基于逆變器諧波的交流電機(jī)定子匝間短路故障診斷研究.pdf

1、隨著高效節(jié)能設(shè)備的推廣，變頻調(diào)速交流電機(jī)在工業(yè)生產(chǎn)、軌道交通、航空航天等諸多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。然而，受環(huán)境侵蝕與機(jī)械振動(dòng)等因素的影響，交流電機(jī)的可靠性面臨著越來(lái)越多的挑戰(zhàn)，智能化的設(shè)備維護(hù)與故障診斷技術(shù)正逐漸成為行業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)。定子繞組匝間短路是交流電機(jī)中常見(jiàn)的故障類型，快速有效地完成此類故障的診斷任務(wù)，對(duì)于保障設(shè)備運(yùn)行效率、降低維護(hù)成本、確保人員安全及減少災(zāi)難性事故具有重要意義。本文以交流電機(jī)定子繞組的匝間短路故障為研究對(duì)象，系統(tǒng)

2、地分析了此類故障的建模理論與診斷技術(shù)，提出了基于逆變器諧波的定子匝間短路故障診斷方法以及干擾抑制策略，并進(jìn)行了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。本文的主要研究?jī)?nèi)容如下:
　　首先，可靠的數(shù)學(xué)模型是開(kāi)展故障診斷研究工作的理論基礎(chǔ)，為此本文基于靜止坐標(biāo)系感應(yīng)電機(jī)故障模型、同步坐標(biāo)系永磁電機(jī)故障模型，推導(dǎo)了考慮飽和效應(yīng)的感應(yīng)電機(jī)故障模型，并提出了基于頻響特性的交流電機(jī)高頻故障模型。與此同時(shí)，基于各類故障模型，本文按照基波、低次諧波、高頻注入諧波以及開(kāi)關(guān)頻

3、段注入諧波的順序，依次開(kāi)展了四類診斷方法的實(shí)驗(yàn)測(cè)試，并從可靠程度、抗擾能力等方面對(duì)上述方法進(jìn)行了比較分析。
　　其次，由于交流電機(jī)具有多變量、強(qiáng)耦合的電磁特征，傳統(tǒng)的故障診斷技術(shù)較易受到控制方式、運(yùn)行工況及外部擾動(dòng)等諸多因素的影響。為此，本文將逆變器固有的開(kāi)關(guān)諧波應(yīng)用于故障診斷，開(kāi)展了開(kāi)關(guān)激勵(lì)的理論分析工作，推導(dǎo)了故障特征的解析關(guān)系式，并提出了一種基于逆變器開(kāi)關(guān)諧波的定子故障診斷方法，實(shí)現(xiàn)了可靠度高、抗擾力強(qiáng)的電機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)。其中，

4、為了從諧波繁雜的檢測(cè)信號(hào)中提取有效的故障信息，本文利用Teager-Kaiser能量算子實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)噪聲環(huán)境下微弱旁帶信號(hào)的快速檢測(cè)，并在故障特征提取過(guò)程中采用了加窗DFT的頻域插值算法?；诟袘?yīng)電機(jī)故障樣機(jī)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了該方法的有效性。
　　再次，由于正常電機(jī)中“電阻變化導(dǎo)致的定子不對(duì)稱”與故障電機(jī)中“匝間短路導(dǎo)致的繞組異?！睍?huì)產(chǎn)生相似的電壓、電流特征，因此如何在上述非故障性電阻不對(duì)稱下實(shí)現(xiàn)匝間短路的故障診斷，屬于本課題領(lǐng)域的研究

5、難點(diǎn)之一。研究表明，在電阻不對(duì)稱與閉環(huán)控制器的共同作用下，逆變器諧波響應(yīng)信號(hào)中同樣會(huì)出現(xiàn)與故障特征相似的干擾分量，嚴(yán)重降低了診斷結(jié)果的可靠性。為了解決上述問(wèn)題，本文從控制回路出發(fā)，分析了電阻不對(duì)稱對(duì)控制器內(nèi)部信號(hào)的影響，進(jìn)而指明了電阻不對(duì)稱與開(kāi)關(guān)干擾諧波的內(nèi)在聯(lián)系。通過(guò)綜合電機(jī)高頻故障模型與逆變器諧波表達(dá)式，提出了一種針對(duì)定子電阻不對(duì)稱干擾的抑制策略。該策略同時(shí)利用開(kāi)關(guān)頻率左、右旁帶諧波的復(fù)平面相量信息，以此去除干擾分量，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了定子

6、電阻不對(duì)稱狀態(tài)下故障的檢測(cè)、定位與評(píng)估。基于感應(yīng)電機(jī)故障樣機(jī)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了該方法的有效性。
　　最后，由于凸極轉(zhuǎn)子會(huì)在電機(jī)氣隙中引入偶次空間諧波，在該諧波的調(diào)制作用下，表征故障的分量將出現(xiàn)幅值降低、頻率分散的現(xiàn)象，導(dǎo)致開(kāi)關(guān)頻域中相鄰諧波互相干擾，嚴(yán)重影響診斷結(jié)果的準(zhǔn)確性。為此，本文以內(nèi)嵌式永磁電機(jī)為研究對(duì)象，理論分析了故障電機(jī)的高頻阻抗與轉(zhuǎn)子位置、故障程度間的關(guān)系，進(jìn)而推導(dǎo)了電流中故障特征的解析表達(dá)式。與此同時(shí)，基于不同頻段中開(kāi)