基于參數(shù)自調(diào)節(jié)評(píng)估電梯P M S M退磁的研究

張傳龍 董恩源

（1.大連鍋爐壓力容器檢驗(yàn)檢測(cè)研究院有限公司 大連 116000）

（2.大連理工大學(xué) 大連 116000）

目前市場(chǎng)上的電梯曳引機(jī)多為表貼式永磁同步電機(jī)，對(duì)于該類(lèi)電機(jī)，其空載反電動(dòng)勢(shì)僅與轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子磁鏈有關(guān)。本文提出的方法通過(guò)估算待測(cè)電機(jī)的空載反電動(dòng)勢(shì)數(shù)值，并與該型號(hào)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速下拖動(dòng)測(cè)量的空載反電動(dòng)勢(shì)實(shí)測(cè)值進(jìn)行比較，來(lái)對(duì)其內(nèi)部永磁體的狀態(tài)進(jìn)行判定。方法對(duì)處于正常工作狀態(tài)下的電機(jī)進(jìn)行退磁評(píng)估，由于在變頻器的控制下，永磁同步電機(jī)總能穩(wěn)定到額定轉(zhuǎn)速，所以此方法用于對(duì)電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的電壓、電流數(shù)據(jù)進(jìn)行獲取，并以此對(duì)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速下的空載反電動(dòng)勢(shì)進(jìn)行估算。經(jīng)過(guò)仿真分析與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，本文提出的方法適用于局部退磁與均勻退磁故障，且無(wú)須對(duì)編碼器數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，可用于電梯永磁同步電機(jī)永磁體失效性分析的便攜裝置開(kāi)發(fā)。

在永磁同步電梯永磁體退磁檢測(cè)儀器的制造方面，國(guó)內(nèi)為空白，國(guó)外主要研究方向?yàn)橛来朋w退磁理論、永磁電機(jī)防退磁技術(shù)與永磁電機(jī)退磁檢測(cè)。其中，永磁體退磁理論研究與永磁電機(jī)退磁檢測(cè)一般采用實(shí)驗(yàn)的方法進(jìn)行，而永磁體的防退磁技術(shù)則多采用數(shù)學(xué)模型與仿真的方案，旨在通過(guò)理論分析來(lái)為永磁電機(jī)的設(shè)計(jì)與退磁預(yù)測(cè)提出參考。目前過(guò)載在永磁同步電機(jī)退磁診斷方面，已經(jīng)取得了一部分進(jìn)展，用于解決溫度系數(shù)高、機(jī)械強(qiáng)度低等缺點(diǎn)[1-3]。診斷方法主要包括磁信號(hào)分析、反電動(dòng)勢(shì)分析、電流分析、扭矩分析、振動(dòng)和聲學(xué)分析與信號(hào)注入6 種。

1 基于參數(shù)自調(diào)節(jié)算法的退磁檢測(cè)原理

通過(guò)基于永磁同步電機(jī)退磁模型的仿真與外特性參數(shù)采集實(shí)驗(yàn)，完成對(duì)永磁電機(jī)退磁故障在線檢測(cè)方法的構(gòu)想，編寫(xiě)DSP 程序檢測(cè)永磁電機(jī)退磁故障。

退磁在線檢測(cè)單元流程如圖1 所示，該單元由信號(hào)采集、時(shí)域分析、頻域分析3 個(gè)模塊組成。其具體功能如下：

圖1 退磁檢測(cè)單元流程圖

信號(hào)采集模塊采用高精度電流、電壓傳感器，實(shí)時(shí)采集定子電流、電壓數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳入時(shí)域分析與頻域分析模塊。

時(shí)域分析模塊采集定子電流、電壓的基波分量，通過(guò)公式計(jì)算粗略繪制電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)波形。將反電動(dòng)勢(shì)波形和幅值與正常電機(jī)波形進(jìn)行比較，判斷反電動(dòng)勢(shì)是否發(fā)生畸變、幅值是否減小，進(jìn)而定性判斷永磁電機(jī)是否存在退磁故障。

