本發(fā)明涉及電機(jī)故障診斷技術(shù)。
背景技術(shù)：
：永磁同步電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無電刷和滑環(huán)，無電勵(lì)磁系統(tǒng)，運(yùn)行可靠性高、功率密度大、電機(jī)的形狀和尺寸靈活多樣等多種顯著優(yōu)點(diǎn)。符合節(jié)能減排的經(jīng)濟(jì)發(fā)展需要，它不僅可以部分替代傳統(tǒng)的電勵(lì)磁電機(jī)，而且可以實(shí)現(xiàn)電勵(lì)磁電機(jī)難以達(dá)到的高效率。因此永磁同步電機(jī)在航空航天、數(shù)控機(jī)床、電動(dòng)汽車、機(jī)器人等領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用。由于永磁同步電機(jī)應(yīng)用范圍廣，工作環(huán)境惡劣，因此永磁電機(jī)不可避免的會(huì)出現(xiàn)各種故障。永磁同步電機(jī)常見的故障有匝間短路故障、失磁故障、轉(zhuǎn)子偏心故障等。電機(jī)發(fā)生故障后電機(jī)效率會(huì)降低，嚴(yán)重的還可能會(huì)導(dǎo)致電機(jī)停轉(zhuǎn)，甚至對(duì)電機(jī)造成永久性的損傷。如果不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)，故障可能會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，因此永磁同步電機(jī)故障診斷十分重要。隨著故障診斷技術(shù)的不斷發(fā)展，人們致力于開發(fā)各類專用的電機(jī)故障診斷系統(tǒng)，并已成為近年來研究的重點(diǎn)。這方面雖然進(jìn)展顯著，但誤判率高、準(zhǔn)確度低，仍然是一個(gè)現(xiàn)實(shí)問題。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的問題，提供一種基于磁場(chǎng)分布監(jiān)測(cè)的永磁同步電機(jī)匝間短路故障診斷方法。該方法利用磁通高頻諧波對(duì)是否發(fā)生匝間短路進(jìn)行診斷，相對(duì)于傳統(tǒng)方法該方法具有更高的靈敏度(高頻諧波來自逆變器，無需額外設(shè)備提供)。該方法得出的故障特征值不僅不受電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)變化的影響，還能準(zhǔn)確反映故障的嚴(yán)重程度。值得說明的是，在穩(wěn)態(tài)下，永磁同步電機(jī)a相發(fā)生匝間短路時(shí)的等效電路如圖1所示(為了簡(jiǎn)化分析，認(rèn)為所有短路繞組都在一個(gè)線圈內(nèi))：忽略鐵心飽和的影響，此時(shí)電機(jī)的電壓方程為：其中l(wèi)是相電感，m是相間互感，u是短路比(u＝n/nf，n是一相繞組總匝數(shù)，n是短路匝數(shù))。是永磁體在a相、b相、c相、短路繞組產(chǎn)生的磁鏈，r是相繞組電阻，rf是短路繞組電阻，v0中性點(diǎn)是零序電壓。電機(jī)僅存在匝間短路故障時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)子仍是正常的，因此和電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)相同，并且整理式(0.1)和式(0.2)可得：通常電機(jī)由控制器控制，電機(jī)三相定子電流是對(duì)稱的，那么設(shè)：式(0.3)可以簡(jiǎn)化為：求解上式可得：根據(jù)電機(jī)的對(duì)稱性，電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，短路繞組兩端電壓為：結(jié)合式(0.4)和式(0.5)可知，匝間短路和正常時(shí)，故障繞組兩端的電壓滿足：通常，繞組內(nèi)阻遠(yuǎn)小于繞組的電抗，忽略繞組內(nèi)阻上式可以進(jìn)一步簡(jiǎn)化為：對(duì)于集中繞組電機(jī)，故障處定子齒上的磁通和故障繞組電壓滿足：因此，匝間短路和正常時(shí)，故障處磁通滿足：上式說明發(fā)生匝間短路時(shí)故障處磁通會(huì)有所減小，磁通減小的幅度與短路電阻(rf)和故障繞組電抗(u2jωl)的相對(duì)大小有關(guān)，u2jωl越大，磁通的變化越明顯。對(duì)于故障診斷，故障引起的變化越明顯，診斷的靈敏性越高。對(duì)于相同的故障，頻率越高，u2jωl越大，因此可以利用磁通的高頻諧波對(duì)匝間短路進(jìn)行診斷。永磁同步電機(jī)均是由逆變器供電，電源中本身就存在大量高次諧波，利用這些高頻諧波對(duì)故障進(jìn)行判斷，可以提高診斷的靈敏度。匝間短路對(duì)故障處磁通的影響為：從上式可以看出，匝間短路對(duì)故障處磁通的影響和故障參數(shù)(rf、u)有關(guān)，因此可以利用磁通的變化量對(duì)故障程度進(jìn)行判斷。當(dāng)u2jωl相對(duì)rf較小時(shí)，匝間短路對(duì)故障處磁通的影響近似和u2成正比。對(duì)于相同程度的故障，基波頻率對(duì)應(yīng)的u2jωl最小，因此可以利用磁通基波分量對(duì)故障程度進(jìn)行判斷。2.診斷步驟1)測(cè)量定子齒磁通1-1)在永磁同步電機(jī)的每一個(gè)定子齒上繞制線圈，并對(duì)這些線圈依次編號(hào)；1-2)同步測(cè)量t0至t0+t(t為同步電周期)時(shí)間內(nèi)各線圈上的電壓ui(i為線圈編號(hào))、各相電壓ua、ub、uc、相電流ia、ib、ic，記錄此時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速r。