一种变频器驱动内嵌式永磁同步电机定子匝间短路故障诊断方法技术

本发明专利技术公开一种变频器驱动的内嵌式永磁电机定子匝间短路故障诊断方法，该方法利用运行中电机电流信号与控制器内部信号，实现匝间短路故障检测及程度判断。首先，通过选择合适的逆变器开关信号作为检测激励源，无需注入附加高频信号，避免高频注入检测方法引入的附加损耗，同时增强早期故障的检测可靠性。其次，通过对三相电流进行旋转坐标变换，将三相坐标系下的开关电流谐波变换到旋转坐标系下，有效解耦电机的凸极性干扰因素。最后，通过频域多点插值提取算法并综合利用多重故障特征信息，有效避免噪声干扰及频谱泄露对检测结果造成的影响。本方法应用范围广、故障检测效果好、识别精度高，可实时地诊断定子匝间短路故障，并给出故障程度指标。

【技术实现步骤摘要】
一种变频器驱动内嵌式永磁同步电机定子匝间短路故障诊断方法
本专利技术涉及故障诊断
，特别涉及一种内嵌式永磁电机定子匝间短路故障诊断的方法。
技术介绍
随着工业领域对高功率密度、大转矩能量转换设备的需求逐渐增加，永磁同步电机的应用程度逐渐增加。由于稀土永磁体的引入使得该类型电机具有较高的功率密度，相同体积下能够提高输出转矩能力。同时，内嵌式结构具有明显的转子凸极性，可以进一步增加输出转矩能力。另外，此类电机具有动态性能好、控制方式易实现等优点。包括机车牵引、风力发电设备、工业机床自动化等应用领域近年来大量使用了此类电机。然而，运行中的永磁电机定子绕组会承受来自温度、湿度、腐蚀、振动等多方面的压力。以风力设备为例，其通常位于较为偏远的内陆或沿海地区，电机处于高风沙或强湿度环境中，极易引起绕组局部过热、绝缘性能退化等问题。而人工例行巡检成本较高、时间间隔长，因此永磁电机绝缘系统的自动化故障诊断具有重要意义。为了避免故障程度恶化导致电机损坏及系统停工，需要在初期检测并给出故障程度，业界内通常认为严重的定子故障由定子匝间短路开始。常见的“负序电流检测法”利用电流传感器检测电机电流负序信号，并使用微处理器对数据进行实时分析，从而实现检测与诊断。然而，此类检测方法极易受到低频参数变化的影响，可能导致故障误判，影响设备正常运行。部分工业现场采用注入附加高频激励的方法，以此避免来自参数变化的干扰。但是此类方法会增加逆变器的开关次数，从而导致系统噪声与损耗的明显增加，不利于长时间在线运行。近年来，通过分析电流中逆变器自身开关谐波随故障的变化趋势，进而实现故障诊断的“逆变器开关谐波检测法”逐渐得到关注。此方法无需附加高频注入，从而避免了开关损耗的增加。然而，由于内嵌式永磁电机具有明显的转子凸极性，导致故障特征频率分散、幅值降低，增加了故障检测难度。同时，由于缺少开关频段的内嵌式永磁电机故障模型，很难实现变频调速中各种工况下故障指标的统一。综上所述，本专利技术公开一种变频器驱动的内嵌式永磁电机定子匝间短路故障诊断方法，该方法无需电机参数信息、无需修改电机系统结构，仅利用运行中电机电流信号与控制器内部信号，实现匝间短路故障检测及程度判断。首先，通过选择合适的逆变器开关信号作为检测激励源，具有较高的早期故障检测可靠性，且无需注入附加高频信号。其次，通过对三相电流进行旋转坐标变换，在旋转坐标系下分析提取电流开关特征谐波，有效抑制电机转子的凸极性干扰。最后，通过频域多点插值提取算法并综合利用多重故障特征信息，可以有效避免噪声干扰及频谱泄露对检测结果造成的影响。
技术实现思路
本专利技术公开一种变频器驱动的内嵌式永磁电机定子匝间短路故障诊断方法，该方法计算简单、易于实现，无需电机参数信息、无需修改电机系统结构，仅利用运行中电机电流信号与控制器内部信号，实现匝间短路故障检测及程度判断。首先，通过选择合适的逆变器开关信号作为检测激励源，无需注入附加高频信号，从而避免高频注入检测方法引入的附加损耗，同时增强早期故障的检测可靠性。其次，通过对三相电流进行旋转坐标变换，将三相坐标系下的开关电流谐波变换到旋转坐标系下，有效解耦电机的凸极性干扰因素。最后，通过频域多点插值提取算法并综合利用多重故障特征信息，可以有效避免噪声干扰及频谱泄露对检测结果造成的影响。本方法应用范围广、故障检测效果好、识别精度高，可以实时地诊断定子匝间短路故障，并给出故障程度指标。本专利技术是通过以下技术方案实现的：一种变频器驱动内嵌式永磁同步电机定子匝间短路故障诊断方法，包括以下步骤：(1)采集内嵌式永磁电机三相电流ia、ib、ic。其中，采样频率为fs，满足fs>6fc，fc为逆变器载波频率；采样通路中的前置滤波器的频率大于3fc、小于fs的奈奎斯特频率。(2)采集控制器信号，包括调制比信号M、直流母线电压udc、同步信号sα＝cosθr、sβ＝sinθr，θr为转子角度。其中，采样频率为fs，采样通路中的前置滤波器的频率大于3f1N、小于fs的奈奎斯特频率，f1N为电机额定情况下的基波频率。