用于五相OWFTFSCW?IPM電機的匝間短路故障檢測方法與流程
本發明屬于電機故障檢測領域，特別涉及一種用于五相owftfscw-ipm電機的匝間短路故障檢測方法。
背景技術：
為有效緩解能源危機和環境污染帶來的不利影響，在全球范圍內大力發展全電力驅動汽車是一種有效的解決途徑。電動汽車用電機的性能關乎整個驅動系統的運行性能和可靠性，稀土材料的發展使得永磁同步電機在功率密度和效率方面與其他電機相比具有很強的競爭力，因而成了電動汽車的優先選擇方案。電機驅動系統發生故障將影響到整個系統的正常工作，甚至發生安全事故。因此對電機驅動系統進行故障診斷研究，提高電機驅動系統可靠性具有現實意義，定子匝間短路故障作為一種常見的電機側故障具有隱蔽性的特點，如不能及時診斷出故障，將會使電機運行特性受到極大影響，甚至演變為更加嚴重的故障。
已有文獻在電機中高速情況下，利用快速傅立葉分析變換(fastfouriertransformation，fft)，通過檢測9次諧波的幅值來檢測匝間短路故障的發生，但是在電機動態運行情況下，fft分析將難以實現故障診斷。為此，有文獻引入離散小波變換(discretewavelettransform，dwt)，其可實現電機低速、中速和高速場合動態工況匝間短路故障電流進行分析，判定故障的發生，但是該方法過于復雜，不利于工程實現。
技術實現要素：
發明目的：本發明針對現有技術存在的問題，提供了一種能夠更加準確、簡單的判斷匝間短路故障的發生的用于五相開繞組分數槽集中繞組容錯電機(open-windingfault-tolerantfractional-slotconcentratedwindinginteriorpermanentmagnet，下文簡稱為：owftfscw-ipm)的匝間短路故障程度檢測方法。
技術方案：本發明提供了一種用于五相owftfscw-ipm電機的匝間短路故障檢測方法，包括以下步驟：
步驟1：采用電流傳感器檢測到的五相繞組中的實際電流；
步驟2：利用轉矩計算公式得到電機正常工作情況下估算的轉矩值；
步驟3：通過轉矩傳感器測得此時電機的實際轉矩輸出值；
步驟4：將電機的實際輸出轉矩與估算轉矩進行相減，得到轉矩偏差；
步驟5：將轉矩偏差通過濾波器濾除交流分量，得到轉矩偏差中的直流分量，如果有直流分量的存在則判斷發生了匝間短路故障。
進一步，所述步驟2中轉矩計算公式為
進一步，所述步驟3中采用的轉矩傳感器為高精度非接觸式傳輸方式的rk060。
進一步，所述步驟5中采用的濾波器為一階滯后數字濾波器。
工作原理：本發明通過故障模型下電機的數學模型，利用虛擬a相電流變換，將故障條件下的轉矩和正常運行時的轉矩估算值進行比較得到轉矩偏差值中的直流分量表達式，并通過求取匝間短路電流的初始相位代入偏差表達式，得到直流分量的最終表達式，通過實時監測轉矩偏差的直流分量來判定匝間短路故障的發生。
有益效果：與現有技術相比，本發明提供的方法實現比較簡單，對控制器要求不高，計算量小，有利于工程實現。該診斷方法在電機繞組發生非匝間短路故障時，電流傳感器檢測到的電流即是繞組中的實際電流，經坐標變換后計算的電磁轉矩與實際測得的輸出轉矩相近似，不會有直流分量的出現，因此該方法可以在發生變速、變載、缺相、和脈沖丟失的條件下有效地判斷匝間短路故障的發生。該方法可以在電機動態過程中有效地檢測出匝間短路故障的發生，操作簡單，誤判率低。
附圖說明
圖1為五相owftfscw-ipm電機a相繞組短路故障模型圖；
圖2為匝間短路故障發生前后的實際轉矩和估算轉矩以及轉矩誤差圖；
圖3為短路電流和轉矩誤差的直流分量圖；
圖4為變速、變載、缺相、脈沖丟失情況下的不同情況下的轉矩誤差直流分量圖，其中圖4(a)為變速情況下的轉矩誤差直流分量圖；圖4(b)為變載情況下的轉矩誤差直流分量圖；圖4(c)為缺相情況下的轉矩誤差直流分量圖；圖4(d)為脈沖丟失情況下的轉矩誤差直流分量圖。
具體實施方式
下面結合附圖對本發明做更進一步的解釋。
本發明基于電機設計理論，電機繞組相關參數直接取決于每相繞組的總串聯匝數。當該五相永磁同步電機某相繞組出現匝間短路故障時，將會導致電機定子側不平衡。以五相繞組中a相繞組發生匝間短路故障為例，設各相繞組匝數相同為ntotal，繞組短路匝數為nf，則短路匝比
根據電阻、電感、反電動勢與繞組匝數之間的關系，可得到如下基本數量關系：
rb＝rc＝rd＝re＝rs，ra1＝(1-μ)rs，ra2＝μrs；
