CN116298873A - 一种基于高频共模电压的永磁同步电机匝间故障诊断方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于高频共模电压的永磁同步电机匝间故障诊断方法，属于电机控制技术领域；一种基于高频共模电压的永磁同步电机匝间故障诊断方法包括:向控制***中注入三相对称的高频电压；采集三相电流，并根据永磁同步电机的电压公式计算dq轴电压；通过反Park变换将dq轴电压转换为三相电压；通过功率管的驱动信号计算逆变器三相桥臂中点对地电压，并结合三相电压计算得到三相共模电压；提取三相共模电压中注入频率处的高频分量，并根据三相高频共模电压的标准差进行匝间故障的判断；无需添加电压传感器，通过高频共模电压的方法实现了电机匝间故障的诊断，相较于高频电流的故障诊断方法，高频电压的故障特征更加突出。

Description

一种基于高频共模电压的永磁同步电机匝间故障诊断方法

技术领域

本发明属于电机控制技术领域，具体涉及一种基于高频共模电压的永磁同步电机匝间故障诊断方法。

背景技术

高温、高电压电流应力、腐蚀等原因可能使电机定子绕组的绝缘发生破损，容易导致电机定子绕组发生匝间短路故障。永磁同步电机以永磁体作为励磁源，一旦发生匝间短路故障会导致很大的短路电流，对定子绕组绝缘造成进一步的损害。此外，过大的短路电流会引起局部高温，可能会导致永磁体发生退磁故障。为了提高永磁同步电机驱动***的可靠性，需要在电机运行过程中进行故障的在线检测，防止故障的进一步恶化。

目前永磁同步电机匝间短路故障的诊断方法主要可以分为基于低频的故障检测方法和基于高频的故障检测方法。基于低频的故障诊断方法一般通过观测电机基频下的电压量和电流量实现匝间故障的诊断。这种方法相对简单，但电机在低速轻载时故障特征不太明显，难以判断故障。基于高频的故障检测方法一般利用向***中注入高频电压，并通过观测电流中的高频分量实现匝间故障的检测；但高频电流信号较为微弱，故障特征仍然不太理想。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于高频共模电压的永磁同步电机匝间故障诊断方法，解决了现有技术中的技术问题。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

