随着高效节能设备的推广,变频调速交流电机在工业生产、轨道交通、航空航天等诸多领域得到了广泛的应用。然而,受环境侵蚀与机械振动等因素的影响,交流电机的可靠性面临着越来越多的挑战,智能化的设备维护与故障诊断技术正逐渐成为行业关注的焦点。定子绕组匝间短路是交流电机中常见的故障类型,快速有效地完成此类故障的诊断任务,对于保障设备运行效率、降低维护成本、确保人员安全及减少灾难性事故具有重要意义。本文以交流电机定子绕组的匝间短路故障为研究对象,系统地分析了此类故障的建模理论与诊断技术,提出了基于逆变器谐波的定子匝间短路故障诊断方法以及干扰抑制策略,并进行了相关的实验验证。本文的主要研究内容如下:首先,可靠的数学模型是开展故障诊断研究工作的理论基础,为此本文基于静止坐标系感应电机故障模型、同步坐标系永磁电机故障模型,推导了考虑饱和效应的感应电机故障模型,并提出了基于频响特性的交流电机高频故障模型。与此同时,基于各类故障模型,本文按照基波、低次谐波、高频注入谐波以及开关频段注入谐波的顺序,依次开展了四类诊断方法的实验测试,并从可靠程度、抗扰能力等方面对上述方法进行了比较分析。其次,由于交流电机具有多变量、强耦合的电磁特征,传统的故障诊断技术较易受到控制方式、运行工况及外部扰动等诸多因素的影响。为此,本文将逆变器固有的开关谐波应用于故障诊断,开展了开关激励的理论分析工作,推导了故障特征的解析关系式,并提出了一种基于逆变器开关谐波的定子故障诊断方法,实现了可靠度高、抗扰力强的电机状态监测。其中,为了从谐波繁杂的检测信号中提取有效的故障信息,本文利用Teager-Kaiser能量算子实现了强噪声环境下微弱旁带信号的快速检测,并在故障特征提取过程中采用了加窗DFT的频域插值算法。基于感应电机故障样机的实验结果证实了该方法的有效性。再次,由于正常电机中“电阻变化导致的定子不对称”与故障电机中“匝间短路导致的绕组异常”会产生相似的电压、电流特征,因此如何在上述非故障性电阻不对称下实现匝间短路的故障诊断,属于本课题领域的研究难点之一。研究表明,在电阻不对称与闭环控制器的共同作用下,逆变器谐波响应信号中同样会出现与故障特征相似的干扰分量,严重降低了诊断结果的可靠性。为了解决上述问题,本文从控制回路出发,分析了电阻不对称对控制器内部信号的影响,进而指明了电阻不对称与开关干扰谐波的内在联系。通过综合电机高频故障模型与逆变器谐波表达式,提出了一种针对定子电阻不对称干扰的抑制策略。该策略同时利用开关频率左、右旁带谐波的复平面相量信息,以此去除干扰分量,进而实现了定子电阻不对称状态下故障的检测、定位与评估。基于感应电机故障样机的实验结果证实了该方法的有效性。最后,由于凸极转子会在电机气隙中引入偶次空间谐波,在该谐波的调制作用下,表征故障的分量将出现幅值降低、频率分散的现象,导致开关频域中相邻谐波互相干扰,严重影响诊断结果的准确性。为此,本文以内嵌式永磁电机为研究对象,理论分析了故障电机的高频阻抗与转子位置、故障程度间的关系,进而推导了电流中故障特征的解析表达式。与此同时,基于不同频段中开关谐波的比较分析,本文选取了适用于凸极转子电机的同步系开关激励分量,进而提出了一种针对凸极干扰的解耦策略。该策略通过综合d轴、q轴信号中2倍开关频率的旁带谐波信息,同时实现了定子电阻不对称、转子结构凸极性等影响下故障的检测、定位与评估。基于内嵌式永磁电机故障平台的实验测试证实了该方法的有效性。