电机职业成长社区

　　步进电机是一种离散运动的装置，它和现代数字控制技术有着本质的联系。在目前国内的数字控制系统中，步进电机的应用十分广泛。随着全数字式交流伺服系统的出现，交流伺服电机也越来越多地应用于数字控制系统中。为了适应数字控制的发展趋势，运动控制系统中大多采用步进电机或全数字式交流伺服电机作为执行电动机。虽然两者在控制方式上相似（脉冲串和方向信号），但在使用性能和应用场合上存在着较大的差异。现就二者的使用性能作一比较。 1.控制精度不同 两相混合式步进电机步距角一般为3.6°、1.8°，五相混合式步进电机步距角一般为0.72 °、0.36°。也有一些高性能的步进电机步距角更小。如四通公司生产的一种用于慢走丝机床的步进电机，其步距角为0.09°；德国百格拉公司（BERGER LAHR）生产的三相混合式步进电机其步距角可通过拨码开关设置为1.8°、0.9°、0.72°、0.36°、0.18°、0.09°、0.072°、0.036°，兼容了两相和五相混合式步进电机的步距角。 交流伺服电机的控制精度由电机轴后端的旋转编码器保证。以松下全数字式交流伺服电机为例，对于带标准2500线编码器的电机而言，由于驱动器内部采用了四倍频技术，其脉冲当量为360°/10000=0.036°。对于带17位编码器的电机而言，驱动器每接收217=131072个脉冲电机转一圈，即其脉冲当量为360°/131072=9.89秒。是步距角为1.8°的步进电机的脉冲当量的1/655。 2.低频特性不同 步进电机在低速时易出现低频振动现象。振动频率与负载情况和驱动器性能有关，一般认为振动频率为电机空载起跳频率的一半。这种由步进电机的工作原理所决定的低频振动现象对于机器的正常运转非常不利。当步进电机工作在低速时，一般应采用阻尼技术来克服低频振动现象，比如在电机上加阻尼器，或驱动器上采用细分技术等。 交流伺服电机运转非常平稳，即使在低速时也不会出现振动现象。交流伺服系统具有共振抑制功能，可涵盖机械的刚性不足，并且系统内部具有频率解析机能（FFT），可检测出机械的共振点，便于系统调整步进。 3.矩频特性不同 电机的输出力矩随转速升高而下降，且在较高转速时会急剧下降，所以其最高工作转速一般在300～600RPM。交流伺服电机为恒力矩输出，即在其额定转速（一般为2000RPM或3000RPM）以内，都能输出额定转矩，在额定转速以上为恒功率输出。 4.过载能力不同 步进电机一般不具有过载能力。交流伺服电机具有较强的过载能力。以松下交流伺服系统为例，它具有速度过载和转矩过载能力。其最大转矩为额定转矩的三倍，可用于克服惯性负载在启动瞬间的惯性力矩。步进电机因为没有这种过载能力，在选型时为了克服这种惯性力矩，往往需要选取较大转矩的电机，而机器在正常工作期间又不需要那么大的转矩，便出现了力矩浪费的现象。 5.运行性能不同 步进电机的控制为开环控制，启动频率过高或负载过大易出现丢步或堵转的现象，停止时转速过高易出现过冲的现象，所以为保证其控制精度，应处理好升、降速问题。交流伺服驱动系统为闭环控制，驱动器可直接对电机编码器反馈信号进行采样，内部构成位置环和速度环，一般不会出现步进电机的丢步或过冲的现象，控制性能更为可靠。 6.速度响应性能不同 步进电机从静止加速到工作转速（一般为每分钟几百转）需要200～400毫秒。交流伺服系统的加速性能较好，以松下MSMA 400W交流伺服电机为例，从静止加速到其额定转速3000RPM仅需几毫秒，可用于要求快速启停的控制场合。收起↑

