張志艷 ， 馬宏忠， 趙劍鍔， 趙利軍

(1. 河海大學(xué) 能源與電氣學(xué)院，江蘇 南京 211100; 2. 鄭州輕工業(yè)學(xué)院 電氣信息工程學(xué)院，河南 鄭州 450002； 3. 鄭州科技學(xué)院 電氣工程學(xué)院，河南 鄭州 450064； 4. 國家電網(wǎng)平高集團(tuán)有限公司，河南 平頂山 467001)

0 引 言

永磁同步電機(jī)定子不對(duì)稱故障是電機(jī)較為常見的故障。定子繞組的絕緣受損、定子繞組短路(包括匝間、股間、相間等各種短路)、鐵芯短路等故障均會(huì)引起定子不對(duì)稱運(yùn)行。永磁同步電機(jī)發(fā)生定子不對(duì)稱故障時(shí)，將會(huì)在定子電流中產(chǎn)生負(fù)序分量，負(fù)序電流產(chǎn)生的負(fù)序磁場與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向相反，負(fù)序電流產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩為制動(dòng)性質(zhì)的轉(zhuǎn)矩，增加了轉(zhuǎn)子的附加損耗，致使電機(jī)輸出電磁功率減少、效率降低、電機(jī)發(fā)熱加劇，產(chǎn)生惡性循環(huán)，使得電機(jī)故障進(jìn)一步擴(kuò)大，影響到電機(jī)運(yùn)行的安全性。

目前，國內(nèi)外對(duì)永磁同步電機(jī)故障診斷的研究主要集中在轉(zhuǎn)子永磁體失磁故障[1-4]、定子繞組故障[5-8]、軸承損傷故障[9-10]和轉(zhuǎn)子偏心故障[9]等，采用的研究方法主要是提取永磁同步電機(jī)定子電流，利用各種先進(jìn)的信號(hào)分析方法對(duì)其諧波成分進(jìn)行分析，以確定故障發(fā)生。基于永磁同步電機(jī)定子電流特定諧波分析的故障診斷方法，存在兩個(gè)不足之處，一是故障早期信號(hào)較為微弱，電機(jī)運(yùn)行環(huán)境不同，各種信號(hào)處理方法都有著各自的優(yōu)點(diǎn)和使用范圍，采用什么樣的信號(hào)處理方法從較微弱的信號(hào)中得到較為真實(shí)的諧波成分，此方面尚未有達(dá)成共識(shí)的分析方法；二是永磁同步電機(jī)發(fā)生不同種類的故障時(shí)，會(huì)產(chǎn)生相同次數(shù)的諧波信號(hào)，給故障種類的判斷帶來了一定的困難。另外，既有文獻(xiàn)中基本上沒有發(fā)現(xiàn)針對(duì)電動(dòng)汽車用永磁同步電機(jī)定子不對(duì)稱故障診斷的專門研究。文獻(xiàn)中的研究主要集中在不對(duì)稱故障后電機(jī)外部特性的研究和基于負(fù)序電流單一分量的傳統(tǒng)電機(jī)定子不對(duì)稱故障診斷方面。這些研究有一定的局限性和不全面性，主要表現(xiàn)在： 文獻(xiàn)[11]對(duì)自起動(dòng)永磁同步電機(jī)在三相不對(duì)稱電壓下的運(yùn)行特性進(jìn)行了研究，但其著重點(diǎn)在于分析永磁同步電機(jī)的外部性能，如轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速以及轉(zhuǎn)子銅耗等，并未對(duì)負(fù)序分量進(jìn)行研究，且立足點(diǎn)并非不對(duì)稱故障的診斷；文獻(xiàn)[12，13]利用負(fù)序分量對(duì)傳統(tǒng)異步電機(jī)與同步電機(jī)的定子匝間短路故障進(jìn)行研究，但其僅對(duì)負(fù)序電流或負(fù)序電流相角差兩個(gè)參數(shù)中的某一個(gè)參數(shù)進(jìn)行了分析，因負(fù)序電流易受負(fù)載大小及轉(zhuǎn)速的影響，穩(wěn)定性受到了一定的限制，降低了故障判斷的準(zhǔn)確性。因此，如何融合其他方法，提高故障診斷的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，是亟須解決的問題之一。

