基于阻抗的匝间故障早期诊断系统设计与实现

蔡亮

（贵阳职业技术学院机电系，贵阳550002）

基于阻抗的匝间故障早期诊断系统设计与实现

蔡亮*

（贵阳职业技术学院机电系，贵阳550002）

提出了一种使用输入阻抗来诊断无刷直流电动机BLDC（Brushless DC motors）定子绕组匝间故障ITF（Inter-Turn Fault）的算法，并设计了相应的故障检测系统进行了实现。该系统的优势在于具有早期检测能力以及适用于各种速度范围检测。提出的故障检测技术通过使用输入电压和输入电流来计算输入阻抗，并将其与数据库中的数值比较。相比传统的方法，由于不需要快速傅里叶变换（FFT），因此提出的算法更加迅速且简单。实验测试结果表明提出的检测方法在各种转速条件下均具有较高的精确度。

无刷直流电动机；早期故障监测；输入阻抗；定子绕组

无刷直流电动机因其较高的转矩密度和效率而广泛运用于工业和电动汽车。为了提升产品性能，电动机的研发需要更高的稳定性和可靠性。因此，有效的监测和准确的故障诊断至关重要［1-2］。

故障可能出现在定子、转子、逆变器、电源电路、传感器以及其它机械装置，并根据出现的位置而对其进行分类［3］。在这些故障类型中，定子绕组匝间故障（ITF）是BLDC最常见的故障之一［4］。定子绕组匝间故障意思是同相位的两个线圈之间出现绝缘失效，见图1。短路产生的热量与环状电流if的平方成正比，因此，造成邻近线圈的绝缘击穿。此外，单个相位内故障的增加可能会导致电动机立马完全失效或者关闭。然而，定子绕组匝间故障和电动机的完全故障不会同时出现。因此，在电动机运行期间快速检测ITF能够减轻对邻近线圈和定子铁芯的后续损害。早期检测技术可以帮助降低资产损失和维修成本，减少电动机停机时间［5］。

图1　单一相位时出现的定子绕组匝间故障（ITF）

过去，使用过电流或过电压检测这类简易技术检测机器故障。此外，诊断完故障后，要求机器离线以便清除故障。然而，在日常生活和工业的应用中，电动机至关重要，可能无法接受电动机关闭。基于此原因，需要更好的故障检测及补救措施［6-7］。Kim［8］等人在永磁同步电机出现故障时运用傅里叶级数监测q轴电流的二级谐波分量，通过监测正负序阻抗数值的变化来对闭环感应电动机进行鲁棒故障检测。为了检测同步机中的定子故障，分析转子磁场电压［9］。Lee and Habetler［10］基于永磁同步电机的电流控制器产生的参考电压讨论了短路故障检测。Mohammedet等［11］使用有限元（FE）相变量模型进行故障检测。尽管这些故障检测计划简单容易，由于快速傅里叶变换（FFT）或正负序阻抗数值这类要求的数值复杂，它们无法检测早期故障。因此，对于早期故障诊断，需要一个更简易的诊断过程。

在本文中，我们提出了一种使用输入阻抗进行早期检测的技术。运用绕组函数理论计算阻抗。使用数据库中的阻抗。此外，这项技术不需要计算负序阻抗，也不需要将快速傅里叶变换（FFT）运用到输入电压或电流。因此，使用此方法的定子绕组匝间故障（ITF）检测得到了广泛的响应，比之前的方法更简单。

1　提出的阻抗检测算法

提出了阻抗算法，如图2所示。一个定子绕组匝间故障（ITF）会引起输入电流、输入电压、转速、线圈电阻以及定子电感系数发生变化。因此，准确检测定子绕组匝间故障（ITF）应考虑以上系数。尤其是，由于电感在发生定子绕组匝间故障（ITF）的情况下减少，输入电流的相位滞后，导致转速的增加，如图3所示。因此，输入阻抗由于包含以上所有系数，才被当作检测参数。

图2　提出基于阻抗的早期故障检测算法

图3　根据定子绕组匝间故障得出的速度变化

阻抗检测算法包含3个部分：数据库，故障诊断（实时）和比较算法。阻抗算法能够实时监测输入阻抗，并与数据库进行比较。

1.1数据库处理过程

仅靠输入电流和电压就能获得实时输入阻抗（包括电阻和电抗）。此外，电抗包括角速度和电感，如式（1）～式（6）所示。因此，我们选择输入阻抗Za作为检测参数。

其中，Va和Ia都是相位电压和电流在相位A的真实均方根（RMS）值。

正常情况下，

其中，Za1，Ra，Xa，ωa，和La分别是输入阻抗，电阻，电抗，角速度，和相位的电感。

出现故障情况下，

其中，Za2，Ras，Xas，ωas，和Las分别是故障时的输入阻抗，电阻，电抗，角速度和相位的电感。

故障判定系数为，：

在本文中，我们运用绕组函数理论（WFT）准确计算数据库值，该理论将数值函数运用到机器的基本几何体和绕组布置中。绕组函数理论（WFT）不用于计算实时数据，而是用于计算设备的电抗。

