大功率永磁直驱电力机车用永磁同步电机失磁故障检测及保护方法与流程

1.本发明涉及永磁同步电机的失磁在线监测方法以及失磁保护策略，具体为大功率永磁直驱电力机车用永磁同步电机失磁故障检测及保护方法。


背景技术：

2.永磁同步电机具有功率密度大、过载能力强、效率高等优点，正逐渐被应用到轨道交通领域，并可能成为未来发展的主流电机。在此背景下，一种应用于电力机车的大功率永磁直驱牵引系统被开发研制。永磁同步电机作为永磁直驱牵引系统的重要组成部分，其自身状态的优劣直接影响着整个牵引系统的性能发挥。
3.永磁同步电动机采用永磁体励磁，嵌入电机内的永磁体是其重要的结构部件，它的磁性能直接影响永磁同步电机的效率、性能和可靠性。随着永磁同步电机服役年限的增加，转子永磁体在温度、电枢反应以及机械振动等因素综合影响下可能会产生不可逆失磁，发生失磁故障。由于轨道交通领域运行环境的限制，大功率永磁直驱电力机车用永磁同步电机长期运行于大功率、强振动、高温度的工作环境中，会存在一定的永磁体失磁风险。
4.如果永磁同步电机长期运行在失磁状态下，永磁体磁场波动和失磁会导致电机发热、转矩性能变差、电能损耗增加，严重情况下电机可能报废，这一问题极大地限制了永磁同步电机的推广应用。因此，为了减少永磁体失磁故障而造成的经济损失，需要深入分析和研究永磁电机的失磁机理，总结故障特征规律，对永磁电机永磁体失磁实现在线监测，避免电机失磁带来的损失，从而降低维护成本。
5.专利201210482964.5公开了一种《永磁同步电机转子失磁检测方法》，该方法利用上位机给定转速，控制电机运行至稳定状态后，不断增加电流值，观察测功机测得的转矩是否相应增加，初步判断永磁同步电机转子是否失磁，在可能失磁的情况下，控制电机空载运行至稳定状态后，不断减小电流值，观察测功机测得的电机各相电压与电机空载反电动势标定数据之间的差是否过大，确定永磁同步电机是否转子失磁。该方法在一定条件下能够实现永磁电机失磁故障诊断，但是该方法未考虑永磁体温度的对转矩输出的影响，依赖大量实验数据，且对电机故障分析需要增加额外的设备，成本高，在不同转速、不同负荷情况下诊断困难。
6.专利201310378729.8公开了《一种基于失电残压的永磁同步电机失磁故障诊断方法》，首先采集电机失电瞬间定子端任一相的电压瞬时信号，从电压瞬时信号中截取自失电时刻起的失电残压波形，初步判断发生退磁故障的可能性；对截取的失电残压进行频谱变换，获得基波分量幅值，确定基波分量幅值与电机转速的比值即为故障特征；设置故障预警阀值，所述故障特征与故障预警阀值的比值即为故障因子，依据故障因子判断是否存在退磁故障。该方法在一定条件下能够实现永磁电机失磁故障诊断，但是该方法还存在一些局限性，比如：(1)现在多采用变频器作为永磁同步电机的电源，而变频器输出的并非理想的正弦波，含有大量的谐波，导致电枢电流中包含大量谐波成分，当永磁同步电机发生失磁故
障时，难以区分电枢电流中的谐波是由故障引起还是由变频器引起，为故障诊断带来困难；(2)在某些定子绕组结构下，电机发生转子失磁故障时，电枢电流中不会产生新的谐波分量，即不会产生失磁故障所独有的谐波分量，此时无法判断电机是否发生失磁故障；(3)失磁诊断需要增加额外的霍尔型电压传感器，增加了成本，同时需对失电残压进行频谱分析，需要大量运算，浪费资源，不适用于在线检测退磁。
7.专利201520701439.7公布了一种用于永磁同步电机的永磁磁链失磁监测装置，其包括：参数检测模块，其与永磁同步电机相连接，用以获取永磁同步电机运行时的定子电流、定子电压、转子转速的参数值；无迹非线性变换模块，其与检测模块连接，用以将检测采样的实时参数进行无迹非线性变换，获得定子电流与永磁磁链估算值对应的sigma点集信息；卡尔曼滤波器，其与无迹非线性变换模块，用以将无迹变换的定子电流与永磁磁链估算信息进行卡尔曼滤波，从而获得实时磁链参数的精确值；比较及输出模块，其与卡尔曼滤波器连接，将经滤波的磁链参数与系统所设的阈值范围进行比较，并在离开范围时输出磁链参数。本实用新型的结构简单、监测数据精确，并具有很强的鲁棒性。该方法在一定条件下能够实现永磁电机失磁故障诊断，但是该方法算法复杂，采用的卡尔曼滤波器对永磁电机模型非线性模型存在线性化误差，可能导致滤波器不稳定，且算法计算量大，对控制器资源占用大，此外，该方法未对失磁程度及保护策略予以考虑。


