一种基于磁场定向控制的电机转子故障诊断方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于磁场定向控制的电机转子故障诊断方法，该方法通过控制器中已计算出的转矩电流，计算其直流分量及其交流分量的幅值，进而得到电机的转子断条数目，从而实现电机转子断条的准确检测和量化。本发明方法不需要额外的硬件，不会增加系统成本；同时，诊断结果对电机转速变化以及负载转矩变化不敏感，且诊断过程不需要除转子总导条数以外的其余参数，因而诊断结果具有较高的鲁棒性，非常适宜用于转子磁场定向控制的电机系统。
【专利说明】一种基于磁场定向控制的电机转子故障诊断方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于电机故障诊断【技术领域】，具体涉及一种基于磁场定向控制的电机转子 故障诊断方法。
【背景技术】
[0002] 感应电机具有结构简单、价格低廉的优点而在工农业生产中得到了广泛的应用。 然而，由于设计结构和制造工艺等问题，电机在长时间的负载过重或者频繁起动、制动以 后，可能出现转子鼠笼条断裂。转子导条断裂以后，会使其邻近导条的电流加大，应力增加， 断条故障将进一步扩大，出现多根断条，使电机出力降低，严重时还会出现转子扫膛而擦坏 定子，导致整机报废。因此，在转子故障发生的早期，就把故障检测出来并量化其故障严重 程度，以据此及时维修，可以避免意外停机以及恶性事故的发生，具有非常重大的意义。
[0003] 当电机挂在电网上运行时，可通过检测电机的转速、噪声、电流、电磁转矩、部分或 者全部瞬时功率、磁通等方法来实现电机的转子故障诊断，且其故障检测和量化方法已基 本完善。
[0004] 而随着电力电子技术的发展，逆变器以及电机的变频调速得到了广泛的应用。此 时，电机的故障诊断还需要考虑电机电压电流频率的变化、电压电流的高噪声、闭环的影响 以及控制器的带宽等问题。此时，原有的用于电网供电情况的故障诊断方法会部分或者完 全失效。为此需要针对逆变器供电以及闭环控制情况予以特别研究。对高性能的电机控制 场合，磁场定向控制（Field Oriented Control, F0C)是最常用的控制方法，它通过坐标变 换，将一台实际的异步电机变换成虚拟的等效直流电机，实现了磁场和转矩的动态解耦，获 得了优良的转矩动态控制性能。
[0005] 针对这种应用场合，已有一些作者提出了一些方法，如参考系坐标变换法、维也纳 观测方法（Vienna Monitoring Method, VMM)、利用控制器内部变量（如转子磁链、励磁电 流等）以及虚拟电流技术方法。然而，前三类方法只实现了定性分析，而没有对电机转子故 障实现量化，而虚拟电流技术方法虽然能够实现故障量化，但是这种方法不仅计算复杂，且 需要用到较多的电机参数，而其中一些参数如转子时间常数很难准确获取，这对电机转子 故障诊断结果有一定的影响。
【发明内容】
[0006] 针对现有技术所存在的上述技术问题，本发明提供了一种基于磁场定向控制的电 机转子故障诊断方法，该方法只需要电机控制器中已计算出的转矩电流以及电机的转子导 条数，就可以实现电机的转子故障诊断，并准确量化电机的故障严重程度。
[0007] -种基于磁场定向控制的电机转子故障诊断方法，包括如下步骤：
[0008] (1)采集电机的三相定子电流，通过dq变换提取其中的d轴电流和q轴电流即对 应电机的励磁电流和转矩电流；
[0009] (2)根据所述的励磁电流通过磁链观测算法得到电机的转子磁链，进而根据电机 的转子磁链和转矩电流，计算得到电机的转差频率fs;
[0010] ⑶对所述的转矩电流进行低通滤波，然后以时间窗口 T对滤波后的转矩电流进 行滑动平均滤波得到转矩电流的直流分量，
【权利要求】
1. 一种基于磁场定向控制的电机转子故障诊断方法，包括如下步骤： (1) 采集电机的三相定子电流，通过dq变换提取其中的d轴电流和q轴电流即对应电 机的励磁电流和转矩电流； (2) 根据所述的励磁电流通过磁链观测算法得到电机的转子磁链，进而根据电机的转 子磁链和转矩电流，计算得到电机的转差频率fs ; (3) 对所述的转矩电流进行低通戚:妝以时间窗口 T对滤波后的转矩电流进行滑 动平均滤波得到转矩电流的直流分量
(4) 使所述的转矩电流减去其直流分量即得到转矩电流的交流分量，进而根据转差频 率fs对转矩电流交流分量进行戈泽尔算法处理，得到转矩电流交流分量的幅值； (5) 根据转矩电流直流分量以及转矩电流交流分量的幅值，判断电机转子是否存在断 条以及断条根数。
2. 根据权利要求1所述的电机转子故障诊断方法，其特征在于：所述的步骤（2)中通 过磁链观测算法计算电机转差频率fs的具体实现过程如下： 首先，根据以下算式计算电机的转子磁链
其中：k和isd分别为电机的励磁电感和励磁电流，L和艮分别为电机的转子电感和转 子电阻，s为拉普拉斯算子； 然后，根据以下算式计算电机的转差角频率《s;
其中：isq为电机的转矩电流； 最后，根据fs = ?s/2 确定电机的转差频率fs。
3. 根据权利要求1所述的电机转子故障诊断方法，其特征在于：所述的步骤（3)中通 过以下四阶巴特沃兹滤波传递函数H(z)对转矩电流进行低通滤波：
其中：gi、g2、a2、a3和a4均为滤波参数，z为Z变换算子。
4. 根据权利要求1所述的电机转子故障诊断方法，其特征在于：所述的步骤（3)中对 滤波后的转矩电流进行周期平均滤波前，先对该转矩电流进行降采样。
5. 根据权利要求1所述的电机转子故障诊断方法，其特征在于：所述的步骤（4)中对 转矩电流交流分量进行戈泽尔算法处理的方法如下： 首先，以一定时长确定转矩电流交流分量的信号长度N即该时长内的采样点个数； 然后，根据以下算式迭代求得转矩电流交流分量第N-2个和第N-1个采样点的信号值 s(N_l)和 s(N_2): s (i) = x (i) +2cos (2 Jr 〇) s (i_l) -s (i_2) i = 0, 1，…N-1 其中：s (i)、s (i-1)和s (i-2)分别为转矩电流交流分量第i个、第i-1个和第i-2个 采样点的信号值，x(i)为转矩电流交流分量第i个采样点的电流值，《 = 4 fsTs，Ts为转 矩电流的采样周期； 最后，根据以下算式计算转矩电流交流分量的幅值：
其中为转矩电流交流分量的幅值。
6.根据权利要求1所述的电机转子故障诊断方法，其特征在于：所述的步骤（5)中根 据以下公式判断电机转子是否存在断条以及断条根数：
其中：m为电机转子的断条根数，M为电机转子的导条数，^为转矩电流交流分量的幅 值，为转矩电流的直流分量。
【文档编号】G01R31/34GK104280682SQ201410448260
【公开日】2015年1月14日 申请日期:2014年9月4日 优先权日:2014年5月9日
【发明者】黄进, 侯招文, 赵力航, 刘赫 申请人:浙江大学