定子电感系数可计算为：

其中，ni（θ）和Nj（θ）分别是匝函数和绕组函数；i和j分别为匝函数的相位和绕组函数的相位；r和lst分别为转子半径和堆栈长度；g-1（θ）是反气隙函数。

表1对比了从绕组函数理论（WFT）和有限元分析（FEA）得出的平均电感值。这些电感值可以用来计算阻抗，继而成为正常和出现故障情况下的数据库。由于绕组函数理论（WFT）比有限元分析（FEA）快，我们更倾向于前者。此外，绕组函数理论（WFT）简易性更高，计算成本更低。

表1　对比电感的平均值

1.2故障诊断算法

对于精确检测出现故障的情况，监测实时输入电流和电压是至关重要的。比较数据库值和实时阻抗值，我们测量了实时输入电流和电压的真均方根（RMS）值。然后，我们通过自动电压调节器计算得出实时阻抗。

图4～图7表示在三匝故障情况下输入电压和电流的真均方根（RMS）值，以及两种转速类型，仅展示相位A。不仅用真均方根（RMS）值计算实时输入阻抗，而且将其与数据库对比。在3 500 rad/min的情况下，输入电压和电流的真均方根（RMS）值均会发生显著变化。因此，由于极易计算输入阻抗，定子绕组匝间故障（ITF）检测十分简易。另一方面，相较于3 500 rad/min，故障检测在500 rad/min的情况下更加困难，原因在于输入电压和电流仅出现微小的变化。

图4　3500 rad/min时输入电压的真均方根值（Fr=4.16%）

图5　3500 rad/min时输入电流的真均方根值（Fr=3.97%）

图6　500rad/min时输入电压的真均方根值（Fr=3.97%）

图7　500rad/min时输入电流的真均方根值（Fr=3.97%）

因此，该故障诊断算法可以早期检测各种速度范围内的定子绕组匝间故障（ITF）。

1.3比较算法

比较算法是指如何比较输入阻抗的实时计算值与数据库值。该算法可以连续不断地接收反馈信息。具体流程如图8所示。

图8　比较算法过程示意图

本文选择3.97%（三匝故障）作为出现故障时的数据库。当Fr大于0%且小于3.97%时，就会标示出弱警报级别。当Fr大于3.97%时，就会标示出强警报级别。由于输入电压和输入电流会在各种情况下发生变化，Fr甚至在稳定状态下也会发生变化；因此，我们选择3.97%。我们运用了同样的方法在低速（500 rad/min）的情况下进行比较，以此验证比较算法的准确性。

2　诊断电路设计

图9是两种使用提出的算法诊断电路结构图。这里，模拟使用的是Labcenter Electronics研发的Proteus 7.6。此外，选用廉价的ATmega128微处理器，提出的算法在此处理器中实现。

图9　使用提出的算法的故障诊断电路

3　实验结果与讨论

3.1实验设置

图10是实验环境设置。图11是实验设置的方框图以便详细解释。本次实验中使用的逆变器是流控电压源逆变器，这是出于控制速度的考虑。负载部分包括实验中使用的负载扭矩为0.5的发电机组。

图10　实验环境设置

图11　实验设置的方框图

在本文中，对定子绕组匝间故障（ITF）特性进行模拟。表2列出了实验使用的电动机的规格。

表2　永磁型无刷直流电动机的规格

3.2实时定子绕组匝间故障（ITF）产生系统

图12　动态故障实验中接触器的结构方框图

在动态故障实验中，我们使用绕组抽头、接触器和开关来安装实时定子绕组匝间故障（ITF）产生系统，图12展示了该系统的方框图。这里，应增加故障齿部的电缆长度以连接接触器。因此，它能够影响供给平衡。然而，由于接触器的电阻非常低（0.006 Ω），在实验中用它产生供给不平衡的情况。通过使用此系统，我们能够产生实时定子绕组匝间故障（ITF）。绕组抽头能够产生1、3、5、7、9和12匝故障，所以在研究定子绕组匝间故障（ITF）特性的实验中将其安装在电动机的前部。

