一种变频电机主绝缘状态在线评估方法技术

本发明专利技术公开了一种变频电机主绝缘状态在线评估方法，首先，通过建立变频电机定子绕组绝缘模型来确定主绝缘与漏电流之间的对应关系。其次，基于漏电流时频域特征对变频电机主绝缘状态进行在线评估，结合漏电流共模和差模谐波识别主绝缘退化程度和位置，利用漏电流初始振荡幅值鉴定退化相。最后，在基于矢量控制的永磁同步电机系统上进行了实验验证。本发明专利技术的有益效果是，能够有效识别电机主绝缘初期退化并精准定位退化位置。化并精准定位退化位置。化并精准定位退化位置。

【技术实现步骤摘要】
一种变频电机主绝缘状态在线评估方法


[0001]专利技术涉及变频电机
，特别是一种变频电机主绝缘状态在线评估方法。

技术介绍

[0002]变频电机已广泛应用于高速铁路、风力发电和工业机械等高运行可靠性需求领域。定子绝缘故障作为电机最严重的故障之一，约占据总故障的30%
‑
40%。因此，为保障电机系统可靠运行，有必要对变频电机的定子绝缘状态进行实时评估。
[0003]传统离线测试方法如绝缘电阻和极化指数测试、交直流电压测试、耗散因数和离线局部放电(partial discharge，PD)测试，已经广泛用于检测电机绝缘状态。但离线方法的监测周期较长，并且待测试电机必须停机处理。为及时发现绝缘退化，避免严重绝缘故障的发生，有必要提出在线绝缘状态评估方法。
[0004]在线局部放电监测是实时监测电机绝缘状况的常用方法之一。然而，该方法易受噪声干扰，并且需要安装特定的PD电流传感器。近年来，基于相电流和漏电流的电机绝缘状态在线监测方法逐渐得到关注。例如：利用暂态相电流的均方根偏差作为定子绕组绝缘状态的监测指标，或者通过调整MOSFET开关速度，进一步研究了dv/dt对相电流均方根偏差值的影响，再或者通过建立电磁线的高频模型来分析暂态相电流振荡特征，并提出一种基于暂态相电流的幅频特性的定子绕组入线端绝缘状态监测方法等。然而，上述的相电流监测方法均需要监测高达MHz的暂态电流，需要安装高精度及高带宽电流传感器。此外，以上方法没有研究退化位置对退化程度的影响。
[0005]电机系统漏电流与绝缘阻抗高度耦合，通过漏电流可以反映电机绕组的绝缘状态。例如现有技术中提出的一种差模漏电流测量方法来监测各相漏电流，并得到主绝缘的等效电阻和电容用以评估绝缘退化程度。差模漏电流测量方法需要三个高灵敏度电流互感器，成本较高，而且需要将电机中性点引出。本领域技术人员还基于共模漏电流和共模电压提出一种电机主绝缘等效电容监测方法。该方法可以监测电机主绝缘退化程度，但未考虑绝缘退化位置的影响。本领域技术人员还提出利用漏电流的时域特性来识别主绝缘的退化状态。然而，该方法不能单独评估绝缘退化程度和位置。此外现有技术中还提出一种基于漏电流的绝缘共模阻抗监测方法，该方法可区分不同绕组位置的绝缘退化，但需监测谐振频率以上的共模漏电流，这对漏电流的监测带宽以及采样频率要求较高。
[0006]为了克服上述缺陷，本领域技术人员需要一种能够改善电机绝缘状态在线评估性能，并降低监测信号带宽和考虑退化位置对退化程度的影响的评估方法。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的是为了解决上述问题，设计了一种变频电机主绝缘状态在线评估方法。
[0008]实现上述目的本专利技术的技术方案为，一种变频电机主绝缘状态在线评估方法，该方法包括如下步骤：
步骤一，在低频段建立了定子绕组主绝缘退化的等效电路模型，采用双重傅里叶积分对定子绕组主绝缘退化的等效电路模型中的三相电压进行谐波分析得到的共模频率和差模频率；步骤二，基于变频电机主绝缘退化的等效电路模型得到漏电流的频域数学表达式和漏电流的时域数学表达式；步骤三，根据漏电流的时域数学表达式和频域数学表达式分别对变频电机主绝缘的退化程度、退化位置及退化相进行在线评估。
[0009]所述步骤一中定子绕组主绝缘退化的等效电路模型为一等效电容和电阻并联电路，它们分别代表电容耦合和介电损耗，U
a,b,c
表示三相电压，R
s
和L
s
分别表示定子电阻和电感，R
g
和C
g
表示主绝缘等效电阻和电容，N点为中性点，D点为主绝缘劣化位置，x表示从入线端到D点的匝数与相绕组匝数之比，将所述三相电压用等效电压源代替，并对三相支路进行合并，得到RLC串联电路，其中k、Z、U
g
分别表示定子阻抗系数、等效电路阻抗和等效对地电压源，电路参数具体表示如下：
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(1)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
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(3)。
[0010]所述步骤一中采用双重傅里叶积分对三相电压进行谐波分析，其中A相电压的傅里叶表达式如下：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)式中E
d
为直流母线电压，ω0为基波角频率，ω
c
为载波角频率（逆变器的开关角频率），α为调制深度，J
k(x)
表示第k阶贝塞尔函数；根据式(3)得到共模频率下的对地等效电压源表达式如下： (5)进一步，结合式(3)及式(5)得到差模频率下的对地等效电压源如下：
ꢀꢀꢀꢀ
(6)由式(5)和式(6)可知，共模对地等效电压U
