一种三角形连接的永磁同步电机定子绕组电阻性失衡故障诊断方法
【专利摘要】本发明公开了一种三角形连接的永磁同步电机定子绕组电阻性失衡故障诊断方法，包括以下步骤：S1、建立零序电流与电阻偏移量、相电流与电阻偏移量之间的关系，并推导出零序电流的平均值与电阻偏移量、相电流的平均值与电阻偏移量之间的关系式；S2、向两相旋转坐标系中直轴参考电流中注入三次不同的直流信号，并记录下每次注入信号后的永磁同步电机的相电流和零序电流；S3、分别计算三次记录的相电流的平均值和零序电流的平均值，估算出定子绕组电阻的偏移量ΔRa、ΔRb、ΔRc；S4、判断是否存在电阻性失衡故障：若ΔRa>0，表明永磁同步电机的A相存在电阻性失衡故障；若ΔRb>0，表明B相存在电阻性失衡故障；若ΔRc>0，表明C相存在电阻性失衡故障。
【专利说明】
一种三角形连接的永磁同步电机定子绕组电阻性失衡故障诊 断方法
技术领域
[0001] 本发明涉及故障诊断技术领域，尤其涉及一种三角形连接的永磁同步电机定子绕 组电阻性失衡故障诊断方法。
【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，在风力发电、升降机驱动等大功率 以及电动汽车和数控机床等高新能应用场合得到了广泛关注和使用。
[0003] 在永磁同步电机定子绕组故障中，定子绕组电阻性失衡是一种常见的故障。当发 生早期的失衡故障时，电机仍然可继续运行，但若不能及时检测而导致故障严重程度加剧， 会引起电机转速等产生震荡，如果这种故障在初期没有被检测到，故障就会加重，使电机的 温度不断增加，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定子绕组故 障。
[0004] 目前，已经提出了一些方法来诊断永磁同步电机定子绕组电阻性失衡，如利用定 子电流中的三次谐波法和零序电压法等。但是现有方法存在一定的不足，一方面是现有方 法大都针对星型连接的永磁同步电机，不太适合于三角形连接的永磁同步电机；另一方面 在多相发生故障的情况下，现有方法大都不能判断电阻性失衡故障的故障相以及故障程 度。
【发明内容】
[0005] 基于【背景技术】存在的技术问题，本发明提出了一种三角形连接的永磁同步电机定 子绕组电阻性失衡故障诊断方法。
[0006] 本发明提出的三角形连接的永磁同步电机定子绕组电阻性失衡故障诊断方法，包 括以下步骤：
[0007] S1、建立零序电流与电阻偏移量、相电流与电阻偏移量之间的关系，进一步推导出 零序电流的平均值与电阻偏移量、相电流的平均值与电阻偏移量之间的数学表达式；
[0008] S2、向两相旋转坐标系中直轴参考电流中注入三次不同的直流信号，并记录下每 次注入信号后的永磁同步电机的相电流和零序电流；
[0009] S3、分别计算三次记录的相电流的平均值和零序电流的平均值，并将其代入S1推 导的数学表达式中，估算出定子绕组电阻的偏移量Δ Ra、Δ Rb、Δ Rc;
[0010] S4、判断是否存在电阻性失衡故障:若ARa>0,表明永磁同步电机存在电阻性失衡 故障，且发生在A相，并根据相电阻偏差△ 1^估算故障程度;若△ Rb>0，表明永磁同步电机存 在电阻性失衡故障，且发生在B相，并根据相电阻偏差△ Rb估算故障程度;若△ Rc>0，表明永 磁同步电机存在电阻性失衡故障，且发生在C相，并根据相电阻偏差△ R。估算故障程度。 [0011]优选地，推导零序电流的平均值与电阻偏移量、相电流的平均值与电阻偏移量之 间的数学表达式的方法为：[0012]在abc坐标系下三角形连接的永磁电机的电压方程可表示为
[0014] 式中：Ua、Ub、Uc为三相定子电压，ia、ib、ic为三相定子电流，L是定子绕组自感，Μ是 定子绕组互感;Ra、Rb、Rc为三相定子电阻，当永磁电机不存在定子绕组电阻性失衡故障时， Ra、Rb、Rc是相等的；当定子绕组电阻性失衡故障发生时，Ra、Rb、R c不再相等;λΡΜ,3、λΡ[Μ、λΡΜ,。 是三相定子绕组的永磁磁链，其表示为
[0016] 式中：λΡΜ>1是基波磁链的幅值，ν是谐波次数，λΡΜ, ν是ν次谐波磁链的幅值，Θ是转子 电角度，θν是ν次谐波磁链和基波磁链之间的角度；
[0017] 将每相定子电阻看成有两部分构成，可表示为
[0019] 根据基尔霍夫电压定律，在三角形连接的永磁电机中，下列等式恒成立
[0020] ua+Ub+Uc = 0 (4)
[0021] 将式(1)代入式(4)并考虑式(3)，可得
[0024]定义零序电流为
[0025] izsc = ia+ib+ic (6)
[0026] 忽略定子电流中高次谐波，定子电流可表示为
