一种基于磁链观测的永磁同步电机匝间短路故障诊断方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于磁链观测的永磁同步电机匝间短路故障诊断方法，包括以下步骤：S1、利用电流模型的磁链观测器估算永磁同步电机的三相相电压：S2、将S1估算得到的三相相电压和三相相电压的参考值进行比较，得到三相相电压的偏差量Δua、Δub、Δuc；S3、判断是否出现匝间短路故障：定义FI＝<|Δua|+|Δub|+|Δuc|>，若FI＞thr，则诊断出存在定子绕组匝间短路故障；若FI≤thr，则不存在定子绕组匝间短路故障；其中，FI为故障特征量，<.>表示为平均值，thr为阈值。
【专利说明】
-种基于磁链观测的永磁同步电机应间短路故障诊断方法
技术领域
[0001] 本发明设及故障诊断技术领域，尤其设及一种基于磁链观测的永磁同步电机应间 短路故障诊断方法。
【背景技术】
[0002] 永磁同步电机（Permanent magnet synchronous machine,PMSM)具有功率密度 高、效率高、转矩惯量比大、调速范围宽等优点。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。
[0003] 永磁同步电机是有定子、转子和轴承等电气系统和机械系统组成。电机工作时，具 有复杂的机电能量转换过程，在长期运行中，受供电情况、负载工况和运行环境的影响，某 些部件会逐渐失效或损坏。常见的故障模式有电机振动过大、电机过热、轴承过热、转子/定 子线圈短路等。在电机的所有故障中，轴承的故障率为40%，定子的故障率为38%，转子的 故障率为10%，其他故障占12%。在定子绕组故障中，W定子绕组应间短路故障最为常见， 电机的定子绕组发生应间短路会在短路回路中产生大量的满流，如果运种故障没有被检测 到，故障就会加重，就会导致接地短路或相与相之间的短路，使电机的溫度不断增加，最后 导致电机完全损坏，因此需要及时地诊断永磁同步电机的应间短路故障。目前，最常用方法 是基于电流、电压和振动信号的分析方法等，利用到的信号分析技术有快速傅里叶变换、短 时傅里叶变换、Wigner-Ville分布、小波变换、经验模态分解和阶比分析等;运些信号分析 技术的计算量比较大，不易实现在线的故障诊断。
【发明内容】
[0004] 基于【背景技术】存在的技术问题，本发明提出了一种基于磁链观测的永磁同步电机 应间短路故障诊断方法。
[0005] 本发明提出的基于磁链观测的永磁同步电机应间短路故障诊断方法，包括W下步 骤：
[0006] S1、利用电流模型的磁链观测器估算永磁同步电机的S相相电压：聲；
[0007] S2、将Sl估算得到的S相相电压餐、％、馬和S相相电压的参考值、《;、《: 进行比较，得到S相相电压的偏差量A Ua、A Ub、A Uc;
[000引 S3、判断是否出现应间短路故障：定义FI = < I A Ua I + I A Ub I + I A Uc I〉，若FI >th;r， 则诊断出存在定子绕组应间短路故障;若FI《thr，则不存在定子绕组应间短路故障;其中， FI为故障特征量，<?〉表示为平均值，t虹为阔值。
[0009] 优选地，步骤Sl中利用电流模型的磁链观测器估算永磁同步电机的=相相电压的 方法为：
[0010] 在同步旋转坐标系下定子磁链可W表示为
[0011]
[0012]式中：Ls = Ld+jLq，is = id+jiq;
[0013] 根据电机的模型，在两相静止坐标下定子磁链可W表示为
[0014]
[0015] 式中
是电机终端电压矢量;忽略定子电阻，估算的 电压可W表示为
[0016]
[0017]根据2/3变换，即得到立相相电压：
[001 引
[0019] 优选地，步骤S2中求出立相相电压的偏差量A化、A Ub、A Ug的方法为：
[0020] 永磁同步电机在正常情况下，且不考虑死区和管压降等因素情况时，在abc坐标系 下，定子绕组的=相相电压的参考值方程可W表示如下：
[0021]