一种基于高频共模电压的永磁同步电机匝间故障诊断方法，包括以下步骤：

向控制***中注入三相对称的高频电压；

采集三相电流，并根据永磁同步电机的电压公式计算dq轴电压；

通过反Park变换将dq轴电压转换为三相电压；

利用功率管的驱动信号计算逆变器三相桥臂中点对地电压，并结合三相电压计算得到三相共模电压；

提取三相共模电压中注入频率处的高频分量，并根据三相高频共模电压幅值的标准差进行匝间故障的判断。

进一步地，所述高频电压的计算式为：

其中，u_ah、u_bh、u_ch分别为注入的三相高频电压，u_h为注入高频电压的幅值，θ_h为注入高频电压的相角。

进一步地，所述dq轴电压的计算式为：

其中，u_d、u_q分别为dq轴电压，R_s为相电阻，i_d、i_q分别为dq轴电流，L_d、L_q分别为dq轴电感，w_e为电机的角速度，λ_m为永磁体磁链。

进一步地，将dq轴电压转换到三相坐标系下的转换表达式为：

其中，θ_e为电机的电角度，u_a、u_b、u_c分别为三相电压。

进一步地，所述逆变器三相桥臂中点对地电压的计算式为：

其中，u_ag、u_bg、u_cg为逆变器三相桥臂中点对地电压，s₁、s₃、s₅分别为逆变器上桥臂三个功率管的驱动信号，u_dc为母线电压。

进一步地，当电机正常运行时，所述三相共模电压可以表示为：

其中，

为三相共模电压。

进一步地，当电机处于匝间短路状态时，三相共模电压可以表示为：

其中，R为相电阻，L_a、L_b、L_c分别为三相自感，M_ab、M_ac分别为AB相、AC相互感，μ为短路匝数占总匝数的比例，i_f为短路电流，L_σ为漏感。

进一步地，所述高频分量的提取过程为：对比故障前后的共模电压方程，并忽略高频下电阻的作用，在注入频率处上式可写为：

其中，

分别为三相共模电压中注入频率处的高频分量。

进一步地，匝间故障的判断过程为：通过三相共模电压的标准差实现匝间故障的判断，具体步骤为：

三相共模电压的平均值

可以表示为：

定义故障诊断变量FI为：

当故障诊断变量小于阈值时，判断电机处于正常运行状态；当故障诊断变量大于阈值时，判断电机发生匝间故障。

一种基于高频共模电压的永磁同步电机匝间故障诊断***，包括：

电压输入模块：向控制***中注入三相对称的高频电压；

dq轴电压计算模块：采集三相电流，并根据永磁同步电机的电压公式计算dq轴电压；

三相电压转换模块：通过反Park变换将dq轴电压转换为三相电压；

共模电压计算模块：利用功率管的驱动信号计算逆变器三相桥臂中点对地电压，并结合三相电压计算得到三相共模电压；

故障判断模块：提取三相共模电压中注入频率处的高频分量，并根据三相高频共模电压的标准差进行匝间故障的判断。

本发明的有益效果：

1、无需添加电压传感器，通过高频共模电压的方法实现了电机匝间故障的诊断。

2、相较于高频电流的故障诊断方法，高频电压的故障特征更加突出。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的故障诊断方法流程图；

图2是本发明的永磁同步电机截面示意图；

图3是本发明三相逆变器电路图；

图4是本发明高频电压注入下永磁同步电机的控制框图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明所针对的永磁同步电机，其截面图如图2所示，三相逆变器电路如图3所示，高频电压注入下永磁同步电机的控制框图如图4所示；

如图1和图4所示，一种基于高频共模电压的永磁同步电机匝间故障诊断方法，包括以下步骤：

S1，向电机控制***中注入三相对称的高频电压，如下式所示：

其中，u_ah、u_bh、u_ch分别为注入的三相高频电压，u_h为注入高频电压的幅值，θ_h为注入高频电压的相角。

S2，采集电机定子绕组的三相电流i_a、i_b、i_c，并根据永磁同步电机的电压公式计算dq轴电压u_d、u_q；

其中，u_d、u_q分别为dq轴电压，R_s为相电阻，i_d、i_q分别为dq轴电流，L_d、L_q分别为dq轴电感，w_e为电机的角速度，λ_m为永磁体磁链。

S3，通过反Park变换将dq轴电压u_d、u_q转换到三相坐标系下u_an、u_bn、u_cn；转换表达式为：

其中，θ_e为电机的电角度，u_an、u_bn、u_cn分别为三相电压。

S4，如图3所示，通过功率管的驱动信号计算逆变器三相桥臂中点对地电压u_ag、u_bg、u_cg，并通过与三相电压u_an、u_bn、u_cn的差计算得到三相共模电压

具体步骤包括：

S41，通过三相电压和功率管的驱动信号计算逆变器三相桥臂中点对地电压u_ag、u_bg、u_cg，计算式为：

其中，s₁、s₃、s₅分别为逆变器上桥臂三个功率管的驱动信号，u_dc为母线电压；

S42，根据逆变器三相桥臂中点对地电压u_ag、u_bg、u_cg，计算得到三相共模电压

三相共模电压的计算式为：

由于逆变器电路存在如下关系：

当电机正常运行时，存在：

u_an+u_bn+u_cn＝0

可以得到：

因此共模电压可以表示为：

当电机正常运行时，由于三相高频电压幅值相等，相位相差120°，注入频率处的高频分量被抵消，因此共模电压中不存在注入频率处的高频分量。

当电机处于匝间短路状态时，三相电压方程变为：

其中，R为相电阻，L_a、L_b、L_c分别为三相自感，M_ab、M_ac、M_bc分别为AB相、AC相、BC相互感，e_a、e_b、e_c分别为三相反电势，μ为短路匝数占总匝数的比例，i_f为短路电流；

此时三相电压之和可以表示为：

其中，L_σ为漏感；

可以得到：

因此匝间故障情况下的共模电压可以表示为：

S5，提取三相共模电压

中注入频率处的高频分量/>

并根据三相高频共模电压的幅值差异进行匝间故障的判断；

其中，高频分量

的提取过程为：对比故障前后的共模电压方程，并考虑到高频下电阻的作用可以忽略，因此在注入频率处上式可以写为：

可见当电机发生匝间短路故障时，共模电压中出现了注入频率处的高频分量且三相高频共模电压幅值不等；因此，根据三相高频共模电压的幅值差异可以实现永磁同步电机匝间短路故障的诊断；

