用于多模块同步电机的偏心故障检测及气隙磁密补偿方法技术

本发明专利技术公开了一种用于多模块同步电机的偏心故障检测及气隙磁密补偿方法，属于电力电子技术领域。本发明专利技术的偏心故障检测方法利用原有的电机驱动系统，属于非侵入方案，只需要改变注入电压，再结合反馈电流计算电感，进而根据电感判断偏心故障是否存在和类型，不需要对电机进行改造，无需增加额外的硬件成本。本发明专利技术的偏心气隙磁密补偿方法，无需对电机做机械加工，无需额外的偏心补偿绕组，根据所诊断的偏心类型和d轴、q轴电感特性，结合电子转子位置角，可以对各三相模块的d轴、q轴气隙磁密同时进行补偿，同时达到保证各三相模块下气隙磁密均匀，降低不平衡磁拉力导致的振动，以及保证各三相模块的功率输出平均分配，降低电机损耗的效果。耗的效果。耗的效果。

【技术实现步骤摘要】
用于多模块同步电机的偏心故障检测及气隙磁密补偿方法


[0001]本专利技术属于电力电子
，更具体地，涉及一种用于多模块同步电机的偏心故障检测及气隙磁密补偿方法。

技术介绍

[0002]随着电机设计制造和电力电子变频驱动技术的共同发展和深度融合，电机系统完全可以摆脱传统定子三相供电的约束，发展为由多相定子绕组的电机、多相供电桥臂的变频器构成的多相电机系统，在容错运行、转矩脉动、控制维度等方面具有显著优势。其中，由于能延用工业界已成熟的三相功率模块、方便实现电机制造的模块化拼接、可类比经典的三相电机控制理论等优势，多模块电机成为传统三相电机向多相电机过渡的最佳选择。对于电机本体而言，由于电机加工制造和装配的误差、转子运行中的磨损和变形等原因，不可避免地引入了转子偏心问题，使电机在运行中引入额外的振动噪声，但随着时间的推移，偏心故障很可能会不断加重，发展成轴承故障、短路故障等更严重的故障，最终导致整个驱动系统失效，造成远大于电机本身价值的经济损失，甚至人员伤亡。
[0003]对于电机转子偏心的检测，可分为侵入式和非侵入式两类方法。侵入式方法一般是通过检测磁场变化情况反映转子偏心情况，比如在定子侧安装霍尔传感器以测量永磁体轴向磁场变化，或在定子槽内放置搜索线圈以检测气隙磁场的变化。然而，侵入式方法需要对电机做结构上的改造，可能影响电机的机械特性和电特性，并且这种改造在很多应用场合中难以操作，通用性受到限制。相对而言，非侵入式方法的可操作性更强，成为近些年的研究热点，其中以基于电信号的检测方法最为常见。通过检测由偏心引入的特定定子电流谐波，判断偏心是否存在及偏心程度。然而电机在非平稳运行时特定谐波的提取较为困难，不平衡因素也会引入与转频相关的定子电流谐波。还有基于电压信号的检测方法，通过检测电机定子电压矢量相较于未偏心时的偏移程度，判断电机偏心情况，然而该方法地灵敏度受电机磁饱和程度和转子转速的影响较大。此外，定子机壳振动信号也被应用于偏心故障检测，然而该检测方法对测量设备精度、带宽要求较高，并且振动信号检测易受干扰，安装额外的检测装置也会增加系统成本。
[0004]对于电机转子偏心补偿的研究目前尚不多见。现有方案中有通过车削混合偏心转子的外圆的方法，抵消气隙长度的改变，实现电机的不平衡磁拉力的抑制。然而对转子的二次加工可能会再次引入偏心问题，甚至对转子造成不可逆损伤。其他方案中有通过在永磁电机内部加装补偿绕组并注入补偿电流的方法，降低电机X、Y方向的振动幅值，但需要对电机进行侵入式改造，通用性较差。还有方案在同步电机转子励磁绕组中注入直流、交流补偿电流，分别进行动态偏心和静态偏心抑制，补偿电流的幅值和相位由安装于定子表面的应变传感器确定。该方法虽然在固定工况下的补偿效果较为明显，但仅适用于电励磁式同步电机，电机转速发生变化后难以对补偿电流进行准确的在线调整。

