一种永磁电机匝间短路故障在线检测方法与流程

1.本发明涉及永磁电机的故障检测领域，具体为一种永磁电机匝间短路故障在线检测方法。


背景技术：

2.永磁电机作为轨道交通系统重要核心部件，其可靠性将影响整个系统的性能。轨道交通牵引电机运行工况复杂多变，由于受轨面振动冲击、频繁的瞬时过载和冲击、潮湿高温环境等影响，容易使牵引电机发生故障。整个电机故障中匝间短路故障约占电机故障36％，但在出现严重匝间短路故障之前，会呈现出振动噪声、电磁谐波等一系列的劣化征兆。如果匝间短路故障能通过故障诊断技术及早发现，可以大幅提高轨道交通的安全性。
3.目前匝间短路故障检测方法主要基于大数据信号分析和基于深度学习及智能算法，这些信号分析和智能算法计算量比较大，实时性较差，不易实现在线故障诊断。比如：
①
专利cn101221206a通过对运行时电机绕组进行瞬时功率分析，采用一阶复高斯小波函数对故障前后瞬时功率畸变点进行故障特征提取，判断电机是否发生匝间短路短；
②
专利cn111208427a采用调用预设梯度提升树模型和预设模糊聚类模型，分别采用频谱分析、park矢量分析、对称分量分析方法，提取各自故障特征，形成新的多维特征向量，降维后提取特征量进行匝间短路故障检测；
③
专利cn108107315a采集凸极永磁电机正常和匝短时三相绕组每一相的电流及控制信号建立正常和故障模型，根据绕组严重程度评估结果跟获得的抗扰度故障严重程度参数与预设参数范围比较得出；
④
专利cn110988674a基于多模态典型相关分析的永磁同步电机健康状态监测方法和系统，选取两个以上工况下永磁同步电机的正常运行数据作为训练数据集，输入em算法计算得到建模所需参数，获取永磁同步电机在线运行数据结合模型得到的评价指标和预先设定的故障概率阈值检测永磁电机健康状态；
⑤
专利cn111123105a基于高频信号注入的电机匝短故障诊断方法，向发生匝间短路故障绕组注入幅值相等、相位相差180
°
的正弦高频电流，从两相电压中提取与注入高频相同的频率分量，计算出故障特征量，根据特征量与设置的阈值比较结果得出是否发生匝间短路故障。其中前四项专利申请是基于小波高斯、fft信号分析和智能学习的方法，需要离线进行大量数据存储和分析提取故障特征，不易实现在线实时数据计算故障监测；第五项专利申请是高频信号注入的电机匝间短路诊断方法也是离线监测故障，电机在静止和停机时进行故障监测，轨道交通开关频率一般只有几百赫兹，对高频信号注入频率存在限制。
4.所以基于上述问题，需要设计一种新的故障监测方法或者改进现有的故障监测方法。


