电机论文范文

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在变频电机调速控制系统中，采用电力电子变压变频器作为供电电源，供电系统中电压除基波外不可避免含有高次谐波分量，对外表现为非正弦性，谐波对电机的影响主要体现在磁路中的谐波磁势和电路中的谐波电流上，不同振幅和频率的电流和磁通谐波将引起电动机定子铜耗、转子铜(铝)耗、铁耗及附加损耗的增加，最为显著的是转子铜(铝)耗。这些损耗都会使电动机效率和功率因数降低。同时，这些损耗绝大部分转变成热能，引起电机附加发热，导致变频电机温升的增加。如将普通三相异步电动机运行于变频器输出的非正弦电源条件下，其温升一般要增加10%～20%。同时这些谐波磁动势与转子谐波电流合成又产生恒定的谐波电磁转矩和振动的谐波电磁转矩，恒定谐波电磁转矩的影响可以忽略，振动谐波电磁转矩会使电动机发出的转矩产生脉动，从而造成电机转速(主要是低速时)的振荡，甚至引起系统的不稳定。谐波电流还增加了电机峰值电流，在一定的换流能力下，谐波电流降低了逆变器的负载能力。对于变频电机，如何在设计过程中采取合理措施避免或减小应用变频器所带来的影响，以求得系统最佳经济技术效果，是本文讨论的重点。

二、变频电机设计特点

对于变频电机，其设计必须与逆变器、机械传动装置相匹配共同满足传动系统的机械特性，如何从调速系统的总体性能指标出发，求得电机与逆变器的最佳配合，是变频电机设计的特点。设计理论依据交流电机设计理论，供电电源的非正弦以及全调速频域内达到满意的综合品质因数是变频电机设计中需要着重注意的两个问题，设计中参数的选取应做特别的考虑。与传统异步电机相比，一般变频电机设计有如下一些特点：

1.用于变频调速的异步电动机要求其工作频率在一定范围内可调，所以设计电机时不能仅仅考虑某单一频率下的运行特性，而要求电机在较宽的频率范围内工作时均有较好的运行性能。如目前大多调速异步电动机的工作频率在5Hz~100Hz内可调，设计时要全面考虑。

2.变频电机在低速时降低供电频率，可以把最大转矩调到起动点，获得很好的起动特性，因而在设计变频电机时不需要对起动性能作特别的考虑，转子槽不必设计为深槽，从而可以重点进行其它方面的优化设计。

3.变频电机通过调节电压和频率，在每一个运行点都可以有多种运行方式，对应多种不同的转差频率，因而总能找到最佳的转差频率，使电机的效率或功率因数在很宽的调速范围内都很高。因而，变频电机的功率因数和效率可以设计得更高，功率密度得以进一步提高。现有数据表明：在额定工作点，逆变器供电下的异步电机效率比普通电机高2%~3%，功率因数高10%~20%。

4.变频电机采用变频装置供电，输入电流中含有较多的高次谐波，产生电机局部放电和空间电荷，增大了介质损耗发热和电磁振动力，加速了绝缘材料的老化，所以应加强电机绝缘和提高整体机械强度，变频电机的绝缘强度一般要达到F级以上。

5.变频供电时产生的轴电压和轴电流会使电机轴承失效，缩短轴承使用寿命，必须在设计上要加以考虑。对较小的轴电流，可以适当增大电机气隙和选用专用脂；另外，增加轴承的电气绝缘或者将电机轴通过电刷接地，可以有效解决轴承损坏问题；对过高轴电压，应设法隔断轴电流的回路，如采用陶瓷滚子轴承或实现轴承室绝缘。同时，在逆变器输出端增加滤波环节，降低脉冲电压dU/dt也是一种有效的方法。

三、电磁设计

在普通异步电动机设计基础之上，为进一步提高变频调速电机的性能，对变频调速异步电动机的设计参数也要进行更加细致的考虑。满足高性能要求时的变频电机设计参数的变化与设计目标之间的关系。在设计参数和性能要求之间还必须折衷选择。电磁设计时不能仅限于计算某一个工作状态，电磁参数的选取应使每个频率点的转矩参数满足额定参数要求，最大发热因数满足温升限值，最高磁参数满足材料性能要求，最高频率点满足转矩倍数要求，额定点效率、功率因数满足额定要求。由于谐波磁势是由谐波电流产生的，为减小变频器输出谐波对异步电动机工作的影响，总之是限制谐波电流在一定范围内。

四、绝缘设计

电机运行于逆变电源供电环境，其绝缘系统比正弦电压和电流供电时承受更高的介电强度。与正弦电压相比，变频电机绕组线圈上的电应力有两个不同点：一是电压在线圈上分布不均匀，在电机定子绕组的首端几匝上承担了约80%过电压幅值，绕组首匝处承受的匝间电压超过平均匝间电压10倍以上。这是变频电机通常发生绕组局部绝缘击穿，特别是绕组首匝附近的匝间绝缘击穿的原因。二是电压(形状、极性、电压幅值)在匝间绝缘上的性质有很大的差异，因此产生了过早的老化或破坏。变频电机绝缘损坏是局部放电、介质损耗发热、空间电荷感应、电磁激振和机械振动等多种因素共同作用的结果。变频电机从绝缘方面看应具有以下几个特点：(1)良好的耐冲击电压性能；(2)良好的耐局部放电性能；(3)良好的耐热、

耐老化性能。

五、结构设计

在结构设计时，主要也是考虑非正弦电源特性对变频电机的绝缘结构、振动、噪声冷却方式等方面的影响，一般应注意以下问题：

1.普通电机采用变频器供电时，会使由电磁、机械、通风等因素所引起的振动和噪声变得更加复杂。在设计时要充分考虑电动机构件及整体的刚度，尽力提高其固有频率，以避开与各次力波产生共振现象。

2.电机冷却方式：变频电机一般采用强迫通风冷却，即主电机散热风扇采用独立的电机驱动，使其在低速时保持足够的散热风量。

3.对恒功率变频电机，当转速超过3000r/min时，应采用耐高温的特殊脂，以补偿轴承的温度升高。

4.变频电机承受较大的冲击和脉振，电机在组装后轴承要留有一定轴向窜动量和径向间隙，即选用较大游隙的轴承。

5.对于最大转速较高的变频电机，可在端环外侧增加非磁性护环，以增加强度和刚度。

6.为配合变频调速系统进行转速闭环控制和提高控制精度，在电机内部应考虑装设非接触式转速检测器，一般选用增量型光电编码器。

7.调速系统对传动装置加速度有较高要求时，电机的转动惯量应较小，应设计成长径比较大的结构。

六、结论

与普通异步电动机不同，变频调速异步电动机采用变频器供电，其运行性能与电机本体和调速系统的设计都密切相关。这一方面使变频调速电机的设计要同时兼顾电机本体和调速系统；另一方面也使得变频调速异步电动机的设计变得灵活，但同时也增加了高性能变频调速系统设计的复杂程度。只有结合变频器和一定的控制策略，从整体上进行电机的设计和优化，才能获得最理想的运行性能。

参考文献：

[1]ANDRZEJM.TRZYNADLOWSKI著，李鹤轩，李扬译.异步电动机的控制.北京：机械工业出版社，2003.

[2]陈伯时，陈敏逊.交流调速系统(第2版).北京：机械工业出版社，2005.

[3]沈本荫.牵引电机.成都：西南交通大学出版社，1990.

[4]孟朔.适用于变频调速系统的异步电机设计与分析方法的研究[D].清华大学，2000.

