本發明涉及電機故障診斷技術。
背景技術：
：永磁同步電機具有結構簡單、無電刷和滑環，無電勵磁系統，運行可靠性高、功率密度大、電機的形狀和尺寸靈活多樣等多種顯著優點。符合節能減排的經濟發展需要，它不僅可以部分替代傳統的電勵磁電機，而且可以實現電勵磁電機難以達到的高效率。因此永磁同步電機在航空航天、數控機床、電動汽車、機器人等領域獲得了廣泛應用。由于永磁同步電機應用范圍廣，工作環境惡劣，因此永磁電機不可避免的會出現各種故障。永磁同步電機常見的故障有匝間短路故障、失磁故障、轉子偏心故障等。電機發生故障后電機效率會降低，嚴重的還可能會導致電機停轉，甚至對電機造成永久性的損傷。如果不能及時發現，故障可能會造成巨大的經濟損失，因此永磁同步電機故障診斷十分重要。隨著故障診斷技術的不斷發展，人們致力于開發各類專用的電機故障診斷系統，并已成為近年來研究的重點。這方面雖然進展顯著，但誤判率高、準確度低，仍然是一個現實問題。技術實現要素：本發明的目的是針對現有技術中的問題，提供一種基于磁場分布監測的永磁同步電機匝間短路故障診斷方法。該方法利用磁通高頻諧波對是否發生匝間短路進行診斷，相對于傳統方法該方法具有更高的靈敏度(高頻諧波來自逆變器，無需額外設備提供)。該方法得出的故障特征值不僅不受電機運行狀態變化的影響，還能準確反映故障的嚴重程度。值得說明的是，在穩態下，永磁同步電機a相發生匝間短路時的等效電路如圖1所示(為了簡化分析，認為所有短路繞組都在一個線圈內)：忽略鐵心飽和的影響，此時電機的電壓方程為：其中l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，n是短路匝數)。是永磁體在a相、b相、c相、短路繞組產生的磁鏈，r是相繞組電阻，rf是短路繞組電阻，v0中性點是零序電壓。電機僅存在匝間短路故障時，電機的轉子仍是正常的，因此和電機正常運行時相同，并且整理式(0.1)和式(0.2)可得：通常電機由控制器控制，電機三相定子電流是對稱的，那么設：式(0.3)可以簡化為：求解上式可得：根據電機的對稱性，電機正常運行時，短路繞組兩端電壓為：結合式(0.4)和式(0.5)可知，匝間短路和正常時，故障繞組兩端的電壓滿足：通常，繞組內阻遠小于繞組的電抗，忽略繞組內阻上式可以進一步簡化為：對于集中繞組電機，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，故障處磁通滿足：上式說明發生匝間短路時故障處磁通會有所減小，磁通減小的幅度與短路電阻(rf)和故障繞組電抗(u2jωl)的相對大小有關，u2jωl越大，磁通的變化越明顯。對于故障診斷，故障引起的變化越明顯，診斷的靈敏性越高。對于相同的故障，頻率越高，u2jωl越大，因此可以利用磁通的高頻諧波對匝間短路進行診斷。永磁同步電機均是由逆變器供電，電源中本身就存在大量高次諧波，利用這些高頻諧波對故障進行判斷，可以提高診斷的靈敏度。匝間短路對故障處磁通的影響為：從上式可以看出，匝間短路對故障處磁通的影響和故障參數(rf、u)有關，因此可以利用磁通的變化量對故障程度進行判斷。當u2jωl相對rf較小時，匝間短路對故障處磁通的影響近似和u2成正比。對于相同程度的故障，基波頻率對應的u2jωl最小，因此可以利用磁通基波分量對故障程度進行判斷。2.診斷步驟1)測量定子齒磁通1-1)在永磁同步電機的每一個定子齒上繞制線圈，并對這些線圈依次編號；1-2)同步測量t0至t0+t(t為同步電周期)時間內各線圈上的電壓ui(i為線圈編號)、各相電壓ua、ub、uc、相電流ia、ib、ic，記錄此時電機轉速r。1-3)對各線圈電壓、各相電壓、各相電流進行傅里葉變換，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)分別按照下式計算各齒磁通的基波和諧波分量：2)閾值的計算2-1)按照下式計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；n是一相繞組的總匝數；α是閾值系數，通常可在0.5～0.8范圍內取值，該系數取值越大診斷的靈敏度越高，但可靠性越低。3)是否發生故障及故障位置的判定3-1)分別將各齒對應的磁通諧波幅值和閾值th進行對比。如果所有均大于th，則判定電機未發生匝間短路；如果有一個或者多個小于th則判定電機發生匝間短路。3-2)若電機發生匝間短路，則可以判斷小于th對應的齒上的線圈發生匝間短路。根據電機繞組的繞制方式，可以確定發生匝間短路的故障相。4)定子齒磁通參考值的獲取4-1)按照下式計算n1：其中q是電機定子槽數，m是電機定子繞組相數。4-2)若匝間短路發生在第if號齒，按照下式計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)若電機發生匝間短路，將故障位置對應的磁通基波記為5-2)根據故障相判定結果，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)按照下式計算故障特征值：5-3)根據故障特征值fi的大小，可以對故障的程度進行判斷。本發明的優點和有益效果是：1.本發明可用于診斷永磁同步電機匝間短路故障。2.本發明提出利用控制器產生的高頻諧波對匝間短路故障進行診斷，該方法無需額外設備注入諧波，相對于傳統的診斷方法具有更高的靈敏度。3.通過本發明提出故障特征值算法消除了電機電壓和鐵心飽和程度變化對結果的影響，這使得診斷結果不受電機工況變化的影響。4.本發明可以準確識別匝間短路發生的位置以及匝間短路故障的嚴重程度。5.本發明不依賴電機參數。6.本發明無需事先獲取電機正常運行時的參考值。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。具體實施方式下面結合實施例對本發明作進一步說明，但不應該理解為本發明上述主題范圍僅限于下述實施例。在不脫離本發明上述技術思想的情況下，根據本領域普通技術知識和慣用手段，做出各種替換和變更，均應包括在本發明的保護范圍內。利用有限元仿真軟件，對正常工況及不同情況下的匝間短路故障進行了仿真計算。仿真的工況如表1所示。表1仿真計算工況序號負載轉矩/nm轉速/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匝間短路各狀態下，定子齒磁通諧波分量和對應的閾值(虛線)分別如圖2所示。計算閾值時取閾值系數α＝0.7。從圖2可以看出，電機正常運行時所有齒對應的磁通諧波均大于閾值。在不同的轉矩、轉速和故障電阻下，發生匝間短路處的磁通諧波分量都遠小于閾值，而其他位置的磁通諧波均大于閾值。根據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，在短路電導較小的時候，fi和短路電導成正比，這說明此時fi和故障程度關系線性，根據fi的大小可以較準確的判斷故障程度。從圖3(b)和圖3(c)可以看出，不同的負載轉矩、轉速下，相同的故障對應的fi大小基本不變，說明診斷結果不受電機運行狀態變化的影響。當前第1頁12