[0028]式中：Ij和0j( j=a，b，c)分别为定子电流ij中基波的幅值和初始相位角。
[0029]将式(6)和(7)代入式(5)，由于只考虑零序电流中的基波成分，为了简化分析，忽 略λρΜ,Ο的微分，可得
[0033] 式中：we = d9/dt是转子电角速度。
[0034] 在式(9)中，如果将Θ看成自变量，izs。看成因变量，式(9)就是一阶常系数非齐次线 性微分方程。因此，i zs。可以计算得到
[0035]
[0036] 式中：C是任意常数，γ表示为
[0037] γ =tan_1(-?e(L+2M)/Rs) (11)
[0038] 当Θ趋向于无穷大，式(11)等号右边的最后一项接近于零;因此，式(11)简化为
[0039]
[0046]本发明提出的电阻性失衡故障诊断方法，先分别向两相旋转坐标系中直轴参考电 流中注入三次不同的直流信号，并分别计算三次记录的相电流的平均值和零序电流的平均 值，再联立公式建立三元一次方程组，估算出电阻的偏移量，最后根据电阻的偏移量判断是 否存在电阻性失衡故障，且估算出故障程度。本发明提出的方法适用于三角形连接的永磁 同步电机，克服了现有技术中对电阻性失衡故障的诊断方法大多只针对星型连接的永磁同 步电机的弊端;且本发明公开的方法可在多相同时出现故障时，仍能判断出电阻性失衡故 障的故障相以及估算出故障程度，且本发明无需增加额外的检测设备，节约了生产成本的 同时，提高了对永磁同步电机定子绕组电阻性失衡故障诊断的针对性和可靠性。
【附图说明】
[0047]图1为一种三角形连接的永磁同步电机定子绕组电阻性失衡故障诊断方法的框 图。
【具体实施方式】
[0048]如图1所示，图1为本发明提出的一种三角形连接的永磁同步电机定子绕组电阻性 失衡故障诊断方法。
[0049] 参照图1，本发明提出的三角形连接的永磁同步电机定子绕组电阻性失衡故障诊 断方法，包括以下步骤：
[0050] S1、建立零序电流与电阻偏移量、相电流与电阻偏移量之间的关系，进一步推导出 零序电流的平均值与电阻偏移量、相电流的平均值与电阻偏移量之间的数学表达式；
[0051] S2、向两相旋转坐标系中直轴参考电流中注入三次不同的直流信号，并记录下每 次注入信号后的永磁同步电机的相电流和零序电流；
[0052] S3、分别计算三次记录的相电流的平均值和零序电流的平均值，并将其代入S1推 导的数学表达式中，估算出定子绕组电阻的偏移量Δ Ra、Δ Rb、Δ Rc;
[0053] S4、判断是否存在电阻性失衡故障:若Δ Ra>〇,表明永磁同步电机存在电阻性失衡 故障，且发生在A相，并根据相电阻偏差△ 1^估算故障程度;若△ Rb>0，表明永磁同步电机存 在电阻性失衡故障，且发生在B相，并根据相电阻偏差△ Rb估算故障程度;若△ Rc>0，表明永 磁同步电机存在电阻性失衡故障，且发生在C相，并根据相电阻偏差△ R。估算故障程度。 [0054]下面对本发明作进一步说明：
[0055]根据图1，在abc坐标系下三角形连接的永磁电机的电压方程可表示为
[0057] 式中：Ua、Ub、Uc为三相定子电压，ia、ib、ic为三相定子电流，L是定子绕组自感，Μ是 定子绕组互感。Ra、Rb、RC为三相定子电阻，当永磁电机是健康时，Ra、Rb、RC是相等的；当定子 绕组电阻性失衡故障发生时，Ra、Rb、Rc不再相等。λpM,a、λpM,b、λpM,c是三相定子绕组的永磁磁 链，其表示为
[0059]式中：λΡΜ, i是基波磁链的幅值，V是谐波次数，λΡΜ, V是V次谐波磁链的幅值，Θ是转子 电角度，θν是V次谐波磁链和基波磁链之间的角度；
[0060]将每相定子电阻看成有两部分构成，可表示为
[0062] 根据基尔霍夫电压定律，在三角形连接的永磁电机中，下列等式恒成立
[0063] ua+Ub+Uc = 0 (4)
[0064] 将式（1)代入式(4)并考虑式(3)，可得 ΓηΠΑεΠ
[0067] 定义零序电流为
[0068] izsc = ia+ib+ic (6)
[0069] 忽略定子电流中高次谐波，定子电流可表示为
[0071]式中：Ij和0j(j = a，b，c)分别为定子电流ij中基波的幅值和初始相位角。将式(6) 和(7)代入式(5)，由于只考虑零序电流中的基波成分，为了简化分析，忽略λ?,。的微分，可 得
[0075] 式中：〇e = d0/dt是转子电角速度。
[0076] 在式(9)中，如果将Θ看成自变量，izs。看成因变量，式(9)就是一阶常系数非齐次线 性微分方程。因此，izs。可以计算得到
[0077]
[0078]式中：C是任意常数，γ表示为
