METODA DIAGNOSTYKI USZKODZEŃ ELEKTRYCZNYCH SILNIKA RELUKTANCYJNEGO PRZEŁĄCZALNEGO

Transkrypt

1 Prace Naukowe Instytutu Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych Nr 62 Politechniki Wrocławskiej Nr 62 Studia i Materiały Nr Piotr BOGUSZ*, Mariusz KORKOSZ*, Jan PROKOP* silniki reluktancyjne przełączalne, SRM, diagnostyka, uszkodzenia elektryczne, analiza harmoniczna METODA DIAGNOSTYKI USZKODZEŃ ELEKTRYCZNYCH SILNIKA RELUKTANCYJNEGO PRZEŁĄCZALNEGO W pracy przedstawiono metodę diagnostyki uszkodzeń elektrycznych silnika reluktancyjnego przełączalnego (SRM) w oparciu o analizę harmoniczną prądów. Omówiono klasyfikację uszkodzeń elektrycznych SRM, dla silnika SRM o konstrukcji 6/4 przedstawiono wyniki badań laboratoryjnych w warunkach pracy normalnej oraz dla wybranych uszkodzeń elektrycznych. Typ uszkodzenia elektrycznego maszyny określano na podstawie zawartości wyższych harmonicznych w prądzie źródła. Zamieszczono wnioski. 1. WSTĘP Silniki reluktancyjne przełączalne (SRM) zaliczane są do grupy napędów zintegrowanych, tzn. do samego silnika dołączony jest odpowiedni układ zasilający i sterujący. Aby układy napędowe SRM charakteryzowały się dużą niezawodnością, konieczna jest odpowiednia diagnostyka pracy takiego układu. Uszkodzenia elektryczne silnika SRM mogą być spowodowane uszkodzeniami układu elektromagnetycznego maszyny (przerwy, zwarcia uzwojeń) [1, 2], jak również uszkodzeniami elektronicznego układu zasilającego i sterującego [3]. Skutki pracy SRM z uszkodzeniem elektrycznym zależą od typu silnika, zakresu pracy w którym powstaną uszkodzenia (praca ze stałym momentem lub ze stałą mocą) oraz prędkości silnika (silniki SRM mogą pracować w szerokim zakresie zmian prędkości obrotowej) [4]. Celem niniejszej pracy jest przedstawienie wyników badań w zakresie analizy zawartości wyższych harmonicznych w przebiegach prądów silników reluktancyjnych przełączalnych pracujących w wybranych elektrycznych stanach awaryjnych. Analizując zawartość harmonicznych prądu źródła zasilającego można skutecznie wykrywać praktycznie wszystkie uszkodzenia elektryczne w pracy silnika. Analiza taka jest konieczna dla opracowania oprogramowania, które on-line diagnozuje pracę układu i przez odpowiednią adaptację algorytmu sterowania dostosowaną do przyczyny uszkodzenia elektrycznego minimalizuje skutki awarii silnika SRM. * Politechnika Rzeszowska, Wydział Elektrotechniki i Informatyki, Rzeszów, ul. W. Pola 2, pbogu@prz.edu.pl, mkosz@prz.edu.pl, jprokop@prz.edu.pl

2 KLASYFIKACJA USZKODZEŃ ELEKTRYCZNYCH SRM Stany pracy awaryjnej napędu SRM mogą być związane z uszkodzeniami w samej maszynie lub w układzie zasilającym. Klasyfikację uszkodzeń elektrycznych przedstawiono w [1], gdzie wyszczególniono 13 możliwych zwarć oraz 7 możliwych przerw obwodów elektrycznych. Przykładowe uszkodzenia związane ze zwarciami: Zwarcie całego pasma, uzwojenia jednego bieguna lub jego części Zwarcie pomiędzy dwoma pasmami silnika Zwarcie połączenia międzybiegunowego pasma do masy Zwarcie elementu elektronicznego (tranzystora, diody) Przykładowe uszkodzenia związane z przerwami obwodów elektrycznych: Przerwa w połączeniu uzwojenia pasma z układem zasilającym, przy czym samo uzwojenie fazy może pozostawać rozwarte lub być cały czas zwarte Przerwa w zasilaniu jednego z uzwojeń bieguna pasma przy jednoczesnym zasilaniu pozostałej części pasma Przerwy w układzie zasilającym Na rysunku 1 przedstawiono schemat układu silnoprądowego zasilającego jedną fazę silnika SRM dla sterowania symetrycznego (rys. 1a) oraz dla wybranych przypadków zwarć (rys. 1b) i przerw (rys. 1c). Poszczególne stany pracy, normalnej i uszkodzeń elektrycznych są oznaczane literami: praca normalna FC (Faultless Circuit), zwarcia SC (Short Circuit), przerwy OC (Open Circuit). Rys. 1. Schemat układu zasilającego jedno z pasm dla przypadku: a) praca normalna (FC), b) zwarcia (SC), c) przerwy (OC) Fig. 1. The wiring diagram of the inverter for the cases of: a) normal operation (FC), b) short-circuit (SC), c) open circuit (OC) W tabeli 1 zestawiono wybrane stany awaryjne z rysunku 1b,c, które dalej są omawiane w punkcie 3 pracy. Wybrano tylko te elektryczne stany awaryjne, które umożliwiają dalszą kontynuację pracy silnika. W omawianych stanach z uszkodzeniami elektrycznymi zmniejsza się wartość średnia momentu silnika, wzrastają pulsacje momentu oraz wzrasta poziom drgań i hałasu.