頻域分析模塊采用希爾伯特-黃、小波變換等數(shù)據(jù)處理方法，提取定子電流諧波分量。將數(shù)據(jù)與局部、均勻雙退磁故障仿真的結(jié)果相比較，分析數(shù)據(jù)規(guī)律，進(jìn)而定量判斷永磁電機(jī)局部、均勻退磁故障占比。

程序開(kāi)發(fā)后，使用該方案對(duì)實(shí)物退磁電機(jī)與正常電機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，通過(guò)廠家檢驗(yàn)報(bào)告驗(yàn)證永磁電機(jī)退磁檢測(cè)方法的正確性與適用性，并針對(duì)實(shí)際測(cè)量環(huán)境進(jìn)行程序與采集設(shè)備優(yōu)化。

2 退磁診斷方法仿真研究

永磁同步電機(jī)退磁診斷主要分為2 個(gè)診斷方向，分別為局部退磁檢測(cè)與均勻退磁檢測(cè)。

局部退磁故障會(huì)造成氣隙磁通與繞組反電動(dòng)勢(shì)存在不對(duì)稱(chēng)性，使得電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)與定子電流發(fā)生變化。因此，尋求簡(jiǎn)單、可靠的故障特征量成了局部退磁檢測(cè)的核心，目前學(xué)者們主要從電流、扭矩、振動(dòng)與聲學(xué)幾個(gè)方面進(jìn)行分析，其中電機(jī)電流信號(hào)分析方法因其電機(jī)免拆卸的優(yōu)點(diǎn)成為主流。多篇文獻(xiàn)表明電機(jī)的局部退磁故障會(huì)在定子電流中產(chǎn)生次的諧波，其中fs為定子電流基波頻率，p 為電機(jī)極對(duì)數(shù)，k 取整數(shù)。為解決其易與偏心故障混淆且精度易受負(fù)載波動(dòng)的影響，西班牙學(xué)者Rosero J 利用小波分析、希爾伯特-黃變換的方式來(lái)對(duì)信號(hào)做進(jìn)一步處理。然而前人研究采用的電機(jī)多為少極式高速電機(jī)，其中特征頻率與基波頻域間隔較遠(yuǎn)，易于分離；對(duì)于電梯常見(jiàn)的多極式低速電機(jī)，受逆變器輸出諧波以及采集設(shè)備精度的影響，故障特征頻率則很容易被湮沒(méi)。

均勻退磁故障方面，目前主要采用參數(shù)辨識(shí)與信號(hào)注入等間接測(cè)量方法。其中前者需要獲取電機(jī)的三相電壓、三相電流、轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子角度的信息，通過(guò)最小二乘法、模型參考自適應(yīng)或擴(kuò)展卡爾曼濾波的方法來(lái)對(duì)轉(zhuǎn)子磁鏈進(jìn)行計(jì)算，考慮到永磁電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁鏈會(huì)隨著電機(jī)負(fù)載大小而變化，因此對(duì)于不同型號(hào)的電機(jī)，需要建立不同的標(biāo)準(zhǔn)；后者通過(guò)逆變器向永磁同步電機(jī)中注入幅值和頻率可編程的信號(hào)，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理來(lái)提取故障診斷所需的指標(biāo)[4]。2 種方法都需要采集電機(jī)的編碼器數(shù)據(jù)，因此其發(fā)展趨勢(shì)為集成于電機(jī)的控制系統(tǒng)，然而目前對(duì)于出廠的電梯，配備退磁自檢功能的占極少數(shù)，因此對(duì)于便攜式外置在線退磁檢測(cè)設(shè)備的研究成了當(dāng)下的主流方向。

本文的主要目標(biāo)是設(shè)計(jì)一種便攜性裝置，其能夠在不拆卸電機(jī)的情況下，僅通過(guò)測(cè)量電機(jī)的三相電壓與三相電流，完成對(duì)永磁同步電機(jī)退磁故障的診斷工作，為從事電梯檢測(cè)的人員提供便利。經(jīng)過(guò)前期研究，本文探尋了一種參數(shù)自調(diào)節(jié)的滑模控制算法，經(jīng)過(guò)仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，可以用于永磁同步電機(jī)的退磁檢測(cè)。

