[发明专利]一种基于磁场定向控制的电机转子故障诊断方法

说明书

技术领域

本发明属于电机故障诊断技术领域，具体涉及一种基于磁场定向控制的电机转子故障诊断方法。

背景技术

感应电机具有结构简单、价格低廉的优点而在工农业生产中得到了广泛的应用。然而，由于设计结构和制造工艺等问题，电机在长时间的负载过重或者频繁起动、制动以后，可能出现转子鼠笼条断裂。转子导条断裂以后，会使其邻近导条的电流加大，应力增加，断条故障将进一步扩大，出现多根断条，使电机出力降低，严重时还会出现转子扫膛而擦坏定子，导致整机报废。因此，在转子故障发生的早期，就把故障检测出来并量化其故障严重程度，以据此及时维修，可以避免意外停机以及恶性事故的发生，具有非常重大的意义。

当电机挂在电网上运行时，可通过检测电机的转速、噪声、电流、电磁转矩、部分或者全部瞬时功率、磁通等方法来实现电机的转子故障诊断，且其故障检测和量化方法已基本完善。

而随着电力电子技术的发展，逆变器以及电机的变频调速得到了广泛的应用。此时，电机的故障诊断还需要考虑电机电压电流频率的变化、电压电流的高噪声、闭环的影响以及控制器的带宽等问题。此时，原有的用于电网供电情况的故障诊断方法会部分或者完全失效。为此需要针对逆变器供电以及闭环控制情况予以特别研究。对高性能的电机控制场合，磁场定向控制(Field OrientedControl，FOC)是最常用的控制方法，它通过坐标变换，将一台实际的异步电机变换成虚拟的等效直流电机，实现了磁场和转矩的动态解耦，获得了优良的转矩动态控制性能。

针对这种应用场合，已有一些作者提出了一些方法，如参考系坐标变换法、维也纳观测方法(Vienna Monitoring Method，VMM)、利用控制器内部变量(如转子磁链、励磁电流等)以及虚拟电流技术方法。然而，前三类方法只实现了定性分析，而没有对电机转子故障实现量化，而虚拟电流技术方法虽然能够实现故障量化，但是这种方法不仅计算复杂，且需要用到较多的电机参数，而其中一些参数如转子时间常数很难准确获取，这对电机转子故障诊断结果有一定的影响。

发明内容

针对现有技术所存在的上述技术问题，本发明提供了一种基于磁场定向控制的电机转子故障诊断方法，该方法只需要电机控制器中已计算出的转矩电流以及电机的转子导条数，就可以实现电机的转子故障诊断，并准确量化电机的故障严重程度。

一种基于磁场定向控制的电机转子故障诊断方法，包括如下步骤：

(1)采集电机的三相定子电流，通过dq变换提取其中的d轴电流和q轴电流即对应电机的励磁电流和转矩电流；

(2)根据所述的励磁电流通过磁链观测算法得到电机的转子磁链，进而根据电机的转子磁链和转矩电流，计算得到电机的转差频率f_s；

(3)对所述的转矩电流进行低通滤波，然后以时间窗口T对滤波后的转矩电流进行滑动平均滤波得到转矩电流的直流分量，

(4)使所述的转矩电流减去其直流分量即得到转矩电流的交流分量，进而根据转差频率f_s对转矩电流交流分量进行戈泽尔算法处理，得到转矩电流交流分量的幅值；

(5)根据转矩电流直流分量以及转矩电流交流分量的幅值，判断电机转子是否存在断条以及断条根数。

所述的步骤(2)中通过磁链观测算法计算电机转差频率f_s的具体实现过程如下：

首先，根据以下算式计算电机的转子磁链ψ_r；

其中：L_m和i_sd分别为电机的励磁电感和励磁电流，L_r和R_r分别为电机的转子电感和转子电阻，s为拉普拉斯算子；

然后，根据以下算式计算电机的转差角频率ω_s；

其中：i_sq为电机的转矩电流；

最后，根据f_s＝ω_s/2π确定电机的转差频率f_s。

优选地，所述的步骤(3)中通过以下四阶巴特沃兹滤波传递函数H(z)对转矩电流进行低通滤波，以消除转矩电流中的开关纹波以及其他噪声；

其中：g₁、g₂、a₁、a₂、a₃和a₄均为滤波参数，z为Z变换算子。