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关键词：输配电系统规划；遗传算法；最短路算法；启发式方法

1、引言

从物理或数学意义的角度讲，不同电压等级网络的综合规划对获得全局最优解，得到总体上最大的经济效益是必要的。然而，输配电系统的同时综合规划长期以来并不被人们所重视，在实践中，人们普遍采用将各电压等级系统分层规划的策略。造成这种状况的原因主要是：

①输配电系统的网络结构不同，进而导致优化算法不同；

②各电压等级综合规划导致问题规模激增。另外，各级电网的分层管辖也是造成分层规划的一个实际原因。

本文对多电压等级、不同网络结构的输配电系统综合规划问题进行了研究，提出了基于知识的最短路遗传算法的解决方法[1].文献[1]利用最短路遗传算法求解了配电系统重构问题。实际上，网络规划问题与网络重构问题可被看成一类问题，只不过是弧费用的计算方法不同而已，即规划问题的弧费用需要用分段函数来表示，从而考虑固定投资和不同的线型。

2、不同电压等级的开环系统综合规划

在电力系统中，为了避免电磁环网，高中压配电网必定是开环运行的。这时就能利用能生成树状网络的最短路遗传算法来求解不同电压等级的开环系统综合规划问题。对于规划问题中根据安全性和可靠性的要求需要闭环设计的系统，可以先应用本文的方法得到树状网络，然后采用文献[2]的方法进行专门的联络线优化，以构成环网。最短路遗传算法是在同一个电压等级中实现的[1]，这样才能直接将负荷潮流迭加到各弧的流量上。对于多电压等级系统，只需仿照标幺值计算的原理将各电压等级的电气量折算到某一选定的电压等级上，就可以采用最短路遗传算法进行网络的全局优化。

3、开环与非开环混合输配电系统综合规划

如果需要进一步将开环与非开环系统综合规划，或配电系统允许弱环运行，最短路遗传算法就不能直接应用了。

但是，经过下述2个改变以后，最短路遗传算法即可近似地求解上述问题了。

3.1节点入度限制

首先，应允许在不需要放射运行的节点构成环。这可通过检测和限制节点入度数的方法来实现。最短路遗传算法中，在形成寻路网络Gm时，当某个中间节点k的入弧数Nin-x-m=1时，则其余指向该节点的有向弧（潮流必为0）均舍弃，这保证了最终形成的网络为放射状。现在，对每一节点规定最大入弧数，即最大入度Nin_k_MAX，若节点k属于放射状运行系统，则令其为1，否则令其为该节点最大允许的进线数。Nin_k_m记录节点k入弧数的变化情况，其初始值为0，并有机会逐渐增加。当时，其余指向该节点的有向弧（潮流为0）均舍弃。即实现了不同运行方式系统对网络结构的要求。经过以上改进的最短路遗传算法就可以解决开环与非开环系统综合规划在网络结构方面的要求。虽然，从原理上说它得到的只是较优解。

但可证明当各负荷大小趋近于0时，这种方法得到的解就会与全局最优解一致。当负荷越大时，其解越可能偏离最优解，因为此时该负荷有很大可能是由多个实际电源点供电。由于负荷通常在较低电压等级，而允许成环网运行的网络是在很高的电压等级，且低压负荷的容量比高压环网系统中元件的容量要小得多，所以，可近似地认为负荷点是由一个（实际）电源点供电，因此用最短路遗传算法获得的解将接近于实际最优解。

3.2有功潮流

由于网孔的出现，使得以负荷复电流（或功率）直接迭加构成线路中潮流的方法失去了合理性。因为只有一个虚拟源点，对于同时由2条以上供电路径供电的节点来说，可能会导致矛盾的节点电压。为了避免这种情况，此时可只考虑有功功率的优化。实际上对于允许环网的系统规划问题，现有的方法[3]也全是只考虑有功优化，而无功配置和电压控制由专门的无功优化来完成。这是因为：一方面，无功设备的投资一般要比线路、变压器和有功电源的投资小得多；另一方面，无功潮流在一定程度上可独立于有功潮流的控制。

4、基于知识的高效最短路算法

尽管最短路遗传算法不会有维数灾问题。

但是基本的Dijkstra最短路算法的计算时间复杂性是O（N2），其中N是规划问题的网络流模型的节点数，因此，基于最短路算法的局部优化算法的计算时间复杂性是O（N3）（认为负荷数与节点数成一定比例）；若遗传算法的种群个体数和最大代数取固定值，则最短路遗传算法的计算时间复杂性是O（N3）。可见随问题规模的增大，最短路遗传算法的计算时间也将很长。实际上，直接在输配电系统规模非常庞大的网络上利用常规的最短路算法为某一个负荷点寻找供电路径是很不必要的。对于一个负荷点来说，整个系统中可能为其供电的元件只是很小的一部分。如果能根据输配电系统的实际信息把这一小部分元件提取出来后再应用最短路算法，则最短路算法的寻路时间将大大缩短。而由前面的分析可知，最短路算法的计算时间复杂性决定了整个算法的计算时间复杂性。我们称这个被提取出来供寻找负荷m的最经济供电路径的网络为寻路网络Gm.用以提取寻路网络的方法应具备以下特点：

①易于计算机实现。

②在保证不丢失最优解的基础上，尽可能缩小寻路网络。下面，以一个实例来说明如何实现基于输配电系统知识的最短路算法。

若现有10kV，66kV，220kV，3个电压等级系统，要寻找负荷m的最优供电路径，则可按以下步骤提取寻路网络Gm.

（1）将输配电系统按电压等级分层，负荷点通常在最底层10kV层，虚拟电源点在最高电压等级层220kV层。

（2）定义元件Aij到负荷点m的距离为式中为元件Aij的起点坐标；XB-ij、yE-ij为元件Aij的终点坐标；Xm、Ym为负荷点m的坐标；Kij-m为元件Aij到负荷点m的距离调节系数，通常取1，可用于考虑一些特殊供电情况。按最大供电半径Rm选择出可能给负荷点m供电的10kV区域：若10kV元件（线路、变压器或变电站）与负荷点m的距离大于Rm，则认为其不可能为m供电，因此不加入寻路网络。反之，则将相应的元件加入负荷点m的寻路网络。

（3）通常希望尽可能通过具有主干线型或可靠性高的主干网络传送电能，并且减少电能在主干线型和次要线型间的转换。因此，规定最大精细寻路半径rm.在此半径之外，凡是具有非主干线型或位于次要分支线路或非主干路由（对于规划问题由于许多路由上线型未确定，因此这里用“非主干路由”一词）上的元件都不加入寻路网络，而在此半径之内的元件全加入寻路网络。

（4）经上述步骤形成的10kV系统范围内的寻路网络Gm_10包含有若干66kV/10kV变电站，它们对于10kV负荷点m来说是可能的供电点，而对于66kV系统来说是可能的负荷点。对这些变电站的每一个均采用与步骤（2）、（3）类似的方法，可得到其在66kV系统范围内的寻路网络，这些网络的并集构成负荷m在66kV系统范围内的寻路网络Gm_66.

（5）同理，Gm_66中所包含的220kV/66kV变电站也可看成220kV系统的负荷点。采用与步骤（4）同样的方法可获得负荷点m在220kV系统范围内的寻路网络Gm_220.当然，Gm_66中也可能包含发电厂，此时，可认为其是通过一条无损耗、无费用的虚拟弧，由设于220kV系统的虚拟源点供电。

（6）获得负荷点m在整个输配电系统的寻路网络为显然，经过以上步骤处理后，得到的负荷点m的寻路网络Gm要比初始的整个网络要小得多，因此最短路算法的计算量也将大大缩小。

5、结论

本文对多电压等级、不同网络结构的输配电系统的综合规划问题进行了研究。在解决了电压等级折算问题后，给出了基于最短路遗传算法的纯开环输配电系统综合规划的方法。以此为基础，通过控制节点出入度，并且只针对有功潮流进行优化，又提出了开环与非开环混合的输配电系统综合规划问题的近似解决方法。为了解决输配电系统规模大而造成的计算量问题，给出了基于输配电系统知识的最短路算法的实现方法。

参考文献

[1]余贻鑫，段刚（YuYixin，DuanGang）。基于最短路算法和遗传算法的配电网络重构（Shortestpatyalgoithmandgeneticalgorithmbaseddistributionsystemreconfiguration）[J].中国电机工程学报（ProceedingsoftheCSEE），2000，20（9）：44-49.

