基于開關(guān)振蕩的驅(qū)動電機匝絕緣故障診斷

嚴浩，巴桑，顧奕

（1.上海電力大學(xué)電氣工程學(xué)院，上海 200090；2.國網(wǎng)西藏電力公司拉孜縣供電公司，西藏 日喀則 850000）

變頻電機具有響應(yīng)速度快、控制精度精確和效率高等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于智能制造、工業(yè)機器人、先進醫(yī)療等領(lǐng)域。意外的電機故障將導(dǎo)致大量的停機時間和經(jīng)濟損失[1]。定子絕緣故障是交流電機中最常見的故障。根據(jù)調(diào)查結(jié)果，交流電機故障中有30%～40%與定子有關(guān)[2]。而60%～70%的高壓電機故障是由定子繞組絕緣故障引起的[3]。在逆變器供電的機器中，由于開關(guān)狀態(tài)的快速且反復(fù)的變化，加速了絕緣老化。與機械故障不同，電氣故障（例如絕緣故障）通常是會導(dǎo)致災(zāi)難性的重大故障，有時甚至?xí)p壞機器，可能導(dǎo)致意外的過程中斷。這不僅僅需要修理或更換單個機器，還會因為停機造成損失。爭取在短路故障發(fā)生之前及時發(fā)現(xiàn)絕緣老化，有效地監(jiān)測絕緣狀態(tài)對變頻調(diào)速系統(tǒng)的安全可靠運行至關(guān)重要。

離線絕緣測試已在工業(yè)中廣泛使用了數(shù)十年，以定期檢查定子繞組絕緣的健康狀況。其中，極化指數(shù)測試、浪涌測試和離線局部放電測試是最廣泛接受和使用的測試方法，它們各自用于檢測特定的絕緣問題。這些技術(shù)的主要局限性是侵入性，即必須先停止使用電機才能進行此類測試。因此，這些測試通常每3～6 a進行一次，具體取決于應(yīng)用程序允許的過程中斷間隔。定期測試不能保證在下一個過程中斷之前機器系統(tǒng)的可靠運行。

理想的在線絕緣監(jiān)測技術(shù)應(yīng)該能夠評估交流電機正常運行期間定子繞組絕緣的質(zhì)量，從而可以進一步預(yù)測電機系統(tǒng)的健康狀況并警告用戶可能的電機故障，以便進行維護或修理。其中，在線局部放電監(jiān)測是在線絕緣監(jiān)測最廣泛接受和使用的技術(shù)。局部放電監(jiān)控器可以檢測定子繞組絕緣中的電暈活動，并可靠地監(jiān)視和防止主要由電暈活動引起的絕緣故障[4]。但是，電暈活性只是定子繞組絕緣故障的根本原因之一。交流電機的絕緣故障也可能由熱應(yīng)力、振動、電應(yīng)力和污染引起的絕緣磨損引起。代表性的匝間短路故障診斷方法有負序電流法[5]、諧波特征法[6-7]、矢量軌跡法[8]、零序電壓法[9]、反電動勢法[10]和瞬時功率法[11]等。利用這些方法可以及時檢測出電機匝間短路故障，如通過小波變換提取電流二倍頻諧波分量特征，能夠在不同負載狀態(tài)下檢測1.2%的電機匝間短路故障[6]。利用電流3次諧波分量特征可識別不同程度的匝間短路故障[7]。文獻[8]中的矢量軌跡法對電壓不平衡具有一定的抑制能力，對初期故障敏感度較高，但受逆變器閉環(huán)電流控制器自動調(diào)節(jié)能力影響。文獻[11]中的瞬時功率法對電壓不平衡、定子不對稱和電機參數(shù)變化不敏感，但轉(zhuǎn)速變化會改變特征諧波分量，且受負載波動影響。

本文提出一種基于開關(guān)振蕩的多頻率特征逆變器驅(qū)動電機匝絕緣故障診斷方法，能夠在線對電機匝絕緣故障進行診斷。通過獲取高頻瞬態(tài)振蕩電流信號與多頻率特征提取方法，得出電機絕緣狀態(tài)變化對振蕩電流響應(yīng)特征的影響，通過實驗結(jié)果分析，實現(xiàn)早期絕緣劣化狀態(tài)監(jiān)測。

