張傳龍 董恩源

（1.大連鍋爐壓力容器檢驗檢測研究院有限公司 大連 116000）

（2.大連理工大學(xué) 大連 116000）

目前市場上的電梯曳引機(jī)多為表貼式永磁同步電機(jī)，對于該類電機(jī)，其空載反電動勢僅與轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子磁鏈有關(guān)。本文提出的方法通過估算待測電機(jī)的空載反電動勢數(shù)值，并與該型號電機(jī)額定轉(zhuǎn)速下拖動測量的空載反電動勢實(shí)測值進(jìn)行比較，來對其內(nèi)部永磁體的狀態(tài)進(jìn)行判定。方法對處于正常工作狀態(tài)下的電機(jī)進(jìn)行退磁評估，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，所以此方法用于對電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時的電壓、電流數(shù)據(jù)進(jìn)行獲取，并以此對電機(jī)額定轉(zhuǎn)速下的空載反電動勢進(jìn)行估算。經(jīng)過仿真分析與實(shí)驗驗證，本文提出的方法適用于局部退磁與均勻退磁故障，且無須對編碼器數(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發(fā)。

在永磁同步電梯永磁體退磁檢測儀器的制造方面，國內(nèi)為空白，國外主要研究方向為永磁體退磁理論、永磁電機(jī)防退磁技術(shù)與永磁電機(jī)退磁檢測。其中，永磁體退磁理論研究與永磁電機(jī)退磁檢測一般采用實(shí)驗的方法進(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，旨在通過理論分析來為永磁電機(jī)的設(shè)計與退磁預(yù)測提出參考。目前過載在永磁同步電機(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分析、反電動勢分析、電流分析、扭矩分析、振動和聲學(xué)分析與信號注入6 種。

1 基于參數(shù)自調(diào)節(jié)算法的退磁檢測原理

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

退磁在線檢測單元流程如圖1 所示，該單元由信號采集、時域分析、頻域分析3 個模塊組成。其具體功能如下：

圖1 退磁檢測單元流程圖

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

時域分析模塊采集定子電流、電壓的基波分量，通過公式計算粗略繪制電機(jī)反電動勢波形。將反電動勢波形和幅值與正常電機(jī)波形進(jìn)行比較，判斷反電動勢是否發(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。

程序開發(fā)后，使用該方案對實(shí)物退磁電機(jī)與正常電機(jī)進(jìn)行試驗，通過廠家檢驗報告驗證永磁電機(jī)退磁檢測方法的正確性與適用性，并針對實(shí)際測量環(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 個診斷方向，分別為局部退磁檢測與均勻退磁檢測。

局部退磁故障會造成氣隙磁通與繞組反電動勢存在不對稱性，使得電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)與定子電流發(fā)生變化。因此，尋求簡單、可靠的故障特征量成了局部退磁檢測的核心，目前學(xué)者們主要從電流、扭矩、振動與聲學(xué)幾個方面進(jìn)行分析，其中電機(jī)電流信號分析方法因其電機(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-黃變換的方式來對信號做進(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；對于電梯常見的多極式低速電機(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。

均勻退磁故障方面，目前主要采用參數(shù)辨識與信號注入等間接測量方法。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對轉(zhuǎn)子磁鏈進(jìn)行計算，考慮到永磁電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁鏈會隨著電機(jī)負(fù)載大小而變化，因此對于不同型號的電機(jī)，需要建立不同的標(biāo)準(zhǔn)；后者通過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，并對信號進(jìn)行處理來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)展趨勢為集成于電機(jī)的控制系統(tǒng)，然而目前對于出廠的電梯，配備退磁自檢功能的占極少數(shù)，因此對于便攜式外置在線退磁檢測設(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)計一種便攜性裝置，其能夠在不拆卸電機(jī)的情況下，僅通過測量電機(jī)的三相電壓與三相電流，完成對永磁同步電機(jī)退磁故障的診斷工作，為從事電梯檢測的人員提供便利。經(jīng)過前期研究，本文探尋了一種參數(shù)自調(diào)節(jié)的滑?？刂扑惴?，經(jīng)過仿真與實(shí)驗驗證，可以用于永磁同步電機(jī)的退磁檢測。