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关键词：抽油机低压配电系统无功补偿

1前言

中原油田油区配电系统是采用35kV直配供电方式，配电变压器(35/0.4kV)和低压配电装置设在计量站，再由计量站经低压电缆辐射配电至抽油机电动机(额定电压为交流380V、额定容量45～55kW，油区主要用电负荷为抽油机电机)。低压配电系统一般采用在计量站变压器低压侧进行集中自动无功补偿。根据多年的运行情况，我们认为这种无功补偿方式、补偿装置的安装位置不能满足实际补偿的需要，致使油区低压配电系统的功率因数长期偏低(约0.5左右)，低压配电线路损耗过大，系统的整体经济效益下降。因此，经过我们对油区抽油机负荷特点的分析研究，提出了在油区抽油机电机旁进行无功就地补偿，即直接把补偿装置并接在抽油机电机的接线端。通过应用效果较好，目前我局油区低压配电系统的功率因数显著提高，线路损耗大幅度降低，取得了较好的经济效益。

2抽油机负荷的特点

在油田的后期原油生产中，机械采油是生产原油的主要手段，同时机械采油的电力消耗也是主要的能耗之一。就中原油田而言，油区抽油机负荷约占生产用电负荷的80%以上。而这类负荷是一种依抽油机的冲程为周期性连续变化的负荷。电动机功率的匹配通常是根据负载电流或扭矩变化规律，按均方根求出等值电流或等值扭矩来计算的。但在实际运行中，因藏油情况的变化、泵挂深度的改变、地面调参情况的优劣及自然气候等因素的影响，抽油机电机的运行与负载的变化又很难处于最佳配置中，所以使得抽油机电机实际运行中负载率低下，又因单井电动机的无功补偿不到位，致使整个油区低压配电系统的功率因数偏低，力能指标(η×cosφ)也就低下。因此机采系统单井用电的功率因数的高低，是决定整个油区低压配电系统功率因数高低的关键因素，要想提高油区低压配电系统的功率因数，必须提高单井用电的功率因数，这对提高电能的利用率，获得可观的经济效益具有重大的现实意义。

3无功补偿方式存在的问题

我局油区在计量站采用自动分级无功补偿装置进行集中无功补偿，补偿容量按照变压器低压侧的功率因数，用交流接触器投切进行调节，其存在的问题如下：

(1)现场测试情况：

测试表明：抽油机电动机在运行过程中，需要电力系统提供的有功功率、无功功率及功率因数都在不断的变化，而功率因数的变化不能正确反映系统对无功功率的需要，且其在某一状态下持续的时间极短，造成补偿设备(交流接触器用于无功补偿投切开关)投切跟不上功率因数的变化，所以补偿效果极不理想。因此按功率因数调节无功补偿容量，达不到预期的补偿目的。

(2)补偿装置安装地点不妥：

在计量站安装的集中补偿装置，也仅能对变压器及以上的线路、设备进行无功补偿，而不能对抽油机电机供电线路进行补偿，从而不能最大限度地减少系统的无功输送量，无法使得整个线路和变压器的有功损耗减少到最低限度。

4技术改造措施

(1)无功补偿方式的确定：

根据以上分析和实际测试，抽油机电机在运行过程中需要从电网中吸取一定的无功功率，因此最简单的补偿方式就是在抽油机电机处加一适当容量的电力电容器进行补偿。由于无功功率在一定的范围内波动，如果采用自动补偿装置，将会得到更好的补偿效果，但其造价将是固定补偿装置的5～10倍。因此根据我们采用固定补偿后所取得的效果，没有必要采用自动补偿装置。

(2)无功补偿装置及容量的确定：

按照《供配电系统设计规范》规定，接在电动机控制设备侧电容器的额定电流，不应超过电动机励磁电流的0.9倍；其馈线和过电流保护装置的整定值，应按电动机-电容器组的电流确定。按照上述规定，抽油机电机采用就地固定补偿时，补偿容量宜按电动机的实测最小无功的90%左右确定。

结合我们中原油田的实际情况，我们研制开发了一种无功就地固定补偿装置。该装置为箱式结构，内装电容器及自动空气开关等。其额定电压为交流400V、额定频率50Hz，装置有较强的抗过压能力，允许在1.2Ue下长期运行，具有防爆、拒燃、无污染、防盗、防振、防阳光辐射功能，投切方式为手动，即与电动机的投切同步，极适合于油田野外运行环境条件。主设备电容器为干式银锌镀膜边油加厚，有较强击穿自愈能力。电容器的保护是采用元件熔丝保护。抽油机电机的额定容量一般在45～55kW，因此共设计了三种型式的补偿装置，以满足实际需要。每种型式的补偿装置通过调节电容器输出端子的接线，都可输出三种不同的容量，其中型式一为15±3kvar、型式二为19±3kvar、型式三为27±3kvar。

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关键词：DSPFPGA3／3相双绕组感应发电机

1系统简介

3／3相双绕组感应发电机带有两个绕组：励磁补偿绕组和功率绕组，如图1所示。励磁补偿绕组上接一个电力电子变换装置，用来提供感应发电机需要的无功功率，使功率绕组上输出一个稳定的直流电压。

图1中各参数的含义如下：

isa,isb,isc——补偿绕组中的励磁电流；

usa,usb,usc——补偿绕组相电压；

ipa,ipb,ipc——功率绕组电流；

upa,upb,upc——功率绕组相电压；

udc——二极管整流桥直流侧输出电压；

uc——变流器直流侧电容电压。

电力电子变换装置由功率器件及其驱动电路和控制电路两部分组成。功率器件选用三菱公司的智能功率模块（IPM）PM75CSA120（75A／1200V），驱动电路使用光耦HCPL4502。控制电路由DSP＋FPGA构成。

图2控制电路的接口电路

2EPM7128与TMS320C32同外设之间的接口电路

图2所示为控制电路的接口电路。控制电路使用的DSP是TMS320C32，它是TI公司生产的第三代高性能的CMOS32位数字信号处理器，其凭借强大的指令系统、高速数据处理能力及创新的结构，已经成为理想的工业控制用DSP器件。其主要特点是：单周期指令执行时间为50ns，具有每秒可执行2200万条指令、进行4000万次浮点运算的能力；提供了一个增强的外部存储器配置接口，具备更加灵活的存储器管理与数据处理方式。控制电路使用的FPGA器件为ALTERA公司的EPM7128，它属于高密度、高性能的CMOSEPLD器件，与ALTERA公司的MAXPLUSII开发系统软件配合，可以100％地模仿高密度的集成有各种逻辑函数和多种可编程逻辑的TTL器件。采用类似器件作为DSP的专用集成电路ASIC更为经济灵活，可以进一步降低控制系统的成本。

电压检测使用三相变压器，电流检测使用HL电流传感器。电平转换电路用来将检测到的信号转换为0～5V的电平。A／D转换器选用ADS7862。保护电路使用电压比较器311得到过压／过流故障信号。

DSP完成以下四项工作：数据的采集和处理、控制算法的完成、PWM脉冲值的计算和保护中断的处理。

FPGA完成以下三项工作：管理DSP和各种外部设备的接口；脉冲的输出和死区的产生；保护信号的处理。

图3FPGA与A/D转换器和DSP之间的接口

3使用FPGA实现DSP和ADS7862之间的高速接口

ADS7862是TI公司专为电机和电力系统控制而设计的A／D转换器。它的主要特点是：4个全差分输入接口，可分成两组，两个通道可同时转换；12bits并行输出；每通道的转换速率为500kHz。控制方法为：由A0线的值决定哪两个通道转换；由Convst线上的脉宽大于250ns的低电平脉冲启动转换；由CS和RD线的低电平控制数据的读出，连续两次读信号可以得到两个通道的数据。

系统中使用了两片ADS7862，它们的控制线使用同样的接口，数据线则分别和DSP的高／低16位数据线中的低12位相连接。这样DSP可以同时控制两片A／D转换器：4通道同时转换；每次读操作可以得到两路数据。

如图3所示，将A／D转换器的控制信号映射为DSP的三个外部端口：A0、ADCS（和ADRD使用一个端口）和CONVST。在FPGA中使用逻辑译码器对端口译码。利用AHDL语言编写的译码程序如下：

TABLE

A[23．．12],IS,RW＝＞A0,ADCS,CONVST,PWM1,PWM2,PWM3,PWM,PRO,CLEAR;

H″810″,0,0＝＞0,1,1,1,1,1,1,1,1;

H″811″,0,1＝＞1,0,1,1,1,1,1,1,1;

H″812″,0,0＝＞1,1,0,1,1,1,1,1,1;

