电梯交流电机定子线圈匝间短路故障检测方法与数学模型建立发饰

2019-07-26 16:37:27来源：物联网技术

摘要：文中提出了针对电梯交流电机定子线圈匝间短路故障检测的方法。首先，建立定子线圈匝间短路的数学模型；其次，利用Matlab仿真得到定子线圈匝间短路三相电流Park矢量轨迹图；最后，对Park矢量轨迹图像进行故障分析，即利用图像处理软件Halcon对轨迹图进行处理求出椭圆的离心率。研究表明：当定子线圈正常时，其Park矢量轨迹图为整圆，离心率趋近于0；当定子线圈发生匝间短路时，其Park矢量轨迹图为椭圆，并且随着匝间短路故障的严重程度加深，椭圆的离心率趋近于1。

电梯电机中，定子主要由定子铁芯和嵌于铁芯槽中的定子绕组组成。定子故障大致分为机械故障和电气故障，其中机械故障主要指定子铁芯发生破损。电气故障在各种故障中占据较大成分，是与定子绕组破损有关的故障。定子绕组由很多匝相互绝缘的铜导线绕制而成，其内部流通电流[1]。由于电梯电机运行过程中会发生振动，及电流在绕组中流通时会产生热量，因此定子绕组的多数故障便与此两类原因相关。定子绕组常见的故障包括匝间短路、相间短路、断路、绝缘损坏等[2-3]。当电梯电机由于定子线圈发生匝间短路故障时，电梯会出现启动和停止震感强烈的现象，严重时电机停止运行，因此对电梯电机定子线圈定期进行故障检测很有必要。本文针对电梯电机定子线圈匝间短路故障信号，提出运用Park变换算法得到三相电流的矢量轨迹图像，然后利用机器视觉软件Halcon计算出轨迹离心率的诊断方法。图1所示为定子线圈匝间短路故障检测原理。

1定子线圈故障分析与建模

1.1故障分析

定子主要由定子铁芯和嵌于铁芯槽中的定子绕组组成，如图2所示。匝间短路是绝缘故障的一种，主要是指绕组内相邻几匝线圈间的绝缘层破损，造成多匝线圈之间短路，从而引起电流较大的变化。发生此故障时一般会看到部分绕组的端部有几匝线圈有烧焦的迹象，甚至出现裸露的铜线，而其他部位的绕组一般较完好。

匝间短路的原因主要有以下几方面：

（1）电机设计不合理。不合理的定子结构设计，如端部弧线转弯处的曲率半径偏小，使歪弧翘起，当电机运行时，由于离心力的作用，匝间绝缘被压破损，从而出现定子绕组匝间短路故障。

（2）制造质量存在问题。如因制造工艺粗糙造成的工艺性损伤，以及线匝局部未设风口或风口风量不合格导致的定子严重过热，均易造成匝间短路。

（3）绕组端部变形导致匝间短路。

（4）由过电压或遭雷击造成的匝间短路。

（5）在潮湿的运行环境中，绕组受潮使绝缘电阻下降引起匝间短路。

（6）运行环境中的盐雾、沙尘进入，会腐蚀、磨损绝缘层。

（7）定子绕组端部与转子相互摩擦造成端部匝间短路。

在定子绕组的内部，匝间短路故障的发生会引起绕组的三相阻抗不再对称，三相电流大小不再平衡，而且其各自间的相位差也不再是平衡的120°。其中，相位差偏离120°最大的是非故障相，并且偏离程度随故障程度的增大而增大。三相电流的不对称会引起之前由三相对称电流形成的平稳磁场的畸变，进而破坏气隙磁场的平衡状态，造成电梯电机震动增大。

1.2三相电流Park变换

Park变换是常用于分析和建立电机数学模型的变换方法，其原理是依据磁势等效原则，将三相电流/电压坐标系变换为静止的两相电流/电压坐标系来分析电机的一种数学方法，其变换原理如图3所示[4-5]。在三相坐标系和两项坐标系中，绕组的匝数分别为N和M，两坐标系绕组分别通以正弦交流电（角频率为ω），产生的合成磁势为Fs，Fs在两坐标系中都以ω进行旋转，按照两者之间任何时刻的合成磁势Fs等效的原则，假定d轴和a轴重合，则可以建立如下方程：

1.3建模与仿真

对于理想状态下的交流发电机定子线圈三相交流电的电流Park矢量为：

2视觉检测

Halcon是一款图像处理软件，它自带可视化操作界面。本文利用Halcon强大的图像处理能力，找出三相电流Park矢量轨迹图像的长半轴a，短半轴b[6-8]，并利用椭圆的离心率计算公式计算出不同故障情况下三相电流Park矢量轨迹图像的离心率e。

不同匝间故障程度的定子线圈测试结果见表1所列。当定子线圈未发生故障时，Park矢量长、短半轴长度基本相等，离心率为0.305 977，此时Park矢量图近似整圆，此时将其离心率的大小作为判断定子线圈是否发生匝间短路故障的标准；当定子线圈发生故障时，Park矢量椭圆长半轴变长，短半轴缩短，离心率大于0.31；随着短路匝数比例增大，Park矢量椭圆长半轴进一步增大，短半轴进一步减小，离心率越来越大。

Park矢量椭圆的长半轴或者短半轴长度随着不同的定子线圈而发生改变，因此无法作为故障特征进行研究与分析。而离心率反映的椭圆扁平程度也是一种归一化表示，故障程度越大，离心率越能够灵敏地反映出故障发生的程度，所以选取Park矢量椭圆的离心率作为故障特征以表征定子线圈匝间短路的故障程度。

3结语

建立电机定子线圈匝间短路故障数学模型，并运用Matlab软件仿真出正常的定子线圈和发生不同程度匝间短路故障的三相电流Park矢量轨迹图。结合Halcon软件处理并分析不同矢量轨迹图的离心率大小，形象直观地判断定子线圈故障与否。当发生轻微定子线圈匝间短路时，仅从定子线圈三相电流时域波形中难以分辨故障。通过Park矢量分析，发现Park矢量椭圆离心率可以灵敏地反映故障的发生和程度。因此，采用Park矢量椭圆离心率作为故障特征，判断定子线圈是否发生故障并预估故障程度。

参考文献

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