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      技術文章

      DSPM電機的基本原理與故障模式

      時間:2012-03-15 07:56:22   閱讀:289   評論:0
      內容摘要:   自20世紀90年代初美國電機專家Lipo T A提出永磁雙凸極( Doubly salient permanent mag- net, DSPM )電機以來,眾多科技工作者對DSPM電機進行了廣泛深入的研究,研究的重點主要集中于電機結構、原理分析,靜態特性及控制策略等方面...

        自20世紀90年代初美國電機專家Lipo T A提出永磁雙凸極( Doubly salient permanent mag- net, DSPM )電機以來,眾多科技工作者對DSPM電機進行了廣泛深入的研究,研究的重點主要集中于電機結構、原理分析,靜態特性及控制策略等方面。但對DSPM電機電動運行中可能出現的故障及其機理研究卻并未涉及。為保證DSPM電機的可靠電動運行,通常需要采用霍爾元件來間接地檢測轉子位置,從而把得到的三相霍爾信號進行邏輯變換,獲得電機運行所需的換相信號。三相霍爾信號線P A, P B, P C從電機引出后需要與邏輯電路中對應的端子聯接。另外,電機的三相繞組一般采用星形接法,公共端為N,另一端分別對應端子A,B, C,并分別與三相橋式變換器的三相橋臂中點相連。但工程師在接線過程中,可能會因為疏忽或其他原因,把這些連線接錯,可能出現的錯誤有三相線的順序接錯,或三相霍爾線的順序接錯。此外,霍爾信號自身也可能出現故障,即恒為高電平或低電平,其電平不隨轉子位置變化而變化。出現這些故障后,電機的電動運行將受何影響,在現場調試中如何快速地判斷并解決故障成為重要的實際問題。

        為此,本文首先簡介了DSPM電機的基本原理及關系,列舉了DSPM電機常見的故障模式,繼而分別對霍爾信號線及三相線接線故障、霍爾信號本身故障進行了詳細的機理分析,得出結論,并通過故障模擬及工程實踐結果驗證文中分析結論的正確性及實用性。

        1DSPM電機的基本原理永磁雙凸極電機中,定、轉子均為凸極齒槽結構,鐵芯采用硅鋼片疊壓而成,定子上裝有永久磁鋼和集中電繞組,轉子上無繞組。轉子斜槽有一定角度后,三相繞組反電勢逼近正弦電壓,有利于減小齒諧波及其產生的不利于電機運行的轉矩脈動,改善電機的運行性能。DSPM電機作為一種交流電機,為了實現電動運行,必須具備兩個基本條件:(1)要有功率變換器,以控制電流;(2)要有電機子位置信號,以使電流跟蹤電勢的變化而變化。

        12/ 8極DSPM電機采用三相橋式逆變電路供電,工作原理如所示。圖中: V in為輸入電壓;功率場效應管A+~C-組成三相橋式逆變電路, A + , A-構成a相橋臂,與電機a相繞組相接; B+ , B-構成b相橋臂,與電機b相繞組相接; C+ , C-構成c相橋臂,與電機c相繞組相接。各相繞組電流的參考正方

        向均指向三相公共端N。電機轉子位置檢測器由固定在電機殼體的3個霍爾位置傳感器和固定在轉子上的8齒鋼盤構成。轉子旋轉時位置傳感器(機械制造離不開傳感器)P A, P B和P C的輸出信號如所示,每相的信+為180°方波,三相信號互差120°,電機正轉時,三相位置信號P A, P B和P C及三相反電勢e a, e b, e c的相位關系如所示。

        一周期內,三相霍爾位置信號的組合P A -P B - P C只可能有6種,即101, 100, 110, 010, 011和001.

