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        伺服系統(tǒng)中電機旋轉(zhuǎn)變壓器低溫故障分析與處理

        2023-11-23 15:01:02馬曉賀
        今日自動化 2023年7期
        關(guān)鍵詞:伺服系統(tǒng)常溫驅(qū)動器

        馬曉賀

        (中國船舶集團(tuán)有限公司第七一三研究所,河南鄭州 450015)

        伺服系統(tǒng)主要由驅(qū)動器和電機組成,電機中安裝有轉(zhuǎn)子位置傳感器,用于檢測電機轉(zhuǎn)子的角度[1]。目前電機中的轉(zhuǎn)子位置傳感器主要有旋轉(zhuǎn)變壓器、霍爾器件、光柵編碼器等。其中旋轉(zhuǎn)變壓器具有精度高、耐高溫、耐高濕、耐高振動、抗干擾性強等優(yōu)勢,可廣泛應(yīng)用于武器裝備、航空航天及汽車工業(yè)等領(lǐng)域[2]。

        旋轉(zhuǎn)變壓器本質(zhì)上是一種微電機,由定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組組成。旋轉(zhuǎn)變壓器的關(guān)鍵性能指標(biāo)包括零位電壓、相位移、變壓比等。零位電壓指輸出繞組中感應(yīng)電壓最小時輸出的電壓。相位移指勵磁電壓與輸出電壓的基波分量間的相位差。對于伺服系統(tǒng)而言,結(jié)合解碼芯片的鎖相范圍要求,過大或不穩(wěn)定的相位移不滿足要求。變壓比指在規(guī)定勵磁環(huán)境和空載條件下,最大輸出電壓的基波分量與勵磁電壓的基波分量之比[3]。

        文章所研究的電機旋轉(zhuǎn)變壓器故障,是在低溫試驗過程中驅(qū)動器報旋轉(zhuǎn)變壓器故障。針對該故障,文章采用故障樹法進(jìn)行故障定位,通過復(fù)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)變壓器的低溫故障來驗證故障定位的準(zhǔn)確性,最后制訂相應(yīng)的處理措施,并通過一系列試驗驗證了措施的有效性。

        1 故障現(xiàn)象

        在進(jìn)行機電設(shè)備伺服系統(tǒng)環(huán)境試驗過程中發(fā)現(xiàn),當(dāng)電機(內(nèi)含國產(chǎn)52XWF 型旋轉(zhuǎn)變壓器)處于低溫環(huán)境(-30 ℃)、驅(qū)動器處于常溫環(huán)境(30 ℃)時,驅(qū)動器報旋轉(zhuǎn)變壓器故障,電機無法正常運轉(zhuǎn);當(dāng)電機恢復(fù)到常溫(30 ℃)狀態(tài)后,驅(qū)動器故障消失,電機恢復(fù)正常運轉(zhuǎn)。多次重復(fù)低溫試驗,故障現(xiàn)象一致。

        2 故障定位

        故障樹分析是一種由上向下的故障判別方法,判別步驟如下:①根據(jù)故障出現(xiàn)的實際情況識別出頂事件;②根據(jù)故障類型逐步分析其發(fā)生的原因和最基本的原因(底事件),構(gòu)造出故障樹;③對故障底事件進(jìn)行逐一判斷排除。

        根據(jù)電機中旋轉(zhuǎn)變壓器的安裝情況及其工作原理,對可能造成此次故障的原因進(jìn)行梳理分析,建立故障樹(圖1)。

        2.1 軸向安裝尺寸的排查

        對照安裝技術(shù)圖紙要求及工藝過程卡片檢查旋轉(zhuǎn)變壓器軸向安裝情況,發(fā)現(xiàn)均符合旋轉(zhuǎn)變壓器推薦的安裝尺寸要求。故可以判定軸向安裝尺寸費旋轉(zhuǎn)變壓器低溫故障的原因。

