基于磁场分布监测的永磁同步电机匝间短路故障诊断方法与流程

本发明涉及电机故障诊断技术。
背景技术：
：永磁同步电机具有结构简单、无电刷和滑环，无电励磁系统，运行可靠性高、功率密度大、电机的形状和尺寸灵活多样等多种显著优点。符合节能减排的经济发展需要，它不仅可以部分替代传统的电励磁电机，而且可以实现电励磁电机难以达到的高效率。因此永磁同步电机在航空航天、数控机床、电动汽车、机器人等领域获得了广泛应用。由于永磁同步电机应用范围广，工作环境恶劣，因此永磁电机不可避免的会出现各种故障。永磁同步电机常见的故障有匝间短路故障、失磁故障、转子偏心故障等。电机发生故障后电机效率会降低，严重的还可能会导致电机停转，甚至对电机造成永久性的损伤。如果不能及时发现，故障可能会造成巨大的经济损失，因此永磁同步电机故障诊断十分重要。随着故障诊断技术的不断发展，人们致力于开发各类专用的电机故障诊断系统，并已成为近年来研究的重点。这方面虽然进展显著，但误判率高、准确度低，仍然是一个现实问题。技术实现要素：本发明的目的是针对现有技术中的问题，提供一种基于磁场分布监测的永磁同步电机匝间短路故障诊断方法。该方法利用磁通高频谐波对是否发生匝间短路进行诊断，相对于传统方法该方法具有更高的灵敏度(高频谐波来自逆变器，无需额外设备提供)。该方法得出的故障特征值不仅不受电机运行状态变化的影响，还能准确反映故障的严重程度。值得说明的是，在稳态下，永磁同步电机a相发生匝间短路时的等效电路如图1所示(为了简化分析，认为所有短路绕组都在一个线圈内)：忽略铁心饱和的影响，此时电机的电压方程为：其中l是相电感，m是相间互感，u是短路比(u＝n/nf，n是一相绕组总匝数，n是短路匝数)。是永磁体在a相、b相、c相、短路绕组产生的磁链，r是相绕组电阻，rf是短路绕组电阻，v0中性点是零序电压。电机仅存在匝间短路故障时，电机的转子仍是正常的，因此和电机正常运行时相同，并且整理式(0.1)和式(0.2)可得：通常电机由控制器控制，电机三相定子电流是对称的，那么设：式(0.3)可以简化为：求解上式可得：根据电机的对称性，电机正常运行时，短路绕组两端电压为：结合式(0.4)和式(0.5)可知，匝间短路和正常时，故障绕组两端的电压满足：通常，绕组内阻远小于绕组的电抗，忽略绕组内阻上式可以进一步简化为：对于集中绕组电机，故障处定子齿上的磁通和故障绕组电压满足：因此，匝间短路和正常时，故障处磁通满足：上式说明发生匝间短路时故障处磁通会有所减小，磁通减小的幅度与短路电阻(rf)和故障绕组电抗(u2jωl)的相对大小有关，u2jωl越大，磁通的变化越明显。对于故障诊断，故障引起的变化越明显，诊断的灵敏性越高。对于相同的故障，频率越高，u2jωl越大，因此可以利用磁通的高频谐波对匝间短路进行诊断。永磁同步电机均是由逆变器供电，电源中本身就存在大量高次谐波，利用这些高频谐波对故障进行判断，可以提高诊断的灵敏度。匝间短路对故障处磁通的影响为：从上式可以看出，匝间短路对故障处磁通的影响和故障参数(rf、u)有关，因此可以利用磁通的变化量对故障程度进行判断。当u2jωl相对rf较小时，匝间短路对故障处磁通的影响近似和u2成正比。对于相同程度的故障，基波频率对应的u2jωl最小，因此可以利用磁通基波分量对故障程度进行判断。2.诊断步骤1)测量定子齿磁通1-1)在永磁同步电机的每一个定子齿上绕制线圈，并对这些线圈依次编号；1-2)同步测量t0至t0+t(t为同步电周期)时间内各线圈上的电压ui(i为线圈编号)、各相电压ua、ub、uc、相电流ia、ib、ic，记录此时电机转速r。