一种永磁同步电机定子绕组电阻不对称故障的诊断方法与流程

本发明涉及故障诊断技术领域，尤其涉及一种永磁同步电机定子绕组电阻不对称故障的诊断方法。

背景技术：

永磁同步电机(permanentmagnetsynchronousmachine，pmsm)是一种高效率、高力矩惯量比、高能量密度的环保低碳电机。近年来，在电动汽车和风力发电等场合得到了广泛关注和使用。

永磁同步电机本身就是一个机电耦合系统，通常工作在空间狭小、高温、振动等环境恶劣条件下，电机故障发生机理涉及广泛，包括电机学、机械学、热学、信号处理技术和计算机科学等多学科。由于永磁同步电机的运行工况复杂、安装空间狭小和散热环境恶劣等原因，导致了永磁同步电机发生故障的概率较高。根据永磁同步电机的组成部分,电机故障可大致分三类：定子绕组故障、永磁体故障、机械故障。在所有的故障类型中，电机中的38％的故障是由定子绕组引起的。在定子绕组故障中，定子绕组电阻不对称故障是一种常见的故障。当该故障发生初期，电机还可以继续运转，但是若在该故障情况下长期运行会导致一系列的其他种类电机故障，故障加重时会迫使电机停机，甚至造成不可逆的破坏。目前，已经提出了一些方法来诊断永磁同步电机的定子绕组电阻不对称故障，但是现存的诊断方法和技术仍存在一些不足，例如根据定子电流与零序电压的关系诊断定子绕组电阻不对称故障的方法会受到定子绕组匝间短路故障的影响，进而导致该故障诊断技术的可靠性低。因此，急需提出新的诊断技术来克服现有诊断技术的缺点。

技术实现要素：

本发明的目的是为了克服现有技术中存在的不足，提供一种永磁同步电机定子绕组电阻不对称故障的诊断方法，该方法计算量小，操作简单，可靠性高，能够准确诊断出永磁同步电机定子绕组电阻不对称故障，定位故障相，反映故障程度，并且不受定子绕组匝间短路故障影响。

本发明采用的技术方案为：一种永磁同步电机定子绕组电阻不对称故障的诊断方法，包括如下步骤：

(1)首先在永磁同步电机直接转矩控制系统的磁链控制环中注入两次不同的直流磁链偏移量δψsα、δψsβ信号，测量并记录下每次注入磁链信号后的零序电压u0,m和定子相电流iabc；

(2)根据步骤(1)记录的零序电压u0,m和定子相电流iabc计算出定子相电流和零序电压的平均值通过求解二元一次方程组估算出定子绕组电阻的偏移量δrabc；

(3)最后利用得到的定子绕组电阻的偏移量δrabc实现定子绕组电阻不对称故障的诊断和定位。

作为优选，所述步骤(1)中注入两次不同的直流磁链偏移量δψsα和δψsβ信号，其方法为：

在永磁同步电机直接转矩控制系统中的磁链控制环注入的磁链偏移量δψsα和δψsβ信号注入后

式中：l是定子绕组自感，m是定子绕组互感,δψsα和δψsβ是磁链偏移量，δisα和δisβ是电流偏移量。

假设定子磁链注入偏移量预定设置为相对于电流偏移项式(1)就构成了二元一次线性方程组，因此二元一次线性方程组的解为

因此，根据式(2)可以清楚的看到磁链信号注入后，永磁同步电机定子电流产生直流偏移量

有益效果：本发明提供的一种永磁同步电机定子绕组电阻不对称故障的诊断方法，能够克服现有诊断定子绕组电阻不对称故障方法的不足。本发明计算量小，操作简单，可靠性高，能够准确诊断出永磁同步电机定子绕组电阻不对称故障，定位故障相，反映故障程度，并且不受定子绕组匝间短路故障的影响等优点。

附图说明

图1为在一种永磁同步电机定子绕组电阻不对称故障的诊断方法的框图。

图2为磁链矢量图

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作更进一步的说明。

一种永磁同步电机定子绕组电阻不对称故障的诊断方法，包括如下步骤：

(1)首先在永磁同步电机直接转矩控制系统的磁链控制环中注入两次不同的直流磁链偏移量δψsα、δψsβ信号，测量并记录下每次注入磁链信号后的零序电压u0,m和定子相电流iabc；

