CN108680855B

CN108680855B - 永磁同步电机故障模拟系统及故障诊断方法

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Publication number: CN108680855B
Application number: CN201810463936.6A
Authority: CN
Inventors: 周凯; 臧经伦; 金宁治; 刘金凤; 王旭东
Original assignee: Harbin University of Science and Technology
Current assignee: Harbin University of Science and Technology
Priority date: 2018-05-15
Filing date: 2018-05-15
Publication date: 2019-12-27
Anticipated expiration: 2038-05-15
Also published as: CN108680855A

Abstract

一种永磁同步电机故障模拟系统及故障诊断方法。随着工业电气化和自动化程度的提高，电气传动系统可靠性越来越高，需对电机驱动系统进行故障研究，常规故障实验需较高代价。本发明组成包括：永磁同步电机（12），永磁同步电机一端安装有转子位置检测器（11），另一端通过联轴器I（14）与转矩传感器（15）连接，转矩传感器通过联轴器II（17）与测功机（18）连接，测功机下端具有信号输出端（19），并通过信号反馈电缆（8）传输到数据采集与控制系统（7），转子位置检测器通过转子位置信号线（23）传输到电机控制器（24）中，永磁同步电机上的故障点（13）通过电缆（10）与短路故障模拟执行器（3）连接。本发明用于永磁同步电机故障模拟系统。

Description

永磁同步电机故障模拟系统及故障诊断方法

技术领域：

本发明涉及一种永磁同步电机故障模拟系统及故障诊断方法。

背景技术：

随着现代工业电气化和自动化程度的不断提高，对电气传动系统可靠性的要求也越来越高，为提高系统可靠性，需要对电机及其驱动系统进行故障研究，而常规的故障实验需要较高的代价。永磁同步电机系统以其结构简单坚固、调速性能优良等诸多优点成为当代电气传动领域研究的热点之一，因此搭建一个合理的故障模拟平台已成为电机故障诊断工作的基础，通过故障模拟平台，可以实时地观测和模拟出电机正常、故障等运行状态特性，进而为电机智能容错控制策略的研究打下基础，本申请所设计的永磁同步电机故障模拟系统能够完成电气故障与机械故障的模拟，电气故障主要包括定子绕组匝间短路故障、定子绕组相间短路故障、功率变换器故障和转子位置检测器故障；机械故障主要包括转子裂纹故障、轴承损伤故障、转子动平衡故障，电气故障的所有操作均由计算机控制完成，机械故障需更换电机系统故障配件，电机负载侧由测功机和转矩传感器构成，相关测试参数可在工控机中实时显示。

发明内容：

本发明的目的是提供一种永磁同步电机故障模拟系统及故障诊断方法。

上述的目的通过以下的技术方案实现：

一种永磁同步电机故障模拟系统，其组成包括：永磁同步电机，所述的永磁同步电机一端安装有转子位置检测器，另一端通过联轴器I与转矩传感器连接，所述的转矩传感器通过联轴器II与测功机连接，所述的测功机下端具有信号输出端，并通过信号反馈电缆传输到数据采集与控制系统，所述的转子位置检测器通过转子位置信号线传输到电机控制器中，所述的永磁同步电机上的故障点通过电缆与短路故障模拟执行器连接，所述的永磁同步电机下方的电源输入端通过电缆线与所述的电机控制器连接。

所述的永磁同步电机故障模拟系统，所述的电机控制器、所述的短路故障模拟执行器、所述的数据采集与控制系统依次安装在机柜内部，所述的数据采集与控制系统通过控制线与所述的短路故障模拟执行器连接，所述的数据采集与控制系统通过CAN总线与CAN分析仪连接，所述的CAN分析仪通过USB接口与工控机连接，所述的CAN分析仪通过导线CAN总线与所述的电机控制器连接。

所述的永磁同步电机故障模拟系统，所述的转矩传感器具有信号输出端并通过转矩信号反馈电缆到所述的数据采集与控制系统，所述的测功机、所述的转矩传感器通过支架固定在底台的上平面，所述的永磁同步电机左端右端通过支架固定在所述的底台上。

一种永磁同步电机故障模拟系统及故障诊断方法。该方法包括如下步骤：首先将永磁同步电机故障模拟系统的工控机，安装有上位机控制软件，完成控制指令与检测信号的收发，采用CAN分析仪，用来实现工控机与数据采集系统、电机控制器之间的通信，通过数据采集与控制系统，接收上位机控制指令，完成电气故障设置，并且同时采集转矩传感器和测功机的实时数据，将所述的实时数据发送至上位机显示；短路故障模拟执行器，由交流接触器组成，用来设置电机定子匝间或相间短路故障，采用电机控制器，用来完成电机的调速，同时接收上位机信号，完成功率管故障设置；采用转矩传感器，检测测功机对电机施加的制动力矩，同时也能够检测电机转速，并通过测功机，设置制动力矩的大小同时计算电机的运行性能指标，机械故障模拟配件，包括裂纹转子铁芯、故障轴承、偏心转子铁芯；

