永磁同步电机驱动系统故障诊断与容错控制思考

发布时间:2021-12-14 18:52:35 论文编辑:vicky

本文是一篇工程硕士论文,本文针对永磁同步电机驱动系统匝间短路故障进行故障诊断和容错控制,通过仿真实验验证了本文提出的故障诊断方法和容错控制策略的可行性。但是因为时间原因以及疫情的影响还有以下几点有待进一步完善。(1)在永磁同步电机驱动系统各种故障分析中只对匝间短路故障进行了详细建模,而且只研究了单相故障并没有考虑多相故障的情况。(2)在三次谐波提取方面直接采用了当下较为常用的二阶广义积分算法,未与其他常见的方法进行对比。


第 1 章 绪论


1.1 课题研究意义

自从两次工业革命以来,在百年的时间里,科学工业飞速发展,手工劳作已经被机器化生产完全取代。在当今世界,电机更是充当着工业生产中的核心部分,在现代化电气工程中可以担当发电、输电、配电、用电的角色。电机在能量转换过程中的作用是不可替代的,随着科学技术的发展,电机更是在建筑行业、机械加工、农业灌溉、交通运输乃至现代社会的各行各业都起着举足轻重的作用。

永磁同步电机(Permanent Magnet Synchronous Machine, PMSM)和传统电机相比在功率因数、发热量、可靠性、重量以及体积等方面都具有较大的优势,被广泛运用在新能源发电、分布式电源、电子器械生产以及电动汽车上。随着化石资源的枯竭,国家乃至世界都加大了对电动汽车的推广,目前市场上电动汽车的动力系统基本上都是永磁同步电机驱动系统,因此关于永磁同步电机的发展领域十分广阔[1]。

永磁同步电机在工业生产和电动汽车中作为动力系统,需要其在保证功率输出的同时还要尽量减小体积,将结构做到紧密,从而对电机的散热要求更高[2],而且永磁同步电机的运行环境往往比较恶劣,经常受到高温、潮湿、污秽以及各种各样的环境因素影响从而造成短路故障、励磁故障、甚至是机械故障等各种各样的故障问题,故障的出现将大大影响电机的性能以及寿命。永磁同步电机作为驱动系统中的关键部分,可靠性要求非常高,一旦发生故障将导致系统无法正常工作甚至对操作人员生命安全造成伤害[3]。所以永磁同步电机驱动系统的故障诊断以及容错控制就起到举足轻重的作用,在电机故障发生的初期,如果能准确地诊断出来,并通过合理的容错控制手段使电机可靠的运行一段时间进而保证系统能够平稳的停止运行而不发生失控,就可以大大地减轻电机故障带来的损失,保证生命和财产的安全[4]。


1.2 永磁同步电机驱动系统的结构及故障类型

一、永磁同步电机驱动系统结构

永磁同步电机驱动系统的主要组成分为三大部分为:永磁同步电机、逆变器、速度传感器[6]。这三大部分在永磁同步电机驱动系统的运行过程中都有可能出现故障,因此在开展故障诊断以及容错控制研究之前需要对其结构有所了解。

(1)永磁同步电机是永磁同步电机驱动系统的核心部分,其本身由定子绕组与转子绕组部分组成,结构相对简单。永磁同步电机与普通电机最大的不同就是其转子由永磁体制作而成[7],这也是永磁同步电机功耗低,体积小的主要原因[8]。当永磁同步电机接通交流电源之后,电流呈正弦变化且频率为 50Hz;每 0.02s 变换一次周期,电流经过永磁同步电机的绕组之后会使电机内部产生一个和电流频率一致的旋转磁场,永磁同步电机内部的永磁体会与旋转磁场产生相互作用而产生作用力,作用力带动电机的转子旋转,转子旋转后也会产生一个磁场,当转子磁场与绕组磁场保持同步状态后,永磁同步电机的转子就能稳定旋转,电机再通过齿轮连接杆等带动机械设备运动,这就是永磁同步电机驱动系统的整个运动过程。

