METODA DIAGNOSTYKI USZKODZEŃ ELEKTRYCZNYCH SILNIKA

Nr 62
Prace Naukowe Instytutu Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych
Politechniki Wrocławskiej
Nr 62
Studia i Materiały
Nr 28
2008
silniki reluktancyjne przełączalne, SRM, diagnostyka,
uszkodzenia elektryczne, analiza harmoniczna
Piotr BOGUSZ*, Mariusz KORKOSZ*, Jan PROKOP*
METODA DIAGNOSTYKI USZKODZEŃ ELEKTRYCZNYCH
SILNIKA RELUKTANCYJNEGO PRZEŁĄCZALNEGO
W pracy przedstawiono metodę diagnostyki uszkodzeń elektrycznych silnika reluktancyjnego
przełączalnego (SRM) w oparciu o analizę harmoniczną prądów. Omówiono klasyfikację uszkodzeń
elektrycznych SRM, dla silnika SRM o konstrukcji 6/4 przedstawiono wyniki badań laboratoryjnych
w warunkach pracy normalnej oraz dla wybranych uszkodzeń elektrycznych. Typ uszkodzenia elektrycznego maszyny określano na podstawie zawartości wyższych harmonicznych w prądzie źródła.
Zamieszczono wnioski.
1. WSTĘP
Silniki reluktancyjne przełączalne (SRM) zaliczane są do grupy napędów zintegrowanych, tzn. do samego silnika dołączony jest odpowiedni układ zasilający i sterujący. Aby układy napędowe SRM charakteryzowały się dużą niezawodnością, konieczna jest odpowiednia diagnostyka pracy takiego układu. Uszkodzenia elektryczne
silnika SRM mogą być spowodowane uszkodzeniami układu elektromagnetycznego
maszyny (przerwy, zwarcia uzwojeń) [1, 2], jak również uszkodzeniami elektronicznego układu zasilającego i sterującego [3]. Skutki pracy SRM z uszkodzeniem elektrycznym zależą od typu silnika, zakresu pracy w którym powstaną uszkodzenia (praca ze stałym momentem lub ze stałą mocą) oraz prędkości silnika (silniki SRM mogą
pracować w szerokim zakresie zmian prędkości obrotowej) [4].
Celem niniejszej pracy jest przedstawienie wyników badań w zakresie analizy zawartości wyższych harmonicznych w przebiegach prądów silników reluktancyjnych
przełączalnych pracujących w wybranych elektrycznych stanach awaryjnych. Analizując zawartość harmonicznych prądu źródła zasilającego można skutecznie wykrywać praktycznie wszystkie uszkodzenia elektryczne w pracy silnika. Analiza taka jest
konieczna dla opracowania oprogramowania, które on-line diagnozuje pracę układu
i przez odpowiednią adaptację algorytmu sterowania dostosowaną do przyczyny
uszkodzenia elektrycznego minimalizuje skutki awarii silnika SRM.
__________
* Politechnika Rzeszowska, Wydział Elektrotechniki i Informatyki, 35-959 Rzeszów, ul. W. Pola 2,
e-mail: [email protected], [email protected], [email protected]
507
2. KLASYFIKACJA USZKODZEŃ ELEKTRYCZNYCH SRM
Stany pracy awaryjnej napędu SRM mogą być związane z uszkodzeniami w samej
maszynie lub w układzie zasilającym. Klasyfikację uszkodzeń elektrycznych przedstawiono w [1], gdzie wyszczególniono 13 możliwych zwarć oraz 7 możliwych
przerw obwodów elektrycznych.
Przykładowe uszkodzenia związane ze zwarciami:
• Zwarcie całego pasma, uzwojenia jednego bieguna lub jego części
• Zwarcie pomiędzy dwoma pasmami silnika
• Zwarcie połączenia międzybiegunowego pasma do masy
• Zwarcie elementu elektronicznego (tranzystora, diody)
Przykładowe uszkodzenia związane z przerwami obwodów elektrycznych:
• Przerwa w połączeniu uzwojenia pasma z układem zasilającym, przy czym samo
uzwojenie fazy może pozostawać rozwarte lub być cały czas zwarte
• Przerwa w zasilaniu jednego z uzwojeń bieguna pasma przy jednoczesnym zasilaniu pozostałej części pasma
• Przerwy w układzie zasilającym
Na rysunku 1 przedstawiono schemat układu silnoprądowego zasilającego jedną
fazę silnika SRM dla sterowania symetrycznego (rys. 1a) oraz dla wybranych przypadków zwarć (rys. 1b) i przerw (rys. 1c). Poszczególne stany pracy, normalnej
i uszkodzeń elektrycznych są oznaczane literami: praca normalna – FC (Faultless
Circuit), zwarcia – SC (Short Circuit), przerwy – OC (Open Circuit).