g,CM
与C相绕组的共模电压相等，且不受退化位置x的影响，但差模对地等效电压U
g,DM 随着退化位置x的增加呈线性减小；根据逆变器的基频频率f0和开关频率f
c
得到的共模频率和差模频率分别如式(7)
和式(8)所示：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)式中m=1,2,3,...，n=0,1,2,...。当n为3的倍数时，f1表示共模频率，否则，f1表示差模频率，当2n+1是3的倍数时，f2表示共模频率，否则，f2表示差模频率。
[0011]所述步骤二中漏电流的频域数学表达式为：
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(9)式中ω=2πf0当f为共模频率时，I
g
表示共模漏电流，否则I
g
表示差模漏电流；所述漏电流的时域数学表达式为：
ꢀꢀ
(10)式中当表示处于上升沿,当表示处于下降沿。
[0012]所述步骤三中对变频电机主绝缘的退化程度的评估是通过共模漏电流来识别，根据式(5)及式(9)得到共模漏电流的数学表达式如下：
ꢀꢀꢀꢀ
(11)式中ω=2mπf
c
，m=1,3,5,
…
；根据式(11)，得到不同绝缘电容和退化位置下的共模漏电流I
g,CM
，I
g,CM
对C
g
高度敏感，但几乎不受退化位置的影响，使用共模漏电流可以识别主绝缘退化程度。
[0013]所述步骤三中对变频电机主绝缘的退化位置的评估是通过结合共模漏电流及差模漏电流进行的，通过式(6)及式(9)得到差模漏电流的数学表达式如下所示：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(12)式中ω=2mπf
c
+2πf0，m=2,4,6,
…
；根据式(12)，得到8050Hz至48050Hz频段内不同绝缘电容和退化位置下的差模漏电流I
g,DM
，I
g,DM
随着x的增加呈线性下降，I
g,DM
不仅与C
g
有关，还受x影响，因此，主绝缘退化位置x可以通过I
g,DM
来识别。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种变频电机主绝缘状态在线评估方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：步骤一，在低频段建立了定子绕组主绝缘退化的等效电路模型，采用双重傅里叶积分对定子绕组主绝缘退化的等效电路模型中的三相电压进行谐波分析得到的共模频率和差模频率；步骤二，基于变频电机主绝缘退化的等效电路模型得到漏电流的频域数学表达式和漏电流的时域数学表达式；步骤三，根据漏电流的时域数学表达式和频域数学表达式分别对变频电机主绝缘的退化程度、退化位置及退化相进行在线评估。2.根据权利要求1所述的一种变频电机主绝缘状态在线评估方法，其特征在于，所述步骤一中定子绕组主绝缘退化的等效电路模型为一等效电容和电阻并联电路，它们分别代表电容耦合和介电损耗，U
a,b,c
表示三相电压，R
s
和L
s
分别表示定子电阻和电感，R
g
和C
g
表示主绝缘等效电阻和电容，N点为中性点，D点为主绝缘劣化位置，x表示从入线端到D点的匝数与相绕组匝数之比，将所述三相电压用等效电压源代替，并对三相支路进行合并，得到RLC串联电路，其中k、Z、U
g
分别表示定子阻抗系数、等效电路阻抗和等效对地电压源，电路参数具体表示如下：
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(1)(2)
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(3)。3.根据权利要求1所述的一种变频电机主绝缘状态在线评估方法，其特征在于，所述步骤一中采用双重傅里叶积分对三相电压进行谐波分析，其中A相电压的傅里叶表达式如下：
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(4)式中E
d
为直流母线电压，ω0为基波角频率，ω
c
为载波角频率（逆变器的开关角频率），α为调制深度，J
k(x)
表示第k阶贝塞尔函数；根据式(3)得到共模频率下的对地等效电压源表达式如下：
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(5)进一步，结合式(3)及式(5)得到差模频率下的对地等效电压源如下：
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(6)由式(5)和式(6)可知，共模对地等效电压U
g,CM
与C相绕组的共模电压相等，且不受退化位置x的影响，但差模对地等效电压U
g,DM 随着退化位置x的增加呈线性减小；根据逆变器的基频频率f0和开关频率f
c
得到的共模频率和差模频率分别如式(7)和式(8)所示：
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(7)
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(8)式中m=1,2,3,...，n=0,1,2,...当n为3的倍...

【专利技术属性】
技术研发人员：牛峰，张超凡，张健，黄少坡，孙庆国，李奎，方攸同，
申请(专利权)人：河北工业大学，
类型：发明
国别省市：