一种基于外部耦合谐振的电机绝缘劣化在线监测系统

本发明涉及变频电机绝缘在线监测领域，具体涉及一种基于外部耦合谐振的电机绝缘劣化在线监测系统。

背景技术：

1、变频电机广泛应用于风力发电、新能源汽车、高速列车牵引、工业传动等重要领域，是系统安全可靠、高效运行的关键设备之一。绕组绝缘是变频电机中较为薄弱的部分，长期运行过程中容易受到逆变器高频开关电压、陡峭电压变化率、热应力、机械振动及环境因素等多重作用而发生劣化。尤其在pwm电压激励下，电机绕组端部及内部会承受非均匀的高频暂态电压应力，使绕组绝缘老化风险增加。

2、因此，在线监测变频电机绕组绝缘状态，对早期发现绝缘隐患、降低停机风险和提高系统运行可靠性具有重要意义。然而，现有绝缘在线监测方法多针对整体绝缘状态，或依赖频率、幅值、阻抗等特征进行判断，难以兼顾局部绝缘劣化感知灵敏度、计算简便性和工况鲁棒性。

3、授权公告号为cn110456270b的中国发明专利提出了一种电机绝缘在线监测方法及装置，通过测量电机三相入线端各相对地电压及漏电流，获取共模、差模分量及定子绝缘等效电容，从而实现电机绝缘状态监测；该方法虽然能够反映整体绝缘变化，但需要采集相对地电压和漏电流信号，与被测系统存在电气连接，对传感器精度、绝缘安全和现场安装条件要求较高，且难以灵敏反映端部局部早期绝缘劣化。

4、授权公告号为cn113391170b的中国发明专利提出了一种逆变器驱动电机的端部绝缘状态在线监测方法，通过采集电机三相相线电流信号，截取开关高频振荡电流片段，并利用变分模态分解提取高频共模电流中心频率和谐振点幅值，以计算端部绝缘电容变化并进行故障相定位；该方法能够实现端部绝缘在线监测，但开关振荡电流存在多模态混叠，且需要模态分解、中心频率提取和谐振幅值分析，计算流程较复杂，特征提取结果易受噪声和模态分解精度影响。

5、公开号为cn121878398a的中国发明专利申请提出了一种基于暂态电压响应的永磁同步电机端部主绝缘在线监测方法、系统及应用，通过采集变频器pwm脉冲在电机端激励产生的高频暂态电压振荡信号，提取谐振频率、振幅因子、振荡周期和衰减时间等时频域特征参数，并建立其与端部主绝缘等效电容之间的映射关系；该方法能够反映端部主绝缘早期退化，但仍依赖频谱分析、谐振尖峰定位和模型标定，易受测量带宽、噪声及系统寄生参数变化影响，且缺少外部谐振增强机制。

6、综上所述，现有技术虽然能够从漏电流、对地电压、开关高频振荡电流、暂态电压响应或谐振频率等角度实现变频电机绝缘状态在线监测，但部分方法需要采集电压或漏电流信号，与被测系统存在电气连接，对现场安装条件和绝缘安全要求较高；部分方法依赖变分模态分解、频谱分析、谐振峰定位、模型标定或幅值特征提取等处理流程，容易受到多模态混叠、噪声干扰和系统寄生参数变化影响；还有部分方法主要基于原有开关暂态响应进行被动特征提取，缺少对端部绝缘微小参数变化的外部谐振增强机制，导致早期绝缘劣化在线感知的灵敏度、计算简便性和工程鲁棒性仍有进一步提升空间。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于外部耦合谐振的电机绝缘劣化在线监测系统，使得电机绝缘劣化引起的高频参数变化转化为可观测的时域包络畸变特征，避免了传统频谱分析、谐振峰搜索和模态参数辨识过程，可实现变频电机端部绕组绝缘劣化状态的高灵敏在线感知，具有结构简单、计算复杂度低、灵敏度高和工况鲁棒性好的特点。

2、本发明采用的技术方案如下：

3、一种基于外部耦合谐振的电机绝缘劣化在线监测系统，其在线监测包括如下步骤：

4、s1.在电机处于健康运行状态下，利用功率开关动作在电机端部形成高频共模振荡回路，采集电机端部外侧的高频共模电流信号；

5、s2.在电机端部外侧配置外部谐振器，同时基于高频共模电流信号配置外部谐振器的工作参数，使其与高频共模振荡回路形成耦合谐振关系；

6、s3.当电机端部绕组绝缘发生劣化，所述耦合谐振关系产生频率失谐，使得外部谐振器侧高频暂态响应的包络形态发生变化；

7、s4.分别采集电机处于健康状态和待测状态下外部谐振器侧的高频共模暂态响应信号，经处理后得到各信号对应的包络曲线；

8、s5.将待测状态包络曲线a(t)与健康参考状态包络曲线aref(t)进行对比，计算得到包络畸变指标denv；基于该包络畸变指标denv进行电机绝缘状态评估。

9、优选地，在步骤s1中，采用设置在电机端部三相线外侧的高频电流传感器采集所述高频共模电流信号。

10、优选地，在步骤s2中，通过配置外部谐振器的工作参数使得外部谐振器的固有谐振频率与步骤s1采集到的高频共模电流信号的主导频率相匹配，其匹配关系式如下：

11、；

12、式中，ωext为外部谐振器的固有谐振角频率，lext为外部谐振器的电感，cext为外部谐振器的电容，ω0为高频共模电流信号的主导频率，lhfcm和chfcm分别为高频共模振荡回路的等效电感和等效电容；