故障模拟系统采用CAN通信方式，数据采集系统和电机控制器通过CAN分析仪与工控机相连，可实现总线双向数据传输，上位机软件可设置电气故障类型，同时能够实时显示电机电压、电流、功率、功率因数、输出转矩、转速、输出功率、效率等信息，数据采集与控制系统内部包括直流电源、单片机及外围控制电路、继电器，单片机通过控制继电器的吸合来控制短路故障模拟执行器中接触器的吸合，以达到设置电机定子绕组故障的目的；

单片机将电机电压、电流、功率、功率因数、输出转矩、转速、输出功率、效率等模拟信号通过模拟/数字(AD)转换模块转变为数字信号，通过CAN总线上传至上位机，永磁同步电机端部安装有转子位置检测器，该检测器为旋转变压器，实时计算出转子电角度及机械位置；其中电机控制器由三相全控桥式逆变电路组成，为永磁同步电机提供三相可控的交流电源，电机控制器能够设置功率管开路和短路故障，也能够设置转子位置检测器故障；故障模拟系统的机械故障需更换故障配件，故障配件的损伤程度是通过精密磨、线切割、数控铣、电腐蚀、加工中心及机械加工设备实现；测功机对电机进行空载、带载性能测试，检测并计算电机的输入电压、电流、功率、功率因数、输出转矩、转速、输出功率、效率，并将这些信息发送至数据采集与控制系统。

有益效果：

1.本发明是一种基于CAN总线控制的永磁同步电机故障模拟系统，该结构形式能够完成电机及其控制系统的电气故障与机械故障的模拟，其中电气故障的设置完全采用自动控制方式，机械故障的设置需更换电机系统故障配件。

本发明利用虚拟仪器软件LabVIEW为平台设计上位机软件，上位机软件主要完成以下几个任务：定子绕组匝间短路设置、定子绕组相间短路设置、功率变换器故障和转子位置检测器故障设置；实时显示电机系统的电压、电流、功率、功率因数、输出转矩、转速、输出功率、效率的参数；能够以曲线、图表等形式存储数据。

附图说明：

附图1是本发明的结构示意图。

附图2是附图1中的永磁同步电机定子有三相绕组图。

附图3是本申请的三相全控桥式逆变电路图。

附图4是本申请的功率管开路故障图。

附图5是本申请的功率管短路故障图。

具体实施方式：

实施例1：

一种永磁同步电机故障模拟系统，其组成包括：永磁同步电机12，所述的永磁同步电机一端安装有转子位置检测器11，另一端通过联轴器I14与转矩传感器15连接，所述的转矩传感器通过联轴器II17与测功机18连接，所述的测功机下端具有信号输出端19，并通过信号反馈电缆8传输到数据采集与控制系统7，所述的转子位置检测器通过转子位置信号转子位置信号线23传输到电机控制器24中，所述的永磁同步电机上的故障点13通过电缆10与短路故障模拟执行器3连接，所述的永磁同步电机下方的电源输入端21通过电缆线22与所述的电机控制器连接。

实施例2：

根据实施例1所述的永磁同步电机故障模拟系统，所述的电机控制器、所述的短路故障模拟执行器、所述的数据采集与控制系统依次安装在机柜6内部，所述的数据采集与控制系统通过控制线与所述的短路故障模拟执行器连接，所述的数据采集与控制系统4通过CAN总线5与CAN分析仪2连接，所述的CAN分析仪通过USB接口与工控机1连接，所述的CAN分析仪通过CAN总线与所述的电机控制器连接。

实施例3：

根据实施例1所述的永磁同步电机故障模拟系统，所述的转矩传感器具有信号输出端16并通过转矩信号反馈电缆9到所述的数据采集与控制系统，所述的测功机、所述的转矩传感器通过支架固定在底台20的上平面，所述的永磁同步电机右端通过支架固定在所述的底台上。