Rys. 1. Schemat układu zasilającego jedno z pasm dla przypadku:
a) praca normalna (FC), b) zwarcia (SC), c) przerwy (OC)
Fig. 1. The wiring diagram of the inverter for the cases of:
a) normal operation (FC), b) short-circuit (SC), c) open circuit (OC)
W tabeli 1 zestawiono wybrane stany awaryjne z rysunku 1b,c, które dalej są
omawiane w punkcie 3 pracy. Wybrano tylko te elektryczne stany awaryjne, które
umożliwiają dalszą kontynuację pracy silnika. W omawianych stanach z uszkodzeniami elektrycznymi zmniejsza się wartość średnia momentu silnika, wzrastają pulsacje momentu oraz wzrasta poziom drgań i hałasu.
508
Tabela 1. Oznaczenia analizowanych uszkodzeń
Table 1. List of the analysed faults
Zwarcia
Short Circuit
(SC)
Symbol
SC1
SC2
SC3
Opis uszkodzenia (Fault description)
Upper switch (T1)
Lower switch (T2)
One pole winding
Przerwy
Open Circuit
(OC)
OC1
OC2
OC3
Upper switch (T1)
Lower switch (T2)
Full phase
3. WYNIKI BADAŃ
Obiektem badań symulacyjnych i laboratoryjnych były opracowane przez autorów
w Politechnice Rzeszowskiej modele funkcjonalne silników SRM o różnej budowie
i parametrach. W niniejszej pracy zamieszczono wyniki badań tylko dla jednego typu silnika SRM o budowie 6/4 przedstawionego wraz z układem sterującym na rysunku 2. Badano pracę silnika w warunkach pracy symetrycznej (FC) oraz dla wybranych stanów
awaryjnych zestawionych w tabeli 1 (SC lub OC). Przykładowe wyniki symulacji rozkładu
pola przy zasilaniu obu i tylko jednego bieguna stojana przedstawiono na rysunku 3.
a)
Rys. 2. Silnik SRM o konstrukcji 6/4
ze sterownikiem
Fig. 2. The SRM of 6/4 with
the power converter
b)
Rys. 3. Rozkład gęstości strumienia: a) zasilanie pary
biegunów, b) zasilanie jednego bieguna
Fig. 3. The distribution of the flux density: a) full phase
supply, b) one pole supply
Badania laboratoryjne przeprowadzono na opracowanym przez autorów stanowisku badawczym, w skład którego wchodzą: komputer wraz z kartą DS1104 firmy
dSpace, oprogramowanie ControlDesk współpracujące z kartą DS1104 oraz systemem
Matlab/Simulink. Na rysunkach 4–7 przedstawiono wyniki pomiarów dla przebiegów
czasowych prądów poszczególnych pasm, prądu źródła wraz z harmonicznymi (bez składowych zerowych) odpowiednio: w stanie pracy normalnej (FC)
oraz w stanie pracy awaryjnej oznaczonej jako SC2 dla sterowania jednopulsowego
(rys. 4 i 5) i prądowego (rys. 6 i 7). W stanie SC2 zwarto tranzystor T2 (rys. 1) do
którego doprowadzone są sygnały z układu sterowania kątami θon i θoff.
509
Rys. 4. Przebiegi czasowe prądów iph i idc
dla sterowania jednopulsowego (FC)
Fig. 4. Waveforms phase currents iph and supply
current idc for single-pulse control (FC)
Rys. 5. Przebiegi prądów iph i idc dla sterowania
jednopulsowego i zwartego tranzystora T2 (SC2)
Fig. 5. Phase currents iph, idc for single-pulse mode
control and transistor T2 shorted (SC2)
Na podstawie przeprowadzonej analizy FFT przebiegów czasowych prądów można stwierdzić, że w zależności od typu uszkodzenia zmienia się rozkład harmonicznych. Szczególnie przydatna dla diagnostyki jest analiza harmoniczna prądu źródła idc.
W warunkach pracy normalnej silnika 6/4 podstawową harmoniczną jest harmoniczna
dwunasta. W dowolnym stanie awaryjnym występują w przebiegu prądu źródła harmoniczne 4 i 8. Porównując spektrum harmonicznych prądu źródła w stanie pracy
normalnej i w warunkach stanu awaryjnego można zidentyfikować rodzaj uszkodzenia elektrycznego silnika.
W oparciu o analizę przeprowadzonych przez autorów różnych przypadków rozkładu harmonicznych prądu źródła można wyróżnić cztery podstawowe stany:
– Praca normalna (FC) – niezależnie od sposobu sterowania dominująca jest harmoniczna 12 i jej wielokrotności;
– Stan zwarcia tranzystora T1 (SC1) – dominująca jest harmoniczna 4, pozostałe
są wielokrotnie mniejsze;
– Stan zwarcia tranzystora T2 (SC2) oraz zwarcie połówki uzwojenia (SC3) –
dominująca jest harmoniczna 12 przy różnym wzroście amplitud harmonicznych 4 i 8;
– Stan przerw (OC1, OC2, OC3) – dominująca harmoniczna 4, pozostałe 8, 12, 24
stopniowo malejące.
