CN111123104B - 一种无需先验知识的永磁电机绕组故障诊断方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种无需先验知识的永磁电机绕组故障诊断方法,属于测量、测试的技术领域。首先利用坐标变换理论提取零序电压中的基波幅值以识别绕组状态;接着,通过永磁电机的变流器先后注入幅值相同但频率不同的高频电流,根据零序电压中的高频响应信号的幅值区分故障类型;最后,针对不同类型绕组故障,采用对应的故障程度和故障位置诊断方法。该方法能够实时在线进行故障诊断,无需先验知识即可自动识别出故障类型,且该方法不受电机工作状态变化的和逆变器非线性的影响,诊断结果稳定可靠。
Description
技术领域
本发明涉及故障诊断技术,尤其是一种无需先验知识的永磁电机绕组故障诊断方法,属于测量、测试的技术领域。
背景技术
近些年来,永磁同步电机(permanent magnet synchronous machine)因其具有高效率、体积小、重量轻等优点在风力发电和电动汽车等领域得到了广泛的应用,电机多处于设备的核心部分,一旦出现故障会直接影响整体设备的性能。
永磁同步电机的绕组故障主要包括两类:一类是绕组匝间短路故障,主要由相邻两匝或数匝线圈之间由于绝缘破坏而发生短路,是绕组短路故障的早期阶段,如不能及时检测到,会逐渐发展为单相接地短路或相间短路等故障,最终导致电机损坏;另一类是绕组电阻不平衡故障,即为定子绕组的电阻值增加而导致的不对称故障,该故障会导致定子电压电流的不平衡,增大转矩脉动,增加损耗和电机发热。
针对这两类故障,目前学者们已经提出了一系列的故障诊断方案,如基于电流、电压和振动的信号分析、扩展卡尔曼滤波、反电势估计以及各类观测器等。然而,上述的传统方法多在基于已知故障类型的条件下进行。电机是一个复杂的机电耦合***,其故障特点是相同故障特征可能是由不同的故障原因造成的,同一故障也有可能产生不同的故障特征。采用上述传统故障诊断方案进行诊断存在较强的不确定性,甚至出现误报。
发明内容
本发明的发明目的是针对上述背景技术的不足,提供了一种无需先验知识的永磁电机绕组故障诊断方法,该方法能够实时在线进行永磁同步电机绕组的诊断且不受电机工作状态变化和逆变器非线性的影响,诊断结果稳定可靠,解决了现有故障诊断方法依赖于先验知识的积累以及诊断结果不可靠的技术问题。
本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案:
一种无需先验知识的永磁电机绕组故障诊断方法,包括如下4个步骤。
(1)在线判断永磁电机绕组状态
通过电压传感器实时采集永磁电机变流器***的零序电压,计算其基波幅值VZS1并作为绕组状态识别状态量,将该绕组状态识别量赋值为FS,将FS与预先设定的阈值Eth1比较,若FS≥Eth1,则判断电机绕组存在故障;若FS<Eth1,则判断电机绕组正常,此时无需进入下一步,继续在线监测电机变流器***的零序电压。
(2)高频电流注入
若电机绕组存在故障,需采用高频电流注入的方式区分故障类型。通过与永磁电机定子绕组相连接的变流器,向电机绕组中注入幅值相同但频率不同(f1,f2,且f1<f2)的高频电流,基于坐标变换计算零序电压中分别对应于频率f1和f2的高频响应信号VZSf1和VZSf2。
(3)区分永磁电机绕组故障类型
计算高频响应信号VZSf2和VZSf1的比值DS,若存在DS>Eth2,其中,Eth2为第二阈值,则确定故障类型为匝间短路,否则为绕组不平衡。
(4)提取零序电压vzs中高频信号f2分量的幅值VZSf2和初始相位θZSf2后判断故障相
针对永磁电机匝间短路故障,根据高频响应信号f2分量计算Sf判断匝间短路故障程度,计算θfh判断故障位置:如果|θfh|<θth时,则匝间故障发生在A相;如果|θfh+120°|<θth时,则匝间故障发生在B相;如果|θfh-120°|<θth时,则匝间故障发生在C相。针对永磁电机绕组不平衡故障,根据高频响应信号f2分量计算Uf判断绕组不平衡故障程度,θZSf2判断故障位置:如果|θZSf2|<θth时,则绕组不平衡故障发生在A相;如果|θZSf2+120°|<θth时,则绕组不平衡故障发生在B相;如果|θZSf2-120°|<θth时,则绕组不平衡故障发生在C相。本方案提高了绕组匝间短路故障程度的分辨率,且可在不受电机工作状态的情况下进行故障程度评估和故障定位。
