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一种三角形接法的永磁同步电机匝间短路故障诊断的方法

阅读：317发布：2021-02-28

IPRDB可以提供一种三角形接法的永磁同步电机匝间短路故障诊断的方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种三角形接法的永磁同步电机匝间短路故障诊断的方法，用于解决三角形接法的永磁同步电机定子绕组匝间短路故障的检测问题。其技术方案是：首先，计算幅值和相位：利用坐标变换理论计算零序电流中基波幅值和初相位、零序电流中三次谐波的幅值和三相相电流基波的初相位。其次，判断是否出现匝间短路故障：如果Fs>thr，则出现了匝间短路故障；否则，没有出现匝间短路故障。最后，判断故障相：在匝间短路的情况下，根据零序电流中基波的初相位和三相相电流基波的初相位的差诊断故障相。本发明不需要额外的传感器，计算简单，易于实现，可以实时地诊断匝间短路故障。，下面是一种三角形接法的永磁同步电机匝间短路故障诊断的方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种三角形接法的永磁同步电机匝间短路故障诊断的方法，其特征在于：包括如下步骤：(1)利用坐标变换理论计算永磁同步电机零序电流izsc中基波幅值I1和初相位θ1、零序电流中三次谐波的幅值I3以及三相相电流基波的初相位θa，θb，θc；

(2)判断是否出现匝间短路故障：定义若Fs＞thr，则表示出现了匝间短路故障；

若Fs≤thr，则表示没有出现匝间短路故障；其中thr为阈值；

(3)判断故障相：在出现匝间短路的情况下，根据零序电流izsc中基波的初相位θ1和三相相电流基波的初相位θa，θb，θc的差来判断故障相：如果|θ1-θa|<θthr，则a相绕组发生匝间短路，即令FlagA＝1；如果|θ1-θb|<θthr，则b相绕组发生匝间短路，即令FlagB=1；如果|θ1-θc|<θthr，则c相绕组发生匝间短路，即令FlagC=1；其中θthr为阈值。

2.根据权利要求1所述的一种三角形接法的永磁同步电机匝间短路故障诊断的方法，其特征在于：所述步骤(1)利用坐标变换理论计算零序电流izsc中基波幅值I1和初相θ1的具体步骤为：假设在故障情况下izsc表示为

izsc=I1sin(θ+θ1)+I3sin(3θ+φ) (1)式中：I1是零序电流中基波幅值，I3是零序电流中三次谐波的幅值，θ1和φ分别为基波和三次谐波的初相位，θ为永磁同步电机的转子电角度；

利用坐标变换理论对式(1)进行变换，得到d轴和q轴的电流分量Id和Iq为对式(2)作进一步的运算可得

利用低通滤波器滤除式(3)中高频成分，可得

根据式(4)可得，零序电流izsc中基波的幅值和初相位分别为

3.根据权利要求1所述的一种三角形接法的永磁同步电机匝间短路故障诊断的方法，其特征在于：所述阈值thr的确定方法为：首先在永磁同步电机正常工作情况下，记录下所述Fs在不同工作点的值，然后将该值设置为阈值thr，最后把这些设定好的阈值保存在表格中，在故障诊断的时候进行调用。

4.根据权利要求1所述的一种三角形接法的永磁同步电机匝间短路故障诊断的方法，其特征在于：所述阈值θthr设置为20度。

说明书全文

一种三角形接法的永磁同步电机匝间短路故障诊断的方法

技术领域

[0001] 本发明属于故障诊断技术领域，尤其是一种三角形接法的永磁同步电机匝间短路故障诊断的方法。

背景技术

[0002] 永磁同步电机Permanent magnetsynchronous machine，PMSM)具有功率密度高、效率高、转矩惯量比大、调速范围宽等优点。近年来，在风力发电、升降机驱动等大功率以及电动汽车和数控机床等高性能应用场合得到了广泛关注和使用。

