一种永磁同步电机匝间短路故障诊断的方法
【专利摘要】本发明公开了一种永磁同步电机匝间短路故障诊断的方法，包括以下步骤：S1、假设在某一相定子绕组发生匝间短路的情况下，利用扩展卡尔曼滤波器估算出该相的短路电流和短路匝数；如此，利用扩展卡尔曼滤波器估算出三个短路电流和三个短路匝数；S2、选取三个短路电流和三个短路匝数中短路电流幅值最大量与设定的阈值比较，若所选短路电流幅值最大量大于设定的阈值时，表明有匝间短路故障发生；若所选短路电流幅值不大于设定的阈值时，表明没有匝间短路故障发生；S3、判断故障相：在出现匝间短路故障的情况下，三个短路电流幅值中短路电流幅值最大量所在的相即为故障相。
【专利说明】
-种永磁同步电机应间短路故障诊断的方法
技术领域
[0001] 本发明设及故障诊断技术领域，尤其设及一种永磁同步电机应间短路故障诊断的 方法。
【背景技术】
[0002] 在电机故障中，定子绕组应间短路是一种最为常见且破坏力很强的故障。因此，为 了保证安全运行，一种有效的故障诊断方法是很有必要的。
[0003] 目前，主要有=种方法用于诊断定子绕组应间短路故障。第一种基于信号分析的 方法，如定子电流，磁链，电压，对称分量和小波变换等;运些方法利用相应的工具来分析与 应间短路故障有关的特征频率成分，运些方法需要一定的时间来分析采样的信号，不适合 实时地诊断故障;第二种是基于知识的方法，如模糊逻辑系统，神经网络，支持向量机等;运 些方法需要大量的训练样本和训练时间，往往不适合实时诊断的需要;第=种是基于状态 或参数故障估算的方法，运种方法需要所研究系统的数学模型;但是目前所采用的运种方 法都不能判断故障相。
【发明内容】
[0004] 基于【背景技术】存在的技术问题，本发明提出了一种永磁同步电机应间短路故障诊 断的方法。
[0005] 本发明提出的永磁同步电机应间短路故障诊断的方法，包括W下步骤：
[0006] S1、假设在某一相定子绕组发生应间短路的情况下，利用扩展卡尔曼滤波器估算 出该相的短路电流和短路应数;如此，利用扩展卡尔曼滤波器估算出=个短路电流和=个 短路应数；
[0007] S2、选取=个短路电流和=个短路应数中短路电流幅值最大量与设定的阔值比 较，若所选短路电流幅值最大量大于设定的阔值时，表明有应间短路故障发生;若所选短路 电流幅值不大于设定的阔值时，表明没有应间短路故障发生；
[000引S3、判断故障相:在出现应间短路故障的情况下，=个短路电流幅值中短路电流幅 值最大量所在的相即为故障相。
[0009] 优选地，利用扩展卡尔曼滤波器计算某一相的短路电流和短路应数的方法为：
[0010] Wa相出现应间短路故障为例，根据永磁同步电机应间短路故障下的电流状态方 程，选取状态变量和输入变量分别为
则系统对应的非 线性方程为
[0011]
[0012]式中：CO是零均值高斯白噪声；
[0013]
[0014]
[0015]选取邮坐标系下的定子电流作为观测输出量，即y=(ia ie)T，则系统的测量方程 为
[0016] y = h(x)+v
[0017]式中：?似=[/' / r，v是零均值白噪声；
[0018] 对f(x)和Mx)分别进行线性化处理得到相应的雅克布矩阵为：
[0019]
[0020]
[0021]
[0022]
[0023]
[0024]
[0025]
[0026]
[0027] 线性化处理W后，选取协方差矩阵Q和R，最后套用已知的扩展卡尔曼滤波器公式 估算出短路电流和短路应数。
