第40卷第6期
感应式小便器
2020年6月电力自动化设备
Electric Power Automation Equipment Vol.40No.6 Jun.2020
杜威，孙宇光，田代宗，桂林
（清华大学电机系电力系统及发电设备控制和仿真国家重点实验室，北京100084）
固定顶尖摘要：在永磁同步电机（PMSM）靠近定子侧的气隙中布置特殊节距及联接方式的新型探测线圈，转子局部失磁故障会在其端口引起特定频率的交流电压，理论上可作为转子失磁故障的判据。由于电机实际运行中转速的波动和采样频率的限制，采用传统信号处理方法难以准确提取探测线圈电压采样信号中的故障特征频率，可能会将转子失磁故障误判为定子内部短路故障。因此提出借助现代功率谱估计算法中的最小二乘旋转参数不变估计结合模拟退火算法，即使在转速扰动造成非整周期同步采样的情况下，也能够准确计算出探测线圈电压监测信号中各种分量的实际频率和有效值等，在此基础上提出了一种PMSM转子局部失磁故障的在线监测方案。通过样机实验，验证了这种在线监测方案的可靠性和灵敏性，为PMSM的安全运行提供了更完善的保障。
关键词：新型探测线圈；永磁同步电机；转子失磁故障；现代功率谱估计；故障在线监测
中图分类号：TM313文献标志码：A DOI：10.16081/j.epae.202004001
0引言
永磁同步电机中常见的转子失磁故障会造成损耗增大、振动加剧等现象，长期失磁运行会损伤电枢绕组甚至烧毁整个电机［1］。现有文献通过检测绕组电流中的特定谐波分量（1/p、2/p次等分数次谐波分量，p为极对数）来判断电机是否发生转子失磁故障［2］。该方法具有信号采集简单、方便等优点［3］，但是存在一些局限性。
（1）永磁电动机通常采用变频器对其供电，但变频器输出并非理想正弦波，所以永磁电机即使运行在正常工况下，绕组电流也含有一些变频器引入的谐波成分，在检测中很难区分绕组电流谐波的产生原因，这给故障诊断带来了困难［4］。
（2）某些电机由于绕组结构的原因，电枢电流中不会出现转子失磁的故障特征谐波［4］，所以无法通过定子电流来判断电机是否发生转子失磁故障。
（3）定子电流一般要通过电流互感器测取，由于互感器体积庞大、机体沉重，在某些场合（如电动汽车等领域）并不具备安装条件［5］；另外，对多相多分支电机，如果在每相每分支都安装电流互
感器，成本将大幅增加。
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频谱屋因此，有必要寻求新的检测手段，既能对转子失磁故障进行可靠监测，又能降低检测成本。
文献［5］提出了一种特殊布置方法的新型探测线圈，理论上这种探测线圈在电机正常运行时端口电压为0；当电机内部发生不对称故障后，探测线圈中会出现明显的交流电压信号，并且转子侧故障和定子侧故障在探测线圈中引起的谐波频率成分明显不同，可作为电机内部故障的判据，可根据其频率特征区分定子与转子内部故障。当然在实际运行过程中，由于电机本身的制造误差等因素，正常运行时电机内部会存在较小的谐波磁场，虽然不会影响电机正常运行，但是会在探测线圈中感应出幅值很小的固有电压。因此，利用探测线圈检测电机内部故障时，必须考虑探测线圈中实际存在的固有电压的影响。
检测到探测线圈的端口电压后，要想准确区分定子与转子内部故障，还需要准确提取其中的各种频率分量。传统的快速傅里叶变换（FFT）方法一般要求对信号进行整周期同步采样［6］，即采样频率f c 必须是信号频率f的整数倍，且满足采样定理，同时，采样信号的数据长度必须是其实际周期的整数倍，否则将会影响计算的准确性。而实际检测中，采样频率f c一般是固定的，但电机运行过程中转速难免发生波动（尤其在突加负载或出现故障时），探测线圈端口电压的周期也会随之波动，此时很难对其进行整周期同步采样，所以FFT等传统信号处理方法很难准确提取探测线圈电压采样信号中的故
障特征量。文献［7］将现代功率谱估计算法中的旋转不变信号参数估计技术（ESPRIT）与模拟退火（SA）算法相结合，能够准确提取笼型转子异步电动机发生转子断条故障后定子电流中出现的频率为（1±2s）f s［8⁃9］的边频分量（其中，s为转差率，f s为供电频率）。该方法能够克服信号采样时长的限制，所需采样点较
剥线收稿日期：2019-05-17；修回日期：2020-02-07
基金项目：国家自然科学基金资助项目（51277103）Project supported by the National Natural Science Foundation of China（51277103）尺码圈
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