技术实现思路

[0005]针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种多模块同步电机的偏心故障检测及气隙磁密补偿方法，其目的在于通过电机dq平面电感特征诊断电机偏心状态并实现偏心后对不均匀气隙磁密的补偿，达到抑制电机因偏心而引入的振动噪声的技术问题。
[0006]为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种用于多模块同步电机的偏心故障检测方法，包括：
[0007]S1.为多模块同步电机各三相模块注入d轴或q轴偏心检测电压，得到d轴或q轴反馈电流；
[0008]S2.根据d轴或q轴偏心检测电压和d轴或q轴反馈电流计算各三相模块d轴或q轴电感值；
[0009]S3.根据各三相模块d轴或q轴电感值的波动特征判断转子偏心是否存在以及偏心类型。
[0010]进一步地，d轴偏心检测电压U
d_ecc_k
的形式为：
[0011]U
d_ecc_k
＝U
d_ac_k
cos(ω
ecc
t)+U
d_dc_k
[0012]其中，U
d_ac_k
为第k个三相模块注入的d轴偏心检测电压中的交流分量的幅值；ω
ecc
为偏心检测电压交流分量角频率；t为系统当前运行时间；U
d_dc_k
为第k个三相模块注入的d轴偏心检测电压中的直流分量的幅值。
[0013]进一步地，第k个三相模块d轴电感值L
d_k
的计算表达式为：
[0014][0015]其中，I
d_ac_k
为第k个三相模块的d轴电流中交流分量的幅值，R
s
为定子电阻。
[0016]进一步地，步骤S3具体为：
[0017]当各三相模块的d轴电感L
d_k
不随电机转子转动而变化，且各三相模块的d轴电感L
d_k
幅值保持一致时，判断电机不存在转子偏心；
[0018]当L
d_k
不随电机转动而变化，各三相模块间L
d_k
幅值不一致时，判断电机存在转子静态偏心；
[0019]当L
d_k
随着电机转动而周期性波动，一个转速周期内有两个极大值、两个极小值，且各三相模块间L
d_k
的两个极大值、两个极小值的大小保持一致时，判断电机存在转子动态偏心；
[0020]当L
d_k
随着电机转动而周期性波动，一个转速周期内有两个极大值、两个极小值，且各三相模块间L
d_k
的两个极大值、两个极小值的大小存在差异，判断电机存在转子混合偏心；
[0021]当L
d_k
随着电机转动而周期性波动，一个转速周期内有一个峰值、一个谷值，且模块间L
d_k
的峰值或谷值存在差异，判断电机存在转子混合偏心。
[0022]进一步地，q轴偏心检测电压U
q_ecc_k
的形式为：
[0023]U
q_ecc_k
＝U
q_ac_k
cos(ω
ecc
t)
[0024]其中，U
q_ac_k
为第k个三相模块注入的q轴偏心检测电压中的交流分量的幅值；ω
ecc
为偏心检测电压交流分量角频率；t为系统当前运行时间。
[0025]进一步地，第k个三相模块q轴电感值L
q_k
的计算表达式为：
[0026][0027]其中，I
q_ac_k
为第k个三相模块的q轴电流中交流分量的幅值，R
s
为定子电阻。
[0028]进一步地，步骤S3具体为：
[0029]当L
q_k
电感不随电机转子转动而变化，且模块间L
q_k
幅值保持一致时，判断电机不存在转子偏心；
[0030]当L
q_k
不随电机转子转动而变化，且模块间L
q_k
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于多模块同步电机的偏心故障检测方法，其特征在于，包括：S1.为多模块同步电机各三相模块注入d轴或q轴偏心检测电压，得到d轴或q轴反馈电流；S2.根据d轴或q轴偏心检测电压和d轴或q轴反馈电流计算各三相模块d轴或q轴电感值；S3.根据各三相模块d轴或q轴电感值的波动特征判断转子偏心是否存在以及偏心类型。2.根据权利要求1所述的一种用于多模块同步电机的偏心故障检测方法，其特征在于，d轴偏心检测电压U
d_ecc_k
的形式为：U
d_ecc_k
＝U
d_ac_k
cos(ω
ecc
t)+U
d_dc_k
其中，U
d_ac_k
为第k个三相模块注入的d轴偏心检测电压中的交流分量的幅值；ω
ecc
为偏心检测电压交流分量角频率；t为系统当前运行时间；U