1-3)對(duì)各線圈電壓、各相電壓、各相電流進(jìn)行傅里葉變換，獲取它們的基波分量分別記為：獲取它們的第2hk-1(hk是載波比)次諧波分量分別記為：獲取它們的第2hk+1次諧波分量分別記為：1-4)分別按照下式計(jì)算各齒磁通的基波和諧波分量：2)閾值的計(jì)算2-1)按照下式計(jì)算判定匝間短路的閾值：其中ed是直流母線電壓；m為幅值調(diào)制度(正弦波幅值與三角載波幅值之比)；j1表示1階貝塞爾函數(shù)；n是一相繞組的總匝數(shù)；α是閾值系數(shù)，通常可在0.5～0.8范圍內(nèi)取值，該系數(shù)取值越大診斷的靈敏度越高，但可靠性越低。3)是否發(fā)生故障及故障位置的判定3-1)分別將各齒對(duì)應(yīng)的磁通諧波幅值和閾值th進(jìn)行對(duì)比。如果所有均大于th，則判定電機(jī)未發(fā)生匝間短路；如果有一個(gè)或者多個(gè)小于th則判定電機(jī)發(fā)生匝間短路。3-2)若電機(jī)發(fā)生匝間短路，則可以判斷小于th對(duì)應(yīng)的齒上的線圈發(fā)生匝間短路。根據(jù)電機(jī)繞組的繞制方式，可以確定發(fā)生匝間短路的故障相。4)定子齒磁通參考值的獲取4-1)按照下式計(jì)算n1：其中q是電機(jī)定子槽數(shù)，m是電機(jī)定子繞組相數(shù)。4-2)若匝間短路發(fā)生在第if號(hào)齒，按照下式計(jì)算定子齒磁通參考值：其中，θ是相鄰兩齒相差的電角度。5)故障程度的判定5-1)若電機(jī)發(fā)生匝間短路，將故障位置對(duì)應(yīng)的磁通基波記為5-2)根據(jù)故障相判定結(jié)果，將故障相電壓基波幅值記為將故障相電壓電流諧波幅值分別記為5-2)按照下式計(jì)算故障特征值：5-3)根據(jù)故障特征值fi的大小，可以對(duì)故障的程度進(jìn)行判斷。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和有益效果是：1.本發(fā)明可用于診斷永磁同步電機(jī)匝間短路故障。2.本發(fā)明提出利用控制器產(chǎn)生的高頻諧波對(duì)匝間短路故障進(jìn)行診斷，該方法無需額外設(shè)備注入諧波，相對(duì)于傳統(tǒng)的診斷方法具有更高的靈敏度。3.通過本發(fā)明提出故障特征值算法消除了電機(jī)電壓和鐵心飽和程度變化對(duì)結(jié)果的影響，這使得診斷結(jié)果不受電機(jī)工況變化的影響。4.本發(fā)明可以準(zhǔn)確識(shí)別匝間短路發(fā)生的位置以及匝間短路故障的嚴(yán)重程度。5.本發(fā)明不依賴電機(jī)參數(shù)。6.本發(fā)明無需事先獲取電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)的參考值。附圖說明圖1匝間短路等效電路；圖2不同工況下定子齒諧波分量；圖3不同工況下的fi。具體實(shí)施方式下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明，但不應(yīng)該理解為本發(fā)明上述主題范圍僅限于下述實(shí)施例。在不脫離本發(fā)明上述技術(shù)思想的情況下，根據(jù)本領(lǐng)域普通技術(shù)知識(shí)和慣用手段，做出各種替換和變更，均應(yīng)包括在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。利用有限元仿真軟件，對(duì)正常工況及不同情況下的匝間短路故障進(jìn)行了仿真計(jì)算。仿真的工況如表1所示。表1仿真計(jì)算工況序號(hào)負(fù)載轉(zhuǎn)矩/nm轉(zhuǎn)速/rpm故障工況1503000無工況25030002匝0.1ω匝間短路工況35030002匝0.05ω匝間短路工況42530002匝0.1ω匝間短路工況57530002匝0.1ω匝間短路工況65020002匝0.1ω匝間短路各狀態(tài)下，定子齒磁通諧波分量和對(duì)應(yīng)的閾值(虛線)分別如圖2所示。計(jì)算閾值時(shí)取閾值系數(shù)α＝0.7。從圖2可以看出，電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)所有齒對(duì)應(yīng)的磁通諧波均大于閾值。在不同的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和故障電阻下，發(fā)生匝間短路處的磁通諧波分量都遠(yuǎn)小于閾值，而其他位置的磁通諧波均大于閾值。根據(jù)故障判斷的方法可以輕易的判定出匝間短路故障以及故障發(fā)生的位置。不同情況下的故障特征值fi如圖3所示：從圖3(a)可以看出，在短路電導(dǎo)較小的時(shí)候，fi和短路電導(dǎo)成正比，這說明此時(shí)fi和故障程度關(guān)系線性，根據(jù)fi的大小可以較準(zhǔn)確的判斷故障程度。從圖3(b)和圖3(c)可以看出，不同的負(fù)載轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速下，相同的故障對(duì)應(yīng)的fi大小基本不變，說明診斷結(jié)果不受電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)變化的影響。當(dāng)前第1頁(yè)12