        其中,“1”代表高電平,“0”代表低電平, P A -P B -P C不會出現000或111的情況,否則說明位置信號有誤。2DSPM電機常見故障模式2. 1接線故障為便于闡述,電機三相線分別以e a, e b, e c表示,三相霍爾信號線分別以P A, P B, P C表示。e a, e b, e c與P A, P B, P C的排列組合共有36種,其中連線完全正確的1種情況為e a, e b, e c與P A, P B, P C一一對應,對應電機正轉。其他可能的錯誤接線情況如下:( 1)霍爾信號連線接錯、三相線連線正確( 5種)。三相線順序為e a, e b, e c,三相霍爾線順序變化為:P A, P C, P B;P B, P A, P C;P B, P C, P A;

        P C, P A, P B; P C, P B, P A;( 2)三相線連線接錯、霍爾信號連線正確( 5種)。三相霍爾線順序為P A, P B, P C,三相線順序變化為:e a, e c, e b;e b, e a, e c;e b, e c, e a;e c, e a, e b; e c, e b, e a;( 3)霍爾信號連線及三相反電勢連線均接錯( 25種)。P A, P C, P B;P B, P A, P C; P B, P C, P A;P C, P A, P B; P C, P B, P A。的每種錯誤霍爾接線下,三相線均對應5種錯誤接線的情況,即e a, e c, e b; e b, e a, e c; e b, e c, e a;e c, e a, e b; e c, e b, e a。

       2. 2霍爾信號故障三相霍爾信號P A, P B, P C可能出現以下故障形式:( 1)一相霍爾故障恒為低電平,如: P A≡0;恒為高電平,如: P A≡1.

       ?。?)二相霍爾故障兩相霍爾信號均恒為低電平,如: P A = P B≡0;一相霍爾信號恒為低電平,另一相霍爾信號恒為高電平: P A≡0, P B≡1;兩相霍爾信號均恒為高電平,如: P A = P B≡1.

       ?。?)三相霍爾故障三相霍爾信號均恒為低電平,如: P A = P B = P C≡0;二相霍爾信號恒為低電平,另一相霍爾信號恒為高電平: P A = P B≡0, P C≡1;一相霍爾信號恒為低電平,另二相霍爾信號恒為高電平: P A≡0, P B = P C≡1;三相霍爾信號均恒為高電平,如: P A = P B = P C≡1.

        3霍爾信號線及三相線接線故障e a, e b, e c接線正確, P A, P B, P C接線錯誤,共有5種錯誤可能性。這里以兩種典型情況說明。

       ?。?)三相霍爾信號線順序變為P A, P C, P B如所示,一周期內三相霍爾信號的組合順序變為: 110-100-101-001-011-010,開關管的導通順序變化為: B+ , C-→A+ , C-→A+ , B-→C+ ,

        A -P C -P B B -→C+ , A-→B+ , A-.給出每個工作區間內電機出力情況分析。< 60°,120°>與< 240°,300°>區間內電機正轉時綣β蝕笥諂淥區間內電機反轉時的功率,而反轉區間數是正轉區間數的兩倍,故正負功率抵消,電機在其靜止位置處抖動,但并不旋轉。所示,一周期內三相霍爾信號的組合順序變化為: 110-010-011-001-101-100;開關管的導通順序為: B+ , C-→B+ , A-→C+ , A-→C+ ,B-→A+ , B-→A + , C-.給出每個工作區間內電機出力情況分析。

        各區間內電機均產生負功率,一相出力,出力減半,電機反轉。因篇幅所限,文中未對所有錯誤接線情況進行一一分析,這里只給出分析結論,根據三相霍爾信號為正序或負序進行歸類。

       ?。?1)三相霍爾信號為正序三相霍爾信號為正序包括: P A -P B -P C, P B -P C - P A和P C -P A -P B。三相反電勢共有以下幾種工作情況: ( a)當三相反電勢為反序時,包括: e a -e c -e b, e b -e a - e c、e c -e b -e a時,電機不旋轉。( b)當三相反電勢為正序時,電機旋轉,但對應兩種不同情況:當三相霍爾-P C -P A信號與三相反電勢一一對應時,電機正常正轉;當三相霍爾信號整體超前或滯后三相反電勢120°,電機反轉,出力減半。

       ?。?)三相霍爾信號為反序三相霍爾信號為反序包括: P C -P B -P A, P B -P A - P C, P A -P C -P B。三相反電勢共有以下幾種工作情況: ( a)當三相反電勢為正序時,包括: e a -e b -e c, e b -e c - e a, e c -e a -e b時,電機不旋轉。( b)當三相反電勢為反序時,電機旋轉,但對應兩種不同情況:當三相霍爾信號與三相反電勢一一對應時,電機正常正轉;當三相霍爾信號整體超前或滯后三相反電勢120°,電機反轉,出力減半。

