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三相无刷直流电机常见故障的仿真研究.rar

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    三相 直流电机 常见故障 仿真 研究
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    本 科 毕 业 设 计 第 I 页 共 I 页目 录1 绪 论 .................................................................11.1 课题研究目的及意义 ................................................11.2 国内外电机故障诊断的研究现状 ......................................21.2.1 国外电机故障诊断研究现状 ....................................21.2.2 国内电机故障诊断研究现状 ....................................31.3 本论文工作概述 ....................................................52 电机故障机理分析 .......................................................62.1 无刷直流电动机基本结构 ............................................62.1.1 无刷直流电动机基本结构 ......................................62.1.2 无刷直流电动机的工作原理 ....................................72.1.3 无刷直流电动机绕组分布 ......................................82.2 电机故障诊断分析 .................................................102.2.1 无刷直流电动机电枢电流分析 .................................112.2.2 控制器基本原理 122.3 本章小结 .........................................................133 无刷直流电机常见故障的仿真研究 ........................................143.1 无刷直流电机及驱动器 ..............................................143.1.1 无刷直流电动机的有限元模型的建立 ...........................153.1.2 无刷直流电动机的驱动电路模型 ...............................183.2 无刷直流电机单相故障检测与诊断 ...................................203.2.1 单相桥臂开关故障 ...........................................203.2.2 单相匝间短路故障 ...........................................25结论 .....................................................................29致谢 .....................................................................30参考文献 .................................................................31本 科 毕 业 设 计 第 0 页 共 36 页1 绪 论1.1 课题研究目的及意义电机是一种广泛使用的社会生活和生产,是电磁能量转换机制,在工业,交通运输的应用和日常生活中已经越来越普遍。