[0028] 本发明提出的一种永磁同步电机应间短路故障诊断方法，利用扩展卡尔曼滤波器 分别估算出在任一相定子绕组发生应间短路的情况下的=个短路电流和=个短路应数;根 据估算的短路电流的幅值与设定的阔值的比较结果判断是否出现应间短路故障;在出现应 间短路故障的情况下，进一步判断故障相所在。本发明可对永磁同步电机是否出现应间短 路故障进行实时诊断，克服了现有技术中不能进行实时诊断的弊端;本发明不需要研究系 统的数学模型，也不需要额外的检测设备，利用扩展卡尔曼滤波器估算出短路电流和短路 应数即可判断是否出现应间短路故障，且可进一步判断出故障相所在，保证了对永磁同步 电机应间短路故障诊断的实时性和可靠性。
【附图说明】
[0029] 图1为永磁同步电机应间短路等效图；
[0030] 图2为一种永磁同步电机应间短路故障诊断的方法的框图。
【具体实施方式】
[0031] 如图1、图2所示，图1、图2为本发明提出的一种永磁同步电机应间短路故障诊断的 方法。
[0032] 参照图1、图2,本发明提出的一种永磁同步电机应间短路故障诊断的方法，包括W 下步骤：
[0033] S1、假设在某一相定子绕组发生应间短路的情况下，利用扩展卡尔曼滤波器估算 出该相的短路电流和短路应数;如此，利用扩展卡尔曼滤波器估算出=个短路电流和=个 短路应数；
[0034] S2、判断是否出现应间短路故障:若任一相短路电流幅值大于设定的阔值时，表明 有应间短路故障发生;若=个短路电流幅值均不大于设定的阔值时，表明没有应间短路故 障发生；
[0035] S3、判断故障相:在出现应间短路故障的情况下，=个短路电流幅值中短路电流幅 值最大量所在的相即为故障相。
[0036] 下面W永磁同步电机a相(b相和C相类似)发生应间短路为例对本发明作进一步说 明：
[0037] I、数学模型
[0038] 根据图1，永磁同步电机在a相发生应间短路故障的情况下，定子绕组的电压方程 在邮坐标系下表示为 「00391
[0040] 式中：y是a相绕组短路应数比，if是短路回路电流，Rf是短路电阻，Rs是定子电阻，L 是自感，M是互感，Lc = L-M。
[0041] W电流状态方程的形式为 [00421
(2)
[0043] 2、扩展卡尔曼滤波器的原理
[0044] 扩展卡尔曼滤波器方法用于估计动态非线性系统状态的数学工具;非线性系统模 型和它的离散非线性测量方程为
[0045] (3)
[0046] (4)
[0047] 式中：CO (t)和v(t)分别为系统噪声和测量噪声，其均值为零;u(t)为输入向量;y 为输出向量。
[0048] 扩展卡尔曼滤波器实际上为一个循环递推算法，主要由两步构成，预测与滤波。第 一步预测阶段主要是计算状态预测值和状态误差协方差预测值;第二步滤波也称为更新阶 段，在该步骤中将要计算出所构造的扩展卡尔曼滤波器增益，进行状态误差协方差矩阵的 更新，并且对所预测的状态进行更新。
[0049] 第一步:预测；它是基于上一个估算值Xk-Ilk-I和实际值在Tk-I到化之间提供给系统 的输入均值Uk-I来计算。
[0050]
(5)
[0051] Pk|k-i = Pk-i|k-i+[Fk-iPk-i|k-i+Pk-i|k-：iFk-iT]Ts+Q (6)
[0052] 式中：Ts为采样周期，Q为CO (t)的协方差矩阵，Fk-I为系统梯度矩阵。
[0053]
(7)
[0054] 第二步:滤波;应用实测量来反馈修正在上一步预测出的状态估计值和它的协方 差矩阵，巧化公式化下：
[00 对
C 8)
[0056] PkIk = PkIk-I-KkHPkIk-I (9)
[0化7] 式中：卡尔曼增益矩阵Kk为
[005引 Kk = Pk|k-iHTWPk|k-iHT+R)-i (10)
[0059] 式中：H为变换矩阵，R为v(t)的协方差矩阵。
[0060] 3、扩展卡尔曼滤波器的设计
[0061] 根据永磁同步电机应间短路故障下的电流状态方程式(2)，选取状态变量和输入 变量分别戈
，则系统对应的非线性方程为
[0062]
(11)