510
Rys. 6. Przebiegi czasowe prądów iph i idc
dla sterowania prądowego (FC)
Fig. 6. Waveforms phase currents iph and
supply current idc for current control (FC)
Rys. 7. Przebiegi prądów iph i idc dla sterowania
prądowego i zwartego tranzystora T2 (SC2)
Fig. 7. Phase currents iph, idc for current control and
transistor T2 shorted (SC2)
Tabela 2. Zestawienie amplitud harmonicznych
Table 2. List of the harmonic amplitude
Harmoniczna
Harmonic
4
8
12
24
Praca normalna
Normal operation
FC
–
–
H
H
H
L
L
M
Symbol uszkodzenia (patrz Tablica 1)
Fault symbol (see Table 1)
SC1
SC2
SC3
OC3
M/H
M/H
H
M/H
M/H
M/H
H
H
M/H
M/H
M/H
M
W tabeli 2 zestawiono porównanie wartości amplitud wybranych harmonicznych
(4, 8, 12, 24) w stanie pracy normalnej (FC) i dla omawianych przypadków uszkodzeń, przy czym dla amplitudy poszczególnych harmonicznych zastosowano oznaczenia: H – High, M/H – Medium/High, M – Medium, L/M – Low/Medium, L – Low.
Cechą charakterystyczną stanów SC2 i SC3 jest podobny rozkład harmonicznych
prądu źródła uniemożliwiający jednoznaczną identyfikację każdego z tych stanów.
Obecnie autorzy pracują nad algorytmem, który będzie umożliwiał diagnostykę
stanów awaryjnych SRM w czasie pracy silnika i przez odpowiednią adaptację sterowania minimalizował skutki awarii silnika.
511
4. PODSUMOWANIE
Na podstawie przeprowadzonych badań omawianych stanów awaryjnych silników
SRM o konstrukcji 6/4 i innych (4/2, 8/6, 12/8), można wyciągnąć następujące wnioski:
– Porównując zawartość wyższych harmonicznych prądu źródła w stanie pracy
awaryjnej w odniesieniu do harmonicznych w warunkach pracy normalnej można
określić kategorię do której należy dane uszkodzenie elektryczne maszyny.
– Skutki awarii zależą od liczby pasm silnika, rodzaju uszkodzenia oraz prędkości
silnika.
– W przypadkach różnego rodzaju zwarć czy też przerw w zasilaniu któregoś
z uzwojeń biegunów wzrostowi pulsacji momentu towarzyszą znaczące drgania oraz
hałas.
– W układach napędowych wrażliwych na poziom pulsacji momentu elektromagnetycznego większość stanów awaryjnych uniemożliwia kontynuację dalszej pracy
silnika.
– W przypadkach zwarć lub przerw może dodatkowo dojść do uszkodzenia termicznego pozostałej części uzwojenia pasma z uwagi na wzrost wartości skutecznej
prądu.
LITERATURA
[1] STEPHENS C. M., Fault detection and management system for fault-tolerant switched reluctance
motor drives, IEEE Trans. Ind. Appl., Vol. 27., No. 6, pp. 1098–1102, Nov./Dec. 1991.
[2] HUSAIN I. and ANWAR M. N., Fault analysis of switched reluctance motor drives, in Proc. Int.
Conf. Electric Machines and Drives (IEMDC), May 9–12, pp.41–43.
[3] GAMEIRO N. S. and MARQUES CARDOSO A. J., Analysis of SRM drives behavior under the
occurrence of power converter faults, in Proc. IEEE Int. Symp. Industrial Electronics (ISIE), Ann
Arbor, MI, Jun.2003, Vol. 2, pp. 821–825.
[4] GOPALAKRISHNAN S., OMEKANDA A. M. and LEQUESNE B., Classification and remediation
of electrical faults in the switched reluctance drive, IEEE Trans. Ind. Appl., Vol. 42, No. 2,
Mar./Apr. 2006.
METHOD OF ELECTRICAL FAULTS DIAGNOSTIC IN SWITCHED RELUCTANCE MOTOR
Diagnostic method of electrical faults in switched reluctance motors (SRM) based on current harmonics analysis is presented in this paper. The classification of electrical faults in SRM's has been discussed,
simulation model and laboratory test stand presented. For the SRM motor of 6/4 design the conclusions
drawn from the tests conducted both in the simulated and laboratory conditions for regular operation and
selected electrical faults. The electrical fault type found in the machine was determined on the content of
harmonics of higher order in the source current. The conclusions are included.