永磁同步电机匝间短路故障初期检测方法、系统及介质技术方案

本发明专利技术公开了一种永磁同步电机匝间短路故障初期检测方法、系统、介质及设备，属于电机故障检测技术领域，此方法包括步骤：1）获取永磁同步电机三相定子电流信号和转子转速信号；2）根据诊断周期内的永磁同步电机转子转速信号，计算出故障特征谐波分量所在的频带范围；3）对永磁同步电机的定子绕组三相电流信号进行连续小波变换处理，将变换结果中处于故障特征谐波分量所在的频带范围之外的小波系数置零并重构，得到重构结果；4）对重构结果进行同步压缩小波变换，重新构造时频分布，得到时频结构；5）基于时频结构进行故障检测。本发明专利技术具有计算量小、检测精度高、适用范围广等优点。

【技术实现步骤摘要】
永磁同步电机匝间短路故障初期检测方法、系统及介质
本专利技术主要涉及电机控制
，具体涉及一种永磁同步电机匝间短路故障初期检测方法、系统、介质及设备。
技术介绍
随着轨道交通、新能源汽车、风力发电等产业的发展，永磁同步电机由于其高效率、高功率密度和高转矩密度的优势，得到越来越广泛的使用。开展永磁同步电机的故障检测方法研究对于提高驱动系统可靠性、降低维护成本具有重要意义。永磁同步电机中常见的电气故障有定子绕组匝间短路、永磁体永久性退磁、绕组开路、接地短路等，其中占比最高的就是匝间短路故障。电机运行工况复杂多变，频繁工作在过热、过压、冲击、潮湿环境下都可能导致匝间短路故障。该故障的最初形式是定子绕组中相邻两匝线圈之间的绝缘效果退化，产生局部短路现象，短路电流会在故障位置产生高温，导致绝缘效果的进一步退化，即绝缘电阻进一步降低，因而产生更大的短路电流和更高的温度。因此，永磁同步电机一旦出现匝间短路故障，若不能及时发现并采取措施，故障程度在极端工况下会迅速加剧，并随即引发相间短路、永久性退磁等其他类型故障。上述问题都会使电机的性能显著下降，甚至导致电机彻底失去转矩输出能力，给系统及人员安全带来巨大隐患。因此，通过开展永磁同步电机匝间短路故障初期检测方法的研究，实现绝缘电阻恶化程度的持续监测，提高故障识别率，降低故障引起的电机性能损失，并为开展电机故障下的容错控制提供指导。永磁同步电机匝间短路故障是由于定子绕组相邻线圈之间绝缘损坏导致的，针对初期故障的传统诊断方法多是基于不同短路匝数的检测。实际上，故障初期往往是相邻两匝之间绝缘效果不断恶化，短路电流随之增大，只有当绝缘性能退化到一定程度后才会导致更多匝数的短路。因此，本专利技术提出了基于相邻线圈之间剩余绝缘能力的初期故障检测方法。目前对于永磁同步电机匝间短路故障检测的具体方法可划分为三类，基于模型的方法、基于数据驱动的方法和基于信号处理的方法。基于模型的故障检测方法的主要思想是首先建立正常电机的数学模型，在相同输入情况下，通过检验模型输出和实际系统输出的一致性进行故障判定。虽然该方法能够根据测量到的输出差异检测出故障的发生，但实际中为避免故障误报，阈值设置相对较高，而匝间短路初期故障特征本身就极其微弱，因此导致该方法很难实现故障初期的检测。除此之外，基于模型的方法也不能实现故障发展情况的持续观测，且高度依赖于电机模型的准确性，因此目前基于模型的检测方法已较少使用。基于数据驱动的方法使用了人工神经网络、模糊逻辑系统、模式识别等人工智能工具，对所提供的历史故障数据进行训练学习，提取数据中与故障相关的隐藏信息构建模型，进而利用实际运行数据实现故障检测。该方法能实现不同故障程度的检测，且保证了较高的诊断精度，但获取匝间短路初期不同绝缘电阻情况下的故障数据存在较大困难。基于信号处理的方法使用信号处理算法从电流、电压等信号中分离出匝间短路故障相关的特定谐波分量，通过对比分析正常电机的相应谐波做出故障判定。由于传感器直接采集的电机信号具有复杂多变、非平稳特点，因此基于信号处理的方法主要采用了自适应模式分解和时频分析两类方法。自适应模式分解根据信号的局部变化特征，将信号分解为多个单分量，通过分析其幅值、频率及相位等参数，获取故障信息。其中，经验模态分解算法提出较早且使用较多，但该算法存在缺乏数学理论推导、信号中的奇异点容易导致模态混淆、三次样条插值会引起过拟合和欠拟合等问题。针对上述不足提出的集合经验模态分解及局部均值分解等算法虽然部分改善了分解结果，但依然存在模态混淆问题。除此之外，由于永磁同步电机匝间短路故障初期阶段的故障特征不明显，上述方法往往会导致故障特征进一步削弱甚至丢失。基于时频分析的故障检测方法针对信号真实成分的时变频谱特征，利用时域和频域联合的方式揭示信号中的频率成分及其变化特征。其中基于Wigner-Ville分布的双线性时频方法具有较高的时频分辨率，但对于电机电流这种多分量信号存在严重的交叉项干扰，在此基础上提出的平滑伪Wigner-Ville和Choi-Williams分布虽抑制了大多数交叉项，但不仅降低了时频分辨率、引入新的干扰，还大大增加了计算量。基于小波变换的线性时频表示从根本上避免了交叉项干扰，但受限于海森堡不确定性原理，时域和频域分辨率无法同时达到最佳。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本专利技术提供一种计算量小且检测精度高的永磁同步电机匝间短路故障初期检测方法、系统、介质及设备。为解决上述技术问题，本专利技术提出的技术方案为：一种永磁同步电机匝间短路故障初期检测方法，包括步骤：1）获取永磁同步电机三相定子电流信号和转子转速信号；2）根据诊断周期内的永磁同步电机转子转速信号，计算出故障特征谐波分量所在的频带范围；3）对永磁同步电机的定子绕组三相电流信号进行连续小波变换处理，将变换结果中处于故障特征谐波分量所在的频带范围之外的小波系数置零并重构，得到重构结果；4）对重构结果进行同步压缩小波变换，重新构造时频分布，得到时频结构；5）基于时频结构进行故障检测。作为上述技术方案的进一步改进：步骤4）的具体过程为：对重构结果进行判定，如果该诊断周期内的转子平均角加速度超过设定的阈值，即判定为强调频信号，进行二阶同步压缩小波变换；否则采用一阶同步压缩小波变换，以此获取信号高分辨率的时频结构。一阶同步压缩小波变换过程为：在时间-尺度平面上的任意位置，连续小波变换处理后的结果对应瞬时频率、群时延估计值分别为：(8)(9)通过重新调整瞬时频率轨线，得到新的时间尺度平面上的映射关系：(10)其中，γ为滤波阈值参数；ψ为Morlet小波基函数；*表示复共轭;为偏导数；δ为狄拉克分布函数；通过狄拉克函数，将瞬时频率估计值轨线之外的小波系数置零，得到全新的、能量集中的时频分布。二阶同步压缩小波变换过程为：定义新的调制算子用于计算新的瞬时频率估计值，其中，即一阶瞬时频率的导数如下：(11)定义ε为充分小的数，如果，则项可以忽略；因此对进行泰勒展开得到：(12)将式(10)中的替换为即可得到二阶同步压缩小波变换的时频重排结果。步骤2）的具体过程为：根据一个诊断周期内永磁同步电机机械转速n和磁极对数p计算出其故障特征谐波所处频带的阈值上下限、：(1)。在步骤1）中，定子电流信号为多分量的调幅调频信号：(2)(3)其中，A为谐波幅值；Ф为谐波相位；下标k代表信号中的不同分量。在步骤3）中，对应的连续小波变换处理为：对进行连续小波变换：(4)其中为尺度参数；b为时间平移参数；Ψ为Morlet小波基函数；*表示复共轭。本专利技术还公开了一种永磁同步电机匝间短路故障初期检测系统，包括：第一模块，用于获取永磁同步电机三相定子电流信号和转子转速信本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种永磁同步电机匝间短路故障初期检测方法，其特征在于，包括步骤：/n1）获取永磁同步电机三相定子电流信号和转子转速信号；/n2）根据诊断周期内的永磁同步电机转子转速信号，计算出故障特征谐波分量所在的频带范围；/n3）对永磁同步电机的定子绕组三相电流信号进行连续小波变换处理，将变换结果中处于故障特征谐波分量所在的频带范围之外的小波系数置零并重构，得到重构结果；/n4）对重构结果进行同步压缩小波变换，重新构造时频分布，得到时频结构；/n5）基于时频结构进行故障检测。/n