1 開關(guān)振蕩法的基本原理

電機繞組作為開關(guān)激勵下的負載時，功率器件開關(guān)過程的高dv/dt電壓激勵下，電機電流會產(chǎn)生幅值較大的瞬態(tài)振蕩，其中包含了豐富的高頻分量，其自身狀態(tài)（阻抗）直接決定了電流的暫態(tài)響應(yīng)特性。Perisse等人[12]通過實驗證明，電容變化可以用作繞組匝間絕緣老化的可靠指標，從而顯著影響高頻諧振特性。在前期電機離線狀態(tài)下，實驗通過在繞組間外接電容來模擬電機絕緣劣化。由初步的相地阻抗特性可知，匝絕緣發(fā)生劣化下，在頻域下，阻抗發(fā)生明顯變化主要在幾百kHz頻段。而對于逆變器驅(qū)動的電機，開關(guān)模式是變頻調(diào)速系統(tǒng)實現(xiàn)電能變換的基本工作模式[13-14]。變頻電機由功率器件的開關(guān)組合（PWM脈沖）所驅(qū)動，電機繞組作為開關(guān)模式下的負載，其狀態(tài)決定了系統(tǒng)的開關(guān)響應(yīng)特性。電機在線運行時，電力電子功率器件高速開關(guān)激勵下的電機電流瞬態(tài)響應(yīng)（振蕩）中包含豐富的高頻分量（頻率在幾十kHz到幾MHz），其中就包含匝絕緣敏感頻帶（幾百kHz頻帶），而對于逆變器所驅(qū)動的電機，每一次的開關(guān)過程都包括豐富的開關(guān)激勵（幾百kHz），在功率器件開關(guān)過程的高dv/dt電壓激勵下，電機電流會產(chǎn)生幅值較大的瞬態(tài)振蕩，而每一次的開關(guān)激勵都會有電流響應(yīng)，因此電機在線運行時，通過提取高頻電流特征，對高頻特征進行監(jiān)測，即可以對電機的匝絕緣劣化故障進行診斷。圖1為逆變器功率器件的開關(guān)瞬態(tài)過程。

圖1 逆變器功率器件的開關(guān)瞬態(tài)過程Fig.1 Switching transient process of inverter power devices

掌握IGBT的開通關(guān)斷過程有利于明確開關(guān)狀態(tài)對高頻振蕩電流的作用規(guī)律。功率器件（IGBT或MOSFET）通常在數(shù)百ns內(nèi)快速切換，這會在機器的端子處產(chǎn)生陡峭的電壓上升/下降沿。因此，PWM逆變器本身可以被視為良好的高頻激勵源，它會在開關(guān)頻率（例如10 kHz）下施加大量的高dv/dt瞬態(tài)電壓。作為響應(yīng)，機器電流的高頻振蕩范圍從幾十kHz到幾MHz。IGBT等效電路如圖2所示。IGBT的柵極-集電極和柵極-發(fā)射極間存在著分布電容Cgc和Cge，且分布電感Le，Lc分別在發(fā)射極驅(qū)動電路和集電極電路中。

圖2 IGBT等效電路Fig.2 Equivalent circuit of IGBT

實際系統(tǒng)中IGBT開通時電壓先上升、電流再下降，關(guān)斷時電流先上升、電壓再下降。而理想的IGBT電壓和電流幾乎都是突變的。電機實際運行的開關(guān)瞬間電流電壓波形如圖3所示，在每一次的開關(guān)振蕩中包含豐富的高頻分量（頻率在幾十kHz到幾MHz）。開關(guān)振蕩法則是基于逆變器驅(qū)動電機在運行自身的高頻特征作為激勵，對多頻率下的特征進行提取的。

圖3 電機實際運行時電壓電流開關(guān)振蕩波形圖Fig.3 The voltage and current switching oscillation waveforms diagram when the motor is actually running

2 基于開關(guān)振蕩的多頻率特征匝絕緣故障診斷方法實現(xiàn)

首先分析匝絕緣劣化機理及其對電機繞組阻抗特性的影響，設(shè)計實驗去模擬匝絕緣劣化（并聯(lián)電容），利用阻抗測試儀對電機的阻抗特性進行測量，初步了解匝絕緣劣化對電機敏感頻帶；然后進行電機在線運行，提取電機在不同絕緣劣化狀態(tài)下的電壓電流特征，利用Matlab中的帶通濾波器模塊提取多頻帶頻率特征，對電流在特定頻域的變化進行監(jiān)測；最后給出多頻率法實現(xiàn)流程。

