CN110596547B - 逆变器驱动电机的匝绝缘状态在线监测方法 - Google Patents

逆变器驱动电机的匝绝缘状态在线监测方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种逆变器驱动电机的匝绝缘状态在线监测方法，以逆变器功率器件开关输出瞬态端电压为高频激励，开关瞬态时的电机振荡电流为暂态响应，通过获取电机绕组在开关瞬态的频率响应曲线，并利用其中的高频敏感特征分量来实现在线监测匝绝缘状态。由于逆变器正常工作时，功率器件开关次数频繁，会激发大量的开关振荡信号，从而能够实现可持续在线监测电机匝绝缘状态；由高频电压传感器和高频电流传感器实时检测并获取开关信号及开关瞬态振荡电流，使得该检测方式操作简单，且能够快速监测匝绝缘的状态变化；采用高频敏感特征分量作为识别电机匝绝缘状态劣化的指标，使得该发明方法不仅抗干扰能力强，而且具有高灵敏度。

Description

逆变器驱动电机的匝绝缘状态在线监测方法
技术领域
本发明涉及一种安全监测技术，特别涉及一种逆变器驱动电机的匝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相比于常规工频电机具有节能、易启动、效率高和调速性好等显著优点，广泛应用于新能源汽车、轨道交通、风力发电、变频调速、船舶推进等多个领域。
逆变器正常工作时，功率开关管的快速开通和关断会产生周期性的高dv/dt冲击电压来增加绝缘材料的电应力，以及工作时的高频电压和电流谐波会产生额外的热损耗。以上因素使得匝绝缘成为电机中最为薄弱的环节之一，进而加速整个电机绝缘***的劣化进程。研究表明，大约80％的电机绝缘故障源于匝间绝缘的早期劣化。匝间绝缘一旦失效，就会形成匝间短路电流损坏绕组线圈，进一步加速匝间绝缘和主绝缘的失效，最终导致电机发生严重的相间或相地短路故障。从早期的匝间绝缘劣化发展为严重的电机故障一般为几秒到几小时。因此，及时有效地监测逆变器驱动电机的匝绝缘运行状态对设备的安全可靠运行至关重要。
专利号201610185687.X发明了“用于变频电机相间及相地绝缘PDIV的自动测试***及方法”。该***包括控制模块，与其连接的高压探头、传感器、高压开关组件和信号调理电路等组件，通过控制各高压开关的开合状态实现对电机绝缘间PDIV的测试，用以评估电机绝缘质量。局部放电测试装备比较昂贵，难以在线实施，而且局部放电现场只能在较强电场条件下激发，不适用于低压电机。
专利号201710270394.6发明了“一种永磁风力发电机绝缘装置及检测方法”。该检测装置包括恒压源、通讯模块、过压保护装置和温度传感器等，利用发电机组在低风速，正常停机情况下，自动进行检测绝缘电阻，通过检测定子绝缘电阻、极化指数、吸收比和趋势曲线进行诊断。该检测方法需要配置额外的绝缘检测装置元件，提高了检测成本。
专利号201510548717.4发明了“一种变频电机绝缘自动检测***”。该***对电机绝缘情况进行数据统计，根据其统计结果找到电机绝缘的变化规律，从而达到对变频电机绝缘的监测。该***仅能实现电机绝缘的离线检测，无法实时和准确地检测变频电机正常运行时的绝缘状态变化。
专利号201710137083.2发明了“三相异步交流电机定子绝缘在线监测方法”。该方法通过提取电压和电流信号的MCSA和电流信号统计识别等特征指标，作为支持向量机的训练集成进行电机绝缘状态预诊。该检测方法虽能实现绝缘在线监测，但在提取特征指标时，模型参数估计会降低方法的灵敏度和有效性，导致对电机绝缘轻微状态变化的诊断能力弱。