判断过程为：通过三相共模电压的标准差实现匝间故障的判断：

三相共模电压的平均值

可以表示为：

定义故障诊断变量FI为：

当故障诊断变量小于阈值时，判断电机处于正常运行状态；当故障诊断变量大于阈值时，判断电机发生匝间故障。

当永磁同步电机正常运行时，由于三相绕组对称，注入高频信号并不会使共模电压中出现高频分量；而当永磁同步电机发生匝间短路故障时，三相绕组不再对称，注入高频信号后共模电压中会出现高频分量。因此，通过观测共模电压中的高频分量即可实现永磁同步电机匝间故障的快速诊断。该故障诊断方法只需实时计算共模电压中的高频分量，无需额外添加硬件设备。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (10)

1.一种基于高频共模电压的永磁同步电机匝间故障诊断方法，其特征在于，包括以下步骤：

向控制***中注入三相对称的高频电压；

采集三相电流，并根据永磁同步电机的电压公式计算dq轴电压；

通过反Park变换将dq轴电压转换为三相电压；

利用功率管的驱动信号计算逆变器三相桥臂中点对地电压，并结合三相电压计算得到三相共模电压；

提取三相共模电压中注入频率处的高频分量，并根据三相高频共模电压幅值的标准差进行匝间故障的判断。

2.根据权利要求1所述的一种基于高频共模电压的永磁同步电机匝间故障诊断方法，其特征在于，所述高频电压的计算式为：

其中，u_ah、u_bh、u_ch分别为注入的三相高频电压，u_h为注入高频电压的幅值，θ_h为注入高频电压的相角。

3.根据权利要求1所述的一种基于高频共模电压的永磁同步电机匝间故障诊断方法，其特征在于，所述dq轴电压的计算式为：

其中，u_d、u_q分别为dq轴电压，R_s为相电阻，i_d、i_q分别为dq轴电流，L_d、L_q分别为dq轴电感，w_e为电机的角速度，λ_m为永磁体磁链。

4.根据权利要求1所述的一种基于高频共模电压的永磁同步电机匝间故障诊断方法，其特征在于，将dq轴电压转换到三相坐标系下的转换表达式为：

其中，θ_e为电机的电角度，u_a、u_b、u_c分别为三相电压。

5.根据权利要求1所述的一种基于高频共模电压的永磁同步电机匝间故障诊断方法，其特征在于，所述逆变器三相桥臂中点对地电压的计算式为：

其中，u_ag、u_bg、u_cg为逆变器三相桥臂中点对地电压，s₁、s₃、s₅分别为逆变器上桥臂三个功率管的驱动信号，u_dc为母线电压。

6.根据权利要求5所述的一种基于高频共模电压的永磁同步电机匝间故障诊断方法，其特征在于，当电机正常运行时，所述三相共模电压可以表示为：

其中，

为三相共模电压。

7.根据权利要求6所述的一种基于高频共模电压的永磁同步电机匝间故障诊断方法，其特征在于，当电机处于匝间短路状态时，三相共模电压可以表示为：

其中，R为相电阻，L_a、L_b、L_c分别为三相自感，M_ab、M_ac分别为AB相、AC相互感，μ为短路匝数占总匝数的比例，i_f为短路电流，L_σ为漏感。

8.根据权利要求7所述的一种基于高频共模电压的永磁同步电机匝间故障诊断方法，其特征在于，所述高频分量的提取过程为：对比故障前后的共模电压方程，并忽略高频下电阻的作用，在注入频率处上式可写为：

其中，

分别为三相共模电压中注入频率处的高频分量。

9.根据权利要求8所述的一种基于高频共模电压的永磁同步电机匝间故障诊断方法，其特征在于，匝间故障的判断过程为：通过三相共模电压的标准差实现匝间故障的判断，具体步骤为：

三相共模电压的平均值

可以表示为：

定义故障诊断变量FI为：

当故障诊断变量小于阈值时，判断电机处于正常运行状态；当故障诊断变量大于阈值时，判断电机发生匝间故障。

10.一种基于高频共模电压的永磁同步电机匝间故障诊断***，其特征在于，包括：

电压输入模块：向控制***中注入三相对称的高频电压；

dq轴电压计算模块：采集三相电流，并根据永磁同步电机的电压公式计算dq轴电压；

三相电压转换模块：通过反Park变换将dq轴电压转换为三相电压；

共模电压计算模块：利用功率管的驱动信号计算逆变器三相桥臂中点对地电压，并结合三相电压计算得到三相共模电压；

故障判断模块：提取三相共模电压中注入频率处的高频分量，并根据三相高频共模电压的标准差进行匝间故障的判断。

Images