戴婷

摘要：開關(guān)磁阻電機(jī)因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，調(diào)速范圍寬，容錯(cuò)性好等特點(diǎn)得到了廣泛的運(yùn)用。功率變換器是開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的中樞，是系統(tǒng)中最易出現(xiàn)故障的薄弱環(huán)節(jié)。本文利用Labview搭建了開關(guān)磁阻電機(jī)系統(tǒng)故障測(cè)試平臺(tái)，通過(guò)對(duì)開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)正常運(yùn)行、功率變換器發(fā)生故障時(shí)相電流波形進(jìn)行對(duì)比，診斷開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)故障類型。

Abstract： Switched reluctance motor （SRM） has simple structure， wide speed range and good fault tolerance， so it has been widely used. The power converter is the center of the switched reluctance motor drive system. It is the weakest link in the system. In this paper， a fault test platform for switched reluctance motor system is built by Labview. On this platform， the fault type of switched reluctance motor drive system is diagnosed by comparing the phase current waveform of the switched reluctance motor drive system with normal operation and power converter failure.

關(guān)鍵詞：開關(guān)磁阻電機(jī)；Labview；故障診斷

Key words： switched reluctance motor；Labview；fault diagnosis

中圖分類號(hào)：TM352 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2018）14-0146-03

0 引言

開關(guān)磁阻電機(jī)作為一種交流調(diào)速新品種，具有效率高、工作可靠、堅(jiān)固、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)（Swithed Reluctance Drive，SRD）便是由其構(gòu)成，它是一種具有特殊的雙凸極結(jié)構(gòu)的新型電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)[1]。它綜合了直流電動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)和異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，具備調(diào)速性能優(yōu)異、調(diào)速范圍寬的特點(diǎn)。憑借這些優(yōu)勢(shì)開關(guān)磁阻電機(jī)被廣泛用于一些環(huán)境惡劣、要求連續(xù)工作的場(chǎng)合，比如高轉(zhuǎn)速電機(jī)、牽引電機(jī)、礦井提升機(jī)、車載系統(tǒng)、航空工業(yè)/發(fā)電系統(tǒng)、通用工業(yè)等方面[2-4]。

功率變換器及其驅(qū)動(dòng)電路作為開關(guān)磁阻電機(jī)控制系統(tǒng)的中樞執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其是否安全可靠直接關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)性能。但在實(shí)際的應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，各類功率變換器故障[5-7]經(jīng)常出現(xiàn)，且原因多種多樣。由于長(zhǎng)久以來(lái)功率變換器可靠性的問(wèn)題一直未能得到妥善解決，使得功率變換器部分成為整個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)最容易出現(xiàn)故障的部分。有資料表明，在變頻調(diào)速過(guò)程中，整個(gè)控制系統(tǒng)故障的約82.5%都屬于功率變換器故障。然而，開關(guān)磁阻電機(jī)各相在磁路和電路上相互獨(dú)立，因此功率變換器發(fā)生故障的概率相對(duì)更大。為此，開關(guān)磁阻電機(jī)的故障診斷成為各學(xué)者對(duì)開關(guān)磁阻研究的重要內(nèi)容之一。

1 Labview測(cè)試系統(tǒng)平臺(tái)搭建

LabVIEW，又稱實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器工程平臺(tái)，它是由美國(guó)國(guó)家儀器公司所開發(fā)的圖形化程序編譯平臺(tái)[8]，一種業(yè)界領(lǐng)先的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)圖形化編程工具，主要用于開發(fā)測(cè)試、測(cè)量與控制系統(tǒng)。這是一種插卡式的儀器。每一種儀器是一個(gè)插卡，為了保證儀器的性能，又采用了較多的硬件，但這些卡式儀器本身都沒(méi)有面板，其面板仍然用虛擬的方式在計(jì)算機(jī)屏幕上出現(xiàn)。這些卡插入標(biāo)準(zhǔn)的VXI機(jī)箱，再與計(jì)算機(jī)相連，就組成了一個(gè)測(cè)試系統(tǒng)。VXI儀器價(jià)格昂貴，目前又推出了一種較為便宜的PXI標(biāo)準(zhǔn)儀器[9]。

本文基于labview軟件編程結(jié)合NI-1062Q型主機(jī)系統(tǒng)以及PXI_6238 DAQ數(shù)據(jù)采集板卡硬件開發(fā)平臺(tái)。對(duì)SRM系統(tǒng)電機(jī)相電流、轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)以及波形采樣分析，人為設(shè)定電機(jī)故障并對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行故障診斷分析。