滑?？刂剖亲兘Y(jié)構(gòu)控制的一種控制策略。其設(shè)計(jì)的滑動(dòng)模態(tài)，常被用于電機(jī)的無(wú)感控制[5]。本文根據(jù)文獻(xiàn)[6-10]探究了一種參數(shù)自調(diào)節(jié)的滑?？刂扑惴ǎ淠軌蛲ㄟ^(guò)測(cè)量電機(jī)不同負(fù)載情況下的三相電壓與三相電流，計(jì)算出電機(jī)的空載反電動(dòng)勢(shì)，用于永磁同步電機(jī)的退磁診斷工作，通過(guò)Simulink 搭建不考慮轉(zhuǎn)子退磁、定子電阻與電感參數(shù)變化等因素的永磁電機(jī)理想模型如圖2 所示。

圖2 結(jié)合滑模觀測(cè)器的Simulink 電機(jī)模型

3 退磁診斷方法實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

本實(shí)驗(yàn)主要目的為通過(guò)測(cè)量不同退磁類(lèi)型下的永磁電機(jī)運(yùn)行時(shí)的三相電壓與三相電流，并將本文方案計(jì)算出的電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)與實(shí)際電機(jī)拖動(dòng)空載反電動(dòng)勢(shì)數(shù)值進(jìn)行比較，驗(yàn)證方法的有效性。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)見(jiàn)圖3。

圖3 實(shí)驗(yàn)主要設(shè)備圖

實(shí)驗(yàn)選取了2臺(tái)不同極數(shù)的電梯用永磁同步電機(jī)，并針對(duì)永磁同步電機(jī)不同程度的局部與均勻退磁故障，對(duì)6 種狀態(tài)的永磁同步電機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)：1）20 極完整磁鋼電機(jī)；2）20 極缺1 塊磁鋼電機(jī)；3）20 極缺2 塊磁鋼電機(jī)；4）20 極完整磁鋼高溫退磁電機(jī)；5）32 極完整磁鋼電機(jī)；6）32 極缺1 塊磁鋼電機(jī)。

圖4 所示為電機(jī)定子電阻與電感測(cè)量圖，實(shí)驗(yàn)首先使用電阻測(cè)量?jī)x與電橋分別對(duì)20 極與32 極永磁電機(jī)的定子電阻與d 軸、q 軸電感進(jìn)行測(cè)量。

圖4 電機(jī)定子電阻與電感測(cè)量

之后分別對(duì)每種電機(jī)進(jìn)行以下2 組實(shí)驗(yàn)：1）實(shí)驗(yàn)電機(jī)不通電，使用拖動(dòng)電機(jī)恒轉(zhuǎn)速輸出，拖動(dòng)實(shí)驗(yàn)電機(jī)到額定轉(zhuǎn)速，測(cè)量其三相空載反電動(dòng)勢(shì)；2）使用控制柜控制實(shí)驗(yàn)電機(jī)啟動(dòng)，并使用另一臺(tái)變頻器控制拖動(dòng)電機(jī)恒轉(zhuǎn)矩輸出。測(cè)量實(shí)驗(yàn)電機(jī)在0%、25%、50%、75%、100% 5 個(gè)負(fù)載狀態(tài)下穩(wěn)定后的三相電壓與三相電流。

實(shí)驗(yàn)通過(guò)100 mV/A 的電流鉗采集三相電流，使用1：1 000 的電阻分壓器提取三相電壓信號(hào)，并采用數(shù)據(jù)采集卡對(duì)永磁電機(jī)三相電壓與三相電流進(jìn)行100 kHz、14 位的6 通道同步采樣。實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)相電壓和相電流波形如圖5 所示。

圖5 實(shí)測(cè)相電壓與相電流波形

實(shí)測(cè)20 極完整磁鋼的永磁電機(jī)在不同負(fù)載轉(zhuǎn)矩下的電流與永磁體磁鏈如圖6 所示。

圖6 實(shí)測(cè)電機(jī)q 軸電流與永磁體磁鏈隨負(fù)載轉(zhuǎn)矩的變化

從圖6 中可以看出，隨著負(fù)載轉(zhuǎn)矩增大，永磁電機(jī)q 軸電流非線性增大，永磁體磁鏈減弱。

以靜止?fàn)顟B(tài)下實(shí)測(cè)的20 極完整磁鋼永磁電機(jī)定子電阻與電感數(shù)據(jù)帶入滑模觀測(cè)器，計(jì)算電機(jī)不同負(fù)載條件下的估算反電動(dòng)勢(shì)，如圖7 所示。