3 508 Tabela 1. Oznaczenia analizowanych uszkodzeń Table 1. List of the analysed faults Symbol Opis uszkodzenia (Fault description) Zwarcia SC1 Upper switch (T1) Short Circuit SC2 Lower switch (T2) (SC) SC3 One pole winding Przerwy OC1 Upper switch (T1) Open Circuit OC2 Lower switch (T2) (OC) OC3 Full phase 3. WYNIKI BADAŃ Obiektem badań symulacyjnych i laboratoryjnych były opracowane przez autorów w Politechnice Rzeszowskiej modele funkcjonalne silników SRM o różnej budowie i parametrach. W niniejszej pracy zamieszczono wyniki badań tylko dla jednego typu silnika SRM o budowie 6/4 przedstawionego wraz z układem sterującym na rysunku 2. Badano pracę silnika w warunkach pracy symetrycznej (FC) oraz dla wybranych stanów awaryjnych zestawionych w tabeli 1 (SC lub OC). Przykładowe wyniki symulacji rozkładu pola przy zasilaniu obu i tylko jednego bieguna stojana przedstawiono na rysunku 3. a) b) Rys. 2. Silnik SRM o konstrukcji 6/4 ze sterownikiem Fig. 2. The SRM of 6/4 with the power converter Rys. 3. Rozkład gęstości strumienia: a) zasilanie pary biegunów, b) zasilanie jednego bieguna Fig. 3. The distribution of the flux density: a) full phase supply, b) one pole supply Badania laboratoryjne przeprowadzono na opracowanym przez autorów stanowisku badawczym, w skład którego wchodzą: komputer wraz z kartą DS1104 firmy dspace, oprogramowanie ControlDesk współpracujące z kartą DS1104 oraz systemem Matlab/Simulink. Na rysunkach 4 7 przedstawiono wyniki pomiarów dla przebiegów czasowych prądów poszczególnych pasm, prądu źródła wraz z harmonicznymi (bez składowych zerowych) odpowiednio: w stanie pracy normalnej (FC) oraz w stanie pracy awaryjnej oznaczonej jako SC2 dla sterowania jednopulsowego (rys. 4 i 5) i prądowego (rys. 6 i 7). W stanie SC2 zwarto tranzystor T2 (rys. 1) do którego doprowadzone są sygnały z układu sterowania kątami θ on i θ off.

4 509 Rys. 4. Przebiegi czasowe prądów i ph i i dc dla sterowania jednopulsowego (FC) Fig. 4. Waveforms phase currents i ph and supply current i dc for single-pulse control (FC) Rys. 5. Przebiegi prądów i ph i i dc dla sterowania jednopulsowego i zwartego tranzystora T2 (SC2) Fig. 5. Phase currents i ph, i dc for single-pulse mode control and transistor T2 shorted (SC2) Na podstawie przeprowadzonej analizy FFT przebiegów czasowych prądów można stwierdzić, że w zależności od typu uszkodzenia zmienia się rozkład harmonicznych. Szczególnie przydatna dla diagnostyki jest analiza harmoniczna prądu źródła i dc. W warunkach pracy normalnej silnika 6/4 podstawową harmoniczną jest harmoniczna dwunasta. W dowolnym stanie awaryjnym występują w przebiegu prądu źródła harmoniczne 4 i 8. Porównując spektrum harmonicznych prądu źródła w stanie pracy normalnej i w warunkach stanu awaryjnego można zidentyfikować rodzaj uszkodzenia elektrycznego silnika. W oparciu o analizę przeprowadzonych przez autorów różnych przypadków rozkładu harmonicznych prądu źródła można wyróżnić cztery podstawowe stany: Praca normalna (FC) niezależnie od sposobu sterowania dominująca jest harmoniczna 12 i jej wielokrotności; Stan zwarcia tranzystora T1 (SC1) dominująca jest harmoniczna 4, pozostałe są wielokrotnie mniejsze; Stan zwarcia tranzystora T2 (SC2) oraz zwarcie połówki uzwojenia (SC3) dominująca jest harmoniczna 12 przy różnym wzroście amplitud harmonicznych 4 i 8; Stan przerw (OC1, OC2, OC3) dominująca harmoniczna 4, pozostałe 8, 12, 24 stopniowo malejące.