它的正常运行或非正常运行,既对电动机本身也对整个装置的工作状况有重要的影响。伴随着生产设施逐步向大型化发展,生产技术过渡到高速化,停工损失等状况开始出现,主要是由于直流电动机等重要设备故障,并且维护成本大大增加。为了减少以上的问题,有必要在电机故障之前进行相关的检测和诊断 【1】 。目前,监测电机故障的诊断更适用于大型发电机和鼠笼式异步电动机,并取得了良好的效果,相对来说对无刷直流电动机的研究则比较少。近年来尤其在近十年间,制造工艺和设计标准无刷直流电机正在逐步完善,并在一些尖端产品,如捆钞机,精密机床,照相机,手机,照相机,银行点钞机,摄像机等方面得到广泛应用。伴随着科学技术的不断进步,无刷直流电动机将在很多场合被利用,在一些场合逐步的取代交流电机。尤其是永磁无刷电机的出现后,直流无刷电机生产规模不断扩大,生产数量不断上升。中国每年生产的直流无刷电机高达数十亿台,厂商众多。因此,这些电机的安全运行,特别是对机器人,航天,航空等特殊领域,其健康状况和应用故障在线监测尤其重要。另一方面,当在过载和过高温等的长时间情况下的电动机中,由于部件和其他因素的老化可能会导致电机故障,电机故障类型一般包括偏心轴承的转子或定子的相间3 短路,对地短路,三相电流不均衡,匝间短路等。引起的两个相邻匝的相同相位绕组或线圈绝缘层的破坏造成的短路通常发生在定子绕组之间。在耐热性,耐久性和机械强度方面,电动机的绝缘系统的结构是薄弱环节,电动机绝缘损坏所造成故障的概率是比较高的 【2】 。因此,本课题对三相无刷直流电机常见的故障进行了研究。检测电气故障通过人工检测的传统方法,使用电机的人通过感官对温度,声音感知来确定电机是否正常运行时,最需要的是操作者的工作经验。这种方法的使用不仅依赖于专家在实际操作中的诊断经验,低诊断的效率而且可靠性能差。此外,无刷直流电动机是一个更复杂的对象,其大小故障特征参数可以与变化的故障的程度和所施本 科 毕 业 设 计 第 1 页 共 36 页加的负载的大小的变化而被改变 【3-4】 。因此,故障特征参数难以提取,使得无刷直流电机的故障特征参数具有分散性,随机性和模糊性的特点。因此,本文如何整合电机所拥有的许多故障,进而提高问题的故障诊断准确性,采用基于 Ansoft 三相无刷直流电动机故障的仿真模拟。使用有限元分析软件中的Ansoft,在电机的分析当中引入有限元“场”的方法,运用其计算能力加上后处理能力以及其强大的电磁场分析,得出无刷直流电动机几种常见的故障分析结果,并获得正常的条件下在电机的各种电磁场分布和相应的性能曲线情况,有限元分析方法相较于传统的“路”的方法,能够精确分析出电机的运行条件,从而为电机的故障诊断和设计优化提供科学,准确的依据。1.2 国内外电机故障诊断的研究现状1.2.1 国外电机故障诊断研究现状从十九世纪初直到20世纪60年代,国外就开始专注于国外电气设备故障诊断技术研究,但其发展并不快。直到七八十年代,随着计算机技术的进步和微电子技术的发展,电力设备故障在线检测技术和应用开发得到迅速发展。其中,日本,德国,美国等国家已经制定了国家电机产品线监测的研制方法,如德国,申克公司开发利用的用以确定电机的检测设备参数的方法,日本的国际检测公司的电机性能测试仪可以自动测试比转速,电流,电压,功率因数,功率,效率,转矩更多的十几个参数; MAGTROL美国公司开发的 DSP 测功系统,具有惯性补偿,采样过程中自动计算惯性,高采样率等优点 【5】 。另一方面,国外许多专家,学者都基于搜索电机故障检测和目标而进行多年的潜心研究致力于寻求分析方便,简单和准确的方法。发现故障,并对故障信号分析的诊断和处理是核心问题,其中重点的是对改变电机最重要的电气参数的研究。迄今为止,信号分析的最广泛使用的方法仍是傅立叶变换,如在文献[6]中提出的定子电流信号,是在这个特性的特征频率存在下更好地利用电流信号的频谱分析,然而,目前的噪音和基本频率可以很容易地淹没反映电机故障的谐波成分,且 FFT 分析的谐波成分为具有良好的效果,非常适用于对平稳信号的分析,但是对于非平稳的信号的分析在实际工作中是不适用的。