        2.2 徑向安裝尺寸的排查

        經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn),電機旋轉(zhuǎn)變壓器定子與轉(zhuǎn)子氣隙均勻,表明徑向安裝尺寸符合旋轉(zhuǎn)變壓器推薦的安裝尺寸要求。故可以判定徑向安裝尺寸非旋轉(zhuǎn)變壓器低溫故障的原因。

        2.3 外部電纜的排查

        在進(jìn)行常溫和低溫試驗前,對電機外部信號電纜和動力電纜進(jìn)行了絕緣及通斷的測量,未發(fā)現(xiàn)接觸不良、短路、斷路等異常情況。為進(jìn)一步確認(rèn),在低溫狀態(tài)下更換完好的電纜,故障現(xiàn)象與未更換電纜時一致。故可以判定外部電纜非旋轉(zhuǎn)變壓器低溫故障的原因。

        2.4 內(nèi)部電纜的排查

        取下旋轉(zhuǎn)變壓器,檢查旋轉(zhuǎn)變壓器內(nèi)部電纜接線情況,未發(fā)現(xiàn)虛焊、斷線情況。故可以判定內(nèi)部電纜非旋轉(zhuǎn)變壓器低溫故障的原因。

        2.5 低溫下變壓比的排查

        低溫下檢測52XWF 型旋轉(zhuǎn)變壓器變壓比為0.525(設(shè)計值為0.5±5%),符合要求。為進(jìn)一步驗證,更換同型號變壓比為0.504的旋轉(zhuǎn)變壓器,低溫狀態(tài)下故障仍然存在。故可以判定低溫下變壓比非旋轉(zhuǎn)變壓器低溫故障的原因。

        2.6 低溫下電氣誤差的排查

        更換故障旋轉(zhuǎn)變壓器同型號但電氣誤差較?。?′)的旋轉(zhuǎn)變壓器,進(jìn)行驗證試驗,常溫測試良好。低溫-30 ℃保溫1 h,電氣誤差滿足要求,但驅(qū)動器報旋轉(zhuǎn)變壓器故障,故障仍然存在。故可以判定低溫下電氣誤差非旋轉(zhuǎn)變壓器低溫故障的原因。

        2.7 低溫下相位移的排查

        驅(qū)動器中的旋轉(zhuǎn)變壓器解碼芯片可接受相位移為-44°~+44°。在常溫下,用示波器測量52XWF型旋轉(zhuǎn)變壓器的相位移為37.4°,符合芯片鎖相范圍。

        低溫環(huán)境(-30 ℃)保溫1 h 后,用示波器測量該型旋轉(zhuǎn)變壓器的相位移為44.6°,超過了驅(qū)動器解碼芯片的鎖相范圍。故暫時判定低溫下相位移超差疑似旋轉(zhuǎn)變壓器低溫故障的原因。

        將市面上常見的進(jìn)口TS2640 型旋轉(zhuǎn)變壓器和國產(chǎn)J52XF 型旋轉(zhuǎn)變壓器放置在低溫下保溫1 h,再用示波器監(jiān)測相位移發(fā)現(xiàn),TS2640 型旋轉(zhuǎn)變壓器的相位移為28.8°,J52XF 型旋轉(zhuǎn)變壓器相位移為30.24°,均符合驅(qū)動器解碼芯片鎖相范圍。

        電機安裝的52XWF 型旋轉(zhuǎn)變壓器在低溫狀態(tài)下的相位移超過了驅(qū)動器解碼芯片的鎖相范圍,從而致使驅(qū)動器報旋轉(zhuǎn)變壓器故障。

        3 機理分析

        旋轉(zhuǎn)變壓器原理如圖2所示。

        圖2 旋轉(zhuǎn)變壓器原理

        旋轉(zhuǎn)變壓器的原理與傳統(tǒng)變壓器類似,在原邊繞組(R1、R2)加上勵磁電壓,當(dāng)旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時,S1、S3之間輸出電壓與轉(zhuǎn)角成余弦關(guān)系,S2、S4之間輸出電壓與轉(zhuǎn)角成正弦關(guān)系。輸出的正、余弦信號通過驅(qū)動器中的解碼芯片解析后,可以得到電機轉(zhuǎn)子的位置等信息,從而實現(xiàn)對電機的控制。