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　　我国在轴承磨床上采用步进电机及其控制系统是从上个世纪九十年代开始的，十多年来，采用步进电机控制技术的轴承磨床发展很快，目前，无锡、石家庄、成都和河南几个城市地轴承设备制造厂都在批量生产步进电机控制的轴承磨床。 随着大批量的步进电机控制的轴承磨床推向市场，步进电机系统控制的问题也越来越多的浮出水面，单轴控制步进电机系统的问题还少些，可是两轴以上的步进电机系统，经常出现诸如两个系统不同步，尺寸散差不稳定等故障。 步进电机系统出现问题是多方面的。我们在球轴承内圈沟磨床做过分析研究，先后试过国内几个品牌的步进电机，发现两个系统的不同步现象很严重。不同步误差测度从PLC、位控模块、步进电机驱动器和步进电机开始。 滚珠丝杠导程4mm，谐波减速器减速比为1：80，步矩角为0.9°，脉冲当量为0.125um。 步进电机的重复定位误差已经超过机床的精度检验标准的3倍。按照脉冲当量为0.125um计算，工作台累计重复定位误差在20次已经达到0.003。 我们分析了机床的进给机构和补偿机构，发现机械问题也比较严重。第一，滚珠丝杠公称直径偏小(Φ20)，精度等级3及偏低，而且手感爬行现象较为严重；第二，进给快跳油缸和滚珠丝杠设计过定位，装配位置偏差无法消除；第三，谐波减速器和滚珠丝杠只有螺钉锁紧没有键连接或销链接；第四，没有采用滚珠丝杠轴承等等。 又分析了该机床的电气系统，发现变频器、变压器和步进电机控制器摆放偏近，从PLC输出的数据线电缆没有屏蔽，配盘的强电和弱电电缆混装等等问题。 这些问题都是影响步进电机系统不稳定的因素。 由于目前我国步进电机系统的抗干扰能力较差，这些电气设计布局的不合理直接会产生偶然性进给系统和补偿系统误差，加上机械系统的系统性误差，机床就会处于不稳定的工作状态。 并不是说，只要把机床的液压进给补偿系统改成步进电机给补偿系统，机床的整个综合性能就一定会显著提高。步进电机替代了原来的复杂的液压进给补偿系统，将原来液压波动和机械零件加工传动链的误差消除了，并且步进电机可以把进给过程分成几个阶段，每个阶段可以选用不同的脉冲频率控制进给速度，可以用脉冲数来控制机床工作台精进给，这的确比原来液压系统的轴承磨床进步了一大步。但是，随之而来的就是机床其它相关部分也要跟着更新设计，才会满足机床的磨削加工技术要求。无论是机械结构的设计还是电气系统的设计都不应该忽视步进审慎机系统抗干扰能力比较弱的特性。假如我们以上诸项问题的解决方案没有妥善解决，假如机床的整体零部件特别是关键零部件还是原来机械液压系统机床的标准，采用步进电机系统控制的轴承磨床就不会从本质上得到改进。 当然，最彻底的办法就是采用国际上最进的伺服电机控制系统。采用伺服电机控制系统的轴承磨床，将快跳油缸和谐波减速器去掉，采用滚珠丝杠和伺服电机直联结构，使得机械系统误差最小。虽然我国采用伺服电机控制系统的轴承磨床多数还是脉冲控制，但是伺服电机的综合驱动能力，抗干扰能力和重复定位精度，比之步进电机轴承磨床又前进了一步。收起↑

　　我国在轴承磨床上采用步进电机及其控制系统是从上个世纪九十年代开始的，十多年来，采用步进电机控制技术的轴承磨床发展很快，目前，无锡、石家庄、成都和河南几个城市地轴承设备制造厂都在批量生产步进电机...展开↓

　　传统的电磁型电机的发展已有100多年的历史。在理论、设计方法或制造技术上，都已达到十分完善的程度。由于它的工作原理和结构的限制，难以满足当前宇宙飞船、导弹、机器人和精密仪器等等对电机所提出短、小、薄、低噪声和无电磁干扰等要求。为此，世界各国都在努力研究各种新型电机。20世纪末期发展起来的超声电机算是最典型的一种。 超声电机的定子由压电陶瓷环和附在上面的弹性圆环共同构成，与电磁电机不同之处在于： 从驱动和控制装置产生的30～40kHz两个同频的超声电压作用于两相上，使陶瓷环和附在它上面的弹性圆环产生两个同频弯曲共振模态(驻波)。对这两个同频超声电压在空间上的相位和在时间上的相位进行调节，就可将这两个驻波迭加成单一的旋转模态—行波，通过定子和转子间的摩擦作用即可驱使转子运动。由此可知，超声电机突破了传统的电磁电机的概念，它没有磁极绕组和磁路，不依靠电磁相互作用来转换能量，而是利用压电陶瓷的逆压电效应和超声振动，将定子的微观变形通过共振放大和摩擦耦合转换成转子(旋转型电机)或动子(直线型电机)的宏观运动。它与传统的电磁电机相比，具有惯性小、响应快、控制性好、不受磁场影响且其本身也不产生磁场、运动准确等特点。特别是它具有重量轻、结构简单、噪声小、低速大扭矩以及可直接驱动负载等特性。它不需要齿轮变速机构来降低转速，避免了使用齿轮变速机构而产生的振动、冲击与噪声等问题。可以说，超声电机技术是处于当今世界上的高新技术之一。 超声电机已在照相机、机器人、汽车、航空航天、微型机械等领域里得到成功的应用。最近几年，美国在航空航天工程中都陆续应用了超声电机；日本学者正在努力用直线型超声电机取代计算机上旋转电磁电机和齿轮机构。收起↑