[0003] 永磁同步电机在长期运行中，受负载工况和运行环境的影响，某些部件会逐渐失效或损坏。它的典型故障部件包括定子绕组、变换器、电机轴承以及控制系统的关键传感器等，其中电机中38％的故障是由定子绕组引起的。在定子绕组故障中，匝间短路故障最为常见。当电机的定子绕组发生匝间短路会在短路回路中产生大量的涡流，如果这种故障在初期没有被检测到，故障就会加重，就会导致接地短路或相与相之间的短路，使电机的温度不断增加，最后导致电机完全损坏。因此，需要及时地诊断永磁同步电机的匝间短路故障。

[0004] 目前，已经提出了一些方法来诊断永磁同步电机的匝间短路故障，如利用定子电流中的三次谐波法，零序电压法等。但是现有方法存在一定的不足，一方面是现有方法大都针对星型连接的永磁同步电机，不太适合于三角形连接的永磁同步电机。另一方面现有方法所采用信号分析技术有快速傅里叶变换(Fast Fourier Transform，FFT)、短时傅里叶变换(Short-Time Fourier Transform，STFT)、Wigner-Ville分布(Wigner-Ville Distribution，WVD)、小波变换、经验模态分解(Empirical Mode Distribution，EMD)和阶比分析等，这些技术的计算量比较大，不易进行实时地故障诊断。另外，现有方法大都不能判断出匝间短路的故障相。

发明内容

[0005] 发明目的：针对上述现有技术的不足，本发明了提供一种三角形接法的永磁同步电机匝间短路故障诊断的方法，能够实时地诊断三角形接法的永磁同步电机匝间短路故障并确定故障相。

[0006] 技术方案：为实现上述目的，本发明采用的方案为：

[0007] 一种三角形接法的永磁同步电机匝间短路故障诊断的方法，包括如下步骤：

[0008] (1)利用坐标变换理论计算永磁同步电机零序电流izsc中基波幅值I1和初相位θ1、零序电流中三次谐波的幅值I3以及三相相电流基波的初相位θa，θb，θc；

[0009] (2)判断是否出现匝间短路故障：定义若Fs>thr，则表示出现了匝间短路故障；若Fs≤thr，则表示没有出现匝间短路故障；其中thr为阈值；

[0010] (3)判断故障相：在出现匝间短路的情况下，根据零序电流izsc中基波的初相位θ1和三相相电流基波的初相位θa，θb，θc的差来判断故障相：如果|θ1-θa|<θthr，则a相绕组发生匝间短路，即令FlagA＝1；如果|θ1-θb|<θthr，则b相绕组发生匝间短路，即令FlagB=1；如果|θ1-θc|<θthr，则c相绕组发生匝间短路，即令FlagC=1；其中θthr为阈值。

[0011] 2.根据权利要求1所述的一种三角形接法的永磁同步电机匝间短路故障诊断的方法，其特征在于：所述步骤(1)利用坐标变换理论计算计算零序电流izsc中基波幅值I1和初相θ1的具体步骤为：

[0012] 假设在故障情况下izsc表示为

[0013] izsc=I1sin(θ+θ1)+I3sin(3θ+φ) (1)

[0014] 式中：I1是零序电流中基波幅值，I3是零序电流中三次谐波的幅值，θ1和φ分别为基波和三次谐波的初相位，θ为永磁同步电机的转子电角度；

[0015] 利用坐标变换理论对式(1)进行变换，得到d轴和q轴的电流分量Id和Iq为

[0016]

[0017] 对式(2)作进一步的运算可得

[0018]

[0019] 利用低通滤波器滤除式(3)中高频成分，可得

[0020]

[0021] 根据式(4)可得，零序电流izsx中基波的幅值和初相位分别为

[0022]

[0023] 进一步的，所述阈值thr的确定方法为：首先在永磁同步电机正常工作情况下，记录下所述Fs在不同工作点的值，然后将该值设置为阈值thr，最后把这些设定好的阈值保存在表格中，在故障诊断的时候进行调用。

[0024] 进一步的，所述阈值θthr设置为20度。

[0025] 有益效果：本发明提供的一种三角形接法的永磁同步电机匝间短路故障诊断的方法，不仅能够实时地诊断匝间短路故障，而且能够诊断故障相；在故障诊断过程中，计算量小，易于实现在线诊断，能够克服现有诊断方法的不足；提高诊断的实时性、有效性和可靠性。

附图说明

[0026] 图1为三角形接法的永磁同步电机匝间短路等效图；

[0027] 图2为匝间短路故障诊断方法流程图；

[0028] 图3为永磁同步电机在矢量控制情况下匝间短路故障诊断方法框图。

具体实施方式

[0029] 下面结合附图对本发明做更进一步的解释。

[0030] 一种三角形接法的永磁同步电机匝间短路故障诊断的方法，包括如下步骤：

[0031] (1)利用坐标变换理论计算零序电流中基波幅值I1和初相位θ1、零序电流中三次谐波的幅值I3，三相相电流基波的初相位θa，θb，θc；

[0032] (2)判断是否出现匝间短路故障：定义如果Fs>thr，则表示出现了匝间短路故障；若Fs≤thr，则表示没有出现匝间短路故障；其中thr为阈值。

[0033] (3)判断故障相：在出现匝间短路的情况下，根据零序电流izsc中基波的初相位θ1和三相相电流基波的初相位θa，θb，θc的差来判断故障相：如果|θ1-θa|<θthr，则a相绕组发生匝间短路，即令FlagA＝1；如果|θ1-θb|<θthr，则b相绕组发生匝间短路，即令FlagB=1；如果|θ1-θc|<θthr，则c相绕组发生匝间短路，即令FlagC=1；其中θthr为阈值。

[0034] 下面以三角形接法的永磁同步电机a相发生匝间短路为例对本方法进行说明：

[0035] (1)根据图1，永磁发电机a相发生匝间短路故障的情况下，定子绕组的相电压方程在abc坐标系下表示为

[0036]

[0037] 式中：

[0038] [Vsf，abd]＝[Vas Vbs Vcs 0]t，[isf，abc]＝[ias ibs ics if]t，Vas、Vbs、Vcs分别为a、b、c三相定子绕组的相电压，ias、ibs、ics分别为a、b、c三相定子绕组的相电流，μ是a相绕组短路匝数比，if是短路回路电流，Rf是短路电阻，Rs是定子电阻，L是自感，M是互感，λPM，a，λPM，b，λPM，c，λPM，f分别是a、b、c三相定子绕组和短路回路的永磁磁链，其表示为[0039]

[0040] 式中：λPM，1是基波磁链的幅值，v是谐波次数，λPM，v是v次谐波磁链的幅值，θ是转子电角度，θv是v次谐波磁链和基波磁链之间的角度，k是一个正整数。

[0041] 根据基尔霍夫电压(KVL)原理可知，三角形接法的永磁同步电机中三相相电压(线电压)的之和恒等于零，即

[0042] Vas+Vbs+Vcs=0 (8)

[0043] 将式(6)带入(8)可得

[0044]

[0045] 定义零序电流为

[0046] izsc=ias+ibs+ics (10)

[0047] 将式(10)带入(9)中可得

[0048]

[0049] 将式(11)变换为

[0050]

[0051] 将式(7)带入式(12)可得

[0052]

[0053] 式中：

[0054] 根据式(13)可知，在PMSM正常情况下，if为0，零序电流izsc只取决于λPM,0的微分。因此，零序电流izsc中只有三次谐波和其奇数倍次谐波。然而，当PMSM出现匝间短路故障，零序电流izsc不仅受λPM,0的微分的影响，更重要地是受短路电流if的影响。在这种情况下，零序电流izsc中除了有三次谐波和其奇数倍次谐波，还有幅值较大的基波，5次和7次等奇数次谐波等。因此，可以利用零序电流izsc的基波成分来诊断匝间短路故障。

[0055] (2)短路电流if

[0056] 忽略高次谐波，短路电流if表示为

[0057]

[0058] 式中：If是短路电流的幅值，是短路电流的初相位，是由发生的故障相等因素决定的。本发明考虑A相发生匝间短路故障，因此，在理想情况下，与A相电流的初相位基本是一致的。

[0059] 为了方便分析，不考虑式(13)中等号右边的微分量，那么将式(14)带入式(13)，可得

[0060]

[0061] 式中：ωs是基波角频率，δ=tan-1(μωsIf(L+2M)／(μRsIf))=tan-1(ωs(L+2M)／Rs)，[0062]