技术实现要素：

8.本发明的目的是提供一种大功率永磁直驱电力机车用永磁同步电机失磁故障检测方法及保护策略，主要从永磁同步电机失磁故障的检测方法、永磁同步电机失磁程度的判断、永磁同步电机失磁故障保护策略三个方面进行说明。本发明在不增加硬件成本的基础上，实现了对永磁电机永磁体失磁故障的准确判断，避免电机失磁带来的损失，从而降低维护成本；而且该方法算法简单、控制器资源占有量少、鲁棒性强，可以区分不同程度的失磁故障，在确保机车安全的情况下，最大程度发挥运力；此外，该在线的防失磁诊断方法能够及早发现事故隐患，减少事故发生几率，降低维修成本和经济损失，提高对永磁电机故障检测和分析的能力，保证永磁电机安全可靠运行，推动永磁同步电机向大功率化、高节能、高性能方向发展。
9.本发明是采用如下的技术方案实现的：大功率永磁直驱电力机车用永磁同步电机失磁故障检测及保护方法，失磁故障检测包括以下步骤：
10.由电机稳态方程估算出转子磁链ψf，设定电机磁链设计值ψ
f*
；
11.依据以下判据判断失磁故障：
12.(1)轻微失磁故障：
13.a.如果δψ”》|ψ
f*-ψf|≥δψ’，δψ’＝0.1ψ
f*
，δψ”＝0.2ψ
f*
，则判定磁链存在异常；
14.b.如果|ψ
f-ψ
fi
|≥δψ’，ψ
fi
为相邻电机估算出的转子磁链，则判定该永磁同步电机轻微失磁；否则为检测误差，不作处理；
15.(2)一般失磁故障：
16.a.如果δψ
”’
》|ψ
f*-ψf|≥δψ”，δψ
”’
＝0.3ψ
f*
，则判定磁链一般异常；
17.b.如果|ψ
f-ψ
fi
|≥δψ”，则判定该永磁同步电机一般失磁；否则为检测误差，不作处理；
18.(3)严重失磁故障：
19.a.如果|ψ
f*-ψf|≥δψ
”’
，则判定磁链严重异常；
20.b.如果|ψ
f-ψ
fi
|≥δψ
”’
，则判定该永磁同步电机严重失磁；否则为检测误差，不作处理。
21.上述的大功率永磁直驱电力机车用永磁同步电机失磁故障检测及保护方法，失磁故障保护按以下情况进行：(1)轻微失磁：考虑温度变化影响、磁链估算误差影响、或者轻微失磁状态，可以正常运行，无需维修；(2)一般失磁：降载运行，到站维修；(3)严重失磁：故障后隔轴，到站维修。
22.上述的大功率永磁直驱电力机车用永磁同步电机失磁故障检测及保护方法，磁链计算时，由于大功率永磁同步电机中，电机内阻很小，只有几十毫欧，忽略电阻值rs的影响，且当电机的d、q轴电流都为0时，此时的d轴电压为0，q轴电压全部由永磁体磁链的反电势产生，磁链估算公式为：
23.上述的大功率永磁直驱电力机车用永磁同步电机失磁故障检测及保护方法，永磁同步电机的牵引控制系统包括如下部分：
24.整车控制单元：通过网络通讯，给牵引控制单元发布指令，包括机车运行模式、方向信号、级位信号、转矩命令；
25.牵引控制单元：利用传感器实时监测到的电压、电流、位置信号，通过牵引控制单元的高精度计算，实现对所述永磁同步电机的矢量控制；包括控制算法模块，用于计算理论控制电压；调制算法模块，用于将理论控制电压调制成pwm脉冲，作用于逆变器；
26.逆变器：用于实现直流电变换为频率和幅值可调的三相交流电；
27.位置及转速处理模块：由旋转变压器及位置信号处理单元组成，安装于永磁同步电机转子上，输出信号接入牵引控制单元，用于检测转子位置，并基于转子位置计算转子的角速度；
28.失磁故障检测及保护单元：实现永磁同步电机的失磁故障检测及保护功能，具体包括如下模块：
29.(1)永磁体磁链估算模块：在线估算磁链值；
