Δυναμική ανάλυση και ανάπτυξη μεθόδων διάγνωσης σφαλμάτωνελεγχόμενου κινητήριου συστήματος αποτελούμενου από ασύγχρονη μηχανή δακτυλιοφόρου δρομέα και ηλεκτρονικούς μετατροπείς ισχύος

Abstract

In this thesis an investigation of the operation of an electric drive consisting of a slip ring asynchronous machine and a power electronic converter connected to the rotor circuit is carried out. This drive is referred to as “subsynchronous cascade drive” or “slip energy recovery drive” in the literature. The investigation is carried out via simulations in Matlab/Simulink of a 4 MW drive installed in a Greek cement industry and via experiments with a 5,5 kW drive in the laboratory. Furthermore, Motor Current Signature Analysis (MCSA) techniques for the detection and the accurate diagnosis of faults in asynchronous machines or/and power electronic converters are examined and novel improved approaches are proposed. The potential application of the analysis of the rotor current of the subsynchronous cascade drive for fault detection and diagnosis in the asynchronous machine or/and the power electronic converter is also investigated. In the beginning, simulations are carried out considering rigid shafts and rigid coupling between the motor and the mechanical load. The asynchronous machine has been modeled in a d-q-o reference frame referred to the rotor. Characteristic simulation results are presented and discussed. The general behaviour of the asynchronous machine electromagnetic quantities is analyzed and, furthermore, the cases that the slip has values at multiples of 1/6 are theoretically investigated and discussed. Additionally, the influence of the asynchronous machine speed, of the load torque characteristics and of the asynchronous machine parameters on the electromagnetic torque pulsations is examined. Afterwards, the equations of the mechanical part of the drive are formulated, considering a four-mass model and linearity of the mechanical coupling. A theoretical investigation of the torsional oscillations is carried out, and some general guidelines regarding the design of the mechanical part of the drive are discussed. Additionally, characteristic simulation results are presented and discussed. Then, the equations of the mechanical subsystem are reformulated taking into account the non-linearity of the coupling stiffness and characteristic simulation results are presented and discussed. The experimental investigation, using a 5,5 kW drive in the laboratory validates the conclusions drawn by the investigation via simulation, regarding the behaviour of the electromagnetic quantities of the asynchronous machine. In the experimental setup, sensors for all the electrical quantities have been used, as well as sensors for the measurement of the shaft torque (straingauge) and the lateral vibrations of the motor (accelerometer). The measurements taken by the straingauge have verified the pulsation of the shaft torque due to the presence of the rectifier in the rotor. The measurement of the asynchronous machine lateral vibrations has revealed the presence of harmonic components related to the operation of the rectifier in the rotor circuit. In the remainder of the thesis the application of Motor Current Signature Analysis techniques for fault detection and diagnosis in asynchronous machines and/or power electronic converters is examined. To this objective, a comparative investigation of different signal processing approaches is carried out for the diagnosis of two characteristic faults in asynchronous machines, namely eccentricity and/or mechanical imbalance as well as rotor fault. Derived from simulation and experimental results, the advantages and the disadvantages of each technique are presented and discussed in detail. Features and limitations of each one of the signal processing approaches are then compared in order to derive the most appropriate one, related to the operating conditions of the induction machine. Especially the phase method for the extraction of the ridges of the Continuous Wavelet Transform (CWT) and the Short-Time Fourier Transform (STFT) is examined, and it is proven that under certain conditions this method is advantageous for the detection of harmonic components related to the presence of faults. Furthermore, a novel approach has been proposed and investigated, for the detection of weak harmonic components that are close to the fundamental. The proposed approach is based on the convolution of the current signal with a complex wavelet and has been applied for the accurate diagnosis of rotor faults via analysis of the stator current. Finally, faults in the power electronic converter of the subsynchronous cascade drive are examined; specifically open circuits and short circuits in the rectifier’s diodes. The amplitude and the frequency of the electromagnetic torque pulsations which take place during these faulty conditions are investigated. A novel approach for the accurate diagnosis of this kind of faults is proposed and investigated via simulation and experiment. The proposed approach is based on monitoring the rotor current space vector angle and instantaneous frequency, in order to extