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一种基于磁链观测的永磁同步电机匝间短路故障诊断方法

阅读：623发布：2021-02-27

IPRDB可以提供一种基于磁链观测的永磁同步电机匝间短路故障诊断方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种基于磁链观测的永磁同步电机匝间短路故障诊断方法，包括以下步骤：S1、利用电流模型的磁链观测器估算永磁同步电机的三相相电压：S2、将S1估算得到的三相相电压和三相相电压的参考值进行比较，得到三相相电压的偏差量Δua、Δub、Δuc；S3、判断是否出现匝间短路故障：定义FI＝，若FI＞thr，则诊断出存在定子绕组匝间短路故障；若FI≤thr，则不存在定子绕组匝间短路故障；其中，FI为故障特征量，表示为平均值，thr为阈值。，下面是一种基于磁链观测的永磁同步电机匝间短路故障诊断方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种基于磁链观测的永磁同步电机匝间短路故障诊断方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、利用电流模型的磁链观测器估算永磁同步电机的三相相电压：S2、将S1估算得到的三相相电压和三相相电压的参考值进行比较，得到三相相电压的偏差量Δua、Δub、Δuc；

S3、判断是否出现匝间短路故障：定义FI＝<|Δua|+|Δub|+|Δuc|>，若FI＞thr，则诊断出存在定子绕组匝间短路故障；若FI≤thr，则不存在定子绕组匝间短路故障；其中，FI为故障特征量，<.>表示为平均值，thr为阈值。

2.根据权利要求1所述的基于磁链观测的永磁同步电机匝间短路故障诊断方法，其特征在于，步骤S1中利用电流模型的磁链观测器估算永磁同步电机的三相相电压的方法为：在同步旋转坐标系下定子磁链表示为

ψs＝Lsis+ψPM

式中：Ls＝Ld+jLq，is＝id+jiq；

根据电机的模型，在两相静止坐标下定子磁链表示为

式中：是电机终端电压矢量；忽略定子电阻，估算的电压表示为

根据2/3变换，得到三相相电压：

3.根据权利要求1所述的基于磁链观测的永磁同步电机匝间短路故障诊断方法，其特征在于，步骤S2中求三相相电压的偏差量Δua、Δub、Δuc的方法为根据以下公式计算：

式中：ea、eb、ec是永磁同步电机的三相反电动势，Rs是定子绕组等效电阻，Lcy＝L-M，L是定子绕组自感，M是定子绕组互感，Ra2和La2表示绕组a2的电阻和自感，Mij(i、j＝a1,a2,b,c)表示绕组i和j之间的互感。

说明书全文

一种基于磁链观测的永磁同步电机匝间短路故障诊断方法

技术领域

[0001] 本发明涉及故障诊断技术领域，尤其涉及一种基于磁链观测的永磁同步电机匝间短路故障诊断方法。

背景技术

[0002] 永磁同步电机(Permanent magnet synchronous 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，在电动汽车和风力发电等场合得到了广泛关注和使用。

[0003] 永磁同步电机是有定子、转子和轴承等电气系统和机械系统组成。电机工作时，具有复杂的机电能量转换过程，在长期运行中，受供电情况、负载工况和运行环境的影响，某些部件会逐渐失效或损坏。常见的故障模式有电机振动过大、电机过热、轴承过热、转子/定子线圈短路等。在电机的所有故障中，轴承的故障率为40％，定子的故障率为38％，转子的故障率为10％，其他故障占12％。在定子绕组故障中，以定子绕组匝间短路故障最为常见，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。目前，最常用方法是基于电流、电压和振动信号的分析方法等，利用到的信号分析技术有快速傅里叶变换、短时傅里叶变换、Wigner-Ville分布、小波变换、经验模态分解和阶比分析等；这些信号分析技术的计算量比较大，不易实现在线的故障诊断。

发明内容

[0004] 基于背景技术存在的技术问题，本发明提出了一种基于磁链观测的永磁同步电机匝间短路故障诊断方法。

[0005] 本发明提出的基于磁链观测的永磁同步电机匝间短路故障诊断方法，包括以下步骤：

[0006] S1、利用电流模型的磁链观测器估算永磁同步电机的三相相电压：

[0007] S2、将S1估算得到的三相相电压和三相相电压的参考值进行比较，得到三相相电压的偏差量Δua、Δub、Δuc；

[0008] S3、判断是否出现匝间短路故障：定义FI＝<|Δua|+|Δub|+|Δuc|>，若FI＞thr，则诊断出存在定子绕组匝间短路故障；若FI≤thr，则不存在定子绕组匝间短路故障；其中，FI为故障特征量，<·>表示为平均值，thr为阈值。

[0009] 优选地，步骤S1中利用电流模型的磁链观测器估算永磁同步电机的三相相电压的方法为：

[0010] 在同步旋转坐标系下定子磁链可以表示为

[0011] ψs＝Lsis+ψPM

[0012] 式中：Ls＝Ld+jLq，is＝id+jiq；

[0013] 根据电机的模型，在两相静止坐标下定子磁链可以表示为

[0014]

[0015] 式中：是电机终端电压矢量；忽略定子电阻，估算的电压可以表示为

[0016]

[0017] 根据2/3变换，即得到三相相电压：

[0018]

[0019] 优选地，步骤S2中求出三相相电压的偏差量Δua、Δub、Δuc的方法为：

[0020] 永磁同步电机在正常情况下，且不考虑死区和管压降等因素情况时，在abc坐标系下，定子绕组的三相相电压的参考值方程可以表示如下：

[0021]

[0022] 式中：ea、eb、ec是永磁同步电机的三相反电动势，Rs是定子绕组等效电阻，Lcy＝L-M，L是定子绕组自感，M是定子绕组互感；

[0023] 在正常情况下，

[0024]

[0025] 式中：n＝a、b、c；根据式可知，在正常情况下，参考电压和估算电压的差值可以近似为0；

[0026] 在发生匝间短路的情况下，做以下假设：永磁同步电机的三相绕组的连接方式为Y型，不考虑饱和的影响，认为转子是隐极的，可以得到匝间短路情况的等效电路；一个附加的电阻Rf放在a相中，并且把其分成a1和a2两部分，流过Rf的故障电流称为if；在发生匝间短路的情况下，三相相电压的参考值可表示为：

[0027]

[0028] 式中：Δua、Δub和Δuc为匝间短路故障导致的电压偏差量；

[0029]

[0030] 式中：Ra2和La2表示绕组a2的电阻和自感，Mij(i、j＝a1,a2,b,c)表示绕组i和j之间的互感；

[0031] 根据三相相电压的参考值的公式可以看出，在发生匝间短路的情况下，三相相电压的估算电压与三相相电压的参考电压的差值不再为0，即得出三相相电压的偏差量Δua、Δub、Δuc。

[0032] 本发明利用电流模型的磁链观测器估算出永磁同步电机的三相相电压；再将估算出的三相相电压和三相相电压的参考值进行比较，得出三相相电压的偏差量；定义FI＝<|Δua|+|Δub|+|Δuc|>，根据FI与thr的比较结果判断是否存在定子绕组匝间短路故障。如此，本发明克服了现有技术中，采用的信号分析技术计算量较大而不易实现在线的故障诊断的弊端，可对永磁同步电机是否存在匝间短路故障进行实时检测，避免存在匝间短路故障而影响永磁同步电机的使用寿命，保证了对永磁同步电机匝间短路故障诊断的实时性和可靠性；并且本发明不需要设置额外的传感器来检测永磁同步电机的电压或电流等参数，大大节约了生产成本。