步骤(2)中的高频电流注入方法,具体为:通过高频旋转变换和低通滤波器LP提取当前旋转高频电流的交直轴分量idh、iqh,并通过PI控制器对高频交直轴分量进行调节,对应idh的参考值为Ih,对应iqh的参考值为0。
式(1)中,ωh=2πfh为高频信号角频率,可通过调节ωh实现注入高频电流的频率变化。PI控制器的输出信号通过旋转变换至静止两相坐标系并于SVPWM调制模块前与基波控制信号叠加。
步骤(2)中的高频电流注入方法,通过变流器分别注入幅值相同、频率不同的高频电流,并分别采集注入高频电流后的零序电压高频响应信号,注入频率f1通常取电机额定频率的10倍左右,f2通常取f1的2倍左右。
步骤(3)中的电机绕组故障类型判断,第二阈值Eth2的确定方法为:
步骤(4)中的电机绕组故障程度判断,在确定故障类型后基于零序电压vzs中高频信号f2分量的幅值VZSf2和初始相位θZSf2,针对永磁电机匝间短路故障,计算Sf和θfh的具体步骤为:
θfh=θZSf2-π+tan-1k (5)。
针对永磁电机匝间短路故障,计算Uf的具体步骤为:
第三阈值θth取60°。
本发明采用上述技术方案,具有以下有益效果:本发明提供的一种永磁同步电机绕组故障诊断方法,根据永磁电机变流器***零序电压中高频分量的幅值和相位拟合故障类型及故障相的判据,通过实时监测注入高频电流后永磁电机变流器***的零序电压,即可在线进行永磁同步电机绕组故障的诊断,克服了现有诊断方法需要先验知识的缺陷,且不受电机工作状态变化的和逆变器非线性的影响,诊断结果稳定可靠。
附图说明
图1是永磁同步电机绕组故障时的等效模型图。
图2是永磁同步电机在矢量控制情况下注入高频电流的控制框图。
图3是永磁同步电机注入高频电流的控制器框图。
图4是基于高频注入的永磁同步电机绕组故障诊断方法的流程图。
具体实施方式
下面以永磁同步电机A相发生匝间短路、C相发生电阻不平衡为例(其余的情况类似)对本发明的技术方案进行说明。本发明公开的永磁电机绕组故障诊断方法如图4所示,大致包括以下3个步骤。
(1)在线判断永磁电机绕组状态
根据图1可知,在永磁同步电机A相发生匝间短路、C相发生电阻不平衡的情况下,在abc坐标系下绕组的模型可表示为:
式(7)中:[Vf,abc]=[va vb vc 0]t为电机三相绕组端口电位,[V0]=[v0 v0 v0 0]t为电机三相绕组中性点电位,[if,abc]=[ia ib ic if]t为电机定子三相电流和匝间短路电流,[λPMf,abc]=[λPMa λPMb λPMc μλPMa]t为电机三相绕组磁链和匝间短路回路中的磁链,Lf,abc为电机三相绕组电感,Rf,abc为电机三相绕组电阻, Rs表示相电阻,L和M分别为绕组自感和互感,Rf表示匝间短路电阻,μ为匝间短路匝数比,Radd则表示C相的不平衡电阻。
将式(7)中前三行相加并化简可得:
式(8)中,
图1中,中性点和电阻平衡网络之间所测量的压差vzs满足:
从式(8)中可以看出,在永磁同步电机正常工作状态下,有if和Radd均为0。测量的零序电压vzs仅受零序磁链λPM0的影响,其中,仅存在三次谐波和其奇数倍次谐波。当出现匝间短路故障或绕组不平衡故障时,if和Radd的存在会使得零序电压vzs中出现幅值较大的基波,因此,零序电压中的基波幅值VZS1可用于诊断绕组中是否出现故障,但仅根据零序电压中的基波幅值并不能判断具体的故障类型。
(2)高频电流注入
高频电流注入由一个高频电流控制器并联在基频控制器两端以调节高频电流分量的幅值,图2中展示了永磁同步电机在矢量控制情况下高频电流注入的控制框图。图3展示了高频电流控制器的结构,由高频旋转变换、低通滤波器LP、PI控制器和高频解耦环节构成,此高频电流控制器可以实现三相对称的高频电流注入,所注入的电流满足idh=Ih、iqh=0,根据高频坐标旋转变换有:
式(11)中,θh=2πfht。
(3)电机绕组故障诊断
a.永磁同步电机在A相发生匝间短路
在匝间短路情况下,Radd为0,此时,零序电压的高频分量可表示为:
根据式(7)中第四行匝间短路回路的电压方程有:
考虑:
