永磁直线同步电机失步故障的谐波诊断技术研究
王 鹏
【摘 要】摘 要:永磁直线同步电机(PMLSM)在力能指标、速度、定位精度、效率等方面具有显著的优势，因此广泛用于电子生产设备和精密数控机床等高精密直驱系统。PMLSM受到来自电网、负载及电机本身的各种扰动导致失步故障的发生。本文提出分析失步故障的电流等参量的谐波的方法研究PMLSM失步机理、特征等特性。对获取的PMLSM的三相离散电流信号分别进行快速傅里叶变换(FFT)分析，比较PMLSM失步状态下与正常运行电流的幅频特性，建立PMLSM失步故障的准确预测准则。为预防PMLSM失步提供实施保护策略的理论根据。 【期刊名称】煤
【年(卷),期】2011(020)011 【总页数】3
【关键词】关键词:永磁直线同步电机(PMLSM);失步故障;快速傅里叶变换(FFT);幅频特性
随着人们对永磁材料的深入研究，以及科学技术的进步，出现了许多性能各异的永磁材料。这些材料尤其是稀土永磁材料应用到PMLSM(PMLSM)，大大的提高了PMLSM的性能，集永磁电机及直线电机的优异性能于一体。一方面，作为永磁电机，具有结构简单，运行可靠;体积小，重量轻;损耗小、效率高;电机的形状和尺寸灵活多样等诸多优点。另一方面，作为直线电机，具有“直接驱动”的性能［1，2］。正因如此，永磁 PMLSM 满足了制造业向着高速化、高精密化、微型化的发展需求，在高效、高精密的电子工业专用装备与高速高
精密机械制造装备中得到了广泛的研究及开发应用。
在PMLSM使用过程中由于来自电网、负载及PMLSM本身等的各种扰动不断的破坏，会导致PMLSM发生所谓的失步现象。PMLSM失步不仅对工作系统会产生严重的影响，同时对PMLSM本身也会产生严重损害。PMLSM的性能直接影响着数控系统的性能，PMLSM的失步会直接影响数控系统的稳定性和控制精度，导致机床的加工精度下降。另外，电源中断又重新恢复瞬间，PMLSM受到巨大的冲击电流而失步将引起初级和次级绕组崩断、绝缘损伤，还可能进一步扩大成为电机内部短路的严重事故［2］。因此失步预测直接关系到PMLSM能否稳定运行及工作的正常进行。
1 PMLSM失步机理及危害分析
由于PMLSM在正常运行过程中，不可避免地会遇到各种各样的外界故障，例如供电电源的大幅度突降、母线电压的大幅度降低、电动机负载的突然增加等扰动超过电机稳定极限时，就会造成电机的失步，造成电机设备不同程度的损坏。PMLSM保持正常同步运行的一个必要条件和显著标志是:它的转速必须与电网严格对应，电动机的转子和转子磁场必须与定子旋转磁场严格同步［3］。这种严格的对应和同步关系是以转轴上的转矩平衡为基础的。但来自电网、负载以及电机本身的各种扰动不断地破坏着电机轴上的转矩平衡关系。尽管电机按其本身的特性，具有一定的调节能力，以功角δ的相应变化自动地调节电磁转矩的大小，以抵消各种扰动所引起的不平衡，使转轴上的转矩关系处于动平衡之中。但电机的这种自动调节能力是有限度的，当扰动大到一定程度或超过一定时限，就会导致电机失步。因此，所谓失步是这样一种情况，转子转速不再和定子旋转磁场的同步转速保持一致，δ角在0～360°范围内变化［4－7］。
PMLSM失步运行时，在定子回路中会出现幅值较大的振荡电流，该电流可产生扭转转矩，周期性作用于转子，使轴扭伤，缩短PMLSM的使用寿命。同时在转子回路中也会感应出较高的交流电势，而且随着电机的额定电压其额定容量的增大而不断提高，使得PMLSM转子回路过电压问题显得更加突出。其后果是轻则造成生产中断或工艺混乱，重则造成设备损坏和其他严重事故。因此，通过研究PMLSM失步起因、失步过程中电机转速、电流、初级次级磁场等各参数的变化，研究PMLSM各种失步的原因及其预测保护方案［8］。图1为两条功角曲线，分别对应于不同的电网电压幅值。假设电机开始运行于曲线1上的A点，负载转矩Mc与电机的电磁转矩M平衡，电机稳定运行。当电网电压有所降低时，电机的功角特性由曲线1改为曲线2运行。此时，由于转速不能突变，功角δ在最初瞬间仍为δA，运行点由A点降为A＇点。这样Mc＞M，转子开始减速，δ开始增大，当达到B＇点时功率达到平衡，此时转子转速已低于同步速，δ角继续增加，达到B＇的右侧。M ＞Mc，又使转子加速，直到 δ=δD＇(即不稳定的功率平衡点)时，转子得到的加速动能仍不能补偿A＇到B＇间的减速能量，电机的转速仍低于同步转速，δ继续最大，一旦越过 δD＇，使得 M ＜Mc，电机又受到制动转矩的作用，于是转子不断减速，这样就不能维持同步运行［9－12］。
2 PMLSM电流信号FFT分析
截取PMLSM正常运行部分的A相电流信号数据，设为Excel格式文件并导入Origin，经曲线绘制得到PMLSM同步时的电流曲线，如图2所示。同时截取PMLSM由同步进入异步运行的电流信号，由此绘制曲线图如图3所示。 图2与图3比较可以清晰的看到，当PMLSM进入异步运行时，电流的明显变
永磁直线同步电机失步故障的谐波诊断技术研究