发明内容
本发明是针对电机绝缘诊断的问题，提出了一种逆变器驱动电机的匝绝缘状态在线监测方法，能够实现绝缘状态的可持续在线监测，而且采用开关频率响应曲线的高频敏感特征分量作为识别电机匝绝缘状态变化的指标具有抗干扰能力强和高灵敏度的优点。
本发明的技术方案为：一种逆变器驱动电机的匝绝缘状态在线监测方法，以逆变器功率器件开关输出瞬态端电压为高频激励，开关瞬态时的电机振荡电流为暂态响应，通过获取电机绕组在开关瞬态的频率响应曲线，并利用其中的高频敏感特征分量来实现在线监测匝绝缘状态。
所述逆变器驱动电机的匝绝缘状态在线监测方法，具体包括如下步骤：
1)利用高频电压传感器和高频电流传感器分别采集逆变器输出端电压Vce和电机电流IG；
2)对端电压Vce进行边沿检测，判断是否为功率器件开关状态；
3)若检测不是开关瞬态过程，则返回步骤2)对下一个采集时刻端电压Vce进行边沿检测和状态判断；
4)当检测到开关瞬态时，记录此次开关瞬态过程中的端电压Vce(n)数据和提取同时间段中电机高频振荡电流IG(n)数据，并通过快速傅里叶变换算法分别计算两数据的幅频特性Vce(k)和IG(k)，如式(1)和式(2)所示：
Figure BDA0002207448940000031
Figure BDA0002207448940000032
式中：n为0，1，…，Ns-1；0≤k≤Ns-1；Ns为此次开关瞬态过程的采样点数；
5)根据式(3)计算出此次电机绕组的开关瞬态频率响应曲线Z(k)：
Figure BDA0002207448940000033
6)从开关瞬态频率响应曲线Z(k)中提取对电机匝绝缘劣化敏感的频带特征用于匝绝缘状态监测，此频带作为特征频段；分别计算出电机匝绝缘正常和状态劣化时的开通瞬态频率响应曲线Zn(k)和Zd(k)；根据式(4)计算在特征频段内的开通瞬态频率响应的平均变化幅值ΔZavg(f)作为反映匝绝缘劣化的指标，
Figure BDA0002207448940000034
特征频段为从fL到fH。
所述步骤6)对电机匝绝缘劣化敏感的频带确定方法：驱动电机的某相绕组上引出两个抽头，并联不同的电容用来模拟伺服电机匝绝缘早期劣化状态；通过重复步骤2)～步骤5)模拟不同负载下电机绕组的开关瞬态频率响应曲线，开关瞬态频率响应曲线中幅值变化比较显著对应的频带范围为对电机匝绝缘劣化敏感的频带特征；再通过重复步骤2)～步骤5)模拟不同基波频率下电机绕组的开关瞬态频率响应曲线，验证所确定的频带范围开关瞬态频率响应曲线幅值变化与不同负载下变化一致，确定此频带范围可用于实现电机匝绝缘状态监测。
本发明的有益效果在于：本发明逆变器驱动电机的匝绝缘状态在线监测方法，由于逆变器正常工作时，功率器件开关次数频繁，会激发大量的开关振荡信号，从而能够实现可持续在线监测电机匝绝缘状态；由高频电压传感器和高频电流传感器实时检测并获取开关信号及开关瞬态振荡电流，使得该检测方式操作简单，且能够快速监测匝绝缘的状态变化；采用高频敏感特征分量作为识别电机匝绝缘状态劣化的指标，使得该发明方法不仅抗干扰能力强，而且具有高灵敏度。
附图说明
图1为本发明逆变器驱动电机匝绝缘状态在线监测方法的流程图；
图2为本发明实验***示意图；
图3为本发明开通瞬态端电压Vce与瞬态电流振荡波形IG图；
图4为本发明基波频率为30Hz时,不同负载下开通瞬态频率响应曲线Z(k)图；
图5为本发明负载为半载时，不同基波下开通瞬态频率响应曲线Z(k)图。
具体实施方式
一种逆变器驱动电机匝绝缘状态在线监测方法，以逆变器功率器件开关输出瞬态端电压为高频激励，开关瞬态时的电机振荡电流为暂态响应，通过获取电机绕组在开关瞬态的频率响应曲线，并利用其中的高频敏感特征分量来实现在线监测匝绝缘状态。