[0063]式中；
[0065] 选取邮坐标系下的定子电流作为观测输出量，即y=(ia ie)T，则系统的测量方程 为
[0066] y = h(x)+v (12)
[0069]
[0067] 式中
。[0068] 对f(x)和h(x)分别进行线性化处理得到相应的雅克布矩阵为：
[0070]
[0071]
[0072]
[0073]
[0074]
[0075]
[0076]
[0077] 线性化处理W后，选取协方差矩阵Q和R，最后套用已知的扩展卡尔曼滤波器公式 估算短路电流和短路应数。
[0078] 上述只考虑了a相发生应间短路情况下，在实际应用中，并不知道具体是哪一相发 生了应间短路。因此，按照上述类似的方法，另外设计两个扩展卡尔曼滤波器分别估算在b 相和C相发生应间短路故障下的短路电流和短路应数。
[00巧]4、故障诊断
[0080] 根据估算的=个短路电流和=个短路应数，选取其中短路电流幅值最大的量与设 定的阔值进行比较，当所选短路电流幅值大于设定的阔值时，表明有应间短路故障发生，并 且所选短路电流幅值最大量所在的相就是故障相；当所选短路电流幅值不大于设定的阔值 时，表明没有应间短路故障发生，永磁同步电机处于正常运行状态。
[0081] 利用此方法可对永磁同步电机是否出现应间短路故障进行实时诊断，克服了现有 技术中不能进行实时诊断的弊端;本方法不需要研究系统的数学模型，也不需要额外的检 测设备，利用扩展卡尔曼滤波器估算出短路电流和短路应数即可判断是否出现应间短路故 障，且可进一步判断出故障相所在，保证了对永磁同步电机应间短路故障诊断的实时性和 可靠性。
[0082] W上所述，仅为本发明较佳的【具体实施方式】，但本发明的保护范围并不局限于此， 任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明掲露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其 发明构思加W等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种永磁同步电机匝间短路故障诊断的方法，其特征在于，包括以下步骤： 51、 假设在某一相定子绕组发生匝间短路的情况下，利用扩展卡尔曼滤波器估算出该 相的短路电流和短路匝数;如此，利用扩展卡尔曼滤波器估算出三个短路电流和三个短路 匝数； 52、 判断是否出现匝间短路故障：选取三个短路电流和三个短路匝数中短路电流幅值 最大量与设定的阈值比较，若所选短路电流幅值最大量大于设定的阈值时，表明有匝间短 路故障发生;若所选短路电流幅值不大于设定的阈值时，表明没有匝间短路故障发生； 53、 判断故障相:在出现匝间短路故障的情况下，三个短路电流幅值中短路电流幅值最 大量所在的相即为故障相。2. 根据权利要求1所述的永磁同步电机匝间短路故障诊断的方法，其特征在于，利用扩 展卡尔曼滤波器计算某一相的短路电流和短路匝数的方法为： 以a相出现匝间短路故障为例，根据永磁同步电机匝间短路故障下的电流状态方程，选 取状态变量和输入变量分别彡，.则系统对应的非线性方 程为选取邱坐标系下的定子电流作为观测输出量，g卩y=(iai{!)T，得到系统的测量方程为，是零均值白噪声； 对fG)和分則讲杆錄桦仆,々卜捆徨？丨丨相应的骓古龙钜咗为.线性化处理以后，选取协方差矩阵Q和R，套用已知的扩展卡尔曼滤波器公式估算出短 路电流和短路匝数。
【文档编号】G01R31/02GK106019045SQ201610327167
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年5月16日
【发明人】杭俊, 刘扬, 丁石川, 王群京, 李国丽
【申请人】安徽大学