用于五相OWFTFSCW‑IPM电机的匝间短路故障检测方法与流程

本发明属于电机故障检测领域，特别涉及一种用于五相owftfscw-ipm电机的匝间短路故障检测方法。

背景技术：

为有效缓解能源危机和环境污染带来的不利影响，在全球范围内大力发展全电力驱动汽车是一种有效的解决途径。电动汽车用电机的性能关乎整个驱动系统的运行性能和可靠性，稀土材料的发展使得永磁同步电机在功率密度和效率方面与其他电机相比具有很强的竞争力，因而成了电动汽车的优先选择方案。电机驱动系统发生故障将影响到整个系统的正常工作，甚至发生安全事故。因此对电机驱动系统进行故障诊断研究，提高电机驱动系统可靠性具有现实意义，定子匝间短路故障作为一种常见的电机侧故障具有隐蔽性的特点，如不能及时诊断出故障，将会使电机运行特性受到极大影响，甚至演变为更加严重的故障。

已有文献在电机中高速情况下，利用快速傅立叶分析变换(fastfouriertransformation，fft)，通过检测9次谐波的幅值来检测匝间短路故障的发生，但是在电机动态运行情况下，fft分析将难以实现故障诊断。为此，有文献引入离散小波变换(discretewavelettransform，dwt)，其可实现电机低速、中速和高速场合动态工况匝间短路故障电流进行分析，判定故障的发生，但是该方法过于复杂，不利于工程实现。

技术实现要素：

发明目的：本发明针对现有技术存在的问题，提供了一种能够更加准确、简单的判断匝间短路故障的发生的用于五相开绕组分数槽集中绕组容错电机(open-windingfault-tolerantfractional-slotconcentratedwindinginteriorpermanentmagnet，下文简称为：owftfscw-ipm)的匝间短路故障程度检测方法。

技术方案：本发明提供了一种用于五相owftfscw-ipm电机的匝间短路故障检测方法，包括以下步骤：

步骤1：采用电流传感器检测到的五相绕组中的实际电流；

步骤2：利用转矩计算公式得到电机正常工作情况下估算的转矩值；

步骤3：通过转矩传感器测得此时电机的实际转矩输出值；

步骤4：将电机的实际输出转矩与估算转矩进行相减，得到转矩偏差；

步骤5：将转矩偏差通过滤波器滤除交流分量，得到转矩偏差中的直流分量，如果有直流分量的存在则判断发生了匝间短路故障。

进一步，所述步骤2中转矩计算公式为其中，te表示电机正常工作情况下估算的转矩值，p为电机极对数，iq为电机的交轴电流，ψpm为永磁磁链幅值。

进一步，所述步骤3中采用的转矩传感器为高精度非接触式传输方式的rk060。

进一步，所述步骤5中采用的滤波器为一阶滞后数字滤波器。

工作原理：本发明通过故障模型下电机的数学模型，利用虚拟a相电流变换，将故障条件下的转矩和正常运行时的转矩估算值进行比较得到转矩偏差值中的直流分量表达式，并通过求取匝间短路电流的初始相位代入偏差表达式，得到直流分量的最终表达式，通过实时监测转矩偏差的直流分量来判定匝间短路故障的发生。

有益效果：与现有技术相比，本发明提供的方法实现比较简单，对控制器要求不高，计算量小，有利于工程实现。该诊断方法在电机绕组发生非匝间短路故障时，电流传感器检测到的电流即是绕组中的实际电流，经坐标变换后计算的电磁转矩与实际测得的输出转矩相近似，不会有直流分量的出现，因此该方法可以在发生变速、变载、缺相、和脉冲丢失的条件下有效地判断匝间短路故障的发生。该方法可以在电机动态过程中有效地检测出匝间短路故障的发生，操作简单，误判率低。

附图说明

图1为五相owftfscw-ipm电机a相绕组短路故障模型图；

图2为匝间短路故障发生前后的实际转矩和估算转矩以及转矩误差图；

图3为短路电流和转矩误差的直流分量图；

图4为变速、变载、缺相、脉冲丢失情况下的不同情况下的转矩误差直流分量图，其中图4(a)为变速情况下的转矩误差直流分量图；图4(b)为变载情况下的转矩误差直流分量图；图4(c)为缺相情况下的转矩误差直流分量图；图4(d)为脉冲丢失情况下的转矩误差直流分量图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做更进一步的解释。

本发明基于电机设计理论，电机绕组相关参数直接取决于每相绕组的总串联匝数。当该五相永磁同步电机某相绕组出现匝间短路故障时，将会导致电机定子侧不平衡。以五相绕组中a相绕组发生匝间短路故障为例，设各相绕组匝数相同为ntotal，绕组短路匝数为nf，则短路匝比引入短路回路电阻rf以表示短路部分的绝缘损坏程度，其值大小取决于短路回路故障严重程度。与正常模式下电机自然坐标系数学模型相比，五相电机故障模型图如图1所示。