一种逆变器驱动电机匝绝缘状态在线监测方法，包括以下步骤，如图1所示：
1)首先，利用高频电压传感器和高频电流传感器分别采集逆变器输出端电压Vce和电机电流IG。
2)然后，对端电压Vce进行边沿检测，判断是否为功率器件开关状态。
3)若检测不是开关瞬态过程，则返回步骤2)对下一个采集时刻端电压Vce进行边沿检测和状态判断。
4)当检测到开关瞬态时，记录固定时间长度(固定时间长度：固定时间长度：当检测到开关瞬态时，取固定时间片段的端电压和电机电流数据用于计算幅频特性，主要是为了确保计算时的一致性)的端电压Vce(n)数据和提取同时间段中电机高频振荡电流IG(n)数据，并分别通过快速傅里叶变换(FFT)算法计算它们的幅频特性Vce(k)和IG(k)，如式(1)和式(2)所示：
Figure BDA0002207448940000051
Figure BDA0002207448940000052
式中：n为0，1，…，Ns-1；0≤k≤Ns-1；Ns为此次开关瞬态过程的采样点数。
5)根据式(3)计算出电机绕组的开关瞬态频率响应曲线Z(k)：
Figure BDA0002207448940000053
6)从开关瞬态频率响应曲线C(k)中提取对电机匝绝缘劣化敏感的频带特征用于匝绝缘状态监测，此频带作为特征频段；分别计算出电机匝绝缘正常和状态劣化时的开通瞬态频率响应曲线Zn(k)和Zd(k)。根据式(4)计算在特征频段(fL～fH)内的开通瞬态频率响应的平均变化幅值ΔZavg(f)作为反映匝绝缘劣化的指标(单位：dBΩ/kHz)。
Figure BDA0002207448940000054
如图2所示为逆变器-电机实验***的示意图。实验***包括变频器、感应电机、永磁伺服电机、MDO3054示波器(500MHz)、DP6150A高频电压探头(1500V/100MHz)和CP8030B高频电流探头(30A/50MHz)。
实验中在永磁伺服电机的W相绕组上引出两个抽头，并联不同的电容(Cf＝0.5nF,1nF,2nF)用来模拟伺服电机匝绝缘早期劣化状态。
本实施例的实验内容及步骤如下所示：
1、不同负载对开关瞬态频率响应曲线的影响：
1)在永磁伺服电机正常工作在1/5负载电流时，功率器件开通瞬态端电压及瞬态电流振荡响应波形如图3所示。
2)提取开关瞬态过程中固定时间长度的Vce(n)和提取电机高频振荡电流IG(n)数据，并通过快速傅里叶变换(FFT)算法获得它们的幅频特性Vce(k)和IG(k)；
3)计算电机绕组的开关瞬态频率响应曲线Z(k)；
4)保持伺服电机工作在1/5负载，在其W相上的抽头依次并联电容0.5nF、1.0nF和2.0nF模拟匝绝缘劣化；
5)重复步骤2)和步骤3)，获得并联电容0.5nF、1.0nF和2.0nF状态下的开关瞬态频率响应曲线Z(k)，如图4中(a)所示。
6)改变永磁伺服电机的负载，依次工作在半载和满载工况下，重复步骤2)～步骤5)，得到永磁伺服电机匝绝缘正常和匝绝缘劣化(并联电容Cf＝0.5nF,1.0nF,2.0nF)的开关瞬态频率响应曲线Z(k)，如图4中(b)、(c)所示。
2、不同基波频率对开关瞬态频率响应曲线的影响
1)设置永磁伺服电机的基波频率为50Hz，分别在抽头上并联电容0.5nF、1.0nF和2.0nF模拟匝绝缘劣化，步骤同上得到该基波频率下的开关瞬态频率响应曲线Z(k)，如图5中(a)所示。