30.(2)失磁状态判断模块，根据各轴磁链差值，及与磁链设计值对比，判断失磁故障及失磁程度；
31.(3)失磁故障保护模块，针对永磁体的不同失磁程度采取相应的保护控制策略。
32.上述的大功率永磁直驱电力机车用永磁同步电机失磁故障检测及保护方法，针对大功率永磁直驱电力机车牵引控制系统，采用一种基于速度的分段矢量控制策略完成电流闭环控制，包括低速区的最大转矩电流比控制和高速区的弱磁控制。
33.上述的大功率永磁直驱电力机车用永磁同步电机失磁故障检测及保护方法，最大转矩电流比控制针对系统在高加、减速工况下，d、q轴电流存在耦合会影响系统动态性能的问题，采用一种前馈解耦控制策略，实现对电流内环的高动态性能控制，前馈解耦是在控制算法模块的输出信号处，分别加上解耦电压项，从而抵消励磁、转矩电流间的耦合作用。
34.上述的大功率永磁直驱电力机车用永磁同步电机失磁故障检测及保护方法，弱磁控制下，电流环采用功角控制策略，此时逆变器施加在电机上的电压幅值不可控，只有通过
控制电机的功角来调节电机的励磁和扭矩，这时只控制电机q轴电流，其pi调节器输出控制功角，实现对永磁电机转折速度以上的功角控制。
35.上述的大功率永磁直驱电力机车用永磁同步电机失磁故障检测及保护方法，为减小由于开关频率降低带来的低次谐波，获得较好的控制性能，采用多模式分段调制策略，在低速阶段采用异步调制策略；当转速升高后，采用不同载波比的规则采样同步调制和中间60度同步调制策略；高速阶段则采用方波调制。
36.本发明技术方案带来的有益效果：
37.1、本发明可以在不增加硬件成本的基础上，根据机车实际运行工况，在线估算永磁电机永磁体磁链；
38.2、本发明可以根据在线估算磁链值，给出一种永磁同步电机失磁程度判定方法，从而量化分析永磁体失磁程度；
39.3、本发明可以根据判定的失磁故障严重程度，给出响应的保护策略，在尽可能降低失磁故障对系统影响的情况下，保证机车运力，遏制电机故障的进一步恶化。
附图说明
40.图1为永磁同步电机失磁故障检测及保护控制整体框图。
41.图2为牵引控制系统框图。
42.图3为mtpa控制框图。
43.图4为前馈解耦控制框图。
44.图5为弱磁控制框图。
45.图6为调制策略示意图。
46.图7为磁链在线估算流程图。
47.图8为失磁故障判断及故障保护流程图。
具体实施方式
48.本发明主要针对大功率永磁直驱电力机车用永磁同步电机进行失磁故障检测及保护，提供了一种机车永磁同步牵引控制系统，用于实施本发明所述大功率直驱永磁同步电机失磁故障检测，所述永磁同步电机失磁故障检测及保护控制整体框图如图1所示。其中，t
cmd
为给定转矩命令，u
*d
、u
*q
分别为d、q轴控制电压，id、iq为d、q轴反馈电流，ia、ib、ic分别为a、b、c相定子绕组电流，θ为旋转变压器采集的转子位置角，ωr为电转速，ψ
f1
、ψ
f2
、ψ
f3
、ψ
f4
、ψ
f5
、ψ
f6
分别为轴1、轴2、轴3、轴4、轴5、轴6电机的转子估算磁链，ψ
f*
为永磁体设计磁链。
49.所述牵引控制系统主要包括如下部分：
50.整车控制单元：通过网络通讯，给牵引控制单元发布指令，包括机车运行模式、方向信号、级位信号、转矩命令等；
51.控制对象：永磁同步电机(pmsm)；
52.牵引控制单元(tcu)：利用传感器实时监测到的电压、电流、位置信号，通过牵引控制单元的高精度计算，实现对所述永磁同步电机的矢量控制；包括控制算法模块，用于计算理论控制电压；调制算法模块，用于将理论控制电压调制成pwm脉冲，作用于逆变器；
53.逆变器：主电路为带有反并联二极管的三相桥式电路，用于实现直流电变换为频
率和幅值可调的三相交流电；
54.位置及转速处理模块：由旋转变压器及位置信号处理单元组成，安装于永磁同步电机转子上，输出信号接入牵引控制单元，用于检测转子位置，并基于转子位置计算转子的角速度；
55.失磁故障检测及保护单元：实现永磁同步电机的失磁故障检测及保护功能，具体包括如下模块：