平臺(tái)采用Labview2011版本作為開發(fā)環(huán)境，PXI_6238 DAQ板卡為-20mA-20mA電流采樣型，功率變換器采樣電路采集信號(hào)為電壓信號(hào)，所以在連接板卡前將采樣輸入端并聯(lián)500歐姆電阻進(jìn)行電壓電流轉(zhuǎn)換。正確連接數(shù)據(jù)輸入端口。通過(guò)MAX助手設(shè)置采樣通道，以及采樣頻率。為實(shí)驗(yàn)觀察方便，實(shí)驗(yàn)設(shè)置采樣頻率為1kHz，采樣點(diǎn)數(shù)為100。設(shè)置完成采樣通道，CTRL+N新建VI進(jìn)行測(cè)試界面以及測(cè)試程序編寫。最終搭建labview測(cè)試平臺(tái)及測(cè)試程序如圖1所示。

2 基于labview測(cè)試平臺(tái)的SRM故障分析

對(duì)于功率變換器來(lái)說(shuō)，常見(jiàn)的故障有：功率變換器的功率管短路、開路或者性能發(fā)生偏移等故障，除此之外還有續(xù)流二極管的短路、開路故障[10-11]。

為對(duì)比分析需要，通過(guò)測(cè)試平臺(tái)采集得到SRM正常運(yùn)行過(guò)程中三相電流波形圖、C相電流波形圖以及轉(zhuǎn)速波形圖，如圖2所示各測(cè)試項(xiàng)波形圖。實(shí)驗(yàn)中開關(guān)磁阻電機(jī)采用6/4結(jié)構(gòu)，12V供電電源的小型電機(jī)。功率變換電路采用不對(duì)稱半橋電路結(jié)構(gòu)，上下管均采用PWM波脈寬調(diào)制。從圖2-a看出A、B、C三相繞組順序?qū)ǎ瑘D2-b為提取到的單相電流波形圖，測(cè)試中取C相進(jìn)行測(cè)試，該圖方便顯示各時(shí)間段電流變化，為功率管短路、開路及性能偏移實(shí)驗(yàn)提供分析需求。圖2-c實(shí)時(shí)顯示轉(zhuǎn)速變化曲線，為故障診斷提供分析依據(jù)。

對(duì)電機(jī)進(jìn)行人為故障設(shè)定，并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)相電流波形變化以及轉(zhuǎn)速變化。首先對(duì)功率變換器C相進(jìn)行開路實(shí)驗(yàn)測(cè)試，由于SRM容錯(cuò)性好，去除單相功率管電機(jī)能夠照樣啟動(dòng)運(yùn)行。C相開路labview系統(tǒng)測(cè)試波形如圖3所示。從圖中可以看出功率管開路時(shí)，C相電流波形缺失，由于系統(tǒng)采用閉環(huán)調(diào)速，系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)速略微下降后調(diào)節(jié)會(huì)設(shè)定值保持穩(wěn)定。通過(guò)波形分析發(fā)現(xiàn)功率變換器為C相開路故障狀態(tài)運(yùn)行。為實(shí)現(xiàn)故障診斷目的，更全面分析需求，labview提供了豐富的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能。研究人員可以對(duì)采樣到的數(shù)據(jù)進(jìn)行更詳細(xì)全面的分析，如支持向量機(jī)分析、小波分析等。

根據(jù)采樣得到數(shù)據(jù)利用excel繪制得到波形如圖4所示，從圖中可以看出C相瞬時(shí)開路的情況下轉(zhuǎn)速及相電流會(huì)出現(xiàn)一定程度的下降，開路故障解除后恢復(fù)到設(shè)定值。

為了更好地實(shí)現(xiàn)labview數(shù)據(jù)檢測(cè)功能。對(duì)C相功率管瞬間開路故障情況分析我們通過(guò)采集實(shí)時(shí)到的數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)分析，對(duì)正常啟動(dòng)運(yùn)行過(guò)程中的電機(jī)，將其功率管上管進(jìn)行瞬時(shí)開路，采集到的轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)如表1所示（由于篇幅限制文中列出部分有用數(shù)據(jù)），相電流數(shù)據(jù)不一一列出，正常運(yùn)行時(shí)。由此可以正確分析出開關(guān)磁阻電機(jī)功率變換器瞬間開路故障狀態(tài)。

功率變換器短路故障及功率變換器性能偏移故障分析方法類似于功率變換器開路故障檢測(cè)。同樣可以通過(guò)相電流以及轉(zhuǎn)速波形圖或采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，達(dá)到準(zhǔn)確檢測(cè)故障的目的，由于數(shù)據(jù)量以及波形圖片量大，該論文部分不做一一介紹。

3 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)labview以及平臺(tái)的使用介紹，將其靈活運(yùn)用到SRM系統(tǒng)故障檢測(cè)中。文中通過(guò)利用該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)功率變換器開路故障以及瞬間開路故障檢測(cè)分析證明該方法能夠有效實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)SRM系統(tǒng)運(yùn)行故障，通過(guò)對(duì)波形圖及數(shù)據(jù)分析能夠準(zhǔn)確判斷出故障類型，該方法對(duì)開關(guān)磁阻電機(jī)的學(xué)習(xí)研究具有重要幫助。

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