2)改变永磁伺服电机的基波频率，依次改变为80Hz和100Hz，(并联电容Cf＝0.5nF,1.0nF,2.0nF)的开关瞬态频率响应曲线Z(k)，如图5中(b)、(c)所示。
从图4和图5中可以得知，不同匝绝缘状态下的开通瞬态频率响应曲线在300kHz-400kHz附近幅值变化比较显著，随着并联电容值Cf的增加，Z(k)幅值发生变小，因此在300kHz-400kHz此特征频带的范围内可以实现电机匝绝缘状态监测。
在不同负载电流和不同载波频率下，300kHz-400kHz频带的开通瞬态频率响应幅值均出现了一致性的变化规律，表明该频带特征对电机运行工况不敏感，利用该频带的幅频特征可有效辨识出伺服电机局部匝绝缘薄弱导致的早期状态劣化。根据式(4)提取300kHz-400kHz频段的开通瞬态频率响应平均变化幅值△Zavg，不同工况下统计结果如表1所示。所提取的特征均随着Cf的增加而增加，利用开通瞬态频率响应在300kHz～400kHz的幅值变化可以在伺服电机正常运行时对局部匝绝缘薄弱导致的早期状态劣化进行在线监测。
表1
Figure BDA0002207448940000071

Claims (2)

1.一种逆变器驱动电机的匝绝缘状态在线监测方法，其特征在于，以逆变器功率器件开关输出瞬态端电压为高频激励，开关瞬态时的电机振荡电流为暂态响应，通过获取电机绕组在开关瞬态的频率响应曲线，并利用其中的高频敏感特征分量来实现在线监测匝绝缘状态；
具体包括如下步骤：
1)利用高频电压传感器和高频电流传感器分别采集逆变器输出端电压Vce和电机电流IG；
2)对端电压Vce进行边沿检测，判断是否为功率器件开关状态；
3)若检测不是开关瞬态过程，则返回步骤2)对下一个采集时刻端电压Vce进行边沿检测和状态判断；
4)当检测到开关瞬态时，记录此次开关瞬态过程中的端电压Vce(n)数据和提取同时间段中电机高频振荡电流IG(n)数据，并通过快速傅里叶变换算法分别计算两数据的幅频特性Vce(k)和IG(k)，如式(1)和式(2)所示：
Figure FDA0003047834080000011
Figure FDA0003047834080000012
式中：n为0，1，…，Ns-1；0≤k≤Ns-1；Ns为此次开关瞬态过程的采样点数；
5)根据式(3)计算出此次电机绕组的开关瞬态频率响应曲线Z(k)：
Figure FDA0003047834080000013
6)从开关瞬态频率响应曲线Z(k)中提取对电机匝绝缘劣化敏感的频带特征用于匝绝缘状态监测，此频带作为特征频段；分别计算出电机匝绝缘正常和状态劣化时的开通瞬态频率响应曲线Zn(k)和Zd(k)；根据式(4)计算在特征频段内的开通瞬态频率响应的平均变化幅值ΔZavg(f)作为反映匝绝缘劣化的指标，
Figure FDA0003047834080000021
特征频段为从fL到fH。
2.根据权利要求1所述逆变器驱动电机的匝绝缘状态在线监测方法，其特征在于，所述步骤6)对电机匝绝缘劣化敏感的频带确定方法：驱动电机的某相绕组上引出两个抽头，并联不同的电容用来模拟伺服电机匝绝缘早期劣化状态；通过重复步骤2)～步骤5)模拟不同负载下电机绕组的开关瞬态频率响应曲线，开关瞬态频率响应曲线中幅值变化比较显著对应的频带范围为对电机匝绝缘劣化敏感的频带特征；再通过重复步骤2)～步骤5)模拟不同基波频率下电机绕组的开关瞬态频率响应曲线，验证所确定的频带范围开关瞬态频率响应曲线幅值变化与不同负载下变化一致，确定此频带范围可用于实现电机匝绝缘状态监测。
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