CN119087289A - 一种无刷双馈电机功率绕组匝间短路故障诊断方法及系统 - Google Patents

一种无刷双馈电机功率绕组匝间短路故障诊断方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种无刷双馈电机功率绕组匝间短路故障诊断方法及系统，属于驱动装备技术领域，包括：根据无刷双馈电机的基本电磁关系，获取各绕组所对应的故障特征频率；获取故障相的信号；对故障相的信号进行傅里叶分解，获得电流信号的电流基波含量；对故障相的信号进行离散小波变换，根据故障特征频率所处的细节信号层提取细节信号，并再次进行傅里叶变换提取故障特征信号，获得故障特征信号的谐波含量；当功率绕组的电流基波含量增大，且经离散小波变换得到的信号谐波含量增大，则判定功率绕组发生匝间短路故障。该方法在不加额外传感器的前提下利用控制绕组侧的变流器信号对无刷双馈电机功率绕组的匝间短路故障进行诊断，有效应对该类电机由于电压较高引起的绕组绝缘故障。

Description

一种无刷双馈电机功率绕组匝间短路故障诊断方法及系统
技术领域
本发明涉及驱动装备技术领域，具体涉及一种无刷双馈电机功率绕组匝间短路故障诊断方法及系统。
背景技术
无刷双馈电机取消了电刷滑环，可以通过定子两套独立绕组实现双端口交流励磁，具有以低压小容量变流器驱动高压大容量电机的特点，且可靠性高、系统传动效率高，在高压防爆驱动领域具有广阔的应用前景。
然而，无刷双馈电机的功率绕组由于需要直接连接高压电网，其绕组的绝缘长期承受高电压，存在较大的绝缘失效风险，特别容易引起绕组的匝间短路，它不仅会造成较大的短路电流，而且还会对电机的电气性能造成极大的影响，极有可能导致整个线圈及电机铁芯的损坏，影响设备的正常运行，亟需一种功率绕组匝间短路故障诊断方法。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种无刷双馈电机功率绕组匝间短路故障诊断方法及系统，通过无刷双馈电机的特殊电磁耦合原理，在不加额外传感器的前提下利用控制绕组侧的变流器信号对无刷双馈电机功率绕组的匝间短路故障进行诊断，有效应对该类电机由于电压较高引起的绕组绝缘故障。
为实现上述目的，本发明提供了如下的技术方案。
本发明提供一种无刷双馈电机功率绕组匝间短路故障诊断方法，包括以下步骤：
根据无刷双馈电机的基本电磁关系，获取当功率绕组高压绝缘出现匝间短路故障时，功率绕组故障特征频率在控制绕组侧所引起的故障特征频率；
将变流器与待诊断的无刷双馈电机控制绕组电连接，获取电机运行平稳状态时变流器内一段随时间变化的电流信号，该段电流信号为有效信号；
获取电流信号的方均根值作为有效值，将各相有效值中增大的一相作为故障相，并提取电流信号的故障相的信号；
对故障相的信号进行傅里叶分解，获得电流信号的电流基波含量；
对故障相的信号进行离散小波变换，根据故障特征频率所处的细节信号层提取细节信号，并再次进行傅里叶变换提取故障特征信号，获得故障特征信号的谐波含量；
当功率绕组的电流基波含量增大，且经离散小波变换得到的故障特征信号的谐波含量增大，则判定功率绕组发生匝间短路故障，并根据谐波含量判定功率绕组匝间短路的严重程度。
优选地，所述功率绕组故障特征频率在控制绕组侧所引起的故障特征频率为(n/60)(pp+pc)-kfp，其中，kfp为功率绕组的故障特征频率，n为电机转子转速，k＝±1,±3,±5…，pp和pc分别为功率绕组和控制绕组的极对数。
优选地，所述有效值的求解如下式所示：
其中，Irms为电流信号的有效值，i(t)为电流随时间变化的信号，m对应时间段内离散电流的样本采集数量。
优选地，所述离散傅里叶分解系数如下式所示：
其中，m为对应时间段内离散电流的样本采集数量；i(k)为时域信号，λ为频率索引。
优选地，所述故障特征信号的谐波含量的获取，包括以下步骤：
