[發(fā)明專利]一種基于磁場定向控制的電機轉(zhuǎn)子故障診斷方法

有效

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• 申請日: 2014-09-04
• 公開（公告）號: CN104280682B
• 公開（公告）日: 2017-07-04
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 黃進;侯招文;趙力航;劉赫
• 申請（專利權(quán)）人: 浙江大學(xué)
• 主分類號: G01R31/34
• 分類號: G01R31/34
• 代理公司: 杭州天勤知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司33224
• 代理人: 胡紅娟

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于電機故障診斷技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于磁場定向控制的電機轉(zhuǎn)子故障診斷方法。

背景技術(shù)

感應(yīng)電機具有結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉的優(yōu)點而在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用。然而，由于設(shè)計結(jié)構(gòu)和制造工藝等問題，電機在長時間的負載過重或者頻繁起動、制動以后，可能出現(xiàn)轉(zhuǎn)子鼠籠條斷裂。轉(zhuǎn)子導(dǎo)條斷裂以后，會使其鄰近導(dǎo)條的電流加大，應(yīng)力增加，斷條故障將進一步擴大，出現(xiàn)多根斷條，使電機出力降低，嚴重時還會出現(xiàn)轉(zhuǎn)子掃膛而擦壞定子，導(dǎo)致整機報廢。因此，在轉(zhuǎn)子故障發(fā)生的早期，就把故障檢測出來并量化其故障嚴重程度，以據(jù)此及時維修，可以避免意外停機以及惡性事故的發(fā)生，具有非常重大的意義。

當電機掛在電網(wǎng)上運行時，可通過檢測電機的轉(zhuǎn)速、噪聲、電流、電磁轉(zhuǎn)矩、部分或者全部瞬時功率、磁通等方法來實現(xiàn)電機的轉(zhuǎn)子故障診斷，且其故障檢測和量化方法已基本完善。

而隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，逆變器以及電機的變頻調(diào)速得到了廣泛的應(yīng)用。此時，電機的故障診斷還需要考慮電機電壓電流頻率的變化、電壓電流的高噪聲、閉環(huán)的影響以及控制器的帶寬等問題。此時，原有的用于電網(wǎng)供電情況的故障診斷方法會部分或者完全失效。為此需要針對逆變器供電以及閉環(huán)控制情況予以特別研究。對高性能的電機控制場合，磁場定向控制(Field OrientedControl，F(xiàn)OC)是最常用的控制方法，它通過坐標變換，將一臺實際的異步電機變換成虛擬的等效直流電機，實現(xiàn)了磁場和轉(zhuǎn)矩的動態(tài)解耦，獲得了優(yōu)良的轉(zhuǎn)矩動態(tài)控制性能。

針對這種應(yīng)用場合，已有一些作者提出了一些方法，如參考系坐標變換法、維也納觀測方法(Vienna Monitoring Method，VMM)、利用控制器內(nèi)部變量(如轉(zhuǎn)子磁鏈、勵磁電流等)以及虛擬電流技術(shù)方法。然而，前三類方法只實現(xiàn)了定性分析，而沒有對電機轉(zhuǎn)子故障實現(xiàn)量化，而虛擬電流技術(shù)方法雖然能夠?qū)崿F(xiàn)故障量化，但是這種方法不僅計算復(fù)雜，且需要用到較多的電機參數(shù)，而其中一些參數(shù)如轉(zhuǎn)子時間常數(shù)很難準確獲取，這對電機轉(zhuǎn)子故障診斷結(jié)果有一定的影響。

發(fā)明內(nèi)容

針對現(xiàn)有技術(shù)所存在的上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種基于磁場定向控制的電機轉(zhuǎn)子故障診斷方法，該方法只需要電機控制器中已計算出的轉(zhuǎn)矩電流以及電機的轉(zhuǎn)子導(dǎo)條數(shù)，就可以實現(xiàn)電機的轉(zhuǎn)子故障診斷，并準確量化電機的故障嚴重程度。

一種基于磁場定向控制的電機轉(zhuǎn)子故障診斷方法，包括如下步驟：

(1)采集電機的三相定子電流，通過dq變換提取其中的d軸電流和q軸電流即對應(yīng)電機的勵磁電流和轉(zhuǎn)矩電流；

(2)根據(jù)所述的勵磁電流通過磁鏈觀測算法得到電機的轉(zhuǎn)子磁鏈，進而根據(jù)電機的轉(zhuǎn)子磁鏈和轉(zhuǎn)矩電流，計算得到電機的轉(zhuǎn)差頻率f_s；

(3)對所述的轉(zhuǎn)矩電流進行低通濾波，然后以時間窗口T對濾波后的轉(zhuǎn)矩電流進行滑動平均濾波得到轉(zhuǎn)矩電流的直流分量，

(4)使所述的轉(zhuǎn)矩電流減去其直流分量即得到轉(zhuǎn)矩電流的交流分量，進而根據(jù)轉(zhuǎn)差頻率f_s對轉(zhuǎn)矩電流交流分量進行戈澤爾算法處理，得到轉(zhuǎn)矩電流交流分量的幅值；

(5)根據(jù)轉(zhuǎn)矩電流直流分量以及轉(zhuǎn)矩電流交流分量的幅值，判斷電機轉(zhuǎn)子是否存在斷條以及斷條根數(shù)。

所述的步驟(2)中通過磁鏈觀測算法計算電機轉(zhuǎn)差頻率f_s的具體實現(xiàn)過程如下：

首先，根據(jù)以下算式計算電機的轉(zhuǎn)子磁鏈ψ_r；

其中：L_m和i_sd分別為電機的勵磁電感和勵磁電流，L_r和R_r分別為電機的轉(zhuǎn)子電感和轉(zhuǎn)子電阻，s為拉普拉斯算子；

然后，根據(jù)以下算式計算電機的轉(zhuǎn)差角頻率ω_s；

其中：i_sq為電機的轉(zhuǎn)矩電流；

最后，根據(jù)f_s＝ω_s/2π確定電機的轉(zhuǎn)差頻率f_s。

優(yōu)選地，所述的步驟(3)中通過以下四階巴特沃茲濾波傳遞函數(shù)H(z)對轉(zhuǎn)矩電流進行低通濾波，以消除轉(zhuǎn)矩電流中的開關(guān)紋波以及其他噪聲；

其中：g₁、g₂、a₁、a₂、a₃和a₄均為濾波參數(shù)，z為Z變換算子。