技术实现要素：

5.本发明为了解决现有的匝间短路故障检测方法存在信号分析和智能算法计算量比较大，实时性较差，不易实现在线故障诊断的问题，提供了一种新型的基于状态观测的永磁电机匝间短路在线故障检测方法。
6.本发明主要针永磁同步电机发生匝短时在线进行故障诊断，首先推导匝短故障数学模型及故障发生后产生的特征量，其中最直接特征量是短路电流以及故障时电压扰动量，实际匝短环路电流和故障电压扰动量无法直接测量，通过构造线性扩张状态观测器观测运行中电机匝短后电机电压扰动量，通过信号滤波处理进行阈值比较判断电机是否发生匝间短路故障。图1给出pmsm匝间短路在线故障诊断方法的系统框图，整个系统由三部分构成，分别是基于leso电压扰动量观测模块、故障特征提取算法模块和故障诊断方法模块。
7.本发明是通过如下技术方案来实现的：一种永磁电机匝间短路故障在线检测方法，具体包括如下步骤：
8.1)假设三相绕组中的a相绕组发生匝间短路，建立匝短后d、q轴电压方程如下：当b、c相发生故障，将式中所有θ分别变为(θ-120
°
)或(θ 120
°
)；
[0009][0010]
式中：
[0011][0012]
其中，l
s0
，m
s0
自感与互感上的直流分量；l
s2
电感上正弦分量的幅值；η是短路匝数比，rf是短路电阻，ld是d轴电感，lq是q轴电感、rs是电机相电阻；ψf为永磁体磁链的大小；θ为d轴与a轴轴线的夹角；p是微分运算符；
[0013]
给定电压指令ud和uq，转速为ω，则：
[0014][0015]uan
＝u
a-un，u
an
是a相与星形连接电机实际中心点n之间的电压；
[0016]
将公式(2)代入得：
[0017]
[0018]
2)观察公式(1)中和故障的有关的定义为电压扰动项，电压扰动项是匝间短路故障最直接的特征之一：
[0019][0020]
将公式(3)代入公式(4)中化简得到：
[0021][0022]
式中，e
df
、e
qf
是d、q轴匝短后电压扰动量；η是短路匝数比，rf是短路电阻；ld、lq、rs是电机参数；β，δ1＝arctan(-rs/ω(2l
d-lq))，δ2＝arctan(-ω(l
d-2lq)/rs)均为常数；由式(5)可知，电压扰动量分为直流分量和二次谐波分量；
[0023]
3)步骤1)和2)推导了匝间短路故障的建模过程以及故障发生后产生的特征量，其中最直接的特征量是短路电流以及故障电压扰动量，实际情况短路电流无法直接测得，而电压扰动量可以根据电机电压方程进行观测得到，电机电压方程如下：
[0024][0025]
其中，e
df
是匝短后d轴电压扰动量；e
qf
是匝短后q轴电压扰动量；
[0026]
4)根据永磁电机电压瞬态方程和线性扩展状态观测器leso原理构造d、q轴扰动电压leso扰动观测器，如下：
[0027]
[0028][0029]
当电机未发生匝短故障时，当电机发生匝短故障时，
[0030]
5)经过分析发现，通过观测器得到的电压扰动等效为实际扰动；
[0031]
6)电压扰动特征量的选取与观测，电压扰动量分为直流分量和二次谐波分量，公式如下：
[0032][0033]
7)选取电压扰动量二次谐波分量为匝短时特征量，对二次分量做正负序park变换，变换后存在直流量、二次分量和四次分量，设计低通滤波器，提取系统的直流分量作为阈值判断的依据：
[0034]
对二次分量做正序park变换：
[0035]
对上式进行低通滤波：
[0036]
对次分量做负序park变换：
[0037]
对上式进行低通滤波：
[0038]
8)最终特征提取观测阈值：
[0039][0040]
忽略电阻，当凸极比lq/ld》2时，a》b；当凸极比lq/ld《2时，a《b；当lq/ld＝1时，a＝0；因此观测特征量保证了不同凸极比电机都适用；
[0041]
9)最后采用阈值th作为判断故障是否发生的判据，阈值th根据系统满载和空载数字和半实物仿真观测index的值进行确定，在实际试验时考虑非线性因素进行阈值th的修正；当公式(10)计算得到的index超过阈值th，此时认为电机发生了匝短故障，相应的系统进行保护动作；反之，当index小于阈值th，则认为电机正常运行。
[0042]