56.(1)永磁体磁链估算模块：在惰行、空载运行工况下，根据d、q轴电压在线估算磁链值；
57.(2)失磁状态判断模块，根据各轴磁链差值，及与磁链设计值对比，判断失磁故障及失磁程度；
58.(3)失磁故障保护模块，针对永磁体的不同失磁程度采取相应的保护控制策略：
59.轻微失磁(10％)：考虑温度变化影响、磁链估算误差影响、或者轻微失磁状态，可以正常运行，无需维修；
60.一般失磁(20％)：降载运行，到站维修；
61.严重失磁(30％)：故障后隔轴，到站维修。
62.一种大功率永磁直驱电力机车牵引控制系统，用于实施本发明所述永磁同步电机失磁故障检测，所述牵引控制系统框图如图2所示。
63.其中，u
dc
为母线电压，k
m11
为逆变器输出与电机输入间的三相隔离接触器。
64.t
cmd
为整车控制单元发送的转矩命令，根据机车运行工况分为：牵引工况，t
cmd
》0；制动工况，t
cmd
《0；惰性工况，t
cmd
＝0。
65.转矩命令经过转矩斜坡、转矩限幅环节，得到实际给定转矩命令t，再根据转矩电流曲线分配d、q轴电流给定i
d*
和i
q*
。
66.旋转变压器为永磁牵引系统的转速获取环节，内嵌于永磁同步电机的转子和定子的非传动端，用于对永磁同步电机的转子位置进行实时监测。
67.控制算法模块为牵引控制单元的核心环节，在对永磁同步电机的转子位置、三相电流实时监测及坐标变换的基础上，采用优化的矢量控制策略对d、q轴电流进行闭环控制，实现对永磁同步电机的高精度、高动态响应控制。
68.调制算法是牵引控制单元的重要组成部分，采用合理的调制算法产生高精度、平滑、电压幅值和频率可调的pwm波，通过控制逆变器开关器件的有序开通和关断，完成理论控制电压的具体实现。
69.基于速度的分段矢量控制策略
70.本发明所针对的大功率永磁直驱牵引电传动系统，采用一种基于速度的分段矢量控制策略完成电流闭环控制，包括低速区的最大转矩电流比(mtpa)控制和高速区的弱磁控制。
71.(1)mtpa控制
72.在额定转速以下，采用mtpa控制策略计算电机工作点(电流id和iq分配)，即利用凸极式永磁同步电机凸极效应产生的磁阻转矩，来获得较高转矩电流比值的一种控制方法。mtpa控制策略如图3所示。
73.其中，i
*d_mtpa
、i
*q_mtpa
分别为mtpa控制下d、q轴电流分量；u
d_mtpa_fwfb
、u
q_mtpa_fwfb
为
mtpa控制下前馈解耦项，u
d_mtpa_pi
、u
q_mtpa_pi
分别为mtpa控制下的d、q轴电压pi控制项；
74.针对系统在高加、减速工况下，d、q轴电流存在耦合会影响系统动态性能的问题，采用一种前馈解耦控制策略，实现对电流内环的高动态性能控制。前馈解耦是在控制算法模块的输出信号处，分别加上解耦电压项和从而抵消励磁、转矩电流间的耦合作用，前馈解耦的控制框图如图4所示，图中，rs、ld、lq和ψf是永磁同步电机的实际参数，和为永磁同步电机的辨识参数。
75.前馈解耦控制在pi控制的基础上，增加前馈项以抵消d、q轴电流耦合的影响，可以更好地对永磁同步电机进行动、静态解耦，提升永磁同步电机矢量控制系统在全速度范围内的动态响应和稳态性能。
76.(2)弱磁控制
77.受系统变流器容量限制，永磁同步电机稳态运行时，端电压us和定子电流is都会受到限制，不能超出电压、电流极限值，为进一步拓宽调速范围，采用弱磁控制。在额定转速以上，永磁同步电机进入弱磁状态，通过控制励磁电流可以达到弱磁升速的目的，弱磁控制框图如图5所示。图中，u
s_max
为电压极限值，u
wk_fwfb
为弱磁控制下的前馈电压幅值，δid为弱磁状态下励磁电流的变化量，i
*d_mtpa
为mtpa控制下d轴电流给定值，i
*d_wk
、i
*q_wk
分别为弱磁调节后的d、q轴电流给定，iq为q轴电流反馈，β为功角，u
*d
和u
*q
为控制电压给定值。