H″813″,0,1＝＞1,1,1,0,1,1,1,1,1;

H″814″,0,0＝＞1,1,1,1,0,1,1,1,1;

H″815″,0,0＝＞1,1,1,1,1,0,1,1,1;

H″816″,0,0＝＞1,1,1,1,1,1,0,1,1;

H″817″,0,1＝＞1,1,1,1,1,1,1,0,1;

H″817″,0,0＝＞1,1,1,1,1,1,1,1,0;

ENDTABLE

其中，0表示低电平，1表示高电平。RW＝1表示读，RW＝0表示写。

DSP对这三个端口进行操作就可以控制A／D转换器：写CONVST端口可以启动A／D转换器；读ADCS端口可以从A／D转换器中读到数据；写数据到A0端口可以设置不同的通道。

使用上述方法可以实现DSP和A／D转换器之间的无缝快速连接。

4使用FPGA实现PWM脉冲的产生和死区的注入

FPGA除了管理DSP和外设的接口外，还完成PWM脉冲的产生和死区的注入。将PWM芯片和死区发生器集成在FPGA中，就可以使DSP专注于复杂算法的实现，而将PWM处理交给FPGA系统，使系统运行于准并行处理状态。

5使用FPGA实现系统保护

为了保护发电机和IGBT功率器件，励磁控制系统提供了多种保护功能：变流器直流侧过压保护；变流器交流电流过流保护；变流器过温保护；发电机输出过压保护；IPM错误保护。

图5稳态时励磁绕组电压电流及系统直流电压波形

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1.1系统用户界面层

系统用户界面层相当于是整个系统的窗门，在该层面的用户可以通过相关操作对整个系统的运行进行控制。同时，系统也会将自身的运行情况和数据信息通过窗口的形式展现给用户，使用户能够对整个系统的运行情况进行详细了解，进而确保整个系统的高效、精确运行。

1.2系统应用服务层

在该层，用户可以对整个系统的具体运行情况和操作进行控制，进而实现对风电机组塔架进行快速设计，并对设计进行进一步优化。在该层面，对Pro/E5.0软件系统的交互集成，主要是通过Pro/ToolkitAPI来实现。

1.3系统数据存储层

在整个优化设计系统中，数据存储层是最重要的组层部分，是整个系统得以实现运行和操作的基础。数据存储层的主要作用，就是对系统运行过程中的相关数据进行存储。按照存储数据的不同，可以将整个数据存储层细分为四个数据库，分别是参数库、实例库、规则库以及模板库。

1.3.1参数库

参数库，顾名思义，其主要作用就是对风电机组塔架的设计参数进行存储，其中，主要包括风电机组本身的技术参数、塔架设计的基本参数、塔架材料参数、零部件几何参数以及塔架设计优化参数等。

1.3.2规则库

规则库所存储的主要是风电机组塔架优化设计中的装配约束关系，而这些装配约束关系数据，都是以固定的规则格式存储在规则库中，当系统运行需要时，直接对其进行调用。

1.3.3实例库

该数据库内存储的主要是已经设计成功的风电机组塔架设计优化案例，详细包括了整个塔架设计过程中所涉及到的相关数据、规则以及零部件配置信息等，主要作用是为了给风电机组塔架设计优化提供可供参考的设计依据。

1.3.4模板库

该数据库的主要作用是对塔架优化设计的模板文件进行存储，通过这些模板文件能够直接对塔架的整体骨架进行快速组装和设计。而这些模板文件都存储在指定目录之下，当系统设计需要时可以直接通过目录进行调用。

2风电机组塔架优化设计系统功能分析

2.1结构配置模块

首先，设计人员要在对风电机组塔架设计具体需求的基础上，对整个风电机组塔架的总体结构进行初步设计，并由企业管理人员对初步设计方案进行审查，确定设计方案满足要求之后存储方案继续进行下一设计环节。其次，在完成塔架总体结构设计之后，设计人员应该在塔架总体结构初步设计的基础上对整个塔架的零部件进行选择，同时，为了确保选择的合理性，设计人员应该从现有结构模型中进行选择，以确定所选零部件的性能属性能够满足塔架优化设计要求，确定没有问题之后，、对零部件选择方案进行存储。在此过程中设计人员还应该注意，不论是在接下来的设计中发现塔架总体结构设计中出现问题，还是企业要对塔架设计进行适当调整，设计人员都应该在原有设计方案之下对塔架的总体设计进行调整和修改，并将修改之后的方案进行存储。

2.2分析优化模块

该功能模块的主要作用是对塔架总体结构的设计进行分析，并对分析结果进行优化处理。在该功能模块，设计者需要先从结构配置模块中取出塔架总体结构设计的主要数据，并针对结构数据对初始参数进行准确设定。然后，再利用有限元分析软件建立起有限元分析模型，病通过求解器对塔架总体结构的静态强度和模拟形态进行详细计算和分析，得出优化结果。最后，根据优化结果对塔架总体结构进行优化设计，并再次将优化结果存储。

2.3参数化设计模块

在通过以上两个模块对整个风电机组塔架总体设计进行确定之后，就需要通过参数化设计模块对塔架总体结构的相关设计参数进行提出分析和构建零件三维模型。通过参数化设计模块，设计人员可以在对塔架总体设计结构的相关参数进行提出之后，利用Pro/E二次开发接口将所得参数层输送到参数化程序中，由该程序对整个塔架的总体结构进行计算分析和参数化，然后生成塔架零件的三维模型，为塔架零件的选择和构造提供科学有效的参考依据。

2.4设计输出模块

设计输出模块的主要作用是将确定整体设计塔架的结构转化成二维工程图进行输出，附带详细的总体结构图、部件图和零件图，并注明详细尺寸和材料具体要求，以确保整个塔架优化设计的顺利实现。

3结束语

篇6

KEYWORDS：hydraulicengineering;faultdiagnosis;knowledgerepresentation

1引言

水电机组设备庞大、结构复杂、诱发故障的原因很多。其常见故障有：①机组轴承故障；②机组振动故障(根据振动诱发原因，水电机组振动大致可分为机械振动、水力振动、电气振动)；③水轮机汽蚀与泥沙磨损；④水轮发电机故障。

确立恰当的知识表示和推理方式是研制一个故障诊断专家系统的良好基础。迄今为止，设备故障诊断知识的表示多采用产生式规则，但对大型机组而言，大量诊断知识难以归纳为规则。实践证明［1］

纯粹使用产生式规则表示法描述故障诊断的知识远不足以反映引起机组故障原因的全部征兆。近年来，人们提出了一些将规则和神经网络集成表示的方法［1～3］，这些方法大多是在规则库的基础上将规则转化为网络表示，对于实时性要求较高、诊断规则较少和推理策略相对稳定的诊断系统具有一定的优势。然而，对于包含水、机、电等多方面因素的高度复杂的水电系统，上述集成方法也暴露出复杂故障诊断困难、知识库的开放性和透明度较低、人机交互能力差等方面的不足。

为充分满足水电机组故障诊断知识的多样性和复杂性对知识表示的要求，本文提出适用于水电系统故障诊断的知识表示方法。利用产生式模糊规则表示、可视化故障知识表示及神经网络表示等多种方法综合集成的知识表示方法，应用于某水电厂水电机组故障诊断专家系统实践中，取得了良好效果。

2集成知识表示方式

2.1产生式模糊规则表示法

将水电机组故障诊断领域专家及相关书籍中能用自然语言描述的普通诊断知识归纳为模糊规则，置信度由领域专家给出，典型振动故障规则如

若0且f＝fn(1)

则“定子椭圆度大”，规则置信度为0.8(一般取值范围为0～1)

式中Az为振动幅值；If为励磁电流；f为振动频率；fn为转速频率。

规则中出现的导数则反映了振动与各状态量之间的相互关系。

为了获得导数关系，可用式(2)近似计算一时间序列的离散采样数据

(2)