滑?？刂剖亲兘Y(jié)構(gòu)控制的一種控制策略。其設(shè)計的滑動模態(tài)，常被用于電機(jī)的無感控制[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?，其能夠通過測量電機(jī)不同負(fù)載情況下的三相電壓與三相電流，計算出電機(jī)的空載反電動勢，用于永磁同步電機(jī)的退磁診斷工作，通過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)合滑模觀測器的Simulink 電機(jī)模型

3 退磁診斷方法實(shí)驗驗證

本實(shí)驗主要目的為通過測量不同退磁類型下的永磁電機(jī)運(yùn)行時的三相電壓與三相電流，并將本文方案計算出的電機(jī)反電動勢與實(shí)際電機(jī)拖動空載反電動勢數(shù)值進(jìn)行比較，驗證方法的有效性。實(shí)驗現(xiàn)場見圖3。

圖3 實(shí)驗主要設(shè)備圖

實(shí)驗選取了2臺不同極數(shù)的電梯用永磁同步電機(jī)，并針對永磁同步電機(jī)不同程度的局部與均勻退磁故障，對6 種狀態(tài)的永磁同步電機(jī)進(jìn)行實(shí)驗：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)定子電阻與電感測量圖，實(shí)驗首先使用電阻測量儀與電橋分別對20 極與32 極永磁電機(jī)的定子電阻與d 軸、q 軸電感進(jìn)行測量。

圖4 電機(jī)定子電阻與電感測量

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

實(shí)驗通過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，并采用數(shù)據(jù)采集卡對永磁電機(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)驗實(shí)測相電壓和相電流波形如圖5 所示。

圖5 實(shí)測相電壓與相電流波形

實(shí)測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)帶入滑模觀測器，計算電機(jī)不同負(fù)載條件下的估算反電動勢，如圖7 所示。

圖7 實(shí)驗電機(jī)估算出的反電動勢與空載反電動勢

圖7 中藍(lán)色線為實(shí)際電機(jī)靜態(tài)電阻與電感計算出的反電動勢，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)后計算出的反電動勢，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)過修正后的估算反電動勢與實(shí)測拖動空載反電動勢誤差較小。

6種狀態(tài)電機(jī)估算與實(shí)測反電動勢數(shù)據(jù)匯總見表1。

表1 估算反電動勢與空載反電動勢數(shù)據(jù)

經(jīng)過分析，6 組實(shí)驗數(shù)據(jù)表明，本文探究的自參數(shù)調(diào)節(jié)滑模觀測器可以良好地用于永磁同步電機(jī)空載反電動勢估算。該方法僅需測量電機(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器進(jìn)行參數(shù)調(diào)節(jié)，便可以計算出較為精確的空載反電動勢，可用于永磁同步電機(jī)的定量退磁分析。該方法無須知道準(zhǔn)確的負(fù)載數(shù)值，操作簡單，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)場試驗應(yīng)用

基本情況見表2。

表2 基本情況

電梯現(xiàn)場的退磁檢測圖見圖8，案例電梯的退磁檢測分析結(jié)果如圖9 所示，目前本臺電梯的永磁體狀態(tài)為98.296 9%，本臺電梯的運(yùn)行狀態(tài)良好，無退磁情況。

圖8 現(xiàn)場檢測案例圖

圖9 退磁檢測分析結(jié)果

5 結(jié)論

本文以電梯永磁同步電機(jī)為研究對象，進(jìn)行永磁同步電機(jī)的退磁檢測研究。通過主要研究電梯用永磁同步電機(jī)處于退磁狀態(tài)會影響電梯安全運(yùn)行的問題，旨在設(shè)計一種操作簡單、準(zhǔn)確度高的檢測方案，能夠在永磁曳引機(jī)處于退磁故障狀態(tài)下，無須拆除電機(jī)，僅通過測量電機(jī)運(yùn)行時的三相電壓與三相電流，實(shí)現(xiàn)對電機(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)的理論知識學(xué)習(xí)與基礎(chǔ)仿真環(huán)境搭建，退磁電機(jī)在線檢測算法的設(shè)計以及退磁電機(jī)實(shí)驗數(shù)據(jù)采集與算法驗證；并通過Simulink 與AnsysEM 2種軟件聯(lián)合的方式對永磁電機(jī)退磁原因進(jìn)行了研究，并對永磁電機(jī)退磁故障在線檢測算法進(jìn)行優(yōu)化。未來將通過Labview 構(gòu)建上位機(jī)界面，并對在線檢測設(shè)備進(jìn)行硬件設(shè)計。