一種永磁同步電機定子繞組故障診斷方法與流程
2023-07-15 01:51:16
本發明屬於故障診斷技術領域，尤其是一種永磁同步電機定子繞組故障診斷的方法。
背景技術：
永磁同步電機(permanentmagnetsynchronousmachine，pmsm)具有功率密度高、效率高、轉矩慣量比大、調速範圍寬等優點。近年來，在風力發電、升降機驅動等大功率以及電動汽車和數控工具機等高新能應用場合得到了廣泛關注和使用。
永磁同步電機工作時，具有複雜的機電能量轉換過程，在長期運行中，受負載工況和運行環境的影響，某些部件會逐漸失效或損壞。它的典型故障部件包括定子繞組、變換器、電機軸承以及控制系統的關鍵傳感器等，其中電機中38％的故障是由定子繞組引起的。在定子繞組故障中，定子繞組電阻性失衡是一種常見的故障。當發生早期的失衡故障時，電機仍然可繼續運行，但若不能及時檢測而導致故障嚴重程度加劇，會引起電機轉速等產生震蕩，如果這種故障在初期沒有被檢測到，故障就會加重，使電機的溫度不斷增加，最後導致電機完全損壞。因此，需要及時地診斷永磁同步電機的定子繞組故障。目前，已經提出了一些方法來診斷永磁同步電機的定子繞組電阻性失衡故障，其中最常用方法是基於定子電流和零序電壓信號的分析方法等。但是這種故障診斷方法存在一定的不足，如不能判斷故障相的故障程度，尤其是故障發生在多相情況下。
技術實現要素：
本發明目的是為了克服現有技術中存在的不足，提供一種永磁同步電機定子繞組故障診斷方法，該方法不僅能診斷定子繞組電阻性失衡故障，而且還能診斷故障相和估算故障程度；該方法計算簡單，易於實現，準確度高。
本發明採用的技術方案為：一種永磁同步電機定子繞組故障診斷方法，包括如下步驟：
(1)採集永磁同步電機驅動系統的零序電壓和定子電流，並計算零序電壓和定子電流中基波的幅值和初始相位角；
(2)將零序電壓和定子電流中基波的幅值和初始相位角代入到關於相電阻偏差的二元二次方程組中；
(3)求解該二元二次方程組，並利用相位差和相電阻偏差的關係，確定該二元二次方程的合適解，即為每相繞組的電阻偏差；
(4)利用計算的每相繞組的電阻偏差實現故障檢測、故障相定位和故障程度估算。
作為優選，所述步驟(2)中關於相電阻偏差的二元二次方程組為：
式中：v1和α是零序電壓中基波的幅值和初始相位角，ia和θa是定子電流ia中的幅值和初始相位角，ib和θβ是定子電流中ib中的幅值和初始相位角，δra和δrb是a相和b相定子繞組的電阻偏差。其中，a和b是中間變量。
有益效果：本發明提供的一種永磁同步電機定子繞組故障診斷方法，能夠克服現有診斷定子繞組電阻性失衡故障方法的不足。本發明不僅能診斷定子繞組電阻性失衡故障，而且還能診斷故障相和估算故障程度；本發明計算簡單，易於實現，準確度高。
附圖說明
圖1為帶三相平衡電阻網絡的永磁同步電機控制框圖。
圖2為一種永磁同步電機定子繞組故障診斷方法的框圖。
具體實施方式
下面結合附圖和具體實施方式對本發明作更進一步的說明。
如圖2所示，一種永磁同步電機定子繞組故障診斷方法，包括如下步驟：
(1)採集永磁同步電機驅動系統的零序電壓和定子電流，並計算零序電壓和定子電流中基波的幅值和初始相位角；
(2)將零序電壓和定子電流中基波的幅值和初始相位角代入到關於相電阻偏差的二元二次方程組中；
(3)求解該二元二次方程組，並利用相位差和相電阻偏差的關係，確定該二元二次方程的合適解，即為每相繞組的電阻偏差；