式中Δyi＝yi－yi－1，Δxi＝xi－xi－1，取算术平均值可有效地减小采样信号的测量噪音干扰。

根据机组故障特点，将诊断规则划分为多个相对独立的规则子集，形成各类规则库，以分类处理较为简单的单一故障，如可将振动故障规则划分为电气振动类规则库、机械振动类规则库和水力振动类规则库。此外，将相互耦合较强的规则单独成库，以处理较为复杂的多重故障。再在分类规则库中对规则进行分层组织。对规则库进行分类分层组织，能减少推理搜索空间，提高推理效率，同时亦有利于实现对规则库的增减和修改，提高系统的开放性和透明度。

2.2可视化故障知识表示法

人类知识积累的过程一般是从图形和图像开始，并逐渐走向抽象。随着计算机技术的发展，使得我们可以采用图表、声音、图像作为知识的载体，即可视化知识表示。一般来说，一个水电厂的故障记录大多为某些常见故障记录，其故障记录以文字、数据、图表、曲线、照片、录像等多种形式组成。传统知识表示方法仅适用于利用文字和数据方面的知识信息，而在声音和图像等方面知识信息的处理上却表现出明显不足，可视化知识表示方法的引入为表示和利用这些知识信息提供了条件。

本文通过对典型故障的历史记录中有关声音和图像部分的信息进行整理、剪辑和压缩处理，形成大量后缀名为Mov、Avi、Wav等多媒体文件，以实现可视化故障知识表示。然后，针对每一个典型故障设计一个DLL(动态链接库)文件，每一个DLL设置一个入口指针以便于外部的故障诊断专家系统主程序利用API函数进行调用。关于某一个典型故障的各种多媒体文件可看作为隶属该典型故障DLL文件的资源文件，多媒体文件的调用则通过OLE(对象的嵌入和链接)方法在DLL内部的交互式窗口中实现。至此，我们通过利用动态链接的方法和多媒体技术，为电厂中典型故障设计了一个可视化的典型案例库。

实际上，多媒体文件通常比较庞大(以Wav声音文件为例，一个可播放10s的录音文件约有1MB)，OLE和DLL方式的引入有利于发挥Windows高级编程的优势，避免可视化文件占用内存过大的缺点，提高专家系统的整体运行速度，满足诊断实时性的要求，确保可视化知识表示在实际系统中得以实现。可视化故障知识表示的引入既有利于增强整个系统知识的表达能力，又为专家系统提供了更为直观、形象、方便的解释方式，同时也为用户培训和实习提供了一条良好的途径。

2.3神经网络知识表示法

传统知识表示方式，如框架、规则和剧本等表示方式都只能处理类似人类自然语言的逻辑量，并不擅长表示大量的、多路的、数值性的变量，而水电厂中许多诸如振动、温度、流量、水头、效率、尾水脉动、电流和功率等变量的记录往往是进行下一次诊断的极为有用的知识信息。因此，如何对这些知识信息进行恰当地表示和推理一直是困扰传统故障诊断专家系统的一个主要难题。

神经网络的引入为解决以上难题提供了一个有力的工具。本文选择BP(BackPropagation)和PNN(ProbabilisticNeuralNetwork)前馈模型作为水电机组数值性知识的载体和指示故障分类的故障分类器。

BP网络是一种已成功获得广泛应用的

ANN前馈模型，其训练方法是典型的外监督(outer-supervised)学习。可以证明［4］，即使在模式空间中各样本分布相交错的复杂区域内，亦只需三层BP前馈网络就可构成任意复杂的故障分类判别映射。现采用三层BP网络作为可视化典型案例库的故障分类器，其输入节点数等于经过信号预处理后的故障特征个数n，隐层节点数视训练的具体情况决定，输出节点数等于典型案例库中的故障个数K。每一个典型故障对应一个K维导出矢量ui

ui＝(0，…，0，1i，0，…，0)i∈K(3)

PNN又称为概率神经网络，其训练方法是典型的自监督(self-supervised)学习，该模型特别适用于分属各个模式的训练样本较少，样本的分类模式属性已知的情况，因此该模型被我们选为类规则库的模式识别分类器，以尽可能全面地覆盖整个故障集。

用于模式识别的PNN，输出层的输出为模式样本后验概率估计的充要条件是隐层单元函数为Parzen窗密度核函数［4］。令X为任一随机输入向量，为某一故障模式的训练样本，如果将X、Xi都归一化成单位矢量，则PNN的第i个节点的输出yi可以表示为

(4)

式中Hi为PNN中第i个类别对应的隐节点数；K(。)为Parzen窗密度核函数；α为平滑参数；Wi表示第i个需要分类的模式集合；P(X/Wi)为输入矢量的类条件概率。

如果有m个故障模式类别,PNN就有m个输出节点，由式(4)可知，网络的隐层单元数正好等于参加训练的总样本数，输出yi的结果即为随机输入矢量的类条件概率。PNN无需训练，网络能根据每次输入样本的特性，由类别属性标记进行自监督，不断调整网络的连接权值，直至达到精度要求，所以，PNN能够满足训练的实时处理要求。

笔者曾尝试直接用机组历史故障记录中的时序数据对多种神经网络模型进行训练，训练结果均不理想，以某水电厂的某一机组的水轮机振动监测系统为例，非电量监测量(振动、摆度、导叶行程、水压等)就有19路信号，用多层BP网络和自组织映射网络Kohonen模型对上述监测量直接进行故障特征提取，均无法满足收敛性要求。因此在实际运用中，采用信号处理方法(如滤波、FFT、Wavelet分析等)对表征机组状态的故障数据进行预处理和故障特征初步提取，然后再将预处理后提取的特征量作为神经网络的输入。以振动故障诊断为例，首先对振动采样信号进行了滤波处理，然后对其进行FFT分析，最后再将振动信号的频谱作为PNN分类器的训练样本，表1和表2列出了振动故障PNN分类器所用的部分训练样本和测试样本。经过信号预处理后,神经网络的输入节点数大量减少，收敛能力明显增强。由表2可见，训练后的PNN对训练样本和测试样本都能较好地识别。应该指出，神经网络的分类和辩识能力取决于网络的学习水平，而仅仅依靠电厂的历史故障记录进行训练是很难完全覆盖整个故障集的，应不断用新的故障样本对神经网络进行训练更新。

3诊断推理策略

本集成专家系统的推理实际上是基于置信度的模糊推理。如前所述，在一定前提下每一条模糊诊断规则中含有一个取值在0～1之间的置信度。显然，这些规则的前提具有一定的不确定性，特别是各个导数关系有很大的模糊性。因此，当规则前提在程度深浅上发生变化时，本文利用了文［5］提出的基于置信度的模糊推理方法对规则的置信度进行一定地修正。另一方面，为了与模糊规则相衔接，本系统信号分析的结论用一定的置信度表示，而ANN分类器得出的分类结果(0～1之间的数)其实就是各类故障发生的置信度。至此，本专家系统的各个阶段的诊断推理过程都能在置信度上有所反映，置信度成为系统推理中确定故障发生可能性的一个根本依据。

从水电机组故障发生的几率来看，发生常见故障的可能性较大。考虑到，专家系统的诊断应面向更为全面的故障集，因此应将典型案例库及其BP网络分类器作为集成知识库中优先进行推理的部分，仅当不满足典型案例相似精度要求时，系统才转入类规则库及其PNN分类器执行进一步推理，其主要诊断过程如图1所示。

4诊断实例

以某水电厂#1机组在90年代初试运行期间发生的振动异常故障为例说明本专家系统的诊断过程。该厂总装机容量850MW，其机组发电机型号为SF200-56/2800，水轮机型号为HL220-LJ-550。#1机组试运行期间,上机架振动剧烈，为保证机组安全运行，对其进行了稳定性全面测试，其上机架振动波形如图2所示。

经过FFT分析上机架振动频谱特性，发现转频分量最大，其它分量则相对较小。经过神经网络故障分类器对FFT分析结果进行再推理后，得出发生机械方面故障的结论，神经网络分类结果如图3所示。由PNN分析结果，专家系统进入机械故障规则库执行模糊推理。经推理发现，上机架振动幅度随工况改变，其中随转速变化显著。最终，专家系统得出“转子(主要是发电机)质量失均，发电机同轴的励磁机转子不平衡”的诊断结论，提出“(1)作现场平衡(2)校正励磁机转子”的处理意见。东方电机厂的专家经现场会诊得出的诊断结论为：“发电机转子不平衡是导致机组过速时振动的根本原因，此外机组存在两个由尾水旋转涡带引起的不稳定运行负荷区也是造成机组振动的原因之一。可对发电机转子进行动平衡实验和对不稳定运行区进行补气处理”。