[0022] 式中：ea、eb、ec是永磁同步电机的立相反电动势，Rs是定子绕组等效电阻，Lcy = k M，L是定子绕组自感，M是定子绕组互感；
[0023] 在正常情况下，
[0024]
[0025] 式中：n = a、b、c;根据可知，在正常情况下，参考电压和估算电压的差值 可W近似为0;
[0026] 在发生应间短路的情况下，做W下假设:永磁同步电机的=相绕组的连接方式为Y 型，不考虑饱和的影响，认为转子是隐极的，可W得到应间短路情况的等效电路;一个附加 的电阻Rf放在a相中，并且把其分成曰1和曰2两部分，流过Rf的故障电流称为if;在发生应间短 路的情况下，=相相电压的参考值可表示为：
[0027]
[002引式中：A Ua、A Ub和A Uc为应间短路故障导致的电压偏差量；
[0029]
[0030] 式中：Ra2和La2表示绕组a2的电阻和自感，1。'。〇 =曰1，曰2，13，(3)表示绕组1和占-之 间的互感；
[0031] 根据=相相电压的参考值的公式可W看出，在发生应间短路的情况下，=相相电 压的估算电压与=相相电压的参考电压的差值不再为0，即得出=相相电压的偏差量A Ua、 A Ub、A Uc D
[0032] 本发明利用电流模型的磁链观测器估算出永磁同步电机的=相相电压;再将估算 出的=相相电压和=相相电压的参考值进行比较，得出=相相电压的偏差量;定义FI = < A Ua I + I A Ub I + I A Ug I〉，根据FI与thr的比较结果判断是否存在定子绕组应间短路故障。如 此，本发明克服了现有技术中，采用的信号分析技术计算量较大而不易实现在线的故障诊 断的弊端，可对永磁同步电机是否存在应间短路故障进行实时检测，避免存在应间短路故 障而影响永磁同步电机的使用寿命，保证了对永磁同步电机应间短路故障诊断的实时性和 可靠性;并且本发明不需要设置额外的传感器来检测永磁同步电机的电压或电流等参数， 大大节约了生产成本。
【附图说明】
[0033] 图1为基于磁链观测的永磁同步电机应间短路故障示意图；
[0034] 图2为基于磁链观测的永磁同步电机应间短路故障诊断的过程图。
【具体实施方式】
[0035] 如图1、图2所示，图1、图2为一种基于磁链观测的永磁同步电机应间短路故障诊断 方法。
[0036] 参照图1、图2,本发明提出的基于磁链观测的永磁同步电机应间短路故障诊断方 法，包括W下步骤：
[0037] S1、利用电流模型的磁链观测器估算永磁同步电机的S相相电压:6。、成、％;过 程如图2所示；
[0038] 利用电流模型的磁链观测器估算永磁同步电机的=相相电压的方法为：
[0039] 在同步旋转坐标系下定子磁链可W表示为
[0040]
(1)
[0041 ]式中：Ls = Ld+jLq，is = id+jiq;
[0042] 根据电机的模型，在两相静止坐标下定子磁链可W表示为
[0043] -
(2)
[0044] 式中：
是电机终端电压矢量。忽略定子电阻，估算的 电压可W表示为
[0045]
(3)
[0046] 根据2/3变换可W得到=相相电压为
[0047]
《4)
[004引 S2、将Sl估算得到的S相相电压。。、餐、私和S相相电压的参考值、"；：、<进 行比较，得到S相相电压的偏差量A Ua、A Ub、A Uc;
[0049] 在永磁发电机正常情况下，且不考虑死区和管压降等因素情况下，在abc坐标系 下，定子绕组的=相参考电压方程可W表示如下
[0050]
(另》
[0051 ]式中：ea、eb、ec是发电机的S相反电动势，Rs是定子绕组等效电阻，Lcy = kM，L是定 子绕组自感，M是定子绕组互感。
[0化2] 在正常情况下
[0053]
(6)
[0054] 式中：n = a，b，c。根据式(6)，意味着在正常情况下，参考电压和估算电压的差值可 W近似为0。
[0055] 在发生应间短路的情况下，做W下假设:永磁同步电机的=相绕组的连接方式为Y 型，不考虑饱和的影响，认为转子是隐极的，可W得到应间短路情况的等效电路如图2所示。 一个附加的电阻Rf放在a相中，并且把其分成曰1和曰2两部分，流过Rf的故障电流称为if,如图 1所示。在发生应间短路的情况下，=相相电压的参考值可表示为