(2)逆变器是永磁同步电机驱动系统的另一个关键部分。逆变器将电源输出的直流电转换成电机所需要的交流电,因此逆变器也被称为 DC/AC 电力转换器。逆变器的发展归功于近年来电力电子技术的突飞猛进,永磁同步电机驱动系统使用的三相电压型逆变器大多由电力半导体构成,通过控制电力电子开关的关断和导通来实现逆变的功能[9]。

(3)永磁同步电机驱动系统为了实时获取速度、转矩等参数的具体数值需要使用传感器[10],永磁同步电机大多采用霍尔传感器;霍尔效应是 A.H.Hall 在 1879 年对金属的电磁效应研究时发现的,并以他的名字命名,霍尔传感器就根据霍尔效应制作而成。随后电力电子技术突飞猛进,新型的半导体材料霍尔元件代替了传统金属的霍尔元件,更大霍尔系数的霍尔元件能更精准的检测出电机的参数数据。


第 2 章 永磁同步电机的数学模型


2.1 PMSM 正常运行下的数学模型

永磁同步电机是一个旋转的非线性耦合系统,是一个动态模型参数处于随时变化的状态,假如对其直接进行数学建模研究,对电机的控制存在较大困难而且即使能够对目标电机实施控制,往往也达不到理想控制效果。因此对 PMSM 进行数学模型分析之前需要进行坐标变换,以动态 dq 坐标轴来代替传统 abc 坐标轴,从而降低分析研究的难度。

一般情况下对电机进行建模分析都是从电机的运动轨迹、磁链、转矩、电压这四个方面对电机进行数学建模,但 PMSM 是一种特殊的电机,相比于普通电机不存在转子绕组,只需分析定子绕组;因此对 PMSM 进行数学建模只需对其定子电压和定子磁链进行建模分析研究[39]。

2.1.1 abc 坐标系下的 PMSM 数学模型

在对永磁同步电机进行数学建模之前,为方便建模以及建模后对数学模型的分析研究,需将电机假设为理想状态,规定如下:

(1)磁路处于未饱和状态,且忽略磁滞效应和涡流效应带来的影响;(2)铁芯的磁导率为无限大;(3)磁动势和磁通量均为正弦分布;(4)不计高次谐波带来的影响。

永磁同步电机三相绕组结构如图 2.1 所示。

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2.2 PMSM 驱动系统匝间短路故障

PMSM 匝间短路故障的根本原因是电机绕组之间的绝缘层损坏,绕组的两个线圈接触形成一个闭合的回路,故障回路形成后造成电机匝间短路[42]。在匝间短路初期,线圈未完全接触,短路电阻较大,但是由于电机的主磁通会使故障回路中产生短路电流,短路电流会产生大量的热量使绝缘层进一步造成破坏,加大匝间短路的故障程度,从而造成恶性循环最终造成电机绕组烧坏。匝间短路回路中的故障电流还会形成脉振磁动势,对电机的其他参数造成影响。造成 PMSM 匝间短路的客观因素主要有以下几种:

(1)PMSM 驱动系统的工作环境过于潮湿,绕组线圈之间的绝缘层受潮使绝缘效果下降而造成匝间短路;

(2)PMSM 驱动系统长期大功率工作在高温的环境下,绕组的温度升高使绝缘层老化绝缘能力下降造成匝间短路;

(3)PMSM 在工作时因为电磁效应不可避免的会产生震动,PMSM 的绕组在震动下会相互摩擦,从而破坏匝间的绝缘层最终造成匝间短路。

PMSM 匝间短路的故障诊断和容错控制是当下的研究热门,在研究 PMSM 匝间短路故障问题,提出故障诊断和容错控制策略之前需要先研究其数学模型。在发生匝间短路之后,绕组与绕组之间相互接触形成一个短路回路,假设 A 相发生匝间短路,用fR 表示匝间短路电阻,PMSM 匝间短路结构图如 2.2 所示。

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第 3 章 永磁同步电机匝间短路故障诊断...............................22