圖7 實(shí)驗(yàn)電機(jī)估算出的反電動(dòng)勢(shì)與空載反電動(dòng)勢(shì)

圖7 中藍(lán)色線為實(shí)際電機(jī)靜態(tài)電阻與電感計(jì)算出的反電動(dòng)勢(shì)，其中R=3.9 Ω、L=0.071 H；紅色線為電阻、電感參數(shù)調(diào)節(jié)后計(jì)算出的反電動(dòng)勢(shì)，其中R=3.37 Ω、L=0.07 H。從圖7 中可看出，電阻電感參數(shù)經(jīng)過(guò)修正后的估算反電動(dòng)勢(shì)與實(shí)測(cè)拖動(dòng)空載反電動(dòng)勢(shì)誤差較小。

6種狀態(tài)電機(jī)估算與實(shí)測(cè)反電動(dòng)勢(shì)數(shù)據(jù)匯總見(jiàn)表1。

表1 估算反電動(dòng)勢(shì)與空載反電動(dòng)勢(shì)數(shù)據(jù)

經(jīng)過(guò)分析，6 組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，本文探究的自參數(shù)調(diào)節(jié)滑模觀測(cè)器可以良好地用于永磁同步電機(jī)空載反電動(dòng)勢(shì)估算。該方法僅需測(cè)量電機(jī)在不同負(fù)載條件下的三相電壓與三相電流并帶入滑模觀測(cè)器進(jìn)行參數(shù)調(diào)節(jié)，便可以計(jì)算出較為精確的空載反電動(dòng)勢(shì)，可用于永磁同步電機(jī)的定量退磁分析。該方法無(wú)須知道準(zhǔn)確的負(fù)載數(shù)值，操作簡(jiǎn)單，容易編程，滿足電梯用永磁同步曳引機(jī)退磁診斷需求。

4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)應(yīng)用

基本情況見(jiàn)表2。

表2 基本情況

電梯現(xiàn)場(chǎng)的退磁檢測(cè)圖見(jiàn)圖8，案例電梯的退磁檢測(cè)分析結(jié)果如圖9 所示，目前本臺(tái)電梯的永磁體狀態(tài)為98.296 9%，本臺(tái)電梯的運(yùn)行狀態(tài)良好，無(wú)退磁情況。

圖8 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)案例圖

圖9 退磁檢測(cè)分析結(jié)果

5 結(jié)論

本文以電梯永磁同步電機(jī)為研究對(duì)象，進(jìn)行永磁同步電機(jī)的退磁檢測(cè)研究。通過(guò)主要研究電梯用永磁同步電機(jī)處于退磁狀態(tài)會(huì)影響電梯安全運(yùn)行的問(wèn)題，旨在設(shè)計(jì)一種操作簡(jiǎn)單、準(zhǔn)確度高的檢測(cè)方案，能夠在永磁曳引機(jī)處于退磁故障狀態(tài)下，無(wú)須拆除電機(jī)，僅通過(guò)測(cè)量電機(jī)運(yùn)行時(shí)的三相電壓與三相電流，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)退磁狀態(tài)進(jìn)行在線診斷。前期已經(jīng)完成了永磁電機(jī)退磁相關(guān)的理論知識(shí)學(xué)習(xí)與基礎(chǔ)仿真環(huán)境搭建，退磁電機(jī)在線檢測(cè)算法的設(shè)計(jì)以及退磁電機(jī)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集與算法驗(yàn)證；并通過(guò)Simulink 與AnsysEM 2種軟件聯(lián)合的方式對(duì)永磁電機(jī)退磁原因進(jìn)行了研究，并對(duì)永磁電機(jī)退磁故障在線檢測(cè)算法進(jìn)行優(yōu)化。未來(lái)將通過(guò)Labview 構(gòu)建上位機(jī)界面，并對(duì)在線檢測(cè)設(shè)備進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)。