iah=Ih cos(θh+θah) (14),
ifh=Ifhcos(θh+θfh) (15),
vZSh=VZShcos(θh+θZSh) (16),
联立(12)-(16)可得:
式(17)中,
根据式(17)和(18)可以看出,当所注入电流信号的频率提升时,对应零序电压中的高频分量幅值VZSh会增加,以f2=2f1为例,
在确定故障类型为匝间短路时,可提取零序电压vzs中高频信号f2分量的幅值VZSf2和初始相位θZSf2,进行故障程度判断。根据式(17)的第一行可计算中间量k值,
定义Sf以评估匝间短路的故障程度,
从式(21)中可以看出随着短路匝比μ增加或匝间短路电阻Rf减小,Sf取值均有所增大。根据式(17)的第二行和式(20)计算的k值联立可得:
θfh=θZSf2-π+tan-1k (22)。
根据式(11),显然当匝间短路发生在A相时即有θfh=θah=0,匝间短路发生在B相时即有θfh=θbh=-120°,匝间短路发生在C相时即有θfh=θch=120°,可利用计算的特征相位θfh判断故障相。
b.永磁同步电机在C相发生电阻不平衡
此时if和匝间短路匝数比μ均为0,此时,零序电压的高频分量可表示为:
则有此时零序电压的高频分量VZSh满足:
从式(24)中可以看出,当所注入电流信号的频率提升时,对应零序电压中的高频分量幅值不会发生变化,以f2=2f1的为例,有DS=1。
定义Uf以评估绕组不平衡的故障程度:
根据式(11),显然当匝间短路发生在C相时即有θZSf2=θch=120°,如果匝间短路发生在A相时即有θZSf2=θah=0,如果匝间短路发生在B相时即有θZSf2=θbh=-120°,可利用零序电压中对应f2的高频信号分量的初始相位θZSf2作为特征相位判断故障相。
(4)阈值设定:第一阈值Eth1可根据健康电机基波幅值VZS1并留有一定余量确定;第二阈值Eth2取值根据式(2)确定,第三阈值θth取60°。
本发明提出的方法能够实时在线进行永磁同步电机绕组的诊断;采用变频高频电流注入进行故障类型的判别;不受电机工作状态变化和逆变器非线性的影响,诊断结果稳定可靠。
应当指出:对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也落入本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种无需先验知识的永磁电机绕组故障诊断方法,其特征在于,在线监测永磁电机变流器***零序电压,在永磁电机变流器***零序电压的幅值超过第一阈值时向电机绕组中注入幅值相同但频率分别为f1、f2的两个高频电流,f1<f2,计算零序电压中对应频率f1和f2的高频响应信号的幅值,在所述两个高频响应信号幅值的比值超过第二阈值时判定故障类型为匝间短路,在两个高频响应信号幅值的比值未超过第二阈值时判定故障类型为绕组不平衡,以特征相位为判据并根据零序电压中对应频率f2的高频响应信号的幅值和相位定位故障相;其中,
针对匝间短路故障,特征相位依据表达式θfh=θZSf2-π+tan-1k计算,θfh为匝间短路故障的特征相位,θZSf2为零序电压中对应频率f2的高频响应信号的初始相位,VZSf2为零序电压中对应频率f2的高频响应信号的幅值,Ih为频率为f2的高频电流交轴分量的参考值也是所注入高频电流的幅值,L为绕组自感,M为绕组互感,ωf2为高频电流信号f2的角频率,
针对绕组不平衡故障,特征相位为零序电压中对应频率f2的高频响应信号分量的初始相位。
2.根据权利要求1所述一种无需先验知识的永磁电机绕组故障诊断方法,其特征在于,以特征相位为判据并根据零序电压中对应频率f2的高频响应信号分量的幅值和相位定位故障相的具体方法为:当特征相位的绝对值未超过第三阈值时,则故障发生在A相;当特征相位与120°之和的绝对值未超过第三阈值时,则故障发生在B相;否则故障发生在C相。
3.根据权利要求1所述一种无需先验知识的永磁电机绕组故障诊断方法,其特征在于,所述第一阈值根据健康电机基波幅值并留有一定余量确定。
5.根据权利要求2所述一种无需先验知识的永磁电机绕组故障诊断方法,其特征在于,所述第三阈值取60°。
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