[0079] γ =tan_1(-?e(L+2M)/Rs) (11)
[0080] 当Θ趋向于无穷大，式（11)等号右边的最后一项接近于零;因此，式（11)简化为
[0088] 从式(7)和（14)可以看出，1'3、1\、1'。与13、^、^只是相差一定的相位角，因此，在 一个周期内两者的平均值是近似相等的。由于《 (3丄、1、1都是已知的变量，因此，根据式 (15)可知只需要注入三次不同的直流信号，并且记录三种情况下的零序电流izsc和相电流 13、"、1。，然后计算其平均值，代入式（15)并求解三元一次方程组，就能得到相电阻偏差八 Ra、ARb、AR。，通过观察相电阻偏差就能完成定子绕组电阻性失衡故障诊断、定位以及故障 程度的估算。具体过程如下：当相电阻偏差A Ra>0时，表明永磁同步电机有电阻性失衡故障 发生在A相，且根据相电阻偏差△匕估算故障程度;当相电阻偏差△ Rb>0时，表明永磁同步电 机有电阻性失衡故障发生在B相，且根据相电阻偏差Δ Rb估算故障程度;当相电阻偏差Δ Rc> 0时，表明永磁同步电机有电阻性失衡故障发生在C相，且根据相电阻偏差AR。估算故障程 度；当相电阻偏差ARa、AR b、AR。均不大于〇时，表明永磁同步电机不存在定子绕组电阻性 失衡故障，永磁同步电机处于正常运行状态。
[0089] 以上所述，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揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其 发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种三角形连接的永磁同步电机定子绕组电阻性失衡故障诊断方法，其特征在于， 包括以下步骤： 51、 建立零序电流与电阻偏移量、相电流与电阻偏移量之间的关系，进一步推导出零序 电流的平均值与电阻偏移量、相电流的平均值与电阻偏移量之间的数学表达式； 52、 向两相旋转坐标系中直轴参考电流中注入三次不同的直流信号，并记录下每次注 入信号后的永磁同步电机的相电流和零序电流； 53、 分别计算三次记录的相电流的平均值和零序电流的平均值，并将其代入Sl推导的 数学表达式中，估算出定子绕组电阻的偏移量Δ Ra、Δ Rb、Δ Rc; 54、 判断是否存在电阻性失衡故障:若△ Ra>0，表明永磁同步电机存在电阻性失衡故障， 且发生在A相，并根据相电阻偏差ARa估算故障程度;若AR b>〇,表明永磁同步电机存在电阻 性失衡故障，且发生在B相，并根据相电阻偏差△ Rb估算故障程度;若△ Rc>0，表明永磁同步 电机存在电阻性失衡故障，且发生在C相，并根据相电阻偏差△ R。估算故障程度。2. 根据权利要求1所述的三角形连接的永磁同步电机定子绕组电阻性失衡故障诊断方 法，其特征在于，推导零序电流的平均值与电阻偏移量、相电流的平均值与电阻偏移量之间 的数学表达式的方法为： 在abc坐标系下三角形连接的永磁电机的电压方程表示为式中：Ua、Ub、Uc为三相定子电压，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;Ra、Rb、Rc为三相定子电阻，当永磁电机不存在定子绕组电阻性失衡故障时，R a、Rb、 Rc是相等的；当定子绕组电阻性失衡故障发生时，Ra、Rb、R c不再相等;人[^、\叫、\[^是三相 定子绕组的永磁磁链，其表示为式中：λΡΜ>1是基波磁链的幅值，V是谐波次数，λΡΜ,ν是V次谐波磁链的幅值，Θ是转子电角 度，θν是V次谐波磁链和基波磁链之间的角度； 将每相定子电阻看成有两部分构成，表示为 根据基尔霍夫电压定律，在三角形连接的永磁电机中，下列等式恒成立 Ua+Ub+Uc = 0 (4) 将式(1)代入式(4)并考虑式(3)，得定义零序电流为 Izsc-ia+ib+ic (6) 忽略定子电流中高次谐波，定子电流表示为(7) 式中：I j和Θ j (j = a，b，C)分别为定子电流i j中基波的幅值和初始相位角； 将式(6)和(7)代入式(5)，只考虑零序电流中的基波成分，忽略λΡΜ,〇的微分，得式中：we = d0/dt是转子电角速度。 在式(9)中，将Θ看成自变量，izs。看成因变量，得到：零序电流的平均值表示为
【文档编号】H02P21/14GK106026821SQ201610327160
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年5月16日
【发明人】杭俊, 董天福, 丁石川, 李国丽
【申请人】安徽大学