根据电阻、电感、反电动势与绕组匝数之间的关系，可得到如下基本数量关系：

rb＝rc＝rd＝re＝rs，ra1＝(1-μ)rs，ra2＝μrs；

lb＝lc＝ld＝le＝ls，la1＝(1-μ)²ls，la2＝μ²ls；

ma1b＝ma1c＝ma1d＝ma1e＝(1-μ)lm；

ma2b＝ma2c＝ma2d＝ma2e＝μlm；

ma1a2＝μ(1-μ)la；

ea1＝(1-μ)ea，ea2＝μea；

其中，ra、rb、rc、rd、re分别表示五相永磁同步电机中a、b、c、d、e五相绕组的电阻,ra1、la1、ea1分别是是a相绕组未发生匝间短路故障线圈的电阻、自感和反电势。ra2、la2、ea2是a相绕组发生匝间短路故障的电阻、自感和反电势，五相绕组的电阻相等且都等于定子绕组电阻rs；la、lb、lc、ld、le分别此五相永磁同步电机中a、b、c、d、e这五相绕组的自感，ls为定子绕组自感；mxy表示为此五相永磁同步电机x相和y相绕组互感，其中，x＝a,b,c,d,e,y＝a,b,c,d,e,x≠y。ma1b，ma1c，ma1d，ma1e分别是b、c、d、e相绕组对a相绕组未发生匝间短路故障线圈的互感，ma2b，ma2c，ma2d，ma2e分别是b、c、d、e相绕组对a相绕组发生匝间短路故障线圈的互感。ea、eb、ec、ed、ee分别表示五相永磁同步中a、b、c、d、e这五相在电机正常情况下的空载反电动势，lm为绕组互感。

基于上述电机各基本数量关系，将自然坐标系下的五相电机数学模型推广至故障模式下，根据电路和电磁感应定律，加在各相绕组两端的端电压vsf等于各相定子绕组的电阻压降、因磁链变化引起的感应电动势以及空载反电势之和，所得电压平衡方程为：

其中，[vsf,abcde]＝[vavbvcvdve0]^t为五相绕组端部与短路回路电压矩阵，va，vb，vc，vd和ve是电机a、b、c、d、e五相中各相绕组的端部电压；其中根据下面的公式得到电阻矩阵[rsf]：

rs为绕组内阻，rf为短路回路电阻，代表了绕组的绝缘损毁，其值的大小取决于故障的严重程度。当rf→0时，代表了绕组的绝缘全部损坏，故障严重；当rf→∞时，代表了无故障的发生。[isf,abcde]＝[iaibicidieif]^t为五相绕组与短路回路电流矩阵，ia，ib，ic，id，ie和if分别表示电机各相绕组以及短路回路的流经电流；根据下面的公式得到电感矩阵[lsf,abcde]：

其中ls为绕组自感，lm为绕组互感。

为五相绕组与短路绕组反电动势；为五相绕组与短路部分匝链的永磁磁链矩阵，ψpm为永磁磁链幅值，θe为电机电气旋转角速度。零序电压矩阵为[v0]＝v0[111110]^t，其中v0代表零序电压的幅值。

当电机绕组通入电流时，该电流就会在电机气隙中产生电枢反应磁场，并与永磁磁场相叠加，使得气隙磁场发生变化。根据电磁定律，当定子绕组中通入电流时，通电绕组在磁场中受到电磁力的作用，由于定子固定，转子受到电磁转矩反作用力从而旋转。故障情况下五相永磁同步电机电磁转矩tef如下表示：

其中，ea，eb，ec，ed和ee分别表示电机正常情况下的空载反电动势，ωm为电机的机械角速度，ef为短路回路绕组匝链产生的反电势。

在空间矢量控制下，利用旋转坐标变换得到旋转坐标系下的id和iq电流，同时经公式计算得到正常运行下的输出电磁转矩te，其中p为电机极对数，iq为电机的交轴电流。发生匝间短路故障后，在不采取措施的情况下，电磁转矩的估算方法保持不变，由于未计及短路故障电流的影响，使得估算的电磁转矩与转矩传感器测得的结果产生误差，本发明提出的匝间短路故障诊断方法则是利用该误差构成诊断算法。

对公式做进一步的变换，根据ef＝μea得到下式：

其中ia’＝ia-μif，可以将ia’称作虚拟a相电流，在坐标变换中，利用[ia’,ib,ic,id,ie]代替[ia,ib,ic,id,ie]，计及了短路电流公式的影响，根据以下公式得到转矩误差δt：

其中，if为短路电流的幅值，ω为电机旋转电角速度，i'q表示电机的直轴电流，为短路电流初始相位。

令转矩偏差的直流分量短路电流向量可以进一步写成：

其中表示a相绕组电流向量，表示a相绕组发生匝间短路故障的反电势向量。

为了简化分析，忽略阻抗压降，得到如下公式：

其中因此根据得到d≈0.5pψpmμifsinδ。

由d可知，在转矩偏差中存在直流分量，且该直流分量只在短路故障发生的时候才存在，如图2所示。在图中可以看出，当没有故障发生时，估算转矩与实际转矩相同，转矩偏差为零，在t＝0.05s发生短路故障时，转矩偏差不再为零，且是一个包含直流分量偏移的交流量，图3为使用卡尔曼滤波器滤除交流分量后的转矩差中的直流分量，可以看出该直流分量仅在匝间短路故障后才会出现，其大小与故障的严重程度相关，因此该直流分量可以作为匝间短路故障发生的判据。选择合适的阈值作为判断量，其中阈值为电机转矩的10％。图4(a)-(d)分别是在变速、变载、缺相、脉冲丢失等动态过程中，对转矩差中的直流分量的检测结果，可以看出，在发生其它故障时，该方法依然可以有效地检测匝间短路故障是否发生，体现了该方法的鲁棒性。相比于分析电流谐波分布来判断匝间短路故障的发生，该诊断方法大大减少了分析计算量。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，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。