模糊邏輯故障診斷是一種基于知識(shí)的人工智能診斷方法，它能夠?qū)⒑茈y用數(shù)學(xué)模型表示的故障特征與故障之間的關(guān)系采用人類的思維模式，用模糊的關(guān)系形式表示出來，進(jìn)行模式識(shí)別。其算法的核心是建立故障特征與故障原因之間的因果關(guān)系矩陣，在建立故障與故障特征之間的模糊關(guān)系方程的基礎(chǔ)上，通過故障特征判斷故障的發(fā)生[14]?；谀：壿嫷墓收显\斷方法已在高壓輸電線路故障類型識(shí)別[15]、煤礦機(jī)械系統(tǒng)故障診斷[16]、飛機(jī)控制系統(tǒng)作動(dòng)器故障診斷[17]等方面得到了應(yīng)用。

基于此，為對(duì)電動(dòng)汽車用永磁同步電機(jī)定子不對(duì)稱故障進(jìn)行準(zhǔn)確的診斷，本文首先對(duì)基波負(fù)序電流分量、基波負(fù)序阻抗、基波負(fù)序電流最大相角偏差與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系進(jìn)行分析，獲得永磁同步電機(jī)發(fā)生不對(duì)稱故障時(shí)，三個(gè)基波負(fù)序分量對(duì)轉(zhuǎn)速、故障嚴(yán)重程度的變化規(guī)律。據(jù)此，對(duì)三個(gè)基波負(fù)序分量分配了不同的權(quán)值，作為模糊邏輯判斷的三個(gè)輸入量，制定了相關(guān)的模糊規(guī)則，采用模糊推理機(jī)制進(jìn)行推理，判斷故障嚴(yán)重程度等級(jí)及存在的故障相。建立了試驗(yàn)平臺(tái)，通過分析實(shí)測數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了該聯(lián)合診斷方法的有效性。

1 定子不對(duì)稱故障試驗(yàn)平臺(tái)構(gòu)建

永磁同步電機(jī)不對(duì)稱故障試驗(yàn)，通過在定子C相串聯(lián)梯形大功率鋁殼電阻實(shí)現(xiàn)，不對(duì)稱故障嚴(yán)重程度的模擬通過改變串聯(lián)電阻的大小實(shí)現(xiàn)，故障電阻分別設(shè)定為C相電阻的0.1倍、0.2倍和0.3倍。定子三相電壓和三相電流信號(hào)分別通過3個(gè)單相霍爾電壓和3個(gè)霍爾電流傳感器進(jìn)行測量，以適應(yīng)頻率較大范圍內(nèi)的變化，傳感器輸出信號(hào)由數(shù)據(jù)采集電路進(jìn)行采集，數(shù)據(jù)采集頻率設(shè)定為10kHz，采集時(shí)長為100ms。采集永磁同步電機(jī)不同轉(zhuǎn)速下定子三相不對(duì)稱故障狀態(tài)運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)，其試驗(yàn)框圖如圖1所示。

圖1 永磁同步電機(jī)不對(duì)稱故障試驗(yàn)框圖

2 負(fù)序分量特征分析

2.1 負(fù)序分量的獲取

對(duì)采集到的定子三相電流和三相電壓信號(hào)進(jìn)行快速傅里葉(Fast Fourier Transform, FFT)變換，得到各相電流、電壓的基波與諧波信號(hào)；按式(1)和式(2)對(duì)三相電流、三相電壓分量的基波值運(yùn)用對(duì)稱分量分析法進(jìn)行計(jì)算，得到基波負(fù)序電流和基波負(fù)序電壓。