附图说明

[0033] 图1为基于磁链观测的永磁同步电机匝间短路故障示意图；

[0034] 图2为基于磁链观测的永磁同步电机匝间短路故障诊断的过程图。

具体实施方式

[0035] 如图1、图2所示，图1、图2为一种基于磁链观测的永磁同步电机匝间短路故障诊断方法。

[0036] 参照图1、图2，本发明提出的基于磁链观测的永磁同步电机匝间短路故障诊断方法，包括以下步骤：

[0037] S1、利用电流模型的磁链观测器估算永磁同步电机的三相相电压：过程如图2所示；

[0038] 利用电流模型的磁链观测器估算永磁同步电机的三相相电压的方法为：

[0039] 在同步旋转坐标系下定子磁链可以表示为

[0040] ψs＝Lsis+ψPM (1)

[0041] 式中：Ls＝Ld+jLq，is＝id+jiq；

[0042] 根据电机的模型，在两相静止坐标下定子磁链可以表示为

[0043]

[0044] 式中：是电机终端电压矢量。忽略定子电阻，估算的电压可以表示为

[0045]

[0046] 根据2/3变换可以得到三相相电压为

[0047]

[0048] S2、将S1估算得到的三相相电压和三相相电压的参考值进行比较，得到三相相电压的偏差量Δua、Δub、Δuc；

[0049] 在永磁发电机正常情况下，且不考虑死区和管压降等因素情况下，在abc坐标系下，定子绕组的三相参考电压方程可以表示如下

[0050]

[0051] 式中：ea、eb、ec是发电机的三相反电动势，Rs是定子绕组等效电阻，Lcy＝L-M，L是定子绕组自感，M是定子绕组互感。

[0052] 在正常情况下

[0053]

[0054] 式中：n＝a,b,c。根据式(6)，意味着在正常情况下，参考电压和估算电压的差值可以近似为0。

[0055] 在发生匝间短路的情况下，做以下假设：永磁同步电机的三相绕组的连接方式为Y型，不考虑饱和的影响，认为转子是隐极的，可以得到匝间短路情况的等效电路如图2所示。一个附加的电阻Rf放在a相中，并且把其分成a1和a2两部分，流过Rf的故障电流称为if，如图
1所示。在发生匝间短路的情况下，三相相电压的参考值可表示为

[0056]

[0057] 式中：Δua、Δub和Δuc为匝间短路故障导致的电压偏差量。

[0058]

[0059] 式中：Ra2和La2表示绕组a2的电阻和自感，Mij(i、j＝a1,a2,b,c)表示绕组i和j之间的互感；

[0060] 根据式(7)可以看出，在发生匝间短路的情况下，三相相电压的估算电压与三相相电压的参考电压的差值不再为0，近似表示为式(8)。

[0061] S3、判断是否出现匝间短路故障：定义FI＝<|Δua|+|Δub|+|Δuc|>，若FI＞thr，则诊断出存在定子绕组匝间短路故障；若FI≤thr，则不存在定子绕组匝间短路故障；其中，FI为故障特征量，<·>表示为平均值，thr为阈值。

[0062] 利用得到的三个偏差电压信号定义故障特征量为

[0063] FI＝<|Δua|+|Δub|+|Δuc|> (9)

[0064] 式中：FI表示为故障特征量，其中<·>表示为平均值。

[0065] 若FI＞thr，则诊断存在定子绕组匝间短路故障，否则，不存在定子绕组匝间短路故障。其中，thr是阈值。

[0066] 利用本发明提出的方法，克服了现有技术中，采用的信号分析技术计算量较大而不易实现在线的故障诊断的弊端，可对永磁同步电机是否存在匝间短路故障进行实时检测，避免存在匝间短路故障而影响永磁同步电机的使用寿命，保证了对永磁同步电机匝间短路故障诊断的实时性和可靠性；并且本发明不需要设置额外的传感器来检测永磁同步电机的电压或电流等参数，大大节约了生产成本。

[0067] 以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

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