        根據(jù)電機旋轉(zhuǎn)變壓器與驅(qū)動器的原理,驅(qū)動器解碼芯片(型號為AD2S1210)提供峰值為7V、頻率為10kHz 的電壓。驅(qū)動器對旋轉(zhuǎn)變壓器輸出正、余弦信號進(jìn)行解碼,得到電機轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)子位置,實現(xiàn)電機的閉環(huán)控制。AD2S1210型解碼芯片可接受相位移為-44°~+44°,52XWF 型旋轉(zhuǎn)變壓器在低溫狀態(tài)下相位移為44.6°,超過該驅(qū)動器解碼芯片的鎖相范圍,使得驅(qū)動器解碼芯片解碼故障,最終導(dǎo)致驅(qū)動器報旋轉(zhuǎn)變壓器故障,無法驅(qū)動電機正常運轉(zhuǎn)。

        4 故障復(fù)現(xiàn)

        使用與原故障旋轉(zhuǎn)變壓器同型號、不同批次的52XWF 型旋轉(zhuǎn)變壓器進(jìn)行試驗驗證,驅(qū)動器提供標(biāo)準(zhǔn)激磁電壓,常溫測試良好。

        電機低溫-30 ℃保溫1 h,用驅(qū)動器帶動電機運轉(zhuǎn),驅(qū)動器報旋轉(zhuǎn)變壓器故障,故障復(fù)現(xiàn)。

        故障發(fā)生時,使用示波器測量該旋轉(zhuǎn)變壓器相位移為46.08°,超過驅(qū)動器解碼芯片的鎖相范圍。

        5 改進(jìn)措施及驗證

        針對故障定位和機理分析,結(jié)合當(dāng)前電機旋轉(zhuǎn)變壓器的結(jié)構(gòu)及參數(shù),在不改變電機結(jié)構(gòu)的前提下,將電機旋轉(zhuǎn)變壓器由52XWF 型產(chǎn)品更換為J52XF 型產(chǎn)品。在常溫狀態(tài)兩種旋轉(zhuǎn)變壓器均可滿足技術(shù)要求。為進(jìn)一步對比低溫狀態(tài)下兩種旋轉(zhuǎn)變壓器的區(qū)別,將兩種旋轉(zhuǎn)變壓器分別放在常溫(30 ℃)與低溫(-30 ℃)環(huán)境中進(jìn)行試驗,測量兩種旋轉(zhuǎn)變壓器的相位移、輸入阻抗、輸出阻抗及變壓比,得到的參數(shù)見表1。

        表1 兩種旋轉(zhuǎn)變壓器常溫與低溫狀態(tài)參數(shù)對比

        由表1可知,J52XF 型旋轉(zhuǎn)變壓器在低溫狀態(tài)下的相位移性能優(yōu)于52XWF 型旋轉(zhuǎn)變壓器。52XWF型旋轉(zhuǎn)變壓器不能滿足系統(tǒng)在低溫-30 ℃的運行環(huán)境要求。

        綜上所述,兩種旋轉(zhuǎn)變壓器結(jié)構(gòu)一致,可在伺服系統(tǒng)電機上實現(xiàn)原位替換,不會改變電機結(jié)構(gòu)。使用J52XF 型旋轉(zhuǎn)變壓器替換52XWF 型旋轉(zhuǎn)變壓器,能滿足伺服系統(tǒng)在常溫和低溫運行狀態(tài)下的要求。

        將故障電機中的52XWF 型旋轉(zhuǎn)變壓器更換為J52XF 型旋轉(zhuǎn)變壓器,并按技術(shù)要求調(diào)整旋轉(zhuǎn)變壓器在電機中的初始位置,完善旋轉(zhuǎn)變壓器安裝及接線工作,同時將該型號電機設(shè)計技術(shù)圖紙及明細(xì)表中有關(guān)旋轉(zhuǎn)變壓器型號進(jìn)行更新改版。

