电励磁双凸极起动/发电机控制系统实现与故障诊断研究

论文摘要

起动/发电机技术是当今电机与发电技术发展的重要方向。电励磁双凸极电机是在永磁式双凸极电机基础之上发展而来的一种新型无刷直流电机,在继承永磁式双凸极电机结构简单、可靠性高、适合高速运行等优点的同时,解决了永磁式双凸极电机用作发电机时难以解决的调压困难和故障灭磁问题,使得电励磁双凸极起动/发电机系统以及其发电机系统开始被研究应用于航空和风力发电领域,因此对其工作可靠性的要求也大大提高。而对于整个系统中的薄弱环节例如功率变换器,其一旦发生故障,轻则使系统工作异常,重则可能烧毁电机带来严重后果,因此针对系统薄弱环节进行在线故障诊断成为提高系统可靠性的关键。本文首先介绍了电励磁双凸极电机的结构、静态特性和数学模型,分析了电励磁双凸极起动/发电机一体化的工作原理,总结了电励磁双凸极起动/发电机系统的特点。起动/发电机系统的实现是整个课题研究的重要环节,本文在进行系统建模仿真之后,搭建了基于DSP+CPLD的软硬件平台,进行相关实验,验证了系统的可行性,并利用虚拟仪器LabVIEW设计了起动/发电机系统的演示界面。在系统实现的基础上,为更好的针对系统薄弱环节进行故障诊断,本文先对系统常见故障进行了仿真研究。分析了不同故障后系统的表现情况以及对系统的影响,为在线故障诊断的实现提供了理论指导。论文最后针对整个系统中最薄弱、故障发生率最高的功率变换器环节,分别在起动和发电两种运行状态下实现在线故障诊断。针对起动运行状态下的功率管故障,提出了辅助导通未工作桥臂功率管的方法,从软件上实现功率管开路故障的在线诊断,随后通过改变三相电流传感器放置位置,从硬件上实现功率管开路和短路故障的在线诊断;针对发电运行状态下的二极管故障,利用对非周期对称信号具有较强分析能力的小波分析法,结合虚拟仪器LabVIEW实现二极管故障在线诊断。通过模拟故障状态实验验证了文中所述方法的正确性和实用性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 绪论
• 0.1 引言
• 0.1.1 起动/发电机系统国内外研究现状
• 0.1.2 故障诊断技术国内外研究现状
• 0.2 课题研究背景与意义
• 0.3 课题研究目的与内容
• 第一章 电励磁双凸极起动/发电机结构及工作原理
• 1.1 电励磁双凸极电机结构
• 1.2 电励磁双凸极电机静态特性和数学模型
• 1.2.1 静态特性
• 1.2.2 数学模型
• 1.3 电励磁双凸极起动/发电机工作原理
• 1.3.1 电动运行工作原理以及控制策略
• 1.3.2 发电运行工作原理以及控制策略
• 1.4 电励磁双凸极起动/发电机特点
• 第二章 电励磁双凸极起动/发电机系统设计与实现
• 2.1 电励磁双凸极起动/发电机系统Matlab 建模与仿真
• 2.1.1 系统模型的建立
• 2.1.2 系统仿真分析
• 2.2 电励磁双凸极起动/发电机系统的实现
• 2.2.1 起动/发电系统的构成
• 2.2.2 硬件单元设计
• 2.2.2.1 功率变换器设计
• 2.2.2.2 控制电路设计
• 2.2.3 软件单元设计
• 2.2.3.1 DSP 程序设计
• 2.2.3.2 CPLD 程序设计
• 2.3 电励磁双凸极起动/发电机系统实验
• 2.3.1 系统实验设备与参数
• 2.3.2 起动/发电机系统实验
• 2.4 电励磁双凸极起动/发电机系统运行演示界面设计
• 2.4.1 测量系统的组成
• 2.4.2 基于LabVIEW 的程序设计
• 2.4.3 实际运行效果
• 2.5 本章小结
• 第三章 电励磁双凸极起动/发电机系统的故障状态
• 3.1 主功率电路开路故障分析
• 3.1.1 起动运行状态下功率管开路故障分析
• 3.1.1.1 单管开路故障
• 3.1.1.2 双管开路故障
• 3.1.1.3 三管开路故障
• 3.1.1.4 三管以上开路故障
• 3.1.2 发电运行状态下二极管开路故障分析
• 3.1.2.1 单管开路故障
• 3.1.2.2 双管开路故障
• 3.1.2.3 三管开路故障
• 3.1.2.4 三管以上开路故障
• 3.2 主功率电路短路故障分析
• 3.3 电机本体绕组开路的故障分析
• 3.3.1 起动运行状态下电机绕组开路的故障分析
• 3.3.2 发电运行状态下电机绕组开路的故障分析
• 3.4 电机本体绕组短路的故障分析
• 3.4.1 起动运行状态下电机绕组短路故障分析
• 3.4.2 发电运行状态下电机绕组短路的故障分析
• 3.5 本章小结
• 第四章 起动运行状态下主功率电路的故障诊断
• 4.1 某一导通逻辑下功率管的故障分析
• 4.2 功率管开路故障诊断的软件实现方法
• 4.2.1 辅助导通非工作桥臂法实现故障诊断
• 4.2.1.1 辅助导通非工作桥臂法理论分析
• 4.2.1.2 辅助导通非工作桥臂法的实验验证
• 4.2.2 电流状态值法实现故障诊断
• 4.2.2.1 功率管单相桥臂故障分析
• 4.2.2.2 电流状态值法实现步骤
• 4.3 功率管开路故障诊断的硬件实现方法
• 4.3.1 三相电流传感器不同位置分析
• 4.3.2 改变三相电流传感器位置故障诊断的实现
• 4.3.3 改变三相电流传感器位置故障诊断的实验验证
• 4.4 功率管短路故障诊断的硬件实现方法
• 4.4.1 短路故障诊断实现
• 4.4.2 短路故障诊断实验
• 4.5 本章小结
• 第五章 发电运行状态下主功率电路的故障诊断
• 5.1 小波分析法介绍
• 5.2 基于小波分析法的双凸极电机整流电路故障数据离线分析
• 5.2.1 二极管开路故障实验
• 5.2.2 倍频小波分析法分析步骤
• 5.3 基于Matlab＋LabVIEW 的双凸极电机整流电路故障的在线诊断
• 5.3.1 基于Matlab＋LabVIEW 混合编程的实现
• 5.3.2 基于Matlab＋LabVIEW 混合编程的在线故障诊断实验
• 5.4 本章小结
• 总结
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间研究成果
• 附录