【技术特征摘要】
1.一种永磁同步电机匝间短路故障初期检测方法，其特征在于，包括步骤：
1）获取永磁同步电机三相定子电流信号和转子转速信号；
2）根据诊断周期内的永磁同步电机转子转速信号，计算出故障特征谐波分量所在的频带范围；
3）对永磁同步电机的定子绕组三相电流信号进行连续小波变换处理，将变换结果中处于故障特征谐波分量所在的频带范围之外的小波系数置零并重构，得到重构结果；
4）对重构结果进行同步压缩小波变换，重新构造时频分布，得到时频结构；
5）基于时频结构进行故障检测。


2.根据权利要求1所述的永磁同步电机匝间短路故障初期检测方法，其特征在于，步骤4）的具体过程为：
对重构结果进行判定，如果该诊断周期内的转子平均角加速度超过设定的阈值，即判定为强调频信号，进行二阶同步压缩小波变换；
否则采用一阶同步压缩小波变换，以此获取信号高分辨率的时频结构。


3.根据权利要求2所述的永磁同步电机匝间短路故障初期检测方法，其特征在于，一阶同步压缩小波变换过程为：
在时间-尺度平面上的任意位置，连续小波变换处理后的结果对应瞬时频率、群时延估计值分别为：

(8)

(9)
通过重新调整瞬时频率轨线，得到新的时间尺度平面上的映射关系：

(10)
其中，γ为滤波阈值参数；ψ为Morlet小波基函数；*表示复共轭;为偏导数；δ为狄拉克分布函数；通过狄拉克函数，将瞬时频率估计值轨线之外的小波系数置零，得到全新的、能量集中的时频分布。


4.根据权利要求3所述的永磁同步电机匝间短路故障初期检测方法，其特征在于，二阶同步压缩小波变换过程为：
定义新的调制算子用于计算新的瞬时频率估计值，其中，即一阶瞬时频率的导数如下：

(11)
定义ε为充分小的数，如果，则项可以忽略；因此对进行泰勒展开得到：

(12)
将式(10)中的替换为即可得到二阶同步压缩小波变换的时频重排结果。

【专利技术属性】
技术研发人员：刘侃，魏东，丁荣军，余康，倪大成，黄庆，李云，陈建明，陈致初，刘鹏飞，
申请(专利权)人：湖南大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43