2.1 匝絕緣劣化機理及等效模型

匝絕緣失效會造成繞組局部溫升，使電機絕緣性能變差，會引起新的故障，嚴重會導(dǎo)致電機停機。

一方面，逆變器產(chǎn)生的高dv/dt重復(fù)電壓沖擊會增加絕緣材料的電應(yīng)力，加速絕緣劣化進程。另一方面，高頻電壓諧波會增加絕緣介電損耗，電流諧波會增加繞組線圈和鐵心損耗[15]，增加絕緣的熱應(yīng)力，使得匝絕緣成為電機中最薄弱的環(huán)節(jié)之一。

圖4為電機繞組單線圈匝絕緣的等效電路，An，Bn表示第n匝線圈。采用多單元π型等效電路級聯(lián)來模擬線圈繞組的高頻特性，Rs為導(dǎo)體的等效電阻，Ls為漏感，Ci為匝絕緣電容，Ri為匝絕緣介電損耗電阻。Ci可由下式求得[16]：

圖4 電機繞組單線圈匝絕緣等效電路Fig.4 Equivalent circuit of one-turn insulation

式中：ε0為自由空間的介電常數(shù)；ε1為匝間絕緣的介電常數(shù)；li為導(dǎo)體寬度；l為基本截面長度；ei為導(dǎo)體匝絕緣厚度。

2.2 多頻率法實現(xiàn)流程

基于開關(guān)振蕩的多頻率法匝絕緣故障診斷步驟如下：

1）利用高頻電壓傳感器和高頻電流傳感器分別采集逆變器輸出端電壓Vce、電機電流Io、傳感器線圈電流Ic等數(shù)據(jù)，并將采集的數(shù)據(jù)導(dǎo)入Mat?lab模型中；

2）對端電壓Vce進行邊沿檢測，判斷是否為功率器件開關(guān)瞬態(tài)過程；

3）若否，則重復(fù)步驟2）；

4）當(dāng)檢測到開關(guān)瞬態(tài)，記錄開關(guān)瞬態(tài)過程中固定時間長度的Vce（n）、開關(guān)瞬態(tài)響應(yīng)下電流Isw（n）和帶通濾波器下的傳感器線圈電流Ic-h（n）數(shù)據(jù)，利用Matlab中的帶通濾波器模塊，對不同頻段的高頻電流特征數(shù)據(jù)進行采集，采集數(shù)據(jù)為一個周期下所有開關(guān)事件下的傳感器線圈電流峰值點；

5）對不同頻帶的帶通濾波器對開關(guān)振蕩下的高頻電流特征進行處理，作出電流幅值均值圖，觀察隨著匝絕緣發(fā)生劣化時，哪一個頻段特征變化較為明顯，選取出敏感特征頻帶；

6）在選取完特征頻帶后，為了驗證實驗具有的普遍規(guī)律，作出不同工況下的開關(guān)瞬態(tài)下電流峰值點均值圖及開關(guān)事件下電流幅值的散點圖，對實驗結(jié)果進行分析，最后根據(jù)分析結(jié)果得出規(guī)律的一致性。

3 實驗驗證

3.1 實驗系統(tǒng)及如何匝絕緣劣化的模擬

實驗系統(tǒng)搭建了如圖5所示的實驗臺，包括3 kW永磁同步伺服電機、3 kW感應(yīng)電機，2臺變頻器（分別控制伺服電機和感應(yīng)電機）、pico信號采集單元、DP6150A高頻電壓探頭（1 500 V/100 MHz，精度為2%）、CP8030B高頻電流探頭（30 A/50 MHz，精度為1%）。用于匝絕緣劣化模擬和狀態(tài)監(jiān)測實驗的永磁同步伺服電機主要參數(shù)如下：額定電壓380 V，額定電流7.5 A，額定轉(zhuǎn)速1 500 r/min，額定頻率100 Hz，額定轉(zhuǎn)矩19 N·m，極數(shù)/槽數(shù)為8/36。

圖5 實驗臺實物圖Fig.5 Picture of the test rig

匝絕緣狀態(tài)發(fā)生早期劣化時其容值會增加20%～50%[17]。與文獻[18]中的匝絕緣狀態(tài)模擬方法相一致，為模擬電機繞組局部匝間絕緣薄弱導(dǎo)致的絕緣早期狀態(tài)劣化，實驗中在繞組線圈間并聯(lián)電容。如圖5所示，從伺服電機定子W相繞組線圈中引出2根外接抽頭用于并聯(lián)電容C。

