[发明专利]大功率永磁直驱电力机车用永磁同步电机失磁故障检测及保护方法

说明书

本发明涉及永磁同步电机的失磁在线监测方法以及失磁保护策略，具体为大功率永磁直驱电力机车用永磁同步电机失磁故障检测及保护方法，从永磁同步电机失磁故障的检测方法、永磁同步电机失磁程度的判断、永磁同步电机失磁故障保护策略三个方面进行说明。本发明实现了对永磁电机永磁体失磁故障的准确判断，避免电机失磁带来的损失，从而降低维护成本；而且该方法算法简单、控制器资源占有量少、鲁棒性强，可以区分不同程度的失磁故障，在确保机车安全的情况下，最大程度发挥运力；此外，该在线的防失磁诊断方法能够及早发现事故隐患，减少事故发生几率，降低维修成本和经济损失，提高对永磁电机故障检测和分析的能力。

技术领域

本发明涉及永磁同步电机的失磁在线监测方法以及失磁保护策略，具体为大功率永磁直驱电力机车用永磁同步电机失磁故障检测及保护方法。

背景技术

永磁同步电机具有功率密度大、过载能力强、效率高等优点，正逐渐被应用到轨道交通领域，并可能成为未来发展的主流电机。在此背景下，一种应用于电力机车的大功率永磁直驱牵引系统被开发研制。永磁同步电机作为永磁直驱牵引系统的重要组成部分，其自身状态的优劣直接影响着整个牵引系统的性能发挥。

永磁同步电动机采用永磁体励磁，嵌入电机内的永磁体是其重要的结构部件，它的磁性能直接影响永磁同步电机的效率、性能和可靠性。随着永磁同步电机服役年限的增加，转子永磁体在温度、电枢反应以及机械振动等因素综合影响下可能会产生不可逆失磁，发生失磁故障。由于轨道交通领域运行环境的限制，大功率永磁直驱电力机车用永磁同步电机长期运行于大功率、强振动、高温度的工作环境中，会存在一定的永磁体失磁风险。

如果永磁同步电机长期运行在失磁状态下，永磁体磁场波动和失磁会导致电机发热、转矩性能变差、电能损耗增加，严重情况下电机可能报废，这一问题极大地限制了永磁同步电机的推广应用。因此，为了减少永磁体失磁故障而造成的经济损失，需要深入分析和研究永磁电机的失磁机理，总结故障特征规律，对永磁电机永磁体失磁实现在线监测，避免电机失磁带来的损失，从而降低维护成本。

专利201210482964.5公开了一种《永磁同步电机转子失磁检测方法》，该方法利用上位机给定转速，控制电机运行至稳定状态后，不断增加电流值，观察测功机测得的转矩是否相应增加，初步判断永磁同步电机转子是否失磁，在可能失磁的情况下，控制电机空载运行至稳定状态后，不断减小电流值，观察测功机测得的电机各相电压与电机空载反电动势标定数据之间的差是否过大，确定永磁同步电机是否转子失磁。该方法在一定条件下能够实现永磁电机失磁故障诊断，但是该方法未考虑永磁体温度的对转矩输出的影响，依赖大量实验数据，且对电机故障分析需要增加额外的设备，成本高，在不同转速、不同负荷情况下诊断困难。

专利201310378729.8公开了《一种基于失电残压的永磁同步电机失磁故障诊断方法》，首先采集电机失电瞬间定子端任一相的电压瞬时信号，从电压瞬时信号中截取自失电时刻起的失电残压波形，初步判断发生退磁故障的可能性；对截取的失电残压进行频谱变换，获得基波分量幅值，确定基波分量幅值与电机转速的比值即为故障特征；设置故障预警阀值，所述故障特征与故障预警阀值的比值即为故障因子，依据故障因子判断是否存在退磁故障。该方法在一定条件下能够实现永磁电机失磁故障诊断，但是该方法还存在一些局限性，比如：(1)现在多采用变频器作为永磁同步电机的电源，而变频器输出的并非理想的正弦波，含有大量的谐波，导致电枢电流中包含大量谐波成分，当永磁同步电机发生失磁故障时，难以区分电枢电流中的谐波是由故障引起还是由变频器引起，为故障诊断带来困难；(2)在某些定子绕组结构下，电机发生转子失磁故障时，电枢电流中不会产生新的谐波分量，即不会产生失磁故障所独有的谐波分量，此时无法判断电机是否发生失磁故障；(3)失磁诊断需要增加额外的霍尔型电压传感器，增加了成本，同时需对失电残压进行频谱分析，需要大量运算，浪费资源，不适用于在线检测退磁。