实施例4：

一种利用实施例1-3所述的永磁同步电机故障模拟系统的故障诊断方法，本方法是：首先将永磁同步电机故障模拟系统的工控机，安装有上位机控制软件，完成控制指令与检测信号的收发，采用CAN分析仪，用来实现工控机与数据采集系统、电机控制器之间的通信，通过数据采集与控制系统，接收上位机控制指令，完成电气故障设置，并且同时采集转矩传感器和测功机的实时数据，将所述的实时数据发送至上位机显示；短路故障模拟执行器，由交流接触器组成，用来设置电机定子匝间或相间短路故障，采用电机控制器，用来完成电机的调速，同时接收上位机信号，完成功率管故障设置；采用转矩传感器，检测测功机对电机施加的制动力矩，同时也能够检测电机转速，并通过测功机，设置制动力矩的大小同时计算电机的运行性能指标；机械故障模拟配件，包括裂纹转子铁芯、故障轴承、偏心转子铁芯；

单片机将电机电压、电流、功率、功率因数、输出转矩、转速、输出功率、效率等模拟信号通过模拟/数字(AD)转换模块转变为数字信号，通过CAN总线上传至上位机，永磁同步电机端部安装有转子位置检测器，该检测器为旋转变压器，实时计算出转子电角度及机械位置；其中电机控制器由三相全控桥式逆变电路组成，为永磁同步电机提供三相可控的交流电源，电机控制器能够设置功率管开路和短路故障，也能够设置转子位置检测器故障；故障模拟系统的机械故障需更换故障配件，故障配件的损伤程度是通过精密磨、线切割、数控铣、电腐蚀、加工中心及机械加工设备实现；测功机对电机进行空载、带载性能测试，检测并计算电机的输入电压、电流、功率、功率因数、输出转矩、转速、输出功率、效率，并将这些信息发送至数据采集与控制系统；

所述的永磁同步电机定子有三相绕组，绕组首端分别为U、V、W，尾端构成星形连接，连接点为O，U₁、U₂、V₁、V₂、W₁、W₂分别为三相绕组的中间抽头，绕组被中间抽头三等分，三相绕组首端单独引出，作为电机电源输入端，尾端与绕组中间抽头均作为故障点引出并安装在电机壳体外部，通过电缆与短路故障模拟执行器相连，定子绕组结构附图2所示，其中图中的开关S₁-S₁₀为短路故障模拟执行器中的接触器。

、定子绕组匝间短路故障模拟

绕组匝间短路可通过以下方式设置，以U相为例，闭合S₃、S₈中的其中一个，可以使某U相绕组部分匝数短路，进而造成三相定子绕组不平衡；同时闭合S₃、S₈可以造成三相定子绕组严重不平衡；

其故障诊断方法为：匝间短路故障的出现导致励磁绕组的有效匝数减少，相同电流负荷下通过故障相磁路的磁通量减小；另一方面，短路线圈与短路线形成的闭合回路中存在短路环流，进一步抑制磁通量的变化，必然导致故障相相电流相对其它正常相电流增大，因此该绕组匝间短路故障可等效为故障相绕组阻抗降低，造成相电流增大而破坏各相电流的对称性，因此，检测三相电流对称性即可做出此项故障判断。

、定子绕组相间短路故障模拟

绕组相间短路可通过以下方式设置，以U相为例，闭合S₁、S₂、S₆、S₇中的任意一个，可以使两相绕组之间形成短路；

其故障诊断方法为：发生相间短路时，由于接在电源下的定子匝数减少，使电动机的阻抗减小，此时定子电流会急剧增大，通过检测电流上升速度即可做出此项故障判断。

、功率变换器故障

功率变换器的主电路结构为三相全控桥式逆变电路，如附图3所示；

功率变换器的故障主要包括功率管开路和短路两种情况，功率变换器内部安装有故障设置装置，能够实现某一功率管的开路与短路，功率管的开路和短路如附图4、5所示；

开路故障诊断方法为：如果逆变器的上桥臂发生开路故障，那么对应的相电流在正半周期内约等于零；如果逆变器的下桥臂发生开路故障，那么对应的相电流在负半周期内约等于零；

短路故障诊断方法为：当某一功率管短路时，故障相会出现一个很大的正的直流分量，且由于该相一直与直流电源正极相接，该相电流不再可能为负值，为了达到与故障相电流平衡，另外两相则会出现与之平衡的负的直流分量，结果是产生较大的制动转矩，且转矩波动较大。

、转子位置检测器故障

该故障模拟系统中，使用的转子位置检测器为旋转变压器，旋转变压器的输出信号为包含电机位置信息的正、余弦电压信号，健康状态下其正、余弦输出电压信号幅值相同且相位相差90°，电机控制器中的旋转变压器励磁模块可以改变旋转变压器励磁信号，使旋转变压器正、余弦输出信号出现幅值不完全相等的幅值不平衡故障或相位不完全相差90°的正交不完善故障；