3.2 共模阻抗特性結(jié)果

電機絕緣劣化時，匝絕緣電容會產(chǎn)生相應(yīng)的變化。電容的范圍從幾百pF到幾nF之間，基于此，分別并上0 nF，330 pF，680 pF，1 nF，2.2 nF和3.3 nF的電容模擬不同程度絕緣劣化時的情況。本次實驗通過在抽頭1和抽頭3之間并聯(lián)不同大小的電容模擬匝絕緣狀態(tài)劣化。不同匝絕緣劣化下的相地阻抗特性如圖6所示，由相地阻抗特性可知，匝絕緣劣化主要對幾百kHz頻段比較敏感，隨著絕緣劣化程度的加深，在400 kHz及其之前頻段，阻抗逐漸減?。辉?00 kHz之后頻段，隨著劣化程度加深，阻抗逐漸增大。

圖6 不同匝絕緣劣化下的相地阻抗特性Fig.6 Phase-to-ground impedance characteristics under different turns of insulation deterioration

3.3 多頻率特征的選取及不同帶通濾波器處理下的結(jié)果

當(dāng)電機處于離線時，由阻抗特性初步可知，當(dāng)絕緣發(fā)生劣化時，主要敏感頻段為幾百kHz頻段。為了進一步研究電機在線運行時的規(guī)律，論文采用多頻帶法對電機在線運行特征進行提取。實驗通過傳感器獲取電流數(shù)據(jù)，采用多頻率特征法處理的電流特征如圖7所示。

圖7 不同帶通濾波器下的電流幅值均值Fig.7 Average current amplitude under different band-pass filters

圖7中，在200～400 kHz頻段，電流特征隨著劣化程度的加深，幅值逐漸增大，這與阻抗特征逐漸減小相對應(yīng)；同樣，在500～600 kHz頻段，電流特征隨著劣化程度加深，幅值逐漸減小，阻抗特征也是逐漸增大的。由此可知，采用多頻率法的在線特征可以對匝絕緣劣化進行故障診斷。同時，由圖7還可知，在300 kHz幅值特征變化較為明顯，因此接下來對300 kHz頻段進行更深入的研究，以得出規(guī)律的普遍性和一致性。

3.4 選取300 kHz頻帶做不同工況實驗結(jié)果處理

為了研究不同工況下是否對實驗結(jié)果產(chǎn)生影響，本文進行了不同工況的實驗，如表1所示。對電機的轉(zhuǎn)矩（基波電流改變）和基波頻率進行了改變，實驗結(jié)果如圖8所示。

表1 6種不同工況Tab.1 Six different working conditions

圖8 300 kHz帶通濾波器下不同工況的幅值均值Fig.8 Amplitude mean value of different working conditions under 300 kHz band-pass filter

由圖8可知，當(dāng)工況發(fā)生改變時（6種工況），同等程度絕緣劣化下的電流特征保持相對的穩(wěn)定，也符合在300 kHz下隨著劣化程度加深，電流幅值特征逐漸增大的規(guī)律。通過改變工況可知，實驗結(jié)果不受工況所影響，也就是對電機故障進行診斷時，無需對工況提出要求，也證明了方法的實用性。

逆變器功率器件每次開關(guān)動作均會激勵產(chǎn)生寬頻電流振蕩。在不同程度絕緣狀態(tài)劣化下，分別對600次開關(guān)事件中的開關(guān)振蕩電流的幅值和頻率特征進行提取結(jié)果如圖9所示，圖9中的結(jié)果表明，隨著匝絕緣電容參數(shù)的增加，由散點圖分布可知，開關(guān)振蕩電流（300 kHz）幅值逐漸增加。

圖9 開關(guān)事件下的電流幅值提取結(jié)果Fig.9 Current amplitude extraction result under switching events

對不同工況實驗以及多次開關(guān)事件下的電流幅值特征進行提取，所得提取結(jié)果可知，當(dāng)匝絕緣發(fā)生劣化時，能夠通過多頻帶法對絕緣劣化進行診斷，且可以在電機運行時進行狀態(tài)監(jiān)測，無需改變工況且多次結(jié)果均具有一致性，實驗規(guī)律具有普遍性。

4 結(jié)論

本文提出一種基于開關(guān)振蕩的多頻率特征逆變器驅(qū)動電機匝絕緣故障診斷方法，詳細分析和整理了其工作原理、實驗設(shè)計、檢測方法以及實驗結(jié)果，進而驗證了所提故障診斷方法的有效性。結(jié)果表明，通過多頻率下的開關(guān)振蕩信號對匝絕緣進行故障診斷，可以在早期能夠?qū)υ呀^緣劣化狀態(tài)進行在線靈敏監(jiān)測，具有良好的實用價值。