所以,基于傅立叶的信号分析方法的变换还有待进一步研究。 文献[7]中 对于转子的断条故障,采 用三相电流 Park 矢量模平方函数功 能可有效消除本 科 毕 业 设 计 第 2 页 共 36 页基波影响。解决了文献[6]中存在的故障电流的谐波成分很容易被噪声和基频不堪重负的影响,从而更好地得到故障特征频率分量。在有些文章当中还提出了一种基于状态空间有限元分析方法的一些时间步长,在文献[8]中,完成建立电机模型,根据该时间步长中,对故障数据的有限元模型进行了仿真,通过比较仿真和测量的数据,以得到电机的故障特征参数。在过去几年当中,信号处理方法具有显著的发展,小波和独立成分分析,为进一步研究电力故障监测注入了新鲜的血液,小波变换电机中非平稳信号的分析比采用傅里叶变换的方法更适合,如比较文献[9]将小波变换应用于起动电流信号处理,通过计算与特征的比较,在不同时间段,对各频率分量的振幅的变化的电动机进行分析,从而确定转子是否出现断条故障。另一方面,对文献[10]的感应电动机的转速度,电流和电压采用小波多分辨率技术进行测量,经过对这些非稳定信号分析和处理,以完成对不同功率的感应电动机的完整的故障诊断测定。近些年来,在不断发展的计算机技术背景下,专家系统,人工神经网络分析取得了优异的成绩尤其是在电机故障诊断过程中。就像文献[11]当中对感应电机轴承故障分析采用模糊识别技术。 文献[12]中无刷直流电动机绕组脱焊故障用参数辨识法解决了很大的麻烦,经由建立电机的动态模型来精确识别电机的电磁参数参数的方法,只要在参数的变化超过一定范围时,就能够有效地确定故障的原因。现在的电机匝间短路故障还没有有效的保护措施,匝间短路发生在定子绕组后,匝间短路故障对所有的匝间短路阻抗和电压分布对短路电流都有显著的影响 【13】 ,但该负荷的大小和它没有关系。在正常情况下,流过的短路电流相对较大,甚至对于之间略有故障的匝间短路故障来说也会使得相定子电流增大很多。 文献[14]引入了基于通过比较所述正常操作与定子负序故障的电流的定子负序电流检测方法,以确定一个定子是否出现绕组匝间短路故障。然而,在由工作环境的实际应用中,再加上电动机的结构是不完全对称的,所以,文献[15]中把三相定子绕组表观的故障特征阻抗角作为解决三相定子电压相不对称的问题。1.2.2 国内电机故障诊断研究现状早在六十年代,我们的电机故障诊断技术已得到公认,也做了很多的现场试验方法,但由于其操作的复杂性,测量结果的分散性大,这种方法的应用一直不理想。直本 科 毕 业 设 计 第 3 页 共 36 页到80年代前后,电气设备故障学习中才逐渐出现在线诊断技术,并在过去十年获得了一些成果 【16】 。中国的大学已经开展了这方面的研究,并把它们添加到论文写作中。伴随着现代科学技术的进步,中国也广泛的使用人工神经网络和小波变换的应用程序,以检测电气设备等的早期故障。感应电机轴承故障在他们的失败率中占很高的比例。 在文献 [17]中通过提取小波系数轴承故障信号,并利用小波重构信号,以确定是否有轴承故障的存在。然而,该方法需要对轴承故障的一个信号的频率范围有一定的了解,况且重建小波诊断效果仍有待检验。另一方面,小波变换也适用于摩擦故障。宋友(北京航空航天大学)和其他人提出了基于小波分析的分析方法和多分辨率的分析方法,首先对振动信号进行分解,扩大其进程,并研究其能量分布,可以更准确地确定故障摩擦度 【18】 。20 世纪 90 年代,中国北方电力大学的许伯强用傅立叶不断完善改造,实现了在线检测转子断条故障 【18-19】 ,就可以找到断条的鼠笼型异步电动机光谱特性的组成部分。但它需要满足一定的速度和转矩,并确定电动机的某些内部参数。 在文献[20]中使用希尔伯特对定子电流信号进行变换解调,如果频谱在一定频率调制信号处有峰值,将特征量作为故障诊断来判断电机转子断条故障是否存在。在一般情况下,提取定子电流的频率分量的方法由于其实用性和简洁性,从而得到广泛应用。目前,由于是非平稳信号启动电机参数状态,故障检测方法在电机起动状态比在稳定状态下的检测方法少了很多。 