5 510 Rys. 6. Przebiegi czasowe prądów i ph i i dc dla sterowania prądowego (FC) Fig. 6. Waveforms phase currents i ph and supply current i dc for current control (FC) Rys. 7. Przebiegi prądów i ph i i dc dla sterowania prądowego i zwartego tranzystora T2 (SC2) Fig. 7. Phase currents i ph, i dc for current control and transistor T2 shorted (SC2) Tabela 2. Zestawienie amplitud harmonicznych Table 2. List of the harmonic amplitude Praca normalna Symbol uszkodzenia (patrz Tablica 1) Harmoniczna Normal operation Fault symbol (see Table 1) Harmonic FC SC1 SC2 SC3 OC3 4 H M/H M/H H 8 L M/H M/H M/H 12 H L H H M/H 24 H M M/H M/H M W tabeli 2 zestawiono porównanie wartości amplitud wybranych harmonicznych (4, 8, 12, 24) w stanie pracy normalnej (FC) i dla omawianych przypadków uszkodzeń, przy czym dla amplitudy poszczególnych harmonicznych zastosowano oznaczenia: H High, M/H Medium/High, M Medium, L/M Low/Medium, L Low. Cechą charakterystyczną stanów SC2 i SC3 jest podobny rozkład harmonicznych prądu źródła uniemożliwiający jednoznaczną identyfikację każdego z tych stanów. Obecnie autorzy pracują nad algorytmem, który będzie umożliwiał diagnostykę stanów awaryjnych SRM w czasie pracy silnika i przez odpowiednią adaptację sterowania minimalizował skutki awarii silnika.

6 PODSUMOWANIE Na podstawie przeprowadzonych badań omawianych stanów awaryjnych silników SRM o konstrukcji 6/4 i innych (4/2, 8/6, 12/8), można wyciągnąć następujące wnioski: Porównując zawartość wyższych harmonicznych prądu źródła w stanie pracy awaryjnej w odniesieniu do harmonicznych w warunkach pracy normalnej można określić kategorię do której należy dane uszkodzenie elektryczne maszyny. Skutki awarii zależą od liczby pasm silnika, rodzaju uszkodzenia oraz prędkości silnika. W przypadkach różnego rodzaju zwarć czy też przerw w zasilaniu któregoś z uzwojeń biegunów wzrostowi pulsacji momentu towarzyszą znaczące drgania oraz hałas. W układach napędowych wrażliwych na poziom pulsacji momentu elektromagnetycznego większość stanów awaryjnych uniemożliwia kontynuację dalszej pracy silnika. W przypadkach zwarć lub przerw może dodatkowo dojść do uszkodzenia termicznego pozostałej części uzwojenia pasma z uwagi na wzrost wartości skutecznej prądu. LITERATURA [1] STEPHENS C. M., Fault detection and management system for fault-tolerant switched reluctance motor drives, IEEE Trans. Ind. Appl., Vol. 27., No. 6, pp , Nov./Dec [2] HUSAIN I. and ANWAR M. N., Fault analysis of switched reluctance motor drives, in Proc. Int. Conf. Electric Machines and Drives (IEMDC), May 9 12, pp [3] GAMEIRO N. S. and MARQUES CARDOSO A. J., Analysis of SRM drives behavior under the occurrence of power converter faults, in Proc. IEEE Int. Symp. Industrial Electronics (ISIE), Ann Arbor, MI, Jun.2003, Vol. 2, pp [4] GOPALAKRISHNAN S., OMEKANDA A. M. and LEQUESNE B., Classification and remediation of electrical faults in the switched reluctance drive, IEEE Trans. Ind. Appl., Vol. 42, No. 2, Mar./Apr METHOD OF ELECTRICAL FAULTS DIAGNOSTIC IN SWITCHED RELUCTANCE MOTOR Diagnostic method of electrical faults in switched reluctance motors (SRM) based on current harmonics analysis is presented in this paper. The classification of electrical faults in SRM's has been discussed, simulation model and laboratory test stand presented. For the SRM motor of 6/4 design the conclusions drawn from the tests conducted both in the simulated and laboratory conditions for regular operation and selected electrical faults. The electrical fault type found in the machine was determined on the content of harmonics of higher order in the source current. The conclusions are included.