永磁同步电机匝间短路故障在线检测方法

第３７卷第３期２０１８年３月

电工电能新技术

ＡｄｖａｎｃｅｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｎｄＥｎｅｒｇｙ

Ｖｏｌ．３７，Ｎｏ．３Ｍａｒ．２０１８

收稿日期：２０１７⁃０３⁃２９

作者简介：彭㊀伟（１９９１⁃），男，重庆籍，硕士研究生，研究方向为电动汽车用交流电机的控制；

赵㊀峰（１９７９⁃），男，陕西籍，研究员，研究方向为电动汽车用交流电机的控制㊂

永磁同步电机匝间短路故障在线检测方法

彭㊀伟１，２，赵㊀峰１，３，４，王永兴１，３，４，关天一１，２

（１．中国科学院电工研究所，北京１００１９０；２．中国科学院大学，北京１０００４９；

３．中国科学院电力电子与电气驱动重点实验室，北京１００１９０；

４．电驱动系统大功率电力电子器件封装技术北京市工程实验室，北京１００１９０）

摘要：本文提出了简单的永磁同步电机（ＰＭＳＭ）匝间短路故障在线检测方法㊂首先对不同状态ＰＭＳＭ定子电流谐波成分展开分析，提出一个融合了－ｆｅ及ʃ３ｆｅ谐波成分的故障特征量Ｆｔ㊂针对采用快速傅立叶变换方法计算特征量实时性差的问题，在连续细化傅立叶变换方法基础上引入布莱克曼窗，从而改善了连续细化傅立叶变换方法的幅值辨识精度，实现了故障特征量快速且准确的求取㊂仿真及实验结果表明，特征量Ｆｔ能够正确反映ＰＭＳＭ匝间短路故障是否发生，本文提出的在线检测方法在不增加任何硬件设备的基础上实现了ＰＭＳＭ匝间短路故障的检测㊂关键词：永磁同步电机；匝间短路故障；故障特征量；在线检测；连续细化傅立叶变换

ＤＯＩ：１０ １２０６７／ＡＴＥＥＥ１７０３１０３㊀㊀㊀文章编号：１００３⁃３０７６（２０１８）０３⁃００４１⁃０８㊀㊀㊀中图分类号：ＴＭ３５１

１㊀引言

永磁同步电机（ＰＭＳＭ）具有高转矩／惯量比㊁高功率密度㊁高效率㊁响应快等优点㊂近年来，随着永磁性能不断提高，ＰＭＳＭ在电动汽车中的应用越来越广泛［１］㊂永磁同步电机在长期运行的过程中不可避免会出现各种故障，严重影响其在电动汽车应用中的可靠性和安全性㊂永磁同步电机驱动系统中，由匝间短路引起的定子绕组故障是最为常见的故障之一［２］㊂在早期的匝间短路故障阶段，电机仍然可以正常运行，然而由于大的短路电流的存在，短路回路会产生大量热量，从而引起更多的绝缘失效㊂因此，早期匝间短路故障的检测对于避免驱动系统失效㊁避免危害人身安全具有十分重要的作用㊂目前，已有许多学者展开了永磁同步电机定子

故障检测方面的工作［３⁃１１］㊂这些研究主要包括基于磁通密度传感器的方法［３］㊁基于测得的定子电压和电流构建状态观测器的方法［４］㊁基于频域及时频分析工具的定子电流特征分析的方法［５⁃１０］㊁智能控制（如人工神经网络）方法［１１］等故障检测方案㊂其中，定子电流特征分析方法因其低成本而受到国内

外学者最广泛的关注㊂文献［５］提出将负序电流幅值作为反映匝间短路故障严重程度的特征量，并采用负序ｄｑ轴结合低通滤波器的方案成功提取出负序电流幅值㊂文献［６］利用傅立叶变换的方法对定子电流信号进行分析，通过对比正常电机和故障电机定子电流频谱，指出故障电机定子电流３次谐波含量增加，故以此作为故障的判定依据㊂文献［７］在文献［６］的基础上提出以ｑ轴２次谐波幅值为特征量代替定子电流３次谐波电流的提取，简化了故障检测算法㊂傅立叶变换将原有电流信号从时域变换到频域进行分析，难以应对系统非线性工况下的特征量提取㊂针对这一问题，文献［８，９］分别采用离散小波变换（ＤＷＴ）和小波包变换对动态情况下匝间短路故障的定子电流进行分析㊂仿真和实验结果表明，该方法在电机变速㊁中速㊁低速㊁高速情况下，根据３次谐波所在频段能量进行分析均可判定短路故障是否发生㊂文献［１０］采用经验模态分解（ＥＭＤ）方法对定子电流进行分析，得到一个本征模态函数ＩＭＦ的集合，然后用时频分析方法对包含故障谐波的模态进行分析得到故障对应的瞬时频率，仿真和实验表明了该诊断方法的有效性㊂时频分析

４２㊀电工电能新技术第３７卷第３期

工具能够提高故障检测的实时性，应对非线性工况下特征量的提取，但算法的复杂性使其并不适合应用到低成本的ＤＳＰ控制上㊂

文献［５，６］分别提出以负序电流和３次谐波电流作为匝间短路故障的特征，但并未对其机理做深入分析㊂为此，本文对不同状态ＰＭＳＭ定子电流－ｆｅ及ʃ３ｆｅ频率的谐波成分进行了机理分析，在此基础上提出一个融合了－ｆｅ及ʃ３ｆｅ频率谐波成分的特征量Ｆｔ㊂为更加快速准确地求取特征量，基于布莱克曼窗改善了连续细化傅立叶变换方法㊂仿真及实