从二者诊断结论来看，本专家系统的诊断结论趋于保守，但二者的诊断结论在“转子不平衡”这一引起故障的根本原因上是一致的，提出的解决方法也基本相同。所以，本文提出的知识表示和推理方法是有效可行的，起到了智能诊断的效果。

5结论

人工神经网络在大规模数据处理中表现出来的优异的并行性、容错力和鲁棒性已经是一个不可辩驳的事实，就水电机组诊断系统而言，运用神经网络实时处理监测系统提供的大量的机组状态数据也就成为必然选择。基于规则和神经网络集成的智能系统，保留了神经网络所具有的较强的自学习、联想、容错和形式思维能力等优点，与规则表示方式具有的模块化、知识表示明确、和较强的逻辑思维能力等特点相融合，较好地解决了传统规则表示的专家系统知识获取困难、容错性差及实时性难以满足等问题。此外，可视化知识的引入也将丰富知识表示的概念，为人们多方面地理解如何更深层、更方便地获取知识和知识学习，提供了一条新思路。

参考文献：

［1］VerlynMJ，JohnVC.Buildingacompositesyntaxforexpertsystemshell［J］.IEEEEXPERT,1997,25(6):61～65.

［2］PatrickC,JohnA,JoanM.Applicationofneuralnetworkstoexpertsystemsandcommandandcontrolsystems［J］.IEEEEXPERT,1987,16(4):118～125.

［3］杨建刚，等.集成旋转机械故障诊断的知识表示与推理［J］.东南大学学报,1995,25(3).

篇7

关键字：汽车电机故障方法

1.电机故障诊断的特点及实施电机故障诊断的意义

1.1电机故障诊断的特点

电机的功能是进行电能与机械能量的转换，涉及因素很多，如电路系统、磁路系统、绝缘系统、机械系统、通风散热系统等。哪一部分工作不良或其相互之间配合不好，都会导致电机出现故障。因此，电机故障要比其它设备的故障更复杂，其故障诊断所涉及到的技术范围更广，对诊断人员的要求也就更高。一般来说，电机故障诊断涉及到的知识领域主要有[20]：电机理论、电磁测量、信号处理、计算机技术、热力学、绝缘技术、人工智能等。电机故障诊断的复杂性还表现在故障特征量的隐含性、故障起因与故障征兆之间的多元性。一种故障可能表现出多种征兆，有时不同故障起因也可能会反映出同一个故障征兆，这种情况下很难立即确定其真正的故障起因。另外，电机的运行还与其负载情况、环境因素等有关，电机在不同的状态下运行，表现出的故障状态各不相同，这进一步增加了电机故障诊断难度，所以要求对电机进行故障诊断首先必须掌握电机本身的结构原理、电磁关系和进行运行状况分析的方法，即掌握电机各种故障征兆与故障起因间的关系的规律。

1.2实施电机故障诊断的意义

电机的驱动易受逆变器故障的影响，在交流电机驱动系统中，逆变器短路故障将会使电机产生有规律波动的或是恒定的馈电扭矩，使车辆突然减速。研究表明：逆变器出现故障时，永磁感应电机将产生较大的馈电扭矩，而且永磁电机也有存在潜在的高消磁电流的问题。而感应电机在逆变器出现故障时所产生有规律的馈电扭矩将由于有持续的负载而迅速衰减，这说明了感应电机具有较高的容错能力，适应混合动力系统的要求。开关电机磁阻是最具有故障容错能力的电机，而且当其有一个逆变器支路出现故障时电机仍能产生净扭矩，另外，开关磁阻电机成本低，结构紧凑，但是开关磁阻电机有较大的噪声和扭矩脉冲，而且需要位置检测器，而这些缺点使得开关磁阻电机在现阶段不适合应用于混合动力客车上。在混合动力客车动力系统中，电机是作为辅助动力的，而且电机属于高速旋转设备，如果电机出现故障，电机产生的瞬态扭矩将使车辆的稳定性和动力性将受到影响，而且，电机由高压电池组驱动，如果电机出现故障而不能及时容错，电机产生的瞬态电流将使电池受到损害，因此在混合动力系统中对电机进行故障诊断是非常必要的。

2.电机的故障诊断方法及典型故障诊断分析

2.1电机故障的诊断方法

（1）传统的电机故障诊断方法

在传统的基于数学模型的诊断方法中，经典的基于状态估计或过程参数估计的方法被应用于电机故障检测。图1为用此类方法进行故障诊断的原理框图。这种方法的优点是能深入电机系统本质的动态性质，可实现实时诊断，而缺点是需建立精确的电机数学模型，选择适当决策方法，因此，当电机系统模型不确定或非线性时，此类方法就难以实现了。

（3）基于模糊逻辑的电机故障诊断方法

图3为基于模糊逻辑的电机故障诊断方法框图，故障诊断部分是一个典型的模糊逻辑系统，主要包括模糊化单元、参考电机、底层模糊规则和解模糊单元。其中，模糊推理和底层模糊规则是模糊逻辑系统的核心，它具有模拟人的基于模糊概念的推理能力，该推理过程是基于模糊逻辑中的蕴涵关系及推理规则来进行的。模糊规则的制定有两种基本方法：第一，启发式途径来源于实际电机操作者的语言化的经验。第二，是采用自组织策略从正常和故障电机测量获得的信号进行模糊故障诊断的制定，将此方法通过计算机仿真实现，对电机故障有较好的识别能力。

（4）基于遗传算法的电机故障诊断方法

遗传算法是基于自然选择和基因遗传学原理的搜索算法，它的推算过程就是不断接近最优解的方法，因此它的特点在于并行计算与全局最优。而且，与一般的优化方法相比，遗传算法只需较少的信息就可实现最优化控制。由于一个模糊逻辑控制器所要确定的参变量很多，专家的经验只能起到指导作用，很难根据指导准确地定出各项参数，而反复试凑的过程就是一个寻优的过程，遗传算法可以应用于该寻优过程，较有效地确定出模糊逻辑控制器的结构和数量。

遗传算法应用于感应电机基于神经网络的故障诊断方法的框图如图4所示。设计神经网络的关键在于如何确定神经网络的结构及连接权系数，这就是一个优化问题，其优化的目标是使得所设计的神经网络具有尽可能好的函数估计及分类功能。具体地分，可以将遗传算法应用于神经网络的设计和训练两个方面，分别构成设计遗传算法和训练遗传算法。许多神经网络的设计细节，如隐层节点数、神经元转移函数等，都可由设计遗传算法进行优化，而神经网络的连接权重可由训练遗传算法优化。这两种遗传算法的应用可使神经网络的结构和参数得以优化，特别是用DSP来提高遗传算法的速度，可使故障响应时间小于300μs，不仅单故障信号诊断准确率可达98%，还可用于双故障信号的诊断，其准确率为66%。

近年来，电机故障诊断的智能方法在传统方法的基础上得到了飞速发展，新型的现代故障诊断技术不断涌现：神经网络、模糊逻辑、模糊神经网络、遗传算法等都在电机故障诊断领域得到成功应用。随着现代工业的发展，自动化系统的规模越来越大，使其产生故障的可能性和复杂性剧增，仅靠一种理论或一种方法，无论是智能的还是经典的，都很难实现复杂条件下电机故障完全、准确、及时地诊断，而多种方法综合运用,既可是经典方法与智能方法的结合，也可是两种或多种智能方法的结合，兼顾了实时性和精确度,因此多种方法的有机融合、综合运用这一趋势将成为必然，也将成为电机故障在线诊断技术发展的主流方向。

参考文献：

[1]陈清泉,詹宜君，21世纪的绿色交通工具——电动汽车[M]，北京:清华大学出版社,2001

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有研究发现，外加电压小时，氧化膜绝缘，当电压升高到一定值时，氧化膜被击穿。当击穿后，不管电流如何增加，由于导电点的增加、导电面积的扩大，则接触电压保持恒定。

