054060000053
Figure BDA0003936054060000054
Figure BDA0003936054060000055
为了获得故障模式下，电机电流idf，iqf与无故障时电机电流id，iq之间的关系，将式(3)中的电压代入到式(1)中，可得式(6)。
Figure BDA0003936054060000056
因此，在同步坐标系下，可得正序误差电流如式(7)所示。
Figure BDA0003936054060000057
步骤3，根据电流误差确定匝间状态；
在此步骤，需要根据误差电流
Figure BDA0003936054060000061
以及
Figure BDA0003936054060000062
来确定匝间的状态。将式(7)展开可得式(8)，可见误差电流均可由两部分构成：d轴误差电流直流项
Figure BDA0003936054060000063
与2次项
Figure BDA0003936054060000064
q轴误差电流直流项
Figure BDA0003936054060000065
与2次项
Figure BDA0003936054060000066
这其中的直流项误差，容易受逆变器死区电压的影响，产生一定的偏差，造成误判断，因此将其中的2次项作为判断标准。
Figure BDA0003936054060000067
为获得式(8)中的2次项，需要将直流误差项通过高通滤波器滤除掉。2次项的波动频率为2ωr，因此高通滤波器的带宽可实时的设为ωr，式(9)为高通滤波器的传递函数。
Figure BDA0003936054060000068
滤波后的误差电流可近似为式(10)。
Figure BDA0003936054060000069
步骤4，根据匝间状态确定控制器动作；
根据步骤3所得的d,q轴误差电流，取二者的模FS作为表征匝间短路电流大小的值，如式(11)所示，进而表征匝间短路的故障程度。
Figure BDA00039360540600000610
当FS超过故障阈值FSthr时，立刻关闭驱动输出，并提示故障状态。
除上述优选实施例外，本发明还有其他的实施方式，本领域技术人员可以根据本发明作出各种改变和变形，只要不脱离本发明的精神，均应属于本发明所附权利要求所定义的范围。

Claims (4)

1.一种同步磁阻电机匝间短路检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，建立同步磁阻电机电气模型，根据同步磁阻电机电气模型，计算出无匝间短路故障时的电机电流id，iq；
步骤2，建立同步磁阻电机匝间短路模型，建立三相静止坐标系下同步磁阻电机匝间短路模型的电气方程，将同步磁阻电机匝间短路模型的电气方程变换到同步坐标系下，根据同步坐标系下的同步磁阻电机匝间短路模型的电气方程得到正序误差电流为：
Figure FDA0003936054050000011
其中，α＝n/N,n代表短路匝数，if代表短路电流，if＝If sin(θr+θn)，If为电流幅值，θr为电气角度，θn为发生故障的相角，θn是一个常量；
步骤3，根据正序误差电流
Figure FDA0003936054050000012
以及
Figure FDA0003936054050000013
来确定匝间的状态：
Figure FDA0003936054050000014
可见误差电流均可由两部分构成：d轴误差电流直流项
Figure FDA0003936054050000015
与2次项
Figure FDA0003936054050000016
q轴误差电流直流项
Figure FDA0003936054050000017
与2次项
Figure FDA0003936054050000018
将其中的2次项作为判断标准；
将直流误差项通过高通滤波器滤除掉，滤波后的误差电流近似为：
Figure FDA0003936054050000019
步骤4，根据匝间状态确定控制器动作；
根据步骤3所得的d,q轴误差电流，取二者的模FS作为表征匝间短路电流大小的值，进而表征匝间短路的故障程度：
Figure FDA00039360540500000110
当FS超过故障阈值FSthr时，立刻关闭驱动输出，并提示故障状态。
2.根据权利要求1所述的一种同步磁阻电机匝间短路检测方法，其特征在于，步骤1中，在同步坐标系下，同步磁阻电机电气模型为：
Figure FDA0003936054050000021
其中，ud，uq代表输出电压，id，iq代表电机电流，Rs，Ld与Lq分别代表电机电阻，d轴电感与q轴电感，ωr代表电气角速度。
3.根据权利要求2所述的一种同步磁阻电机匝间短路检测方法，其特征在于，步骤2中，同步磁阻电机匝间短路模型为：
Figure FDA0003936054050000022
其中，α＝n/N,n代表短路匝数，ua,ub,uc,uf分别代表a,b,c三相及短路匝数的电压，ia,ib,ic,if分别代表a,b,c三相及短路的电流，L代表三相的自感电感，M代表了三相间的互感电感，其中L＝Lls+LA+LB,
Figure FDA0003936054050000023
且Lls代表漏感，LA代表自感平均值，LB代表电感正弦变化的幅值。
4.根据权利要求3所述的一种同步磁阻电机匝间短路检测方法，其特征在于，将同步磁阻电机匝间短路模型的电气方程变换到同步坐标系下，得到：
Figure FDA0003936054050000024
电感之间的关系为：
Figure FDA0003936054050000025
故障的电压Δudf,Δuqf为：
Figure FDA0003936054050000026
将同步坐标系下的同步磁阻电机匝间短路模型的电气方程代入在同步坐标系下的同步磁阻电机电气模型，得到：
Figure FDA0003936054050000031
从而得到步骤3中正序误差电流
Figure FDA0003936054050000032
以及
Figure FDA0003936054050000033
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