20 世纪 90 年代中期在[21]中提出对定子电流采用分段傅立叶频谱分析,认为每一段为稳定信号并布置成比较的光谱,它可以确定转子断条故障,但这种方法只适用于在电动机的起动时间足够长的情况下。 在文献[22]中实现了全局耦合混沌神经网络的异步电机转子断条的故障诊断。结果表明,该方法有助于识别并再现故障模式。利用基于传统的离线的方法来查看脉冲激励的定子绕组的故障与否,通过比较正常电机响应波形和故障电机响应波形来确定定子绕组故障的存在或不存在。然而,在线监测定子故障与这种方法没有得到相同的效果。 在文献[23]中提出了一种定子电流Park 矢量方法。定子的 Park 矢量 轨迹会成为椭圆当定子绕组短路的时候。但是电机结构不对称将对诊断结果产生一定的影响。电机的短路电流 流过定子绕组的匝间短路发生时,从而在绕组上产生过热进而造成绝缘损坏。 在文献[24]中提出了异步电机定子故障的模糊诊断方法,该方法结合了本 科 毕 业 设 计 第 4 页 共 36 页定子电流不平衡检测和模糊理论检测法,对故障的电机定子具有很强的通用性。但 不能诊断 具有两个或多种模式共存故障。在进行本课题的研究时以上的这些文件和学者具有指导意义,为这一主题进行主题分析的行为研究提供了思路和方向。1.3 本论文工作概述随着科学技术的进步与发展,在电气设备故障的措施中引进计算机技术已经成为一种必然的潮流。虚拟仪器技术的出现为电机的故障诊断 揭开了新的一页。单一信号情况下,经常使用电动机信号分析,故障不能得到准确的诊断,所以实际诊断常常针对电机的多状态信息采取观察和分析,从中提取的电机故障特性是相互关联的。本文正是基于这样的分析,在虚拟仪器技术和相关设备的基础上,采用基于 Ansoft 的三相无刷直流电机常见故障的模拟。这种方法能产生可靠的诊断,更有说服力。在这方面,本文做了以下工作:第一章全面,深入的把各类电机故障检测方法研究的最新状况进行了分析和总结,并指出了各类方法当中存在的问题。深入并且全面的对这项研究的发展过程进行了相关调研,以及其在国内外的最新情况。第二章全面而深入地分析了无刷直流电动机的工作特性,通过对电机的结构、工作原理、绕组分布等的研究。对无刷直流电机有一个全面的认识,为第三章的仿真研究奠定了基础。第三章利用 ANSOFT 软件,对无刷直流电机进行模拟仿真,并对逆变器开关功率器件的单相短路,单相断路,绕组短路进行了仿真,通过分析各相电流波形,对各种故障进行检测。 本 科 毕 业 设 计 第 5 页 共 36 页2 电机故障机理分析2.1 无刷直流电动机基本结构2.1.1 无刷直流电动机的基本组成结构随着现代电子技术在 19 世纪中后期的进步与发展,出现了新电机例如无刷直流电动机。不同于传统的无刷直流电动机的是使用在定子上的是无刷直流电动机的电枢绕组,而使用在转子上的是永久磁铁,从该结构来看无刷直流电机非常相似于永磁同步电机。因为有刷直流电动机具有电刷机械换向的缺点,而无刷直流电机具有电子换向装置,成功克服了机械摩擦噪音等一系列缺点,且具有优良的电励磁的直流电动机调速性能,寿命长,而且还实现了无刷,还具有可靠性高,体积小,启动快等优点。在图 2.1 中所示的拓扑结构中为一般的无刷直流电机所具有,为电动机驱动和电动机主体的组合物。它是机电一体化产品中的典型一种。由定子和转子两部分组成的电机本体。定子绕组是大致对称的三相星形连接;充好磁的永磁体在转子上粘着,位置传感器——用于检测极性安装在电机内。经过控制电路逻辑变换后的位置信号可产生一个驱动信号,用于驱动信号的放大处理,以控制逆变器的功率开关管,以便各相电机绕组能够按一定的顺序工作。图 2.1 无刷直流电动机的控制系统VD3T1 T5T3直流电源霍尔传感器T4 T6 T2eAiBiCeBeCVD4 VD6 VD2C驱 动 电 路控 制 电 路iAVD1 VD5· ··本 科 毕 业 设 计 第 6 页 共 36 页无刷直流电机具有电子换向取代传统的机械式换向器的特点,电子换向器受位置信号所控,这篇文章是基于安装在转子上的电机位置传感器 - 霍尔元件来实现转子的实时监测位置的。 