本发明属于故障诊断技术领域，尤其是一种永磁同步电机定子绕组故障诊断的方法。
背景技术：
永磁同步电机(permanentmagnetsynchronousmachine，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。
永磁同步电机工作时，具有复杂的机电能量转换过程，在长期运行中，受负载工况和运行环境的影响，某些部件会逐渐失效或损坏。它的典型故障部件包括定子绕组、变换器、电机轴承以及控制系统的关键传感器等，其中电机中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。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性失衡故障，其中最常用方法是基于定子电流和零序电压信号的分析方法等。但是这种故障诊断方法存在一定的不足，如不能判断故障相的故障程度，尤其是故障发生在多相情况下。
技术实现要素：
本发明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故障诊断方法，该方法不仅能诊断定子绕组电阻性失衡故障，而且还能诊断故障相和估算故障程度；该方法计算简单，易于实现，准确度高。
本发明采用的技术方案为：一种永磁同步电机定子绕组故障诊断方法，包括如下步骤：
(1)采集永磁同步电机驱动系统的零序电压和定子电流，并计算零序电压和定子电流中基波的幅值和初始相位角；
(2)将零序电压和定子电流中基波的幅值和初始相位角代入到关于相电阻偏差的二元二次方程组中；
(3)求解该二元二次方程组，并利用相位差和相电阻偏差的关系，确定该二元二次方程的合适解，即为每相绕组的电阻偏差；
(4)利用计算的每相绕组的电阻偏差实现故障检测、故障相定位和故障程度估算。
作为优选，所述步骤(2)中关于相电阻偏差的二元二次方程组为：
式中：v1和α是零序电压中基波的幅值和初始相位角，ia和θa是定子电流ia中的幅值和初始相位角，ib和θβ是定子电流中ib中的幅值和初始相位角，δra和δrb是a相和b相定子绕组的电阻偏差。其中，a和b是中间变量。
有益效果：本发明提供的一种永磁同步电机定子绕组故障诊断方法，能够克服现有诊断定子绕组电阻性失衡故障方法的不足。本发明不仅能诊断定子绕组电阻性失衡故障，而且还能诊断故障相和估算故障程度；本发明计算简单，易于实现，准确度高。
附图说明
图1为带三相平衡电阻网络的永磁同步电机控制框图。
图2为一种永磁同步电机定子绕组故障诊断方法的框图。
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。
如图2所示，一种永磁同步电机定子绕组故障诊断方法，包括如下步骤：
(1)采集永磁同步电机驱动系统的零序电压和定子电流，并计算零序电压和定子电流中基波的幅值和初始相位角；
(2)将零序电压和定子电流中基波的幅值和初始相位角代入到关于相电阻偏差的二元二次方程组中；
(3)求解该二元二次方程组，并利用相位差和相电阻偏差的关系，确定该二元二次方程的合适解，即为每相绕组的电阻偏差；
(4)利用计算的每相绕组的电阻偏差实现故障检测、故障相定位和故障程度估算。
下面对本案进行说明：
永磁同步电机定子绕组的电压方程在abc坐标系下表示为
式中：ua，ub和uc为三相定子电压，u0是零序电压，ia，ib和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和rc为三相定子电阻，当永磁同步电机是健康时，ra，rb和rc是相等的；当定子绕组电阻性失衡故障发生时，ra，rb和rc不再相等。λpm,a，λpm,b和λpm,c是三相定子绕组的永磁磁链，其表示为
式中：λpm,1是基波磁链的幅值，v是谐波次数，λpm,v是v次谐波磁链的幅值，θ是转子电角度，θv是v次谐波磁链和基波磁链之间的角度。
图1中零序电压v0,m表示为
式中：
将每相定子电阻看成有两部分构成，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(6)
式中：δra、δrb和δrc是a相、b相和c相定子绕组中由于定子绕组电阻性失衡故障导致的电阻偏差。
并且
ia+ib+ic＝0(7)
因此，零序电压v0,m可以重新表示为
忽略定子电流中的谐波，三相定子绕组电流可以表示为
式中：ix和θx(x＝a,b,c)分别是定子电流ix的幅值和初始相位角。
将式(9)代入式(8)可得
式中v1和α是零序电压v0,m中基波的幅值和初始相位角，且表示为
式中：v1和α是零序电压中基波的幅值和初始相位角，ia和θa是定子电流ia中的幅值和初始相位角，ib和θβ是定子电流中ib中的幅值和初始相位角，δra和δrb是a相和b相定子绕组的电阻偏差。其中，a和b是中间变量。
从式(11)可以看出v1和α与定子电流和电阻偏差有直接的关系。由于零序电压v0,m和定子电流中基波的幅值和初始相位角可以直接计算得到，因此，将它们代入到式(11)中，就建立了关于电阻偏差δra和δrb的二元二次方程组，通过求解该方程组就能得到每相绕组的电阻偏差。另外，需要注意的是二元二次方程组很有可能有多组实数解和多组复数解。在本发明中，只考虑实数解，并且需要确定一组合适的实数解。为了解决这个问题，定义相位差dx(x＝a,b,c)如下：
表1给出了相电阻偏差和相位差之间的关系。
表1
因此，利用表1可以确定二元二次方程组合适的实数解，即为每相绕组的电阻偏差δra、δrb和δrc。为了方便分析，对电阻偏差作进一步处理为
δrj＝δrj-min([δra,δrb,δrc])j＝a,b,c(13)
因此，利用电阻偏差δra、δrb和δrc就能完成定子绕组电阻性失衡故障诊断、定位和故障程度估算。具体过程如下：当相电阻偏差δra大于0时，表明永磁同步电机的a相有电阻性失衡故障发生；当相电阻偏差δrb大于0时，表明永磁同步电机的b相有电阻性失衡故障发生；当相电阻偏差δrc大于0时，表明永磁同步电机有的c相有电阻性失衡故障发生。另外，在故障情况下，利用电阻偏差δra、δrb或δrc确定故障程度。当相电阻偏差不大于0时，表明永磁同步电机处于正常运行状态。
利用本发明提出的方法，不仅能够诊断永磁同步电机子绕组电阻性失衡故障，而且能够判断故障相和故障程度。本发明提出的方法计算量小、易于实现、准确度高、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。