　　传统的电磁型电机的发展已有100多年的历史。在理论、设计方法或制造技术上，都已达到十分完善的程度。由于它的工作原理和结构的限制，难以满足当前宇宙飞船、导弹、机器人和精密仪器等等对电机所提出短、小、...展开↓

绕线式异步电动机起动时必须在转子回路中串电阻或频敏变阻器，但由于大型绕线电动机转子电流大，所串铜电阻或频敏变阻器组数较多，体积一般较大，占用建筑面积多，故在旧厂房的技术改造中往往造成较大的困难。液体变电阻软起动技术的应用，很好地解决了这一问题，且收到了节约能源、减少投资、运行可靠等特效。 某公司在球团厂技术改造工程中，新上一台润磨机（其作用是物料成球前经本磨机润磨，使其充分混匀、细化，各种成份均匀分布，表面活性强，有利于成球，可降低皂土配加量，所造生球质量好，目前国内采用此工艺技术的企业较少。）有效容积：39m3，最大钢球装载量44t,电动机功率630kW,采用转子回路串液体电阻软起动的方法，保证了设备满负载起动，且对电网无冲击，运行可靠，维护简单。投产一年来，从未出过故障，取得了较好的经济效益。 1、工作原理及液体变阻起动装置简介 工作原理：起动过程中，将可变电阻串入绕线式异步电动机的转子，实现限流，在起动完成后将其短接。电阻的可变性是靠改变电解液电阻箱的极板距离实现的，通过液阻值的改变而改变电动机的固有特性。 电阻串入转子的方法，不属于降压起动。它可以在限制起动电流的同时，增加电机的起动力矩，这是其突出优点。在起动过程中，适当地控制电阻值的下降率，有可能在起动的全过程中保持恒定的大起动力矩。 液体变阻起动装置简介：该装置核心部件是由三个液体电阻箱（内装电解液和上下两块铜电极，上为动极，下为定极），控制传动电机M2。将具有可移动的动极和固定电极的液体变阻器串接于主电机转子回路中，由控制电机M2改变动、定电极之间间距，距离大液阻值大，反之，液阻值就小。根据工厂生产要求，在液体电解质电阻率ρ基本不变的情况下，控制电机M2的设定转速和时间来改变被控主电机M1的起动转速及起动电流。 2、润磨机工程应用 济钢集团球团厂润磨机的起动采用了湖北追日电气设备公司生产的ZYQ2系列自动电液变阻起动装置。该润磨机的主电机型号为YR5003-8，Pe=630kW,Ue=6000V,Ie=74.5A,Ne=738r/min,λ=Mm/Me=2.10,转动惯量GD2=50kg㎡。依据厂家提供的产品资料，选用YZQ2-1000/0.6液体变阻起动器。主要技术参数：电流≤1.3Ie,起动时间9～30s,预整定，可调；起动次数：可连续起动6次；电液正常工作温度≤60℃；对使用条件、环境要求一般。 液阻配制，按如下公式进行估算： 式中R0----串入转子回路每相电阻（Ω）； U2e----转子开路电压(V),本例为823V； I2e----转子额定电流(A),本例为473.7A； K-----电机起动时,串入R0后的起动电流与额定电流之比,本例取1.2; n-----不加R0前起动电流与额定电流之比，一般取5～7. 本例电阻R0=0.8Ω 液阻测量方法如下： (1)将动电极开至初始位置,在定电极和动电极之间加6.3V交流电压,以测量串联回路的电流； (2)计算公式：R0=U/II=U/R0本例实测为8A； (3)测量电路： 3、应用效果与注意问题 (1)由于液体变阻起动装置设备简单、体积小,可就地放置,减少了对土建及通风的要求；对于重载起动的大型绕线式电动机转子回路串液体电阻比其它方式更经济、更可靠； (2)由于提高了起动成功率，增大了起动转矩，大大降低了对电网的冲击和对电动机及机械设备的损坏； (3)保证了电网线路电压的稳定，提高了高压断路器参数整定的准确性，使高压电动机的低电压、过流、过负载等保护的灵敏度大大提高。 (4)起动电流的可控性，使切除转子所串电阻的起动时间准确合理，与频敏变阻器相比,改善了电动机从起动到运行过程的功率因数，降低功率损耗，节电效果明显。 注意的问题：液体变阻器阻值恢复有一定时间，对于连续起动、正反转运行的工况不宜使用；日常维护要定期检查液位及行程开关是否正常。收起↑

绕线式异步电动机起动时必须在转子回路中串电阻或频敏变阻器，但由于大型绕线电动机转子电流大，所串铜电阻或频敏变阻器组数较多，体积一般较大，占用建筑面积多，故在旧厂房的技术改造中往往造成较大的困难。液...展开↓

一、电机绕组局部烧毁的原因及对策     1.由于电机本身密封不良,加之环境跑冒滴漏,使电机内部进水或进入其它带有腐蚀性液体或气体,电机绕组绝缘受到浸蚀,最严重部位或绝缘最薄弱点发生一点对地、相间短路或匝间短路现象,从而导致电机绕组局部烧坏。     相应对策:①尽量消除工艺和机械设备的跑冒滴漏现象;②检修时注意搞好电机的每个部位的密封,例如在各法兰涂少量704密封胶,在螺栓上涂抹油脂,必要时在接线盒等处加装防滴溅盒,如电机暴漏在易侵入液体和污物的地方应做保护罩;③对在此环境中运行的电机要缩短小修和中修周期,严重时要及时进行中修。     2.由于轴承损坏,轴弯曲等原因致使定、转子磨擦(俗称扫膛)引起铁心温度急剧上升,烧毁槽绝缘、匝间绝缘,从面造成绕组匝间短路或对地“放炮”。严重时会使定子铁心倒槽、错位、转轴磨损、端盖报废等。轴承损坏一般由下列原因造成:①轴承装配不当,如冷装时不均匀敲击轴承内圈使轴受到磨损,导致轴承内圈与轴承配合失去过盈量或过盈量变小,出现跑内圈现象,装电机端盖时不均匀敲击导致端盖轴承室与轴承外圈配合过松出现跑外圈现象。无论跑内圈还是跑外圈均会引起轴承运行温升急剧上升以致烧毁,特别是跑内圈故障会造成转轴严重磨损和弯曲。但间断性跑外圈一般情况下不会造成轴承温度急剧上升,只要轴承完好,允许间断性跑外圈现象存在。②轴承腔内未清洗干净或所加油脂不干净。例如轴承保持架内的微小刚性物质未彻底清理干净,运行时轴承滚道受损引起温升过高烧毁轴承。 ③轴承重新更换加工,电机端盖嵌套后过盈量大或椭圆度超标引起轴承滚珠游隙过小或不均匀导致轴承运行时磨擦力增加,温度急剧上升直至烧毁。④由于定、转子铁心轴向错位或重新对转轴机加工后精度不够,致使轴承内、外圈不在一个切面上而引起轴承运行“吃别劲”后温升高直至烧毁。⑤由于电机本体运行温升过高,且轴承补充加油脂不及时造成轴承缺油甚至烧毁。⑥由于不同型号油脂混用造成轴承损坏。⑦轴承本身存在制造质量问题,例如滚道锈斑、转动不灵活、游隙超标、保持架变形等。⑧备机长期不运行,油脂变质,轴承生锈而又未进行中修。     相应对策:①卸装轴承时,一般要对轴承加热至80℃~100℃,如采用轴承加热器,变压器油煮等,只有这样,才能保证轴承的装配质量。②安装轴承前必须对其进行认真仔细的清洗,轴承腔内不能留有任何杂质,填加油脂时必须保证洁净。③尽量避免不必要的转轴机加工及电机端盖嵌套工作。④组装电机时一定要保证定、转子铁心对中,不得错位。⑤电机外壳洁净见本色,通风必须有保证,冷却装置不能有积垢,风叶要保持完好。⑥禁止多种润滑油脂混用。⑦安装轴承前先要对轴承进行全面仔细的完好性检查。⑧对于长期不用的电机,使用前必须进行必要的解体检查,更新轴承油脂。      3.由于绕组端部较长或局部受到损伤与端盖或其它附件相磨擦,导致绕组局部烧坏。     相应对策:电机在更新绕组时,必须按原数据嵌线。检修电机时任何刚性物体不准碰及绕组,电机转子抽芯时必须将转子抬起,杜绝定、转子铁芯相互磨擦。动用明火时必须将绕组与明火隔离并保证有一定距离。电机回装前要对绕组的完好性进行认真仔细的检查确诊。     4.由于长时间过载或过热运行,绕组绝缘老化加速,绝缘最薄弱点碳化引起匝间短路、相间短路或对地短路等现象使绕组局部烧毁。     相应对策:①尽量避免电动机过载运行。②保证电动机洁净并通风散热良好。③避免电动机频繁启动,必要时需对电机转子做动平衡试验。     5.电机绕组绝缘受机械振动(如启动时大电流冲击,所拖动设备振动,电机转子不平衡等)作用,使绕组出现匝间松驰、绝缘裂纹等不良现象,破坏效应不断积累,热胀冷缩使绕组受到磨擦,从而加速了绝缘老化,最终导致最先碳化的绝缘破坏直至烧毁绕组。     相应对策:①尽可能避免频繁启动,特别是高压电机。②保证被拖动设备和电机的振动值在规定范围内。     二、三相异步电动机一相或两相绕组烧毁(或过热)的原因及对策     如果出现电动机一相或两相绕组烧坏(或过热),一般都是因为缺相运行所致。在这里不作深刻的理论分析,仅作简要说明。     当电机不论何种原因缺相后,电动机虽然尚能继续运行,但转速下降,滑差变大,其中B、C两相变为串联关系后与A相并联,在负荷不变的情况下,A相电流过大,长时间运行,该相绕组必然过热而烧毁。     为三相异步电动机绕组为Y接法的情况:电源缺相后,电动机尚可继续运行,但同样转速明显下降,转差变大,磁场切割导体的速率加大,这时B相绕组被开路,A、C两相绕组变为串联关系且通过电流过大,长时间运行,将导致两相绕组同时烧坏。     这里需要特别指出,如果停止的电动机缺一相电源合闸时,一般只会发生嗡嗡声而不能启动,这是因为电动机通入对称的三相交流电会在定子铁心中产生圆形旋转磁场,但当缺一相电源后,定子铁心中产生的是单相脉动磁场,它不能使电动机产生启动转矩。因此,电源缺相时电动机不能启动。但在运行中,电动机气隙中产生的是三相谐波成分较高的椭圆形旋转磁场,所以,正在运行中的电动机缺相后仍能运转,只是磁场发生畸变,有害电流成分急剧增大,最终导致绕组烧坏。     相应对策:无论电动机是在静态还是动态,缺相运行带来的直接危害就是电机一相或两相绕组过热甚至烧坏。与此同时,由于动力电缆的过流运行加速了绝缘老化。特别是在静态时,缺相会在电机绕组中产生几倍于额定电流的堵转电流。其绕组烧坏的速度比运行中突然缺相更快更严重。所以在我们对电机进行日常维护和检修的同时,必须对电机相应的MCC功能单元进行全面的检修和试验。尤其是要认真检查负荷开关、动力线路、静动触点的可靠性。杜绝缺相运行。     三、为规范电机检修及保证检修质量,制定如下电机工艺卡     低压交流异步电动机检修工艺卡收起↑

一、电机绕组局部烧毁的原因及对策     1.由于电机本身密封不良,加之环境跑冒滴漏,使电机内部进水或进入其它带有腐蚀性液体或气体,电机绕组绝缘受到浸蚀,最严重部位或绝缘最薄弱点发生一点对地、相间短路或匝间短...展开↓

    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。 收起↑

    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...展开↓

励磁系统是同步电动机中最核心、最主要的且成部分之一。长期以来同步电动机励磁装置技长性能不完善，导致同步机损坏，成为影响生产的安全、连续及稳定运行的制约环节。 随着可编程控制器(PLC)技术的发展，以微型PLC为核心、功能更加完善的励磁控制系统的出现成为可能。该系统接线简单、控制功能丰富、可配置汉显的人机界面、价格适中、适合于恶劣的工业环境。采用PLC技术，首先克服同步机所配老式晶闸管励磁装置(俗称可控硅励磁装置)技术性能不完善；充分发挥PLC的作用，使控制系统更为人性化。 2 同步机励磁装置的功能 同步电动机的励磁装置主要有三个方面的作用，一是完成同步机的异步启动并牵人同步运行；二是在牵入同步以后励磁电流的调节控制；三是监控系统故障，确保同步机安全运行。 2．1 励磁装置在启动过程中的作用 在异步启动的过程中，励磁装置保证启动回路具有良好的异步驱动特性，避免异步启动过程中所存在的脉振现象，满足带载起动及再整步要求。达到亚同步速时，准角度投励，励磁绕组产生同步力矩，使电机尽早进入同步。 2．2 励磁装置在运行过程中的作用 同步运行过程中的励磁电流控制模式分为： (1)恒励磁电流模式：适合于负载恒定工况，如通风机、水泵。实际选取功率因数为超前0.95-1之间任意值。 (2)恒无功功率模式：适用于电网负载不断变化，同步机向电网提供恒定的无功功率以补偿电网的功率因数，但同步机的功率因数是随着负载的变化而变化。 2．3 励磁装置的监控作用 同步电机在正常运行过程中，不可避免地会受到各种各样的扰动，就会引起电机失步，造成生产中断和设备损坏的严重事故。励磁装置能检测，同步机的失步，识别后判断是报警还是再整步运行，既保障设备的安全性，又保持运行连续性。 同样，励磁装置在正常运行过程中，自身也会受到各种干扰，造成可控整流器缺相或失控、灭磁晶闸管误导通、熔断器故障、励磁电流超限等故障。当出现上述故障，励磁装置识别后报警或跳闸，以保证励磁装置的安全运行。 3 系统硬件设计 为了满足同步机起动、运行和故障监控的要求，同时便于将机械设备的控制柜与励磁装置融为一体，减小体积、增强控制功能、提升原来系统的自动化水平。本励磁装置主控制器采用西门子微型可编程序控制器S7-200，并使用成熟的晶闸管的触发电路TC787。 显示电路采用西门子的TD200来完成，一是参数设置，如投励时刻、后备投励、强励时间；运行模式选择。二是工作状态显示，如实验投励、正常投励、后备投励；运行模式。三是故障显示，如失步、整步失败、晶闸管故障、灭磁晶闸管误导通、熔断器故障、励磁超限。全部采用汉字显示。 3．1 启动回路 (1)起动时灭磁继电器接点CJll、CJ22闭合，见同步电机起动回路图2，使同步电机在异步驱动状态时，灭磁晶闸管7KGZ、8KGZ在较低的电压下便可开通，保证感应电流在正负半周是对称的。有效地消除了传统励磁屏在同步电机异步启动过程中转子回路感应电流正负半周不对称现象，避免了异步启动过程中所存在的脉振现象，具有良好的异步驱动特性。 (2)在启动结束后，灭磁继电器接点CJll、CJ22断开，灭磁 晶闸管7KGZ、8KGZ在较高的电压下便可开通。当电机在同步状态时，灭磁晶闸管在过电压情况下才开通，既起到保护器件的作用，又当电机正常同步运行时，保证附加电阻RFl、RF2被可靠切除，并防止灭磁晶闸管误导通，可使电机在遇到故障，被迫跳闸停机时，减少电机受损伤程度。 (3)起动前，人为按下ANl、AN2可以实验灭磁回路。 3．2 投励控制 同步电动机的投励过程控制是一个非常重要的问题，主要表现为对投励时间和投励角度的选择上。理想的投励时间是指当电机异步启动到亚同步速时，即转速达到同步速的95％-98％之间；准角度投励是指在转子感应电流的过零点，即从负半周到正半周的零点准确投励。满足两者条件时，励磁绕组产生同步力矩，使电机尽早进入同步。 转子两端的电压经电阻R12、R11、二极管D7后，在稳压管Z7两端得到了近似的矩形波，经过光耦TPl送人PLC。经过计算和判断后，PLC输出点PLCDO控制光耦TP3，控制TC787的5脚，当其为低电位时，输出6路触发信号，完成投励， 4。有两种投励方式： (1)按照"准角强励整步"的原则设计，并具有强励磁整步的功能。所谓准角度投励，系指电机转速进入临界滑差，按准角度投励方式，这样电机进入同步时轻松、快速平滑无冲击。投励时刻的滑差大小，通过面板按键菜单操作任意设定。 (2)后备投励  若滑差投励不成，即达不到设定的滑差值，可按预定的后备投励时间和准角度方式投励。后备投励时间的大小，通过面板按键菜单操作任意设定。 3．3 励磁电流控制 三相晶闸管移相触发电路选用TC787，经三极管后，驱动6路脉冲变压器，输出为调制脉冲列，触发1KGZ～6KGZ晶闸管。TC787有移相控制端和投励控制端。 18、1、2脚是三相同步信号，来自同步变压器的三相电源电压Va、Vb、Vc；16、15、14、13脚外接电容用于调节脉冲列的频率；12、11、10、9、8、7输出六相脉冲，分别与T1、T2、T3、T4、T5、T6六个三极管的基极连接。三极管驱动脉冲变压器，其二次经整流二极管输出到晶闸管的门极和阴极，以满足电气隔离和触发功率的要求。4脚是有移相控制端；5脚是投励控制端；17、3脚是工作电源输入端；6脚为全桥控制端。 为了满足同步机各种工况的要求，运行过程中的励磁电流控制模式分为：恒励磁电流模式和恒无功功率模式。因此选用了模拟量模块与S7-200配合使用，构成单闭环控制系统。励磁给定值由外接电位器提供，无功电流由无功电流转换器提供，励磁电流由霍尔元件LEM块检测励磁电流得到。三个模拟信号送入PLC的模拟输入端。 3.4 系统故障监控 系统故障主要包括：同步机失步、可控整流器缺相或失控、灭磁晶闸管误导通、熔断器故障、励磁电流超限等。 3.4.1 失步监测 失步保护采样信号，来自串接在转子励磁回路的分流器两端的不失真毫伏信号。此信号经放大、变换，光耦隔离后输入PLC，对其波形特征进行分析，判断电机是否失步。当发生带励失步时，首先应切断励磁，识别后判断是报警还是再整步运行。 3.4.2 晶闸管故障监控 晶闸管励磁整流波形整型后经光耦送入PLC，如果波头相互比较，宽度误差较大，说明全控整流桥出现故障，如：脉冲丢失、三相丢波缺相、失控、管压降波形崎变等各种现象，造成励磁电流不稳定。 3.4.3 灭磁晶闸管误导通 在实际运行当中，偶尔会出现灭磁晶闸管误导通，引起附加电阻加热，经过一段时间后，造成控制柜内的控制线烤焦、进而发生电气短路事故。 检测附加电阻RFl、RF2两端的电压信号，经过比较判断，将结果送入PLC，进行联锁和报警。 