其故障诊断方法为：转子位置检测器故障将导致永磁同步电机定子dq轴电流存在二倍频的脉动分量，使电机驱动系统出现转矩和转速的持续振荡。

、转子裂纹故障

通过更换转子铁芯配件，能够实现转子裂纹故障模拟。因转子裂纹破坏了转子截面刚度的对称性，故转子转动中会出现2倍频振动分量，裂纹越深，2 倍频分量越大。

、轴承损伤故障

通过更换转子轴承配件，能够实现对滚动轴承外环故障、内环故障、滚子故障、保持架故障、润滑不良等滚动轴承常见故障的模拟。

、转子动平衡故障

在转子机械加工过程中使轴承固定点稍微偏离中心，造成几何尺寸不同心，通过更换该配件可实现转子动平衡故障。

Claims

1.一种永磁同步电机故障模拟方法，其特征是：永磁同步电机故障模拟系统，其组成包括：永磁同步电机，所述的永磁同步电机一端安装有转子位置检测器，另一端通过联轴器I与转矩传感器连接，所述的转矩传感器通过联轴器II与测功机连接，所述的测功机下端具有信号输出端，并通过信号反馈电缆传输到数据采集与控制系统，所述的转子位置检测器通过转子位置信号线传输到电机控制器中，所述的永磁同步电机上的故障点通过电缆与短路故障模拟执行器连接，所述的永磁同步电机下方的电源输入端通过电缆线与所述的电机控制器连接；

所述的电机控制器、所述的短路故障模拟执行器、所述的数据采集与控制系统依次安装在机柜内部，所述的数据采集与控制系统通过控制线与所述的短路故障模拟执行器连接，所述的数据采集与控制系统通过CAN总线与CAN分析仪连接，所述的CAN分析仪通过USB接口与工控机连接，所述的CAN分析仪通过CAN总线与所述的电机控制器连接；

所述的转矩传感器具有信号输出端并通过转矩信号反馈电缆到所述的数据采集与控制系统，所述的测功机、所述的转矩传感器通过支架固定在底台的上平面，所述的永磁同步电机右端通过支架固定在所述的底台上；

所述的永磁同步电机定子有三相绕组，绕组首端分别为U、V、W，尾端构成星形连接，连接点为O，U1、U2、V1、V2、W1、W2分别为三相绕组的中间抽头，绕组被中间抽头三等分，三相绕组首端单独引出，作为电机电源输入端，尾端与绕组中间抽头均作为故障点引出并安装在电机壳体外部，通过电缆与短路故障模拟执行器相连；

利用虚拟仪器软件LabVIEW为平台设计上位机软件，完成定子绕组匝间短路设置、定子绕组相间短路设置、功率变换器故障和转子位置检测器故障设置；

电气故障的设置完全采用自动控制方式，机械故障的设置需更换电机系统故障配件；

所述的永磁同步电机故障模拟系统的故障诊断方法，该方法包括如下步骤：

首先将永磁同步电机故障模拟系统的工控机，安装有上位机控制软件，完成控制指令与检测信号的收发，采用CAN分析仪，用来实现工控机与数据采集系统、电机控制器之间的通信，通过数据采集与控制系统，接收上位机控制指令，完成电气故障设置，并且同时采集转矩传感器和测功机的实时数据，将所述的实时数据发送至上位机显示；短路故障模拟执行器，由交流接触器组成，用来设置电机定子匝间或相间短路故障，采用电机控制器，用来完成电机的调速，同时接收上位机信号，完成功率管故障设置；采用转矩传感器，检测测功机对电机施加的制动力矩，同时也能够检测电机转速，并通过测功机，设置制动力矩的大小同时计算电机的运行性能指标；机械故障模拟配件，包括裂纹转子铁芯、故障轴承、偏心转子铁芯；

单片机将电机电压、电流、功率、功率因数、输出转矩、转速、输出功率、效率等模拟信号通过模拟/数字(AD)转换模块转变为数字信号，通过CAN总线上传至上位机，永磁同步电机端部安装有转子位置检测器，该检测器为旋转变压器，实时计算出转子电角度及机械位置；

其中电机控制器由三相全控桥式逆变电路组成，为永磁同步电机提供三相可控的交流电源，电机控制器能够设置功率管开路和短路故障，也能够设置转子位置检测器故障；故障模拟系统的机械故障需更换故障配件，故障配件的损伤程度是通过精密磨、线切割、数控铣、电腐蚀、加工中心及机械加工设备实现；测功机对电机进行空载、带载性能测试，检测并计算电机的输入电压、电流、功率、功率因数、输出转矩、转速、输出功率、效率，并将这些信息发送至数据采集与控制系统。