[0063] 为了方便分析，进行以下变换

[0064]

[0065] 即

[0066]

[0067] 在式(17)中将θ看成自变量，izsc看成因变量，那么式(17)就是一阶常系数非齐次线性微分方程，通过求解式(17)可得

[0068]

[0069] 式中：C为任意常数。

[0070] 将式(18)化简为

[0071]

[0072] 式中： γ=tan-1(-ωs(L+2M)／Rs)=-tan-1(ωs(L+2M)／Rs)。

[0073] 当θ趋向于无穷大时，式(19)变为

[0074]

[0075] 将A和B的表达式代入(20)，可得

[0076]

[0077] 根据δ和γ在式(15)和(19)中的表达式，式(21)化简为

[0078] izsc=uIfsin(θ+φ) (22)

[0079] 从式(22)可以看出零序电流izsc中基波的初相位与短路电流的初相位的一样，也即是零序电流izsc中基波的初相位与A相电流中基波的初相位差是一样的。

[0080] (3)利用坐标变换理论提取零序电流izsc中基波的幅值和初相位，三次谐波的幅值和三相相电流基波的初相位。

[0081] 以计算零序电流izsc中基波幅值和初相位为例。为了方便分析，本发明只考虑基波和三次谐波，假设在故障情况下izsc表示为

[0082] izsc＝I1sin(θ+θ１)+Ｉ3sin(3θ+φ） (23)

[0083] 式中：Ｉ１是零序电流中基波幅值，I3是零序电流中三次谐波的幅值，θ１和φ分别为基波和三次谐波的初相位。

[0084] 利用坐标变换理论对式(23)进行变换，可得d轴和q轴的电流分量Id和Iq为

[0085]

[0086] 对式(24)作进一步的运算可得

[0087]

[0088] 利用低通滤波器滤除式(25)中高频成分，可得

[0089]

[0090] 式中：Idl和Iql分别为d轴和q轴电流的直流分量。

[0091] 根据式(26)可得，零序电流izsc中基波的幅值和初相位分别为

[0092]

[0093] 此外，利用类似的方法可以提取izsc中三次谐波的幅值和三相相电流基波的初相位。

[0094] (4)故障诊断方法

[0095] 为了量化地表示故障程度，定义系数Fs

[0096]

[0097] 式中：I1为izsc中基波的幅值，I3为izsc中三次谐波的幅值。

[0098] 故障诊断流程如图2所示，图中θthr为阈值。分成三个步骤：首先，利用坐标变换理论提取izsc中基波的幅值I1和相位θ1、三次谐波的幅值I3和三相相电流基波的初相位θa，θb，θc。其次，判断是否出现匝间短路故障：如果Fs>thr(thr为阈值)，则出现了匝间短路故障，并且判断故障相；否则，没有出现匝间短路故障。最后，判断故障相：在匝间短路的情况下，根据izsc中基波的初相位和三相相电流基波的初相位的差来判断故障相。如果|θ1-θa|<θthr，则a相绕组发生匝间短路，即令FlagA=1；如果|θ1-θb|<θthr，则b相绕组发生匝间短路，即令FlagB=1；如果|θ1-θc|<θthr，则c相绕组发生匝间短路，即令FlagC=1。图3为三角形接法的永磁同步电机在矢量控制情况下匝间短路故障诊断方法的框图。

[0099] 对于阈值thr，首先在永磁同步电机正常工作情况下，记录下Fs在不同工作点(转速和负载)的值，然后将其设置为阈值thr，最后把这些设定好的阈值保存在表格中，在故障诊断的时候进行调用。对于阈值θthr的确定，主要受永磁同步电机功率因素角的影响，一般情况下其功率因素可以达到0.9以上，考虑到留一定的裕量，将阈值θthr设置为20。

[0100] 利用本发明提出的方法，能有效地诊断三角形接法的永磁同步电机的匝间短路故障。本发明不仅能够实时地诊断匝间短路故障，而且能够诊断故障相；在故障诊断过程中，计算量小，能够克服现有诊断方法的不足，是一种能够有效提高永磁同步电机安全、可靠性的故障诊断方法。

[0101] 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。

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