lb＝lc＝ld＝le＝ls，la1＝(1-μ)2ls，la2＝μ2ls；
ma1b＝ma1c＝ma1d＝ma1e＝(1-μ)lm；
ma2b＝ma2c＝ma2d＝ma2e＝μlm；
ma1a2＝μ(1-μ)la；
ea1＝(1-μ)ea，ea2＝μea；
其中，ra、rb、rc、rd、re分別表示五相永磁同步電機中a、b、c、d、e五相繞組的電阻,ra1、la1、ea1分別是是a相繞組未發生匝間短路故障線圈的電阻、自感和反電勢。ra2、la2、ea2是a相繞組發生匝間短路故障的電阻、自感和反電勢，五相繞組的電阻相等且都等于定子繞組電阻rs；la、lb、lc、ld、le分別此五相永磁同步電機中a、b、c、d、e這五相繞組的自感，ls為定子繞組自感；mxy表示為此五相永磁同步電機x相和y相繞組互感，其中，x＝a,b,c,d,e,y＝a,b,c,d,e,x≠y。ma1b，ma1c，ma1d，ma1e分別是b、c、d、e相繞組對a相繞組未發生匝間短路故障線圈的互感，ma2b，ma2c，ma2d，ma2e分別是b、c、d、e相繞組對a相繞組發生匝間短路故障線圈的互感。ea、eb、ec、ed、ee分別表示五相永磁同步中a、b、c、d、e這五相在電機正常情況下的空載反電動勢，lm為繞組互感。
基于上述電機各基本數量關系，將自然坐標系下的五相電機數學模型推廣至故障模式下，根據電路和電磁感應定律，加在各相繞組兩端的端電壓vsf等于各相定子繞組的電阻壓降、因磁鏈變化引起的感應電動勢以及空載反電勢之和，所得電壓平衡方程為：
其中，[vsf,abcde]＝[vavbvcvdve0]t為五相繞組端部與短路回路電壓矩陣，va，vb，vc，vd和ve是電機a、b、c、d、e五相中各相繞組的端部電壓；其中根據下面的公式得到電阻矩陣[rsf]：
rs為繞組內阻，rf為短路回路電阻，代表了繞組的絕緣損毀，其值的大小取決于故障的嚴重程度。當rf→0時，代表了繞組的絕緣全部損壞，故障嚴重；當rf→∞時，代表了無故障的發生。[isf,abcde]＝[iaibicidieif]t為五相繞組與短路回路電流矩陣，ia，ib，ic，id，ie和if分別表示電機各相繞組以及短路回路的流經電流；根據下面的公式得到電感矩陣[lsf,abcde]：
其中ls為繞組自感，lm為繞組互感。
當電機繞組通入電流時，該電流就會在電機氣隙中產生電樞反應磁場，并與永磁磁場相疊加，使得氣隙磁場發生變化。根據電磁定律，當定子繞組中通入電流時，通電繞組在磁場中受到電磁力的作用，由于定子固定，轉子受到電磁轉矩反作用力從而旋轉。故障情況下五相永磁同步電機電磁轉矩tef如下表示：
其中，ea，eb，ec，ed和ee分別表示電機正常情況下的空載反電動勢，ωm為電機的機械角速度，ef為短路回路繞組匝鏈產生的反電勢。
在空間矢量控制下，利用旋轉坐標變換得到旋轉坐標系下的id和iq電流，同時經公式
對公式
其中ia’＝ia-μif，可以將ia’稱作虛擬a相電流，在坐標變換中，利用[ia’,ib,ic,id,ie]代替[ia,ib,ic,id,ie]，計及了短路電流公式
其中，if為短路電流的幅值，ω為電機旋轉電角速度，i'q表示電機的直軸電流，
令轉矩偏差的直流分量
其中
為了簡化分析，忽略阻抗壓降，得到如下公式：
其中
由d可知，在轉矩偏差中存在直流分量，且該直流分量只在短路故障發生的時候才存在，如圖2所示。在圖中可以看出，當沒有故障發生時，估算轉矩與實際轉矩相同，轉矩偏差為零，在t＝0.05s發生短路故障時，轉矩偏差不再為零，且是一個包含直流分量偏移的交流量，圖3為使用卡爾曼濾波器濾除交流分量后的轉矩差中的直流分量，可以看出該直流分量僅在匝間短路故障后才會出現，其大小與故障的嚴重程度相關，因此該直流分量可以作為匝間短路故障發生的判據。選擇合適的閾值作為判斷量，其中閾值為電機轉矩的10％。圖4(a)-(d)分別是在變速、變載、缺相、脈沖丟失等動態過程中，對轉矩差中的直流分量的檢測結果，可以看出，在發生其它故障時，該方法依然可以有效地檢測匝間短路故障是否發生，體現了該方法的魯棒性。相比于分析電流諧波分布來判斷匝間短路故障的發生，該診斷方法大大減少了分析計算量。
以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出：對于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范圍。
- 還沒有人留言評論。精彩留言會獲得點贊！