        歸納起來,在電機調整好霍爾位置后,卻把霍爾信號線或/與電機三相線接錯后,可能出現5種工作情況:電機正向旋轉,出力正常;電機正向旋轉,出力減??;電機反向旋轉,出力正常;電機反向旋轉,出力減??;電機不轉。

        4霍爾信號故障對電機運行的影響分析這里以一相霍爾( P A)故障,恒為低電平為例,進行分析。如所示,一周期內三相霍爾信號的組合順序變化為: 001-000-010-010-011-001,開關管的導通順序為: C+ , B-→無開關管ON (D 2, D 3續流,直至b, c相繞組電流減小至零)→B+ , A -→B+ , A-→C+ , A-→C+ , B-.給出電機出力情況分析。電機初始狀態不同時,其工作情況有所差異:電機靜止時,一相霍爾信號已發生故障,恒為低電平( P A≡0)。若電機靜止時,停在三相霍爾信號均為零的位置上,則電機無法起動旋轉;若電機靜止時,停在三相霍爾信號非全為零的位置上,則+機可以起動旋轉,之后其工作情況與相同。

        電機在旋轉過程中,一相霍爾信號突然發生故障,恒為低電平( P A≡0)。

        三相橋式功率變換器中,功率管A + , C-不再導通了。功率管B+ , A-的導通時間增長為原來的1. 5倍。電機出力明顯減小,約為原來出力的一半。一相+爾信號恒為低電平( P A≡0)P B或P C恒為低電平的情況與P A恒為低電平的情況分析類似,這里不再贅述。其他故障情況下的分析與上類似,類推可得結論。一相霍爾信號恒為低電平( P A≡0)時電機工作情況分析位置區間P A -P B -P C導通功率管總功率P轉向出力情況< 60°,120°> 000均OFF P= 0靜止2相靜止< 180°,240°> 010 B+ , A- P = P a + P b > 0正轉1相< 300°,360°> 001 C+ , B- P = P b + P c > 0正轉1相< 0°,60°> 001 C+ , B- P = P b + P c > 0正轉1相非靜止< 120°,180°> 101 B+ , A- P = P a + P b > 0正轉1相< 240°,300°> 011 C+ , A- P= P a + P c > 0正轉

        5實驗模擬及工程驗證為驗證文中分析,分別進行了接線故障及霍爾信號自身故障的模擬,測試電機工作情況。其故障模擬方法如下。

        5. 1三相線接線故障在保持負載一定的情況下,采用所示的實驗接線圖,保持電機控制器輸入電壓V in不變,DSPM電機的負載為直流電機,通過比較三相線在不同的接線方式下,控制器輸入電流I in及電機工作狀態來判斷。給出三相線各種接線情況下電機工作狀態分析。給出系統在閉環控制下工作時,不同三相接線下的電機相電流波形圖。(a)對應三相線順序正確,電機正轉,三相繞組電流為正序,且正負電流寬度均為120°;(b)對應三相線順序分別超前或滯后三相霍爾120°,電機反轉,三相繞組電流變化為反序,而且因反轉,電機霍爾與反電勢的相位關系發生變化,使得電流尾巴偏于繞組; (c)對應三相線反序,因電機出力相互抵消,不能旋轉。實驗結果與以上分析一致,驗證了文中關于接線故障機理分析的正確性。

        5. 2霍爾信號故障通過把每相霍爾常接低電平或常接高電平,從而模擬一相霍爾出現故障的工作情況。如(a)給出P B≡0故障后的三相電流波形,功率管B+ , A-不再導通了,功率管A + , B-的導通時間增長為原來的1. 5倍;給出P B≡1的三相電流波形,功率管A+ , B-不再導通了,功率管B+ , A-的導通時間增長為原來的1. 5倍。實驗結果與前機理分析一致,驗證了霍爾信號故障機理的正確性。

        6結束語本文對DSPM電機常見的故障模式進行了研究,分別對霍爾信號線及三相線接線故障、霍爾信號本身徽轄行了詳實的機理分析,得出結論,并通過故障模擬驗證了分析結論的正確性,在電機參與的地面聯試中遇到的文中所述的故障問題時,均能夠迅速判斷并排故解決,進一步說明其在工程實踐中的實用性。


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