氧化膜具有非常好的性能，电刷与集电环接触表面起作用的层主要是石墨膜，这层石墨膜，将电刷与集电环分开，使摩擦在石墨层间进行，降低了摩擦系数，减少了摩擦热的产生，减少了电刷的磨损。电刷的过热故障，很多情况是由于氧化膜被破坏且无法重新建立导致的。

一、电刷及集电环常见故障的原因及解决办法

电刷在运行中最常见的故障为发热、产生火花、严重的烧损电刷刷握及集电环。从产生过热故障的原因看，主要有以下几个方面：

1、由于通风不良导致的发热：通风不良主要是因为冷却风道堵塞，集电环表面通风沟、通风孔堵塞、循环风扇风量下降等原因，尤其是当运行中集电环表面温度过高时，导致电刷磨损加剧，碳粉积聚增加，有可能会堵塞上述集电环表面的散热通道。因此在大小修时，应对集电环表面通风沟、孔以及冷却风道滤网进行清理，保持通畅。对于经过多次车削的集电环，如果集电环表面的通风沟高度不到5mm，已经车削到径向限制孔时，就应当按照说明书根据最小使用外径进行更换，以保证集电环的机械及散热可靠性。

2、由于接触电阻过大或分布不均匀而产生的发热：集电环和电刷是通过相互滑动接触导通励磁电流的，根据容量及型号的不同，每个集电环上大约分布着数十只电刷，由于接触电阻的不同，电流分配的差异，会导致发热不均匀，有以下几个原因：（1）电刷与滑环表面接触电阻、电刷与刷辫接触电阻、刷辫与刷架引线接触电阻过大。可通过测量单个电刷总压降、电刷接触压降、刷体压降、联结压降、刷辫压降进行相互间对比来检查。同时检查回路中各螺丝是否紧固。检查电刷接触面的清洁程度，是否存在油污污染。（2）电刷压力不均匀或不符合要求，可能有电刷过短、弹簧由于过热变软老化失去弹性等原因。应使用弹簧秤检查电刷压力。恒压弹簧应完整无机械损伤，压力应符合其产品的规定，同一极上的弹簧压力偏差不宜超过5％；非恒压的电刷弹簧，有规定时压力应符合其产品的规定，当无规定时，应调整到不使电刷冒火的最低压力，一般为140－250g/cm2，同一刷架上每个电刷的压力应均匀。（3）集电环与转子引线接触电阻过大，这种情况应对集电环与转子引线间的紧固螺丝进行加固。（4）电刷材质不良、导电性能差、使用的型号不符合要求或者使用了不同型号的电刷。同一电机上应使用同一型号、同一制造厂的电刷，对于外观检查有明显差异的电刷应更换。

3、由于机械及摩擦等原因造成的过热：集电环与电刷过热故障中，很大一部分是由于机械及摩擦等原因导致的过热，如果在开机时还未加励磁，就已经发现集电环与电刷温度高，或者在运行中温度过高，拔出几只电刷后，温度反而降低，那就基本可以肯定是由于机械及摩擦原因导致的。机械及摩擦导致发热的情况很复杂，主要有以下几个方面：（1）电刷接触面研磨不良或运行中一次更换过多的电刷。运行中更换电刷，在同一时间内，每个刷架上只允许更换1－2个电刷。换上的新电刷应事先在与集电环直径相同的模型上研磨好，且新旧牌号须一致。如果在大修时一次更换的电刷很多，应当在投运前冲转时，为电刷表面形成氧化膜留够充足的时间。（2）电刷与集电环接触面过小，接触面积一般不应小于单个电刷截面的75％。（3）电刷在刷盒中摇摆或动作卡涩。电刷在刷握内应能上下自由移动，其间隙应符合产品的规定，当无规定时，其间隙可为0.10－0.20mm.电刷外形要方正，上下端尺寸误差不得大于0.05mm.（4）刷握与集电环表面间隙过大。由于电刷材质较脆，当刷握与集电环表面间隙过大时，运行中电刷不能整体接触集电环，与集电环呈斜面接触，容易造成电刷崩裂的情况。刷握与集电环表面的间隙应符合产品技术要求，当产品无规定时，其间隙可调整为2－3mm.调整间隙时，可使用一层2－3mm厚的橡胶垫附在集电环表面，将刷握抵到橡胶垫上，然后上紧定位螺丝，取出橡胶垫

二、几起集电环、电刷故障的分析及建议

1、加强对电刷表面氧化膜的认识，创建其形成和正常工作的条件：近期发生的几起故障，主要原因是因为电刷表面的氧化膜层无法形成，氧化膜的形成需要一些条件，当条件不满足时，氧化膜无法形成或形成不良，主要有以下几个原因：（1）温度过高：电刷的氧化膜一般在70℃左右较易形成，当集电环、电刷出现过热故障时，通常温度都在150℃以上，此时即便换上新的电刷，氧化膜也不易形成，无法起到作用，电刷磨损将加剧，导致温度继续升高，成为恶性循环。此时可采取外部强迫降温的方法，譬如涂抹凡士林、大功率风扇通风等手段，使集电环温度降到正常范围内，持续一段时间，让电刷表面氧化膜逐渐形成，使之进入良性循环状态。（2）冷却空气中有污染性杂质：空气中的杂质对电刷表面氧化膜的形成将带来不利影响，这些杂质包括：硫化物或卤族元素的腐蚀性气体、空气中油气混合物、粉尘、铁屑、铁锈粉尘、碳粉等其他杂质。电刷磨损时，本身会产生碳粉的粉尘杂质，可采用在刷架罩冷却通风循环通道上安装过滤装置来改善刷架罩内的空气质量。（3）空气湿度太低或含氧量太低：电刷表面氧化膜的形成需要空气中有一定的水分含量，即空气湿度不能太低，但也不能太高。另外，氧化膜的形成主要与空气中的氧气发生氧化作用而产生，当含氧量过低时也不利于氧化膜的形成。

氧化膜无法形成或形成不良除与上述因素有关外，还有电刷过度研磨、使用溶剂进行擦拭、集电环表面光洁度不良以及碳刷材质不合格等原因。

2、电刷及刷架产品在选购过程中应严格控制质量：目前同一品牌的电刷，都是在各个不同的地方、不同的工厂加工的。这就要求我们在进货过程中对产品质量严格把关，对生产厂家的工艺和质量检测手段及程序进行了解。

3、生产运行中加强对集电环及电刷的维护管理：加强电刷、集电环系统的专职维护制度，提高专责人的技术水平，严格按照《汽轮发电机运行规程》的要求对集电环、电刷进行检查和运行维护，一次更换电刷的数量要严格控制。另外要积极运用红外热成像技术进行集电环、电刷日常的巡检检查以及对故障部位有怀疑时作为辅助分析的工具。

另外，本次会议还就定子绝缘引水管结垢提出分析建议：

1、当发现绝缘引水管结垢很严重时，或者已经影响到常规预试结果时，建议全部更换新的绝缘引水管。

2、发电机每次大修结束后，开机前定子水系统应使用除盐水进行带压力反复冲洗，直至排水清澈无颗粒，电导率合格。

3、发电机正常运行期间累积运行时间达到两个月遇有停机机会时，对定、转子内冷水系统进行反冲洗。

4、完善发电机整个冷却水系统，应尽可能使其密闭循环，运行中水质含铜量高，绝缘引水管内壁脏污结垢主要成分为铜，是因为水路不密闭，长期氧化腐蚀铜管导致。

篇9

斩波内馈调速是融斩波控制和内馈电机两项专利技术于一体的新型高压电机调速技术。该技术可在高压中、大容量的风机、泵类节能调速中应用。

斩波实际是变流主电路的数字控制，目的是克服移相控制存在的缺点。从根本上解决了有源逆变器可靠性问题。目前，斩波控制已被视为取代移相控制的发展方向。

内馈调速是一种基于转子的电磁功率控制调速，其原理是把定子传输给转子的电磁功率中的一部分功率移出去。这样定子传输的电磁功率不变，但移出的电功率可任意控制，转子总的电磁功率就被改变，电机转速就可得到控制。