(3)构建电流旋转矢量同步信号旋转矢量其中，e为自然常数，j为虚部单位。(4)进行复数信号坐标变换，并分别取变换结果的实部、虚部：其中，经过复数坐标变换后的电流矢量，id、iq为变换后的d、q轴电流，Re[]为取实部操作，Im[]为取虚部操作，[]*为取共轭操作。(5)提取d轴电流中2fc的左边频和右边的幅值，提取目标频率为fh，f1为基波频率；对id做汉宁窗离散傅里叶变换，取变换后频率范围[fh-1Hz,fh+1Hz]内最大点L的幅值|X(L)|以及最大值点两侧L-1、L+1的值|X(L-1)|、|X(L+1)|。计算偏差频率变量Δ：其中，|X()|为id傅里叶变换后频谱幅值。可以得到如下d轴电流中目标频率fh的谐波幅值A：由此，分别得到左边频的谐波幅值Id2L和右边频的谐波幅值Id2H。(6)按照步骤5所述的方法，得到q轴电流中左边频的谐波幅值Iq2L和右边频的谐波幅值Iq2H(7)根据步骤5和步骤6得到的谐波幅值，得到评价指数FI：其中，J1为第1阶贝塞尔函数，M为调制比信号，udc为直流母线电压。(8)将计算得到的评价指数FI与正常情况下的评价指数FI0相比较，若FI大于FI0，即表示故障存在。本专利技术的有益效果是，该方法计算简单、易于实现、鲁棒性高，无需电机参数信息。通过选择合适的逆变器开关信号作为检测激励源，具有较高的早期故障检测可靠性，且无需注入附加高频信号。通过对三相电流进行旋转坐标变换，在旋转坐标系下分析提取电流开关特征谐波，有效抑制电机转子的凸极性干扰。通过频域多点插值提取算法并综合利用多重故障特征信息，可以有效避免噪声干扰及频谱泄露对检测结果造成的影响。应用范围广、动态效果好、识别精度高，可以实时地诊断内嵌式永磁电机定子匝间短路故障，并给出故障程度。附图说明图1为本方案内嵌式永磁电机匝间短路故障诊断连接示意图；图2为内嵌式永磁电机匝间短路故障示意图；图3为本方案信号提取流程图；图4为本方案内嵌式永磁电机匝间短路故障诊断实施流程图。图5为本方案内嵌式永磁电机匝间短路故障评价指数实验测试曲线。具体实施方式实施例1本实施例以一台15kW三相内嵌式永磁电机A相发生匝间短路为例，推导一般化高频激励的故障计算模型。常见的永磁电机d、q轴模型可以描述为：其中，ud、uq表示d、q轴电压，id、iq表示d、q轴电流，Rd、Rq分别d、q轴定子电阻，Ld、Lq表示d、q轴定子电感，ωr表示转子旋转角频率，ψm表示永磁体磁链幅值，p＝d/dt表示时间微分算子。当电机处于高频激励情况下，可以忽略(1)中包含ωr的项及铜耗电阻，考虑稳态情况,时间微分算子可以替换为p＝jωh，有：其中，j为虚部单位，ωh为高频激励角频率。根据上式，可以将正常高频情况下的永磁电机A、B、C三相绕组等效为d、q轴两个方向的等效绕组。如图1所示，以A相发生短路为例，此时高频故障电感模型可以描述为：其中，μ表示短路匝数与故障相绕组的比例系数，ia、ib、ic为A、B、C相电流，if为短路点流经电流，ua1、ub、uc为A、B、C正常部分绕组端电压，ua2为被短路部分端电压。Laa、Lbb、Lcc为A、B、C本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种变频器驱动内嵌式永磁同步电机定子匝间短路故障诊断方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)采集内嵌式永磁电机三相电流i

【技术特征摘要】
1.一种变频器驱动内嵌式永磁同步电机定子匝间短路故障诊断方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)采集内嵌式永磁电机三相电流ia、ib、ic。其中，采样频率为fs，满足fs>6fc，fc为逆变器载波频率；采样通路中的前置滤波器的频率大于3fc、小于fs的奈奎斯特频率。(2)采集控制器信号，包括调制比信号M、直流母线电压udc、同步信号sα＝cosθr、sβ＝sinθr，θr为转子角度。其中，采样频率为fs，采样通路中的前置滤波器的频率大于3f1N、小于fs的奈奎斯特频率，f1N为电机额定情况下的基波频率。(3)构建电流旋转矢量同步信号旋转矢量其中，e为自然常数，j为虚部单位。(4)进行复数信号坐标变换，并分别取变换结果的实部、虚部：其中，经过复数坐标变换后的电流矢量，id、iq为变换后的d、q轴电流，Re[]为取实部操...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄进，刘赫，叶明，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33