选择 48V 的无刷电机控制装置的额定电压,选用 1000W 的额定功率,65A 的最大电流。如图 2.2 所示的系统控制单元。图 2.2 控制器在系统中的作用2.1.2 无刷直流电动机的工作原理电机的驱动系统是由功率开关管、位置传感器和逆变触发电路共同构成的。通常永磁直流无刷电动机有两种基本运行状态,一种是 1200导通状态,一种是1800导通状态。在 1200导通状态下,永磁体 N-S 交替交换,使位置传感器产生相位差 1200的U、V、W 方波。当转子转到 图 2.3(a) 所示位置时,开关管 T1、T6(见 图 2-1 )导通,此时的 A,B 两相的电枢绕组电流所产生的转子磁动势以及合成电枢磁动势相互作用产生拖曳转子顺时针旋转的电磁转矩,转子磁动势与合成电枢磁动势的夹角为 1200电角度。步距为 600电角度的定子合成磁场,当转过 600电角度的转子到达 图 2-3(b) 所示的位置时。此时 T1 仍导通,T6 截止,T2 导通。A、C 两相绕组通电,转子继续按原顺时针方向旋转。由此及彼,每当转子转过 600电角度时,逆变器的开关就会切换一次,功率开关管的导通顺序为 T1-T6,T1-T2,T3-T2,T3-T4,T5-T4,T5-T6。在一个周期之内,电磁转矩一直把顺时的作用力作用于转子,使转子沿顺时针方向连续旋转。M 驱动电路控制电路位置传感器电子换向单元直流电源本 科 毕 业 设 计 第 7 页 共 36 页(a)A、B 相通电 (b)A、C 相通电图 2.3 无刷直流电动机工作原理图1200导通状态和 1800导通状态具有相同的运行原理,进行一次换向同样为每隔600,并且形成一个导通状态。把一个周期可以分成 6 个状态,具有每一时刻三相绕组都导通的特点的导通状态为 1800导通状态。并且逆变器 3 个桥臂在每一时刻均有 1 个晶体管是导通的。通过逻辑组件处理产生 T1-T6-T2 导通、T1-T3-T2 导通、T4-T3-T2导通、T4-T3-T5 导通、T4-T6-T5 导通、T1-T6-T5 导通,电机绕组的导通顺序为ab'c'、abc'、a'bc'、a'bc、a'b'c、ab'c。 2.1.3 无刷直流电动机绕组分布现代工业生产中,电机绕组既对电机的性能指标有很大影响,也是保证电机可靠运行的关键。因此电机绕组常常被作为电机的核心部件来研究。本文以转子永磁体的极对数为 5,相数为 3,电枢槽数 Z=12,电枢绕组为星型连接的无刷直流电机做为研究对象。电机相邻两齿槽间的机械夹角和电气夹角分别为和 。在两个相邻的电枢线圈周围的00031263Zam 015map齿轴的磁势之间的电气夹角 amζ 也是 1500。 如果设置的零角度为起始槽的开始位置,第 1 个槽位移 1500电角度就是第 2 个槽的角度数,第 2 个槽位移 1500电角度是第 3 个槽的角度数,由此及彼,电机 12 个槽在气隙磁场中所处的以及其磁势星形图分别如表2.1,图 2.4 所示。FfFaWN ·S·AVCUBFaFfAS··NWUVBC本 科 毕 业 设 计 第 8 页 共 36 页表 2.1 槽在气隙磁场中所处的位置槽号 1 2 3 4 5 6槽的位置(电角度) 00 1500 3000 900 2400 300槽号 7 8 9 10 11 12槽的位置(电角度) 1800 3300 1200 2700 600 2100图 2.4 电枢绕组的磁势星型图无刷直流电动机具有复杂的绕组结构和多样的电枢绕组连接。电机一个极距由相隔 600电角度的 3 个的相带构成。从图 2-4 中可以观察到,第 2 槽和第 8 槽,第 1 槽和第 7 号槽内的电枢线圈圈边的磁势都是相差 1800,由此可以推出,由不同的线圈分别组成 W(C)、U(A)、V(B)相。电枢绕组的连接图如下所示。无刷直流电动机所用的材料和绕组的接线,比起普通电机来看,拥有许多的优点,用磁钢而不是普通的电机磁铁来励磁,显著提高电动机效率,有利于节省材料,降低UC 1116101283157294VAWB
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