其中，a=ej120°，下標(biāo)“+、-、0”分別表示正序、負(fù)序和零序分量，下標(biāo)A、B、C分別表示對(duì)應(yīng)的三相，僅考慮基波負(fù)序分量。如果用下標(biāo)f表示永磁同步電機(jī)發(fā)生定子不對(duì)稱故障時(shí)的參數(shù)，則故障狀態(tài)下的基波負(fù)序電流和基波負(fù)序電壓可用式(3)和式(4)表示，運(yùn)用式(5)計(jì)算對(duì)應(yīng)的基波負(fù)序阻抗。

(3)

Zaf(-)=Vaf(-)/Iaf(-)

(5)

2.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

取定子C相繞組不平衡電阻Rf=0.1Rc，在轉(zhuǎn)速為780～1780r/min之間6種不同轉(zhuǎn)速情況下，對(duì)永磁同步電機(jī)三相定子電流和三相定子電壓進(jìn)行采集，對(duì)采集到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，得到永磁同步電機(jī)定子不平衡度為Rf=0.1Rc時(shí)的基波負(fù)序電流和基波負(fù)序阻抗隨轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律，如圖2所示。從圖2可看出，相同轉(zhuǎn)速下，基波負(fù)序電流大于基波負(fù)序阻抗，基波負(fù)序阻抗具有一定的魯棒性，受轉(zhuǎn)速影響較小，而相同狀態(tài)下，基波負(fù)序電流隨轉(zhuǎn)速的變化影響較大。

圖2 Rf=0.1Rc時(shí)，基波負(fù)序電流與基波負(fù)序阻抗隨轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律

對(duì)永磁同步電機(jī)在正常(Rf=0)和定子不平衡度分別為Rf=0.1Rc、Rf=0.2Rc和Rf=0.3Rc的4種情況下，6種不同轉(zhuǎn)速運(yùn)行工況下的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到各種運(yùn)行工況下的負(fù)序阻抗，如表1所示。從表1可以看到，基波負(fù)序阻抗的大小對(duì)故障嚴(yán)重程度很敏感，但對(duì)轉(zhuǎn)速表現(xiàn)出的敏感度較弱。

表1 永磁同步電機(jī)各種工況下的基波負(fù)序阻抗

對(duì)轉(zhuǎn)速為1780r/min時(shí)的基波負(fù)序電流進(jìn)行分析，得到其不同平衡度下的基波負(fù)序電流相量圖，如圖3所示。求取基波負(fù)序電流最大相角差，由圖3可以看出，基波負(fù)序電流最大相角差為AB相之間的夾角，即非故障相之間的相角差，據(jù)此可以判定故障相為C相。對(duì)基波負(fù)序電流最大相角差進(jìn)行標(biāo)么化處理后，作為模糊邏輯診斷輸入量。

圖3 轉(zhuǎn)速為1780r/min時(shí)，永磁同步電機(jī)基波負(fù)序電流相量圖

3 加權(quán)模糊邏輯診斷中心的構(gòu)建

模糊邏輯故障診斷方法的知識(shí)庫由規(guī)則庫和數(shù)據(jù)庫兩部分組成，是專家故障診斷經(jīng)驗(yàn)與現(xiàn)場實(shí)際經(jīng)驗(yàn)的融合，優(yōu)點(diǎn)在于不需要采集與處理大量數(shù)據(jù)便可得出故障特征與故障之間的規(guī)律。

從試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析的結(jié)果可知，電動(dòng)汽車用永磁同步電機(jī)定子不對(duì)稱故障診斷過程中，因基波負(fù)序阻抗穩(wěn)定性好、受負(fù)荷波動(dòng)影響小，對(duì)故障的嚴(yán)重程度敏感，故將其權(quán)重設(shè)置稍大?；ㄘ?fù)序相角差從試驗(yàn)結(jié)果來看，穩(wěn)定性相對(duì)較好，其權(quán)重介于負(fù)序阻抗與負(fù)序電流兩者之間，故將基波負(fù)序阻抗、基波負(fù)序電流最大相角偏差、基波負(fù)序電流幅值的權(quán)值分別設(shè)為0.45、0.35、0.2，將其作為模糊邏輯的3個(gè)輸入量，分別記為負(fù)序電流幅值I2、負(fù)序電流最大相角偏差PH和負(fù)序阻抗Z2。將3個(gè)輸入量分為正常(N)、輕微偏離正常值(LD)、中等偏離正常值(MD)、嚴(yán)重偏離正常值(HD)4個(gè)模糊集；以永磁同步電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)作為輸出量，對(duì)應(yīng)4個(gè)模糊集，分別為輕微故障(LF)、正常(N)、中等故障 (MF)、嚴(yán)重故障 (HF)。