1-3)对各线圈电压、各相电压、各相电流进行傅里叶变换，获取它们的基波分量分别记为：获取它们的第2hk-1(hk是载波比)次谐波分量分别记为：获取它们的第2hk+1次谐波分量分别记为：1-4)分别按照下式计算各齿磁通的基波和谐波分量：2)阈值的计算2-1)按照下式计算判定匝间短路的阈值：其中ed是直流母线电压；m为幅值调制度(正弦波幅值与三角载波幅值之比)；j1表示1阶贝塞尔函数；n是一相绕组的总匝数；α是阈值系数，通常可在0.5～0.8范围内取值，该系数取值越大诊断的灵敏度越高，但可靠性越低。3)是否发生故障及故障位置的判定3-1)分别将各齿对应的磁通谐波幅值和阈值th进行对比。如果所有均大于th，则判定电机未发生匝间短路；如果有一个或者多个小于th则判定电机发生匝间短路。3-2)若电机发生匝间短路，则可以判断小于th对应的齿上的线圈发生匝间短路。根据电机绕组的绕制方式，可以确定发生匝间短路的故障相。4)定子齿磁通参考值的获取4-1)按照下式计算n1：其中q是电机定子槽数，m是电机定子绕组相数。4-2)若匝间短路发生在第if号齿，按照下式计算定子齿磁通参考值：其中，θ是相邻两齿相差的电角度。5)故障程度的判定5-1)若电机发生匝间短路，将故障位置对应的磁通基波记为5-2)根据故障相判定结果，将故障相电压基波幅值记为将故障相电压电流谐波幅值分别记为5-2)按照下式计算故障特征值：5-3)根据故障特征值fi的大小，可以对故障的程度进行判断。本发明的优点和有益效果是：1.本发明可用于诊断永磁同步电机匝间短路故障。2.本发明提出利用控制器产生的高频谐波对匝间短路故障进行诊断，该方法无需额外设备注入谐波，相对于传统的诊断方法具有更高的灵敏度。3.通过本发明提出故障特征值算法消除了电机电压和铁心饱和程度变化对结果的影响，这使得诊断结果不受电机工况变化的影响。4.本发明可以准确识别匝间短路发生的位置以及匝间短路故障的严重程度。5.本发明不依赖电机参数。6.本发明无需事先获取电机正常运行时的参考值。附图说明图1匝间短路等效电路；图2不同工况下定子齿谐波分量；图3不同工况下的fi。具体实施方式下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。利用有限元仿真软件，对正常工况及不同情况下的匝间短路故障进行了仿真计算。仿真的工况如表1所示。表1仿真计算工况序号负载转矩/nm转速/rpm故障工况1503000无工况25030002匝0.1ω匝间短路工况35030002匝0.05ω匝间短路工况42530002匝0.1ω匝间短路工况57530002匝0.1ω匝间短路工况65020002匝0.1ω匝间短路各状态下，定子齿磁通谐波分量和对应的阈值(虚线)分别如图2所示。计算阈值时取阈值系数α＝0.7。从图2可以看出，电机正常运行时所有齿对应的磁通谐波均大于阈值。在不同的转矩、转速和故障电阻下，发生匝间短路处的磁通谐波分量都远小于阈值，而其他位置的磁通谐波均大于阈值。根据故障判断的方法可以轻易的判定出匝间短路故障以及故障发生的位置。不同情况下的故障特征值fi如图3所示：从图3(a)可以看出，在短路电导较小的时候，fi和短路电导成正比，这说明此时fi和故障程度关系线性，根据fi的大小可以较准确的判断故障程度。从图3(b)和图3(c)可以看出，不同的负载转矩、转速下，相同的故障对应的fi大小基本不变，说明诊断结果不受电机运行状态变化的影响。当前第1页12