将短路故障的电磁特征分层分解，确定分解层数n，如下式所示：
其中，fn是提取分量频率，f是信号的采样频率；
将频率分层，如下式所示：
根据高峰值信噪比、低均方误差和最大容差的条件确定母小波；
确定尺度函数φ(t)和小波函数ψ(t)：
其中，h(k)与g(k)分别为低、高通滤波器；
离散小波变换基于多分辨率分析，分解为多个层级，对应不同的频率带宽，在每个级别，信号被分为近似系数和细节系数：
在每一级分解中，信号i(t)表示为：
其中，n为分解层数，An是第n层的近似信号，Dj是第j层的细节信号；
基于母小波进行离散小波变换，根据故障特征频率所处的细节信号层，提取细节信号并再次进行傅里叶变换，提取故障特征信号。
优选地，所述母小波为Daubechies系小波。
一种无刷双馈电机功率绕组匝间短路故障诊断系统，包括：
处理器；
存储器，其上存储有可在所述处理器上运行的计算机程序；
其中，所述计算机程序被所述处理器执行时，实现所述的无刷双馈电机功率绕组匝间短路故障诊断方法的步骤。
本发明的有益效果：
本发明提出了一种无刷双馈电机功率绕组匝间短路故障诊断方法及系统，该方法利用无刷双馈电机控制绕组侧的变流器电流信号进行分析，可以在功率绕组电流缺失的情况下，通过无刷双馈电机的电磁耦合关系，计算出功率绕组匝间短路故障时，与变流器直接连接的控制绕组电流故障特征频率，并通过离散小波变换等数据处理方法对较为微弱的故障信号进行提取，通过综合对比判定匝间短路故障。本发明针对无刷双馈防爆电机系统中功率绕组电压高，容易发生绝缘故障的潜在问题所提出，可以无需在高压绕组侧加装电气信号传感器，在有效降低系统成本的前提下大幅提升了系统可靠性。
附图说明
图1是本发明实施例的基于控制绕组变流器信号的无刷双馈防爆驱动电机功率绕组匝间短路故障诊断流程图；
图2是本发明实施例的无刷双馈防爆驱动电机系统结构框图；
图3是本发明实施例的通过离散小波变换得到的故障电流与正常电流信号的小波分解时域图；
图4是本发明实施例的D4层细节信号的傅里叶分析结果图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
本发明提供一种无刷双馈防爆驱动电机功率绕组匝间短路故障诊断方法，通过无刷双馈电机的特殊电磁耦合原理，在不加额外传感器的前提下利用控制绕组侧的变流器信号对无刷双馈电机功率绕组的匝间短路故障进行诊断，有效应对该类电机由于电压较高引起的绕组绝缘故障。
图2为本发明一实施例提供的无刷双馈防爆驱动电机系统结构框图，包括无刷双馈电机、变流器、变压器；其中，无刷双馈电机包括定子和转子；无刷双馈电机定子存在两套独立绕组，分别是功率绕组与控制绕组，其中功率绕组直接连接高压电网，而控制绕组与变流器串联并通过变压器连接电网，故控制绕组一般电压较低，且控制绕组中电流信号与变流器中电流信号一致。
图1为无刷双馈电机功率绕组匝间短路故障诊断方法的流程图，具体包括以下步骤：
S1：根据无刷双馈电机的基本电磁关系，获取当功率绕组高压绝缘出现匝间短路故障时，功率绕组故障特征频率kfp在控制绕组侧所引起的故障特征频率，为(n/60)(pp+pc)-kfp，其中，n为电机转子转速，k＝±1,±3,±5…，pp和pc分别为功率绕组和控制绕组的极对数。
上述故障特征频率可作为判定匝间短路故障的重要依据，对于直接连接电网的功率绕组，基波频率为50Hz，故功率绕组侧的特征频率主要是k50Hz，控制绕组故障特征频率[(n/60)(pp+pc)-k50]Hz。
S2：将变流器与待诊断的无刷双馈电机控制绕组电连接，获取电机运行平稳状态时变流器内一段随时间变化的电流信号，该段电流信号为有效信号。
S3：获取电流信号的方均根值作为有效值，当其中一相有效值增大时，则判定功率绕组侧可能发生匝间短路故障。因此，将各相有效值中增大的一相作为故障相，并提取电流信号的故障相的信号。