根據(jù)實(shí)際情況，如果3個(gè)輸入量均為某一個(gè)確定的模糊集，則輸出量也為某一個(gè)確定的模糊集，如果3個(gè)輸入量屬于不同的模糊集，則輸出量依據(jù)實(shí)際輸入量的實(shí)際情況寫出其模糊規(guī)則，該診斷中心以與或邏輯形式制定了23條模糊規(guī)則。

電動(dòng)汽車用永磁同步電機(jī)定子不對(duì)稱故障輸入量定子基波負(fù)序電流、基波負(fù)序阻抗、基波負(fù)序電流最大相角偏差以及輸出量的隸屬度函數(shù)主要采用了Z型函數(shù)zmf、S型函數(shù)smf和梯形函數(shù)trapmf。據(jù)測試數(shù)據(jù)的分析結(jié)果結(jié)合經(jīng)驗(yàn)，建立輸入量和輸出量的隸屬度函數(shù)，如圖4所示。

圖4 輸入量和輸出量隸屬度函數(shù)

4 故障診斷實(shí)例分析

對(duì)永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)速為1580r/min，故障相電阻為C相電阻0.1倍的情況進(jìn)行分析，設(shè)定故障后實(shí)測的定子三相電流/電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到其基波負(fù)序電流幅值為4.8A，基波負(fù)序電流最大相角為AB相角差160°(模糊邏輯輸入負(fù)序電流最大相角偏差為40°)，基波負(fù)序阻抗為0.81Ω。同轉(zhuǎn)速正常運(yùn)行下，基波負(fù)序電流幅值、基波負(fù)序電流相角差、基波負(fù)序阻抗分別為0.16A、120°、1.6Ω，以此為基準(zhǔn)值，得以對(duì)應(yīng)的標(biāo)幺值分別為0.5(LD或MD)、0.3(LD)和0.5(LD)，將其作為模糊邏輯的3個(gè)輸入量，對(duì)應(yīng)的輸出量大小為0.525，為輕度故障狀態(tài)(LF)，與設(shè)定的不平衡故障種類相同，判斷結(jié)果正確。

5 結(jié) 語

在分析永磁同步電機(jī)定子三相不平衡故障基波負(fù)序電流幅值、基波負(fù)序電流相角差及基波負(fù)序阻抗特性的基礎(chǔ)上，根據(jù)其穩(wěn)定性和對(duì)故障的敏感性不同，設(shè)定了不同的權(quán)值，作為模糊邏輯診斷方法的3個(gè)輸入量。實(shí)際算例分析結(jié)果表明，該聯(lián)合診斷方法能夠?qū)τ来磐诫姍C(jī)不平衡故障進(jìn)行有效的診斷，診斷結(jié)果正確。該診斷方法克服了以往診斷方法中信號(hào)處理方法選擇的困難；加權(quán)模糊邏輯診斷方法使診斷結(jié)果具有較高的可信度；對(duì)多種原因引起的定子不對(duì)稱故障均可進(jìn)行診斷，適用范圍廣；適用于負(fù)荷變動(dòng)情況下的動(dòng)態(tài)在線監(jiān)測；不需要采集和處理大量數(shù)據(jù)，采樣時(shí)間短。對(duì)不同的電機(jī)，參數(shù)變化規(guī)律并不完全一樣，負(fù)序分量的變化規(guī)律也有所不同，本實(shí)例中的權(quán)值設(shè)定不一定最佳。

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