        針對新更換的J52XF 型旋轉(zhuǎn)變壓器的環(huán)境適應(yīng)性展開試驗驗證工作如下。

        5.1 常溫試驗

        電機更換新型號旋轉(zhuǎn)變壓器后,在常溫環(huán)境下,用驅(qū)動器低壓驅(qū)動電機運轉(zhuǎn)良好,驅(qū)動器未報故障;在常溫下對伺服系統(tǒng)進(jìn)行高壓380 V 測試,并進(jìn)行帶負(fù)載大正弦30 min 試驗,伺服伺服系統(tǒng)運行良好。

        5.2 低溫試驗

        電機更換新型號旋轉(zhuǎn)變壓器后,在低溫(-30 ℃)保溫1 h 后,用驅(qū)動器低壓驅(qū)動電機運轉(zhuǎn)良好,驅(qū)動器未報故障;對伺服系統(tǒng)進(jìn)行高壓380V 測試,并進(jìn)行帶負(fù)載大正弦30 min 試驗,伺服系統(tǒng)運行良好。電機在低溫(-30 ℃)環(huán)境下進(jìn)行了24 h 低溫試驗,試驗期間伺服系統(tǒng)運轉(zhuǎn)良好。

        5.3 高溫試驗

        在高溫(65 ℃)保溫1 h 后,用驅(qū)動器低壓驅(qū)動電機運轉(zhuǎn)良好,驅(qū)動器未報故障;對伺服系統(tǒng)進(jìn)行高壓380 V 測試,并進(jìn)行帶負(fù)載大正弦30 min 試驗,伺服系統(tǒng)運行良好。電機在高溫(65 ℃)環(huán)境下進(jìn)行了24 h 高溫試驗,試驗期間伺服系統(tǒng)運轉(zhuǎn)良好。

        5.4 振動及沖擊試驗

        電機更換為J52XF 型旋轉(zhuǎn)變壓器后,在環(huán)境試驗室按照相關(guān)國軍標(biāo)完成了電機振動、沖擊試驗,試驗期間伺服系統(tǒng)運轉(zhuǎn)良好。

        經(jīng)過以上試驗驗證,當(dāng)伺服系統(tǒng)中電機的52XWF 型旋轉(zhuǎn)變壓器更換為J52XF 型旋轉(zhuǎn)變壓器后,性能指標(biāo)能夠滿足系統(tǒng)各項環(huán)境試驗的要求。

        6 結(jié)束語

        文章以解決電機中的旋轉(zhuǎn)變壓器低溫故障為出發(fā)點,使用故障樹分析法對旋轉(zhuǎn)變壓器的低溫故障現(xiàn)象進(jìn)行分析和定位,經(jīng)排查分析可以確定電機中安裝的52XWF 型旋轉(zhuǎn)變壓器在低溫狀態(tài)下相位移超差,使得驅(qū)動器解碼芯片解碼故障,導(dǎo)致驅(qū)動器報旋轉(zhuǎn)變壓器故障,從而無法正常驅(qū)動電機運轉(zhuǎn)。并進(jìn)一步通過機理分析、使用原型號旋轉(zhuǎn)變壓器對故障現(xiàn)象進(jìn)行了復(fù)現(xiàn)。根據(jù)故障機理制訂了更換低溫狀態(tài)下性能更好的J52XF 型旋轉(zhuǎn)變壓器的改進(jìn)措施,并進(jìn)行了常溫、低溫、高溫等環(huán)境下的試驗驗證。試驗結(jié)果表明,新型號的旋轉(zhuǎn)變壓器在各種環(huán)境下性能均滿足要求,該問題得到圓滿解決。該研究對其他有低溫工作需求的電機設(shè)計、旋轉(zhuǎn)變壓器研究具有較高的參考價值。

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