内馈调速巧妙地在异步机的定子上加设一个内馈绕组，专门用来接受转子移出的电功率。内馈绕组此时工作在发电状态，它把接受的电功率又通过电磁感应，反方向传输给定子原绕组，使定子的输入功率减小，与机械功率平衡，实现了高效率的无级调速。

内馈调速最适合于高压大容量电机，其特点如下。

1．回避了定子控制的高电压问题，可实现高压电机低压控制；

2．控制装置的容量可小于电机的容量，即为小容量控制大容量；

3．控制装置和定子电源均为电磁隔离，有效地抑制了控制装置产生的谐波电流对电源的干扰；

4．整个系统没有外附变压器，调速损耗小，效率高。

二、节能效益和环境效益

1．该项目年节电量618.9253万kW•h，折标准煤2500.46t，可减排二氧化碳1812.83t。

2．按山东上网电价0.30元／kW•h计算，年节能效益185.68万元。

3．投资回收期为1.59年。

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关键词：无刷直流电机控制MC33035

1概述

MC33035无刷直流电机控制器采用双极性模拟工艺制造，可在任何恶劣的工业环境条件下保证高品质和高稳定性。该控制器内含可用于正确整流时序的转子位置译码器，以及可对传感器的温度进行补偿的参考电平，同时它还具有一个频率可编程的锯齿波振荡器、一个误差信号放大器、一个脉冲调制器比较器、三个集电极开路顶端驱动输出和三个非常适用于驱动功率场效应管（MOSFET）的大电流图腾柱式底部输出器。此外，MC33035还有欠锁定功能，同时带有可选时间延迟锁存关断模式的逐周限流特性以及内部热关断等特性。其典型的电机控制功能包括开环速度、正向或反向、以及运行使能等。

2管脚排列及功能定义

MC33035的管脚排列如图1所示，各引脚功能定义见表1。

表1MC33035的管脚功能定义定

管脚编号符号功能定义

1，2，24BT，AT，CT三个集电极开路顶端驱动输出，用于驱动外部上端功率开关晶体管

3Fwd/Rev正向/反向输入，用于改变电机转向

4，5，6SA,SB,SC三个传感器输入，用于控制整流序列

7OoutputEnable输出使能，高电平有效。该脚为高电平时，可使电机转动

8ReferenceOutput此输出为振荡器定时电容CT提供充电电流，并为误差放大器提供参考电压，也可以向传感器提供电源

9CurrentSenseNoninvertingInput电流检测同向输入。在一个给定的振荡器周期中，一个相对于管脚15为100mV的信号可中止输出开关导通。通常此管脚连接到电流检测的上端

10Oscillator振荡器引脚，振荡频率由定时元件RT和CT所选择的参数值决定

11ErrorAmpNoninvertingInput误差信号放大器同向输入。通常连接到速度设置电位器上

12ErrorAmpNoninvertingInput误差信号放大器反向输入。在开环应用情况下，此输入通常连接到误差放大器输出端

13ErrorAmpOut/PWMInput误差放大器输出/PWM输入。在闭环应用情况下，此管脚用作补偿

14FaultOutput故障输出端。当下列的任一或多个条件满足时，集电极开路输出端被触发而变为低；无效的传感器输入码，电流检测超过100mV，低电压锁定或热关断

15CurrentSenseInvertingInput电流检测反向输入端。用于给内部100mV门限电压提供参考地，该管脚通常连接到电流检测电阻的底端

16Gnd该管脚用于为控制电路提供一个分离的接地点，并可以作为参考返回到电源地

17Vcc正电源。Vcc在10V～30V的范围内，控制器均可正常工作

18Vc底部驱动输出的高端电压是由该管脚提供的，它的工作范围从10V～30V

19，20，21CB,BB,AB这三个图腾柱式底部驱动输出被设计用于直接驱动外部底部功率开关晶体管

2260°/120°Select此管脚的电气状态可决定控制电路是工作在60°（高电平状态）还是120°（低电平状态）的传感器电气相位输入状态下

23Brake输出使能。该管脚为低时允许马达运行，为高时马达运行停止

表2三相六步换向器真值表

输入

输出

60度

SASBSC120度

SASBSC正向/反向使能电流检测顶部驱协

ATBTCT底部驱动

ABBBCB

100100110011001

110110110101001

111010110101100

011011110110100

001001110110010

000101110011010

100100010110100

110110010110010

111010010011010

011011010011001

001001010101001

000101010101100

101111XXX111000

010000XXX111000

VVVVVVX0X111000

VVVVVVX1X111000

表中,V表示六个有效传感器或驱动组合中的一个，X表示无关；输入逻辑0定义为小于85mV，逻辑1为于115mV

3工作原理

MC33035的内部结构框图如图2所示。

图2MC33035的内部结构框图

MC33035内部的转子位置译码器主要用于监控三个传感器输入，以便系统能够正确提供高端和低端驱动输入的正确时序。传感器输入可直接与集电极开路型霍尔效应开关或者光电耦合器相连接。此外，该电路还内含上拉电阻，其输入与门限典型值为2.2V的TTL电平兼容。用MC33035系列产品控制的三相电机可在最常见的四种传感器相位下工作。MC33035所提供的60度/120度选择可使MC33035很方便地控制具有60度、120度、240度或300度的传感器相位电机。其三个传感器输入有八种可能的输入编码组合，其中六种是有效的转子位置，另外两种编码组合无效。通过六个有效输入编码可使译码器在使用60度电气相位的窗口内分辨出电机转子的位置。表2所列是其真值表。

MC33035直流无刷电机控制器的正向/反向输出可通过翻转定子绕组上的电压来改变电机转向。当输入状态改变时，指定的传感器输入编码将从高电平变为低电平，从而改变整流时序，以使电机改变旋转方向。

电机通/断控制可由输出使能来实现，当该管脚开路时，连接到正电源的内置上拉电阻将会启动顶部和底部驱动输出时序。而当该脚接地时，顶端驱动输出将关闭，并将底部驱动强制为低，从而使电动机停转。

MC33035中的误差放大器、振荡器、脉冲宽度调制、电流限制电路、片内电压参考、欠压锁定电路、驱动输出电路以及热关断等电路的工作原理及操作方法与其它同类芯片的方法基本类似，这里不多述。

图3三相六步全波电机控制电路

4实际控制电路

4.1三相六步电机控制电路

图3所示的三相应用电路是具有全波六步驱动的一个开环电机控制器的电路连接图。其中的功率开关三极管为达林顿PNP型，下部的功率开关三极管为N沟道功率MOSFET。由于每个器件均含有一个寄生箝位二极管，因而可以将定子电感能量返回的电源。其输出能驱动三角型连接或星型连接的定子，如果使用分离电源，也能驱动中线接地的Y型连接。

在任意给定的转子位置，图3所示的电路中都仅有一个顶部和底部功率开关（属于不同的图腾柱）有效。因此，通过合理配置可使定子绕组的两端从电源切换到地，并可使电流为双向或全波。由于前沿尖峰通常在电流波形中出现，并会导致限流错误。因此，可通过在电流检测输入处串联一个RC滤波器来抑制类峰。同时,Rs采用低感型电阻也有助于减小尖峰。

4.2有刷电机控制电路

虽然MC33035是专为控制无刷直流电机而设计的，但它也可以用来控制直流有刷型电机。图4所示就是一个使用MC33035来控制直流有刷型电机的典型应用电路实例。

图4中，MC33035通过驱动一个H型电四桥可用最少的器件来控制一个有刷电机。该控制的关键在于：要将输入传感器编码为100，同时，在控制器正向/反向管脚为逻辑电平1时，还应产生一个顶部到左Q1和底部到右Q3的驱动信号，而当正向/反向管脚的逻辑电平为时，则应产生顶部到右Q4和底部到左Q2的驱动。该编码可以保证H型驱动同时满足方向和速度控制的要求。该控制器可在大约25kHz的脉宽调制频率下正常工作。电机速度的控制可通过调节误差放大器同相输入端的电压来输入。而电机电流的逐周限流则可由检测H型电桥电机电流并通过电阻Rs到地之间所产生的电压（100mV门限）来实现。由于利用过流检测电路可改变电机转向，因此，在工作时，使用正常的正向/反向切换不需要在变向前完全停止。

图4H型电机有刷型控制器电路