通过使用此方法，我们在出现三匝故障的情况下进行了一系列关于动态故障的实验。此外，我们使用开关进行了动态故障模拟，如图13所示。

图13　动态故障下的模拟线路

当启动开关S_H时，模拟电路在稳定的状态下运行。当启动开关S_F时，模拟电路在出故障的状态下运行。这里，为了研究动态故障，同时打开和关闭了开关S_H和S_F。

3.3实验结果

图14是在3 500 rad/min的情况下故障检测的模拟以及实验结果。在模拟中，出现定子绕组匝间故障（ITF）后，故障检测仅需7 ms，如图14（a）所示。在实验中，出现定子绕组匝间故障（ITF）后，故障检测需18 ms，如图18（b）。

此外，图15是在500 rad/min的情况下故障检测的结果。尽管输入电压和电流仅出现了微小的变化，模拟（30 ms）以及实验（36 ms）检测到了故障。

在低速的情况下，输入电压和电流波形的相位在单位时间内递减。因此，故障检测在低速（500 rad/ min）时比额定速度（3 500 rad/min）时花的时间要多。

故障检测在实验结果中比模拟结果中花的时间要多。由于模拟中使用了理想的开关，波形连续不断地波动。然而，该实验使用了电磁接触器。从而，当电磁接触器从正常开启状态变为正常关闭状态，输入电流的值就变为零，因为线路开启持续近6 ms（3 500 rad/min）或10 ms（500 rad/min）。因此，排除已启用的线圈部分，故障检测在实验中用时近12 ms（3 500 rad/min）或26 ms（500 rad/min）。

图14　故障检测的验证（3 500 rad/min）

图15　故障检测的验证（500 rad/min）

尽管模拟及实验中检测所用的时间不是完全吻合，由于所用的时间分别为7 ms和12 ms以及30 ms和36 ms，十分短暂，模拟和实验结果几乎一致。此外，提出的故障检测算法也有某些缺点。例如，在单一匝故障和速度极低（<500 rad/min）的情况下很难检测故障情况，原因在于输入电压和电流基本没有变化。然而，在真正的工业应用中，当用额定运行驱动电动机，检测故障情况是十分重要，原因在于驱动电动机需在额定运行的40%上下的范围内。通过运用提出的检测算法，故障检测在额定运行的40%上下的范围内成为可能。尤其是，在500 rad/min的低速（约为额定速度的17%）中检测故障同样成为了可能。

因此，通过运用该故障诊断技术，快速且精确检测各种转速范围条件下的定子绕组匝间故障（ITF）成为可能。

4　结论

在本文中，我们提出了通过使用输入阻抗精确且快速诊断早期故障的技术。此外，我们分别在3 500 rad/min和500 rad/min的情况下对检测效果进行了模拟以及试验，用以证实在各种转速条件下提出的检测算法精确性。提出的故障检测技术通过使用输入电压和输入电流来计算输入阻抗，并将其与数据库中的数值比较。比起之前的方法，该技术提供了更加迅速且简易的诊断，原因在于它不需要快速傅里叶变换（FFT）或者复杂的公式。已经证实提出的算法适合通过使用故障诊断电路进行早期故障检测。因此，运用提出的诊断技术的优势在于能够减少人力物力的损耗，并且能够保护系统。

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蔡亮（1974-），男，汉族，贵州贵阳人，硕士，高级工程师，主要研究方向为机电设备故障诊断与维修，cl_gyvtc@126.com。

The Design and Implementation of Early Inter-Turn Fault Diagnostic System Design Based on Impedance

CAI Liang*
（Department of Mechanical and Electrical Engineering，Guiyang Vocational and Technical College，Guiyang 550002，China）

A diagnosis of Brushless DC motor is presented using the input impedance（brushless DC，motors，BLDC）in stator winding fault（inter-turn fault，ITF）algorithm，and the design of the corresponding fault detection system is implemented.This system has the advantage of having early detection ability and is suitable for various speed range detection.The fault detection technique is proposed by using the input voltage and the input current to calculate the input impedance，and the numerical comparison with the database.Compared with the traditional method，it does not need fast Fourier transform（FFT），so the proposed algorithm is more rapid and simple.Finally，simulation ex⁃periment proved that the detection method has higher speed in all conditions of accuracy.

brushless DC motor；fault monitoring；input impedance；stator winding

TM33

A

1005-9490（2016）02-0425-07

EEACC：832010.3969/j.issn.1005-9490.2016.02.036

2015-05-13修改日期：2015-06-19