验结果表明，本文提出的方法在不增加任何硬件设备的基础上实现了匝间短路故障的检测㊂

２㊀永磁同步电机匝间短路故障特征分析

２ １㊀

－ｆｅ及ʃ３ｆｅ谐波电流机理分析

三相永磁同步电机在通过理想电源供电正常运行的过程中，定子电流除了含有基波电流成份外，往往还含有奇数次（ｈ＝６ｖʃ１，ｖ＝１，２，３， ）谐波电流㊂基波电流和各次谐波电流在各相线圈中产生的磁动势在气隙中除了含有正弦分布的基波磁动势外，还含有奇数次谐波磁动势㊂因此各相电流产生的磁动势谐波ｆａｎｈ㊁ｆｂｎｈ㊁ｆｃｎｈ的表达式为：

ｆａｎｈ＝Ｆｎｈｓｉｎ（ｎγ）ｃｏｓ（ｈωｔ）ｆｂｎｈ＝Ｆｎｈｓｉｎ［ｎ（γ－２π３）］ｃｏｓ［ｈ（ωｔ－２π３）］ｆｃｎｈ

＝Ｆｎｈｓｉｎ［ｎ（γ－４π３）］ｃｏｓ［ｈ（ωｔ－４π３

）］

ìîíïïïï

ï（１）

式中，ｎ㊁ｈ分别为空间及时间谐波次数，ｎ＝１，５，７，

１１，１３， ，ｈ＝１，５，７，１１，１３， ；Ｆｎｈ为ｈ次谐波电流产生的空间中呈ｎ次分布的磁动势谐波的幅值；ω为基波电角频率，γ为沿气隙空间电角度㊂将式（１）中的各相脉振磁动势相加可化简为［１２］：

Ｆｓｕｍ＿ｎｈ＝

Ｆｎｈ２

{ｓｉｎ［（ｎ＋ｈ）π］ｓｉｎ［（ｎ＋ｈ）π／３］ｓｉｎ［ｐ－２（ｎ＋ｈ）π

３

］＋㊀㊀ｓｉｎ［（ｎ－ｈ）π］ｓｉｎ［（ｎ－ｈ）π／３］ｓｉｎ［ｑ－２（ｎ－ｈ）π

３

］}（２）

式中，Ｆｓｕｍ＿ｎｈ为对应次数的三相合成磁动势；ｐ＝ｎγ＋ｈωｔ；ｑ＝ｎγ－ｈωｔ㊂式（２）中系数部分有如下特

点：

ｓｉｎ［（ｎ＋ｈ）π］ｓｉｎ［（ｎ＋ｈ）π／３］＝３

ｎ＋ｈ＝３ｋｋ＝１，２，３，

ｓｉｎ［（ｎ＋ｈ）π］ｓｉｎ［（ｎ＋ｈ）π／３］

＝０ｅｌｓｅ

ìîí

ïïï（３）

ｓｉｎ［（ｎ－ｈ）π］ｓｉｎ［（ｎ－ｈ）π／３］＝３ｎ－ｈ＝３ｋ㊀ｋ＝０，１，２，３，

ｓｉｎ［（ｎ－ｈ）π］ｓｉｎ［（ｎ－ｈ）π／３］

＝０ｅｌｓｅìîí

ïïï（４）

㊀㊀根据式（２） 式（４）得到理想状态下ＰＭＳＭ的磁动势谐波形式，如表１所示㊂其中，Ｆｎｈʃ表示该形式磁动势谐波的幅值，下标ｎ㊁ｈ表示谐波的次数，ʃ表示该形式的磁动势谐波旋转的方向㊂当ＰＭＳＭ存在三相绕组不对称或供电不平衡时，各相绕组产生的磁动势谐波将不完全满足式（１）所示的关系，因此将会增加新的磁动势谐波，如表２所示㊂

表１㊀理想条件下三相ＰＭＳＭ的磁动势谐波Ｔａｂ．１㊀ＰＭＳＭＭＭＦｈａｒｍｏｎｉｃｓｕｎｄｅｒｉｄｅａｌｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｎｈ

１

５

１Ｆ１１＋ｃｏｓ（γ－ωｔ）

Ｆ１５－ｃｏｓ（γ＋５ωｔ）

５

Ｆ５１－ｃｏｓ（５γ＋ωｔ）Ｆ５５＋ｃｏｓ（５γ－５ωｔ）

表２㊀三相不平衡条件下ＰＭＳＭ的新增磁动势谐波Ｔａｂ．２㊀ＰＭＳＭＭＭＦｈａｒｍｏｎｉｃｓｕｎｄｅｒｕｎｂａｌａｎｃｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｎｈ

１

５

１Ｆ１１－ｃｏｓ（γ＋ωｔ）

Ｆ１５＋ｃｏｓ（γ－５ωｔ）

５

Ｆ５１＋ｃｏｓ（５γ－ωｔ）Ｆ５５－ｃｏｓ（５γ＋５ωｔ）

ＰＭＳＭａ相绕组发生匝间短路故障时的电路模

型示意图如图１所示㊂当ＰＭＳＭ稳态运行时，由于永磁体及各相电流的作用，短路回路中将感应出大的短路电流ｉｆ，对于整数槽的内嵌式永磁同步电机（ＩＰＭＳＭ），短路电流可表示为：

ｉｆ（ｔ）＝

ð

ɕ

ｈ＝１，３，５，

Ｉｆｈｃｏｓ（ｈωｔ＋φｈ）（５）

式中，Ｉｆｈ为ｈ次谐波电流的幅值

㊂

图１㊀匝间短路ＰＭＳＭ电路模型示意图

Ｆｉｇ．１㊀ＣｉｒｃｕｉｔｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆｓｈｏｒｔｔｕｒｎＰＭＳＭ

因此不难得出匝间短路故障下的ＰＭＳＭ将产

生一系列新的磁动势谐波ｆｓｎｈ，即