有效值的求解如下式所示：
其中，Irms为电流信号的有效值，i(t)为电流随时间变化的信号，m对应时间段内离散电流的样本采集数量。
S4：对故障相的信号进行傅里叶分解，获得电流信号的电流基波含量。
离散傅里叶分解系数如下式所示：
其中，m为对应时间段内离散电流的样本采集数量；i(k)为时域信号，λ为频率索引。
S5：无刷双馈电机的匝间短路故障由于受到噪声和谐波的影响，傅里叶变换得出的谐波频谱可能存在不明显，需要进一步采用基于离散小波变换的方法，将短路故障的电磁特征分层分解，再运用傅里叶变换，对故障特征进行有效检测。
具体包括：
S5.1：将短路故障的电磁特征分层分解，确定分解层数n，如下式所示：
其中，fn是提取分量频率，f是信号的采样频率。
将频率分层，如下式所示：
对于信号的采样频率为1250Hz的数据，当最低频的故障频率在50Hz左右时，可以选择分解层数为5，具体的细节信号划分频段如表1所示。
表1细节信号频带划分
S5.2：根据高峰值信噪比、低均方误差和最大容差的条件确定母小波，以提供良好的时间和频率局部化。
对于无刷双馈电机控制绕组电流，可选择Daubechies系小波经常作为母小波，其能够提供良好的时间和频率局部化，并具体选择db30作为离散小波变换的母小波。
S5.3：确定尺度函数φ(t)和小波函数ψ(t)：
其中，h(k)与g(k)分别为低、高通滤波器。
S5.4：离散小波变换基于多分辨率分析，分解为多个层级，对应不同的频率带宽，在每个级别，信号被分为近似系数和细节系数：
aj+1[k]＝∑n(h[n-2k]aj[n])
S5.5：在每一级分解中，信号i(t)表示为：
其中，n为分解层数，An是第n层的近似信号，Dj是第j层的细节信号。S5.6：基于母小波进行离散小波变换，根据故障特征频率所处的细节信号层，提取细节信号并再次进行傅里叶变换，提取故障特征信号。
对于故障频率为50Hz的信号，通过离散小波变换得到的故障电流与正常电流信号的小波分解时域图对比如图3所示，在D4层中可以看出故障时域和正常时域波形与幅值区别较大，提取细节信号D4并进行傅里叶变换，频谱如图4所示。
S6：综合分析直接傅里叶分析结果与离散小波变换分析结果，当功率绕组的电流基波含量增大，且经离散小波变换得到的故障特征信号的谐波含量增大，则判定功率绕组发生匝间短路故障，并根据谐波含量判定功率绕组匝间短路的严重程度。
以上为本实施例的一个实施例提供的无刷双馈电机功率绕组匝间短路故障诊断方法，基于同样的思路，本实施例还提供了相应的无刷双馈电机功率绕组匝间短路故障诊断系统，关于无刷双馈电机功率绕组匝间短路故障诊断系统的具体限定可以参见上文中对于无刷双馈电机功率绕组匝间短路故障诊断方法的限定，在此不再赘述。上述无刷双馈电机功率绕组匝间短路故障诊断系统中的各个模块可全部或部分通过软件、硬件及其组合来实现。上述各模块可以硬件形式内嵌于或独立于计算机设备中的处理器中，也可以以软件形式存储于计算机设备中的存储器中，以便于处理器调用执行以上各个模块对应的操作。
本实施例还提供了一种计算机可读存储介质，该存储介质存储有计算机程序，计算机程序可用于执行上述图1提供的无刷双馈电机功率绕组匝间短路故障诊断方法。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，的计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本申请所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其他介质的任何引用，均可包括非易失性和易失性存储器中的至少一种。非易失性存储器可包括只读存储器(Read-OnlyMemory，ROM)、磁带、软盘、闪存或光存储器等。