[005引
（7)
[0化7] 式中：A化、A Ub和A Uc为应间短路故障导致的电压偏差量。
[005引
（8)
[0059] 式中：Ra2和La2表示绕组a2的电阻和自感，Mij(i、j = al,a2, b, C)表示绕组i和j之间 的互感；
[0060]根据式(7)可W看出，在发生应间短路的情况下，=相相电压的估算电压与=相相 电压的参考电压的差值不再为0，近似表示为式(8)。
[00川 S3、判断是否出现应间短路故障：定义FI = <| Aua| + | Aub| + | AucI〉，若FI>thr， 则诊断出存在定子绕组应间短路故障;若FI《thr，则不存在定子绕组应间短路故障;其中， FI为故障特征量，<?〉表示为平均值，t虹为阔值。
[0062]利用得到的=个偏差电压信号定义故障特征量为 [006；3] FI = <| Aua| + | Aub| + | Auc|> (9)
[0064] 式中:FI表示为故障特征量，其中<?〉表示为平均值。
[0065] 若FI>thr，则诊断存在定子绕组应间短路故障，否则，不存在定子绕组应间短路 故障。其中，t虹是阔值。
[0066] 利用本发明提出的方法，克服了现有技术中，采用的信号分析技术计算量较大而 不易实现在线的故障诊断的弊端，可对永磁同步电机是否存在应间短路故障进行实时检 ，避免存在应间短路故障而影响永磁同步电机的使用寿命，保证了对永磁同步电机应间 短路故障诊断的实时性和可靠性;并且本发明不需要设置额外的传感器来检测永磁同步电 机的电压或电流等参数，大大节约了生产成本。
[0067] W上所述，仅为本发明较佳的【具体实施方式】，但本发明的保护范围并不局限于此， 任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明掲露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其 发明构思加W等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种基于磁链观测的永磁同步电机匝间短路故障诊断方法，其特征在于，包括以下 步骤： 51、 利用电流模型的磁链观测器估算永磁同步电机的三相相电压：心、心、A ; 52、 将Sl估算得到的三相相电压4、<和三相相电压的参考值<、<、M【进行 比较，得到三相相电压的偏差量Δ Ua、Δ Ub、A Uc; 53、 判断是否出现IM间短路故障：定义FI =〈| Aua| + | Aub| + | Auc|>，若FI>thr，则诊 断出存在定子绕组匝间短路故障;若FKthr，则不存在定子绕组匝间短路故障;其中，FI为 故障特征量，〈. >表示为平均值，thr为阈值。2. 根据权利要求1所述的基于磁链观测的永磁同步电机匝间短路故障诊断方法，其特 征在于，步骤Sl中利用电流模型的磁链观测器估算永磁同步电机的三相相电压的方法为： 在同步旋转坐标系下定子磁链表示为根据电机的模型，在两相静止坐标下定子磁链表示为式中：W = L ^ 是电机终端电压矢量;忽略定子电阻，估算的电压 表示为根据2/3变换，得到三相相电压：3. 根据权利要求1所述的基于磁链观测的永磁同步电机匝间短路故障诊断方法，其特 征在于，步骤S2中求三相相电压的偏差量Au a、AUb、Au。的方法为根据以下公式计算：式中：ea、eb、ec是永磁同步电机的三相反电动势，Rs是定子绕组等效电阻，L cy = L-M，L是 定子绕组自感，M是定子绕组互感，Ra2和La2表示绕组a2的电阻和自感，Mi j (i、j = a I，a2，b，c) 表示绕组i和j之间的互感。
【文档编号】G01R31/34GK106019148SQ201610327166
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年5月16日
【发明人】丁石川, 陈文 , 杭俊, 李国丽, 王群京
【申请人】安徽大学