(4)利用計算的每相繞組的電阻偏差實現故障檢測、故障相定位和故障程度估算。
下面對本案進行說明：
永磁同步電機定子繞組的電壓方程在abc坐標系下表示為
式中：ua，ub和uc為三相定子電壓，u0是零序電壓，ia，ib和ic為三相定子電流，l是定子繞組自感，m是定子繞組互感。ra，rb和rc為三相定子電阻，當永磁同步電機是健康時，ra，rb和rc是相等的；當定子繞組電阻性失衡故障發生時，ra，rb和rc不再相等。λpm,a，λpm,b和λpm,c是三相定子繞組的永磁磁鏈，其表示為
式中：λpm,1是基波磁鏈的幅值，v是諧波次數，λpm,v是v次諧波磁鏈的幅值，θ是轉子電角度，θv是v次諧波磁鏈和基波磁鏈之間的角度。
圖1中零序電壓v0,m表示為
式中：
將每相定子電阻看成有兩部分構成，可表示為
式中：rm＝(ra+rb+rc)/3，因此下列條件必須滿足
δra+δrb+δrc＝0(6)
式中：δra、δrb和δrc是a相、b相和c相定子繞組中由於定子繞組電阻性失衡故障導致的電阻偏差。
並且
ia+ib+ic＝0(7)
因此，零序電壓v0,m可以重新表示為
忽略定子電流中的諧波，三相定子繞組電流可以表示為
式中：ix和θx(x＝a,b,c)分別是定子電流ix的幅值和初始相位角。
將式(9)代入式(8)可得
式中v1和α是零序電壓v0,m中基波的幅值和初始相位角，且表示為
式中：v1和α是零序電壓中基波的幅值和初始相位角，ia和θa是定子電流ia中的幅值和初始相位角，ib和θβ是定子電流中ib中的幅值和初始相位角，δra和δrb是a相和b相定子繞組的電阻偏差。其中，a和b是中間變量。
從式(11)可以看出v1和α與定子電流和電阻偏差有直接的關係。由於零序電壓v0,m和定子電流中基波的幅值和初始相位角可以直接計算得到，因此，將它們代入到式(11)中，就建立了關於電阻偏差δra和δrb的二元二次方程組，通過求解該方程組就能得到每相繞組的電阻偏差。另外，需要注意的是二元二次方程組很有可能有多組實數解和多組複數解。在本發明中，只考慮實數解，並且需要確定一組合適的實數解。為了解決這個問題，定義相位差dx(x＝a,b,c)如下：
表1給出了相電阻偏差和相位差之間的關係。
表1
因此，利用表1可以確定二元二次方程組合適的實數解，即為每相繞組的電阻偏差δra、δrb和δrc。為了方便分析，對電阻偏差作進一步處理為
δrj＝δrj-min([δra,δrb,δrc])j＝a,b,c(13)
因此，利用電阻偏差δra、δrb和δrc就能完成定子繞組電阻性失衡故障診斷、定位和故障程度估算。具體過程如下：當相電阻偏差δra大於0時，表明永磁同步電機的a相有電阻性失衡故障發生；當相電阻偏差δrb大於0時，表明永磁同步電機的b相有電阻性失衡故障發生；當相電阻偏差δrc大於0時，表明永磁同步電機有的c相有電阻性失衡故障發生。另外，在故障情況下，利用電阻偏差δra、δrb或δrc確定故障程度。當相電阻偏差不大於0時，表明永磁同步電機處於正常運行狀態。
利用本發明提出的方法，不僅能夠診斷永磁同步電機子繞組電阻性失衡故障，而且能夠判斷故障相和故障程度。本發明提出的方法計算量小、易於實現、準確度高、是一種能夠有效提高永磁同步電機安全和可靠性的故障診斷方法。
應當指出，對於本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護範圍。本實施例中未明確的各組成部分均可用現有技術加以實現。