易失性存储器可包括随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)或外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，RAM可以是多种形式，比如静态随机存取存储器(Static Random Access Memory，SRAM)或动态随机存取存储器(Dynamic Random Access Memory，DRAM)等。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种无刷双馈电机功率绕组匝间短路故障诊断方法，其特征在于，包括以下步骤：
根据无刷双馈电机的基本电磁关系，获取当功率绕组高压绝缘出现匝间短路故障时，功率绕组故障特征频率在控制绕组侧所引起的故障特征频率；
将变流器与待诊断的无刷双馈电机控制绕组电连接，获取电机运行平稳状态时变流器内一段随时间变化的电流信号，该段电流信号为有效信号；
获取电流信号的方均根值作为有效值，将各相有效值中增大的一相作为故障相，并提取电流信号的故障相的信号；
对故障相的信号进行傅里叶分解，获得电流信号的电流基波含量；
对故障相的信号进行离散小波变换，根据故障特征频率所处的细节信号层提取细节信号，并再次进行傅里叶变换提取故障特征信号，获得故障特征信号的谐波含量；
当功率绕组的电流基波含量增大，且经离散小波变换得到的故障特征信号的谐波含量增大，则判定功率绕组发生匝间短路故障，并根据谐波含量判定功率绕组匝间短路的严重程度。
2.根据权利要求1所述的无刷双馈电机功率绕组匝间短路故障诊断方法，其特征在于，所述功率绕组故障特征频率在控制绕组侧所引起的故障特征频率为(n/60)(pp+pc)-kfp，其中，kfp为功率绕组的故障特征频率，n为电机转子转速，k＝±1,±3,±5…，pp和pc分别为功率绕组和控制绕组的极对数。
3.根据权利要求1所述的无刷双馈电机功率绕组匝间短路故障诊断方法，其特征在于，所述有效值的求解如下式所示：
其中，Irms为电流信号的有效值，i(t)为电流随时间变化的信号，m对应时间段内离散电流的样本采集数量。
4.根据权利要求1所述的无刷双馈电机功率绕组匝间短路故障诊断方法，其特征在于，所述离散傅里叶分解系数如下式所示：
其中，m为对应时间段内离散电流的样本采集数量；i(k)为时域信号，λ为频率索引。
5.根据权利要求1所述的无刷双馈电机功率绕组匝间短路故障诊断方法，其特征在于，所述故障特征信号的谐波含量的获取，包括以下步骤：
将短路故障的电磁特征分层分解，确定分解层数n，如下式所示：
其中，fn是提取分量频率，f是信号的采样频率；
将频率分层，如下式所示：
根据高峰值信噪比、低均方误差和最大容差的条件确定母小波；
确定尺度函数φ(t)和小波函数ψ(t)：
其中，h(k)与g(k)分别为低、高通滤波器；
离散小波变换基于多分辨率分析，分解为多个层级，对应不同的频率带宽，在每个级别，信号被分为近似系数和细节系数：
aj+1[k]＝∑n(h[n-2k]aj[n])
在每一级分解中，信号i(t)表示为：
其中，n为分解层数，An是第n层的近似信号，Dj是第j层的细节信号；
基于母小波进行离散小波变换，根据故障特征频率所处的细节信号层，提取细节信号并再次进行傅里叶变换，提取故障特征信号。
6.根据权利要求5所述的无刷双馈电机功率绕组匝间短路故障诊断方法，其特征在于，所述母小波可选为Daubechies系小波。
7.一种无刷双馈电机功率绕组匝间短路故障诊断系统，其特征在于，包括：
处理器；
存储器，其上存储有可在所述处理器上运行的计算机程序；
其中，所述计算机程序被所述处理器执行时，实现如权利要求1至6中任一项所述的无刷双馈电机功率绕组匝间短路故障诊断方法的步骤。
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