3.4.4 励磁电流超限 在整流变压器的一次侧，A相和C相装有电流互感器，二次引线经变换识别电路后，将信号送入PLC，过流信号达到设定时间后，报警或跳闸。以防止励磁电流过大引起励磁绕组过热，损坏电机。 3.5 辅助控制环节 3.5.1 停车后逆变控制 当同步机停车或故障跳闸时，PLC发出指令使三相全控整流桥晶闸管1KGZ-6KGZ的控制角变为140°，可控整流桥工作在逆变状态，不致因同步机停车时转子电感放电造成续流或颠覆而烧坏元件。 当电网电压下降到整定值，一般为80％时，PLC发出强励信号，可达到正常励磁电流的1.4倍，进行强励，以防止同步机失步，10s钟后，若电网电压不回升，PLC撤消强励信号，以防转子绕组过热。 强励时间为10-14s，具体时间人机界面设定。 4 系统软件设计 同步机励磁，PLC它的软件主要由三大部分组成：主控程序、显示及设置程序、实时处理程序。 4.1 主程序 主要完成PLC的各种参数的初始化，子程序的调用、及系统的主要监控环节。 4.2 显示及设置程序 依据系统程序调用汉显内容的使能位，显示有关内容；将设置的内容存放在指定的存储器，以便调用。 4.3 实时处理程序 4.3.1 投励模块 一是正常投励：智能监测转子滑差，在主机起动后，通过计算转子滑差的变化来开放相应的功能(如投全压、投励)，即转子频率为5Hz时，发出投全压指令；当转子频率为2.5Hz时，选择在"感应电压顺极性尾端过零点"的时刻投励，此时，转子感应电压及电流接近于零，转子感应电流方向与励磁装置输出电流方向一致，投励最为容易，有利于将电机迅速牵人同步，完成正常投励。 二是后备投励：若正常投励不成功，在主机起车后，开始记时，若记时到后备投励设定时间，同样选择在"感应电压顺极性尾端过零点"的时刻投励，完成后备投励。 4.3.2励磁调节模块 一是恒定励磁调节模式，将励磁给定信号和励磁电流反馈信号经模拟量输人模块送人PLC进行数字PID运算，通过模拟量输出端控制晶闸管移相触发电路； 二是恒定无功功率调节模式，将励磁给定信号和无功电流反馈信号经模拟量输入模块送人PLC进行数字PID运算，通过模拟量输出端控制晶闸管移相触发电路。 4.3.3 晶闸管故障检测模块 如果励磁整流波头相互比较，宽度误差大于10％，报警；如果波头相互比较误差大于20％，或周期内缺一个波头，而且时间超过1 min，停机并报警。总之，正常情况下，三相全控桥的整流波形在一个周期，有六个波头，而且，每个波头几乎相同。不符合此标准者，被认为故障，会引起带励失步，若不及时处理必将事故扩大。 4.3.4 失步检测模块 将失步信号整形后送人PLC，测量矩形的宽度和频率，与设定值比较，达到者被认为失步。当电机失步后，PLC立即封锁投励控制信号，同时灭磁继电器复位，使电机进入异步驱动阶段，然后电机转速自动上升，待进入临界滑差后，励磁装置自动投励，按准确强励对电机实施整步，使电机恢复到同步状态。如整步失败，PLC发出跳闸信号动作于跳闸回路。液晶显示屏显示"失步"或"整步失败"，按复位键复位。 4.3.5 故障连锁模块 同步机的负载以压风机为例来说，把压风机的保护检测信号，如轴温、一排温度、二排温度、一排压力、二排压力、冷却水压等等报警信号送人PLC，依据压风机的具体要求实现连锁。 5 结束语 上述系统已通过实验验证，各项指标达到预期目标，样机进入工业实验阶段。 (1)同步机励磁装置PLC控制器，与单片机控制器相比较，研制周期短，整个系统成本小、功能强大，配置汉显的人机界面、适合于恶劣的工业环境。 (2)便于将机械设备的控制柜与励磁装置融为一体，减小体积、增强控制功能、提升原来系统的自动化水平。收起↑