(2)根据步骤(1)记录的零序电压u0,m和定子相电流iabc计算出定子相电流和零序电压的平均值通过求解二元一次方程组估算出定子绕组电阻的偏移量δrabc；

(3)最后利用得到的定子绕组电阻的偏移量δrabc实现定子绕组电阻不对称故障的诊断和定位。

所述步骤(1)中注入两次不同的直流磁链偏移量δψsα和δψsβ信号，其方法为：

在永磁同步电机直接转矩控制系统中的磁链控制环注入的磁链偏移量δψsα和δψsβ信号注入后

式中：l是定子绕组自感，m是定子绕组互感,δψsα和δψsβ是磁链偏移量，δisα和δisβ是电流偏移量。

假设定子磁链注入偏移量预定设置为相对于电流偏移项式(1)就构成了二元一次线性方程组，因此二元一次线性方程组的解为

因此，根据式(2)可以清楚的看到磁链信号注入后，永磁同步电机定子电流产生直流偏移量

下面对本案进行说明：

根据图1，永磁同步电机在abc坐标系下的电压方程表示为

式中：ua、ub、uc为三相定子电压，u0是零序电压，ia、ib、ic为三相定子电流，l是定子绕组自感，m是定子绕组互感,λm是转子永磁体磁链的基波幅值，θ是转子电角度。ra、rb、rc为三相定子电阻，当永磁同步电机是健康时，ra、rb、rc是相等的，都等于rs；当定子绕组电阻不对称故障发生时，ra、rb、rc不再相等。

图1中零序电压u0,m表示为

零序电压u0,m的平均值可以表示为

将每相定子绕组电阻看成由两部分构成，可表示为

式中：rm＝(ra+rb+rc)/3，因此下列条件必须满足

δra+δrb+δrc＝0(7)

并且

因此，可以表示为

从式(9)可以看出，只需要注入两次不同的磁链偏移量δψsα、δψsβ信号，并记录下每次注入磁链信号后的定子相电流和零序电压，然后分别计算它们的平均值，代入到式(9)并求解二元一次方程组，就能得到相电阻偏差值δra、δrb、δrc，通过观察电阻偏差值就能完成定子绕组电阻不对称故障诊断和定位。具体过程如下：若相电阻偏差δra>0,表明永磁同步电机定子绕组电阻不对称故障存在a相；若相电阻偏差δrb>0,表明永磁同步电机定子绕组电阻不对称故障存在b相；若相电阻偏差δrc>0,表明永磁同步电机定子绕组电阻不对称故障存在c相；若相电阻偏差δra、δrb、δrc均不大于0，表明永磁同步电机不存在定子绕组电阻不对称故障，处于正常运行状态。

有上述可知，该诊断技术的前提是如何实现信号的注入。本发明在永磁同步电机的直接转矩控制系统中注入磁链信号的方法，下述的内容阐述注入的磁链信号的原理。

设永磁同步电机相关变量(电压、电流、磁链等)在三相abc静止坐标下的分量分别为xa、xb、xc，在αβ坐标系中的分量分别为xα、xβ，则三相abc静止坐标系和αβ两相静止坐标系之间的变换有如下关系：

假设在永磁同步电机正常情况下，式(3)经坐标变换得永磁同步电机在αβ两相静止坐标系下的数学模型

式中：usα和usβ是在αβ两相静止坐标系下的定子绕组电压，isα和isβ是在αβ两相静止坐标系下的定子绕组电流，ψsα和ψsβ是在αβ两相静止坐标系下的磁链，p是微分算子。

(a)在永磁同步电机直接转矩控制系统中的磁链控制环注入的磁链偏移量δψsα、δψsβ信号方式如图1所示，信号注入后，式(11)和(12)中的变量(电压、电流、磁链)都会产生一个微变化或偏移量，机械角速度改变量δωm是相对不明显的，尤其在大惯量转子或负载情况下，认为在信号注入后机械角速度ωm不变。因此，在信号注入后，式(11)和(12)重写为

由式(13)减去式(11)得：

由式(14)减去式(12)得：

在传统直接转矩控制系统中，定子磁链是很好控制的。假设定子磁链注入偏移量预定设置为相对于电流偏移项式(16)就成为了二元一次线性方程组，因此，二元一次线性方程组的解为

因此，根据式(17)可以清楚的看到磁链信号注入后，永磁同步电机定子电流产生直流偏移量因此结合式(9)可知，注入信号后会导致定子绕组相电流中产生直流分量，用于永磁同步电机定子绕组电阻不对称故障诊断。

(b)在传统直接转矩控制系统中控制磁链幅值为定值ψs,mag,ref，此时，永磁同步电机定子磁链矢量的轨迹在两相αβ静止坐标系中的轨迹由式(18)确定。

在直接转矩控制系统的磁链控制环注入磁链δψsα和δψsβ信号后，永磁同步电机磁链矢量的轨迹由式(19)决定，此时的磁链矢量的轨迹如图2所示。

图2中磁链矢量

磁链矢量轨迹圆的圆心偏移矢量

ψ′sα²+ψ′sβ²＝ψ²s,mag,ref(23)

式中：

根据式(19)，可以清楚地看到定子磁链矢量的轨迹图在定子磁链偏移量信号注入后磁链矢量轨迹圆的圆心发生了偏移，磁链矢量圆的圆心从原点(0，0)偏移到(m,n)点，如图2所示。

本发明提出了一种永磁同步电机定子绕组电阻不对称故障的诊断的方法，本发明计算量小，操作简单，可靠性高，能够准确诊断出永磁同步电机定子绕组电阻不对称故障，定位故障相，反映故障程度，并且不受定子绕组匝间短路故障的影响。因此，本发明提出的方法是一种能够有效提高永磁同步电机安全和可靠性的故障诊断方法。

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，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。