78.弱磁控制下，电流环采用功角控制策略，此时逆变器施加在电机上的电压幅值不可控，只有通过控制电机的功角β来调节电机的励磁和扭矩，这时只控制电机q轴电流，其pi调节器输出控制功角，实现对永磁电机转折速度以上的功角控制。
79.多模式分段调制策略
80.在高压、大功率等级牵引系统中，受散热条件、开关损耗等因素影响，牵引变流器的开关频率受到限制，最高只有几百赫兹。为减小由于开关频率降低带来的低次谐波，获得较好的控制性能，常采用多模式分段调制策略，在低速阶段采用异步调制策略；当转速升高后，采用不同载波比的规则采样同步调制和中间60度同步调制策略；高速阶段则采用方波调制。其大致的调制策略示意图如图6所示。
81.图6的横坐标为电机运行的频率f，f＝ω/2π，纵坐标为开关频率。同步调制阶段采用中间60
°
调制策略，通过计算开关角度确定输出的pwm波，能够消除含有3的倍数次的谐波，优化电机控制性能；且在计算过程中，只需要求解一个开关角，算法简单，易于实现。永磁电机失磁故障检测及保护策略
82.磁链在线估算
83.基于上述机车牵引控制系统，当机车运行于惰性、空载工况下，且在mtpa控制模式下，转矩给定为0，即给定电流指令和为0；当系统稳定时，认为通过电机的电流也为0。在稳态条件下，忽略电机的微分项，电机稳态方程为：
[0084][0085]
由于大功率永磁同步电机中，电机内阻很小，只有几十毫欧，因此可以忽略电阻值rs的影响。从电机的稳态方程可以看出，当电机的d、q轴电流都为0时，此时的d轴电压为0，q轴电压全部由永磁体磁链的反电势产生。磁链估算公式为：
[0086][0087]
根据公式(2)可以估算出轴1/2/3/4/5/6电机的实时磁链ψ
f1
、ψ
f2
、ψ
f3
、ψ
f4
、ψ
f5
、ψ
f6
。
[0088]
磁链在线估算流程图如图7所示。
[0089]
失磁故障及失磁程度判定
[0090]
通过网络通讯，将每台电机的磁链估计值上传，依照轴1为例：轴1收到本轴电机磁链ψ
f1
、本架邻轴ψ
f2
、邻架轴ψ
f4
和磁链设计值ψ
f*
，同理，其他轴获得对应轴的磁链估计值。
[0091]
依据以下判据判断失磁故障：
[0092]
(1)轻微失磁故障：
[0093]
a.如果|ψ
f*-ψ
f1
|≥δψ’，δψ’＝0.1ψ
f*
，则判定磁链存在异常；
[0094]
b.如果|ψ
f1-ψ
f2
|≥δψ’，或者|ψ
f1-ψ
f4
|≥δψ’，则判定为轴1永磁同步电机轻微失磁；
[0095]
(2)一般失磁故障：
[0096]
a.如果|ψ
f*-ψ
f1
|≥δψ”，δψ”＝0.2ψ
f*
，则判定磁链一般异常；
[0097]
b.如果|ψ
f1-ψ
f2
|≥δψ”，或者|ψ
f1-ψ
f3
|≥δψ”，δψ”＝0.2ψ
f*
，则判定为轴1永磁同步电机一般失磁；
[0098]
(3)严重失磁故障：
[0099]
a.如果|ψ
f*-ψ
f1
|≥δψ
”’
，δψ
”’
＝0.3*ψ
f*
，则判定磁链严重异常；
[0100]
b.如果|ψ
f1-ψ
f2
|≥δψ
”’
，或者|ψ
f1-ψ
f3
|≥δψ
”’
，则判定为轴1永磁同步电机严重失磁；
[0101]
同理，其他轴电机采取相同的判据。
[0102]
失磁故障保护策略
[0103]
电力机车通常为多轴驱动模式，尤其大功率永磁直驱电力机车采用轴控方式，为6轴独立控制，在保证机车运行可靠性、安全的前提下，提供最大的牵引能力，需要针对不同失磁程度的采取相应的保护控制策略：
[0104]
(1)轻微失磁(10％)：
[0105]
考虑温度变化影响、磁链估算误差影响、或者轻微失磁状态，可以正常运行，无需维修；
[0106]
(2)一般失磁(20％)：
[0107]
降载运行，到站维修；
[0108]
(3)严重失磁(30％)：
[0109]
故障后隔轴，到站维修；
[0110]
失磁故障判断及故障保护流程图如图8所示。