励磁系统是同步电动机中最核心、最主要的且成部分之一。长期以来同步电动机励磁装置技长性能不完善，导致同步机损坏，成为影响生产的安全、连续及稳定运行的制约环节。 随着可编程控制器(PLC)技术的发展，以微型...展开↓

直流伺服电机的基本特点 直流伺服电机基本构造与一般直流电动机相似。电机转速n＝E／K1j＝（Ua－IaRa）／K1j，式中E为电枢反电动势，K为常数，j为每极磁通，Ua、Ia为电枢电压和电枢电流，Ra为电枢电阻，改变Ua或改变φ，均可控制直流伺服电动机的转速，但一般采用控制电枢电压的方法，在永磁式直流伺服电动机中，励磁绕组被永久磁铁所取代，磁通φ恒定。直流伺服电动机具有良好的线性调节特性及快速的时间响应。 直流伺服电机的优点和缺点 优点：速度控制精确，转矩速度特性很硬，控制原理简单，使用方便，价格便宜。 缺点：电刷换向，速度限制，附加阻力，产生磨损微粒(无尘易爆环境不宜) 直流伺服电机分为有刷直流电机和无刷直流电机 有刷直流电机：成本低，结构简单，启动转矩大，调速范围宽，控制容易，需要维护，但维护方便（换碳刷），产生电磁干扰，对使用环境有要求，通常用于对成本敏感的普通工业和民用场合。 无刷直流电机：体积小，重量轻，出力大响应快，速度高惯量小，力矩稳定转动平滑，控制复杂，智能化，电子换相方式灵活，可以方波或正弦波换相，电机免维护，高效节能，电磁辐射小，温升低寿命长，适用于各种环境。从电机运行原理上讲，无刷直流电机与交流同步伺服电机应用的是相同的矢量控制新原理，也可以归属于交流同步伺服电机范畴。 广义的无刷电机：从电机结构上讲，无刷直流电机与交流同步伺服电机的定子基本相同，因此交流同步伺服电机也可称作无刷电机，与无刷直流电机相比，其功率范围更大，功率可以做到更大，大惯量，最高转速低，转速随功率增大而匀速下降，更适用于低速平稳运行场合。 伺服电机的转子结构：无刷直流电机与交流同步伺服电机内部的转子是永磁铁，驱动器控制U/V/W三相电形成电磁场，转子在此磁场的作用下转动，电机自带的编码器将反馈信号传给驱动器，对反馈值与目标值进行比较，从而调整转子转动的角度，伺服电机的精度决定于编码器的精度（线数）。 直流伺服电机的类别、结构和性能 （1）印制绕组直流伺服电机（盘形转子、盘形定子轴向粘接柱状磁钢，转子转动惯量小，无齿槽效应，无饱和效应，输出转矩大） （2）线绕盘式直流伺服电机（盘形转子、定子轴向粘接柱状磁钢，转子转动惯量小，控制性能优于其他直流伺服电机，效率高，输出转矩大） （3）杯型电枢永磁直流电机（空心杯转子，转子转动惯量小，适用于增量运动伺服系统） （4）无刷直流伺服电机（定子为多相绕组，转子为永磁式，可带转子位置传感器，无火花干扰，寿命长，噪声低） 直流力矩电机（直流伺服电机的一种） （1）直流力矩电机（扁平结构，极数槽数换向片数串联导体数多；输出转矩大，低速或堵转下可连续工作，机械和调节特性好，机电时间常数小） （2）无刷直流力矩电机（与无刷直流伺服电机结构相似，但为扁平状，极数槽数串联导体数多；输出转矩大，机械和调节特性好，寿命长，无火花，噪声低） 步进电机（直流伺服电机的一种） （1）反应式步进电机（定转子均由硅钢片叠成，转子铁心上无绕组，定子上有控制绕组；步距角小，启动与运行频率较高，步距角精度较低，无自锁力矩） （2）永磁步进电机（永磁式转子，径向磁化极性；步距角大，启动与运行频率低，有保持转矩，消耗功率比反应式小，但须供正、负脉冲电流） （3）混合式步进电机（永磁式转子，轴向磁化极性；步距角精度高，有保持转矩，输入电流小，兼有反应式和永磁式两者的优点） 开关磁阻电机（直流伺服电机的一种） 定转子均由硅钢片叠成，都为凸极式，与极数相接近的大步距反应式步进电机结构相似，带有转子位置传感器，转矩方向与电流方向无关，调速范围小，噪声大，机械特性由恒转矩区、恒功率区、串励特性区三部分组成）收起↑

直流伺服电机的基本特点 直流伺服电机基本构造与一般直流电动机相似。电机转速n＝E／K1j＝（Ua－IaRa）／K1j，式中E为电枢反电动势，K为常数，j为每极磁通，Ua、Ia为电枢电压和电枢电流，Ra为电枢电阻，改变Ua或...展开↓