d_dc_k
为第k个三相模块注入的d轴偏心检测电压中的直流分量。3.根据权利要求2所述的一种用于多模块同步电机的偏心故障检测方法，其特征在于，第k个三相模块d轴电感值L
d_k
的计算表达式为：其中，I
d_ac_k
为第k个三相模块的d轴电流中交流分量的幅值，R
s
为定子电阻。4.根据权利要求3所述的一种用于多模块同步电机的偏心故障检测方法，其特征在于，步骤S3具体为：当各三相模块的d轴电感L
d_k
不随电机转子转动而变化，且各三相模块的d轴电感L
d_k
幅值保持一致时，判断电机不存在转子偏心；当L
d_k
不随电机转动而变化，各三相模块间L
d_k
幅值不一致时，判断电机存在转子静态偏心；当L
d_k
随着电机转动而周期性波动，一个转速周期内有两个极大值、两个极小值，且各三相模块间L
d_k
的两个极大值、两个极小值的大小保持一致时，判断电机存在转子动态偏心；当L
d_k
随着电机转动而周期性波动，一个转速周期内有两个极大值、两个极小值，且各三相模块间L
d_k
的两个极大值、两个极小值的大小存在差异，判断电机存在转子混合偏心；当L
d_k
随着电机转动而周期性波动，一个转速周期内有一个峰值、一个谷值，且模块间L
d_k
的峰值或谷值存在差异，判断电机存在转子混合偏心。5.根据权利要求1所述的一种用于多模块同步电机的偏心故障检测方法，其特征在于，q轴偏心检测电压U
q_ecc_k
的形式为：U
q_ecc_k
＝U
q_ac_k
cos(ω
ecc
t)其中，U
q_ac_k
为第k个三相模块注入的q轴偏心检测电压中的交流分量的幅值；ω
ecc
为偏心检测电压交流分量角频率；t为系统当前运行时间。6.根据权利要求5所述的一种用于多模块同步电机的偏心故障检测方法，其特征在于，第k个三相模块q轴电感值L
q_k
的计算表达式为：
其中，I
q_ac_k
为第k个三相模块的q轴电流中交流分量的幅值。7.根据权利要求6所述的一种用于多模块同步电机的偏心故障检测方法，其特征在于，步骤S3具体为：当L
q_k
电感不随电机转子转动而变化，且模块间L
q_k
幅值保持一致时，判断电机不存在转子偏心；当L
q_k
不随电机转子转动而变化，且模块间L
q_k
幅值存在差异时，判断电机存在转子静态偏心；当L
q_k
随电机转子转动而波动，波动频率与转频一致，且各模块间L
q_k
峰值、谷值大小不存在差异，则电机存在转子动态偏心；当L
q_k
随电机转子转动而波动，波动频率与转频一致，且各模块间L
q_k
峰值、谷值大小均存在差异，则电机存在转子混合偏心。8.一种基于权利要求1
‑
7任一项所述偏心故障检测方法的偏心故障气隙磁密补偿方法，其特征在于，包括：S1.根据偏心故障检测结果，确定d轴和q轴偏心补偿电流；S2.对d轴和q轴偏心补偿电流进行闭环控制，实现偏心故障气隙磁密补偿。9.根据权利要求8所述的气隙磁密补偿方法，其特征在于，第k个三相模块的q轴偏心补偿电流由下式决定：由下式决定：其中，为系统转速闭环输出的q轴电流期望值，L
q_1
(θ
m
)、
…
、L
q_m
(θ
m
)分别为m模块同步电机的第1个三相模块到第m个三相模块的q轴电感。L
q_k_max
、L
q_k_min
分别为第k个三相模块的峰值q轴电感、第k个三相模块的谷值q轴电感，θ
m_max_k_q
为第k个三相模块的q轴补偿初始位置角，θ
m
表示转子位置角。10.根据权利要求9所述的气隙磁密补偿方法，其特征在于，q轴偏心补偿电流计算公式中各个参数的获取方法为：1)当L
q_k
电感不随电机转子转动而变化，且模块间L
q_k
幅值存在差异时，θ
m_max_k_q
＝0；L
q_k_max
＝L
q_k_min
＝L
q_k_c
，L
q_k_c
为转子转动于任意位置时的第k个三相模块的q轴电感；2)当L
q_k
随电机转子转动而波动，波动频率与转频一致，且各模块L
q_k
峰值、谷值大小不存在差异时，L
q_k_max
为波动的L
q_k
的峰值，L
q_k_min
为波动的L
q_k
的谷值，θ
m_max_k_q
...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘自程，王鹏业，蒋栋，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：