3.1 线性自抗扰控制技术.......................................22

3.2 永磁同步电机匝间短路故障特征估计.......................................25

第 4 章 永磁同步电机匝间短路故障容错控制.................................39

4.1 永磁同步电机矢量控制技术.....................................39

4.2 针对永磁同步电机匝间短路容错控制.......................................42

第 5 章 结论与展望............................................60

5.1 结论.........................................60

5.2 展望................................................60


第 4 章 永磁同步电机匝间短路故障容错控制


4.1 永磁同步电机矢量控制技术

为实现 PMSM 匝间短路容错控制,首先需要对永磁同步电机进行控制,PMSM的控制技术多种多样,伴随电力电子技术的快速发展对永磁同步电机的控制技术已经开拓到了一个非常广泛的领域,其中矢量控制技术是应用最成熟也是最广泛的控制策略之一[47]。

永磁同步电机在运行时是一个动态模型,其定子绕组的磁链、电压、电流等电气量是随时变化的,因此在对这些参数进行分析时需要用时间向量表示;而电机绕组是处于动态旋转状态,因此磁链、电压、电流等电气量的变化不只跟时间变量有关,跟绕组的空间位置也有关系,因此需要考虑空间矢量问题[48]。

矢量控制技术通过坐标变换,以不变的直流电机控制策略代替变化的交流永磁同步电机控制策略,从而达到对永磁同步电机控制的目的,其具体步骤如下[49]:

(1)通过 Clark 变换,将三相静止的坐标系转换为两相静止的坐标系;

(2)将 Clark 变换后的两相静止的坐标系进行 Park 变换,将其变化为旋转 dq坐标系,在旋转 dq 坐标系中,定子电流被转化为励磁电流分量di 和转矩电流分量qi ;这两个电流量在 dq 坐标系下都是直流量;

(3)通过控制器对速度电流环控制,对di 的控制就是对励磁的控制;对qi 的控制就是对转矩的控制,通过对电流环的调节可得出 dq 坐标系上 d、q 轴的电压分量du和qu ;

(4)将电压分量du 和qu 进行 Park 逆变换,再根据 SVPWM 空间矢量合成来达到矢量控制的目的。


第 5 章 结论与展望


5.1 结论

永磁同步电机的故障诊断和容错控制是系统能够安全运行的重要保障,因此本文对永磁同步电机驱动系统的故障类型进行了总结分析,并针对匝间短路故障的故障诊断方法和容错控制策略进行深入研究,保障了永磁同步电机驱动系统在发生匝间短路后能准确识别故障并在故障切除后使电机能够继续运行的目的。具体完成的工作如下:

(1)为了便于课题展开,对三相永磁同步电机驱动系统结构进行深入研究,推导出 PMSM 正常运行状态下在 abc 坐标系下的数学模型,并对其进行 Park 变换,得到 PMSM 在 dq 旋转坐标系下,正常运行状态的数学模型;以电机匝间短路故障为主要研究对象,推导发生匝间短路故障时的电机在 abc 坐标系和 dq 坐标系下的数学模型;对比故障电机模型和正常模型的参数,找出三次谐波作为匝间短路的故障特征量。

(2)对 PMSM 匝间短路故障诊断问题进行研究,提出匝间短路故障诊断策略。利用线性自抗扰 LADRC 中的线性扩张状态观测器 LESO 观测电机反电动势,并通过二阶广义积分 SOGI 实现三次谐波的提取;将三次谐波的出现与否作为系统是否发生匝间短路的判据;通过仿真实验验证发现在系统正常运行时三次谐波含量几乎为零;而匝间短路发生时电机出现三次谐波,而且伴随故障的严重程度,三次谐波含量随之增加;仿真结果与预期基本一致,论证了所提出的诊断策略对于 PMSM 匝间短路的故障检测具有可行性。

(3)为实现 PMSM 发生匝间短路故障后能实现继续运行的目的,设计容错控制策略。通过将匝间短路相切除,使短路问题转化为断路问题,采用三相四桥臂拓扑结构来对故障电机进行容错,为了使电机在故障后空间电压矢量仍能保持对称,利用空间矢量控制技术(SVPWM)进行控制,并设计零序电压补偿策略对故障后电机空间矢量重构,使其保持对称,并通过自抗扰技术消除矢量重构后造成转矩的扰动,使系统恢复到正常运行状态中;最后对容错前后的故障电机进行仿真实验,故障电机能够在容错策略下继续运行,且自抗扰控制器可有效的抑制电机转矩脉动。证明了本文提出的容错控制策略的可行性。

参考文献(略)

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