与现有技术相比本发明具有以下有益效果：本发明所提供的一种永磁电机匝间短路故障在线检测方法，可对永磁同步电机是否出现匝间短路故障进行实时诊断，克服了现有方法专利cn110988674a和cn111123105a无法实时在线诊断的弊端；不需要额外的检测设备，利用线性扩展状态观测器(leso)估算出匝短后电压扰动量，判断是否出现匝间短路故障，保证了电机匝间短路故障诊断的实时性和可靠性。
附图说明
[0043]
图1为pmsm匝间短路在线故障诊断方法的系统框图。
具体实施方式
[0044]
以下结合具体实施例对本发明作进一步说明。
[0045]
图1给出pmsm匝间短路在线故障诊断方法的系统框图，整个系统由三部分构成，分别是基于leso电压扰动量观测模块、故障特征提取算法模块和故障诊断方法模块。
[0046]
一种永磁电机匝间短路故障在线检测方法，具体包括如下步骤：
[0047]
1)假设三相绕组中的a相绕组发生匝间短路，建立匝短后d、q轴电压方程如下：当b、c相发生故障，将式中所有θ分别变为(θ-120
°
)或(θ 120
°
)；
[0048][0049]
式中：
[0050][0051]
其中，l
s0
，m
s0
自感与互感上的直流分量；l
s2
电感上正弦分量的幅值；η是短路匝数比，rf是短路电阻，ld是d轴电感，lq是q轴电感、rs是电机相电阻；ψf为永磁体磁链的大小；θ为d轴与a轴轴线的夹角；p是微分运算符；
[0052]
给定电压指令ud和uq，转速为ω，则：
[0053][0054]uan
＝u
a-un，u
an
是a相与星形连接电机实际中心点n之间的电压；
[0055]
将公式(2)代入得：
[0056][0057]
2)观察公式(1)中和故障的有关的定义为电压扰动项，电压扰动项是匝间短路故障最直接的特征之一：
[0058][0059]
将公式(3)代入公式(4)中化简得到：
[0060][0061]
式中，e
df
、e
qf
是d、q轴匝短后电压扰动量；η是短路匝数比，rf是短路电阻；ld、lq、rs是电机参数；β，δ1＝arctan(-rs/ω(2l
d-lq))，δ2＝arctan(-ω(l
d-2lq)/rs)均为常数；由式(5)可知，电压扰动量分为直流分量和二次谐波分量；
[0062]
3)步骤1)和2)推导了匝间短路故障的建模过程以及故障发生后产生的特征量，其中最直接的特征量是短路电流以及故障电压扰动量，实际情况短路电流无法直接测得，而电压扰动量可以根据电机电压方程进行观测得到，电机电压方程如下：
[0063][0064]
其中，e
df
是匝短后d轴电压扰动量；e
qf
是匝短后q轴电压扰动量；
[0065]
4)根据永磁电机电压瞬态方程和线性扩展状态观测器leso原理构造d、q轴扰动电压leso扰动观测器，如下：
[0066][0067][0068]
当电机未发生匝短故障时，当电机发生匝短故障时，
[0069]
5)经过分析发现，通过观测器得到的电压扰动等效为实际扰动；
[0070]
6)电压扰动特征量的选取与观测，电压扰动量分为直流分量和二次谐波分量，公式如下：
[0071][0072]
7)选取电压扰动量二次谐波分量为匝短时特征量，对二次分量做正负序park变换，变换后存在直流量、二次分量和四次分量，设计低通滤波器，提取系统的直流分量作为阈值判断的依据：
[0073]
对二次分量做正序park变换：
[0074]
对上式进行低通滤波：
[0075]
对次分量做负序park变换：
[0076]
对上式进行低通滤波：
[0077]
8)最终特征提取观测阈值：
[0078][0079]
忽略电阻，当凸极比lq/ld》2时，a》b；当凸极比lq/ld《2时，a《b；当lq/ld＝1时，a＝0；因此观测特征量保证了不同凸极比电机都适用；
[0080]
9)最后采用阈值th作为判断故障是否发生的判据，阈值th可以根据系统满载和空载数字和半实物仿真观测index的值进行确定，在实际试验时考虑非线性因素进行阈值th的修正；当公式(10)计算得到的index超过阈值th，此时认为电机发生了匝短故障，相应的系统进行保护动作；反之，当index小于阈值th，则认为电机正常运行。
[0081]
本发明要求保护的范围不限于以上具体实施方式，而且对于本领域技术人员而言，本发明可以有多种变形和更改，凡在本发明的构思与原则之内所作的任何修改、改进和等同替换都应包含在本发明的保护范围之内。