13、所述高频共模电流信号的主导频率通过对所述高频共模电流信号进行fft频谱分析处理得到。

14、优选地，所述外部谐振器包括串接形成外部谐振回路的电容cext、阻尼电阻rext以及以非接触状套设在电机端部三相线外侧的磁环线圈；其中；

15、所述磁环线圈的电感l、电容cext、阻尼电阻rext三者之间串接形成外部谐振网络。

16、优选地，在步骤s3中，所述频率失谐的失谐量按如下关系式进行表示：

17、；

18、式中，δ

ω为高频共模振荡回路与外部谐振器之间的频率失谐量，ω0(cg1)为当前端部绝缘状态下电机高频共模振荡回路的固有谐振角频率，ωext为外部谐振器的固有谐振角频率；

19、在所述频率失谐与外部谐振器的阻尼的共同作用下，频率失谐响应得到增强。

20、优选地，在步骤s4中，各信号对应的包络曲线包括待测状态包络曲线a(t)与健康参考状态包络曲线aref(t)；其中，待测状态包络曲线a(t)通过如下处理方式得到：

21、；

22、式中，i(t)为外部谐振器侧的高频共模暂态响应信号；j为虚数单位；h表示希尔伯特变换算子，h{i(t)}为i(t)经希尔伯特变换得到的正交分量；

23、所述健康参考状态包络曲线aref(t)与待测状态包络曲线a(t)的处理方式相同。

24、优选地，在步骤s5中，将待测状态包络曲线a(t)与健康参考状态包络曲线aref(t)进行对比，计算包络畸变指标denv，该包络畸变指标denv用于表征待测状态相对于健康状态的包络偏移、衰减变化和局部畸变程度，其采用的计算表达式为：

25、；

26、式中，t为分析时间窗口，t=0为外部谐振器侧高频共模暂态响应信号的起始时刻，t为相对于所述起始时刻的时间。

27、优选地，在步骤s5中，根据包络畸变指标denv的大小及变化趋势，对变频电机端部绕组绝缘的劣化程度进行判断；其中，当包络畸变指标denv大于预设包络畸变指标阈值dth时，判定电机端部绕组绝缘状态发生劣化；其中，所述预设包络畸变指标阈值按照下式确定：

28、；

29、式中，μref和σref分别为电机健康状态下多次开关事件对应的包络畸变指标的均值和标准差；k为阈值系数；当包络畸变指标denv在正常范围内波动时，判定电机端部绕组绝缘状态正常。

30、优选地，通过调节外部谐振器中的阻尼参数，以增强电机端部绝缘参数变化所引起的频率失谐响应；其中，所述阻尼参数为外部谐振器中的阻尼电阻rext；在预设调节范围内通过改变rext的值，分别获取电机健康状态下的包络畸变指标和预设电机绝缘参数变化状态下的包络畸变指标，其具体数值可参照本技术如上所述的包络畸变指标denv的计算过程得到，并按照下式调节确定最优阻尼电阻：

31、；

32、式中，rext为阻尼电阻，n为阻尼电阻rext的预设调节范围，δ

ωcal为预设电机端部绝缘参数变化状态下所引起的频率失谐量，为单位频率失谐量所引起的包络畸变指标变化量最大时对应的阻尼电阻，即为最优阻尼电阻，将其作为经调节确定的外部谐振器的阻尼参数。

33、优选地，通过高频信号采集单元持续或周期性采集电机处于健康状态和待测状态下外部谐振器侧的高频共模暂态响应信号；所述高频信号采集单元与绝缘状态评估单元通讯连接，通过所述绝缘状态评估单元对各高频共模暂态响应信号进行处理以及包络畸变指标denv的计算。

34、需要说明的是，本技术全文涉及的电机均为变频电机，所涉及的电机端部均是指电机端部绕组；本技术全文涉及的固有谐振角频率可根据公知的方式测量得到，例如采用阻抗分析仪扫频测量等，其具体计算作出不作为本技术的创新内容，本技术对此不做展开说明。

35、本发明申请的主要工作机理：本发明提出一种基于外部耦合谐振瞬态高频响应畸变的变频电机绝缘劣化在线感知系统，该在线感知系统通过在电机端部配置外部谐振器，并利用频率匹配（优选进一步设置阻尼调控增强处理）对电机端部绝缘参数微小变化进行有效响应，使得电机绝缘劣化引起的高频参数变化转化为可观测的时域包络畸变特征（即为包络畸变指标denv）；避免了传统频谱分析、谐振峰搜索和模态参数辨识过程，可实现变频电机端部绕组绝缘劣化状态的高灵敏在线感知。

36、本发明申请的主要优点：

37、1）计算简单：利用时域包络畸变指标表征绝缘状态变化，无需复杂频谱分析、谐振峰搜索和模态参数辨识，降低了在线计算复杂度。

38、2）工况鲁棒性强：包络畸变特征能够反映端部绝缘参数变化引起的整体响应差异，对运行工况变化和多次开关事件具有较好的稳定性。

39、3）灵敏度高：通过外部谐振器与电机端部形成的高频共模振荡回路进行耦合谐振匹配，增强端部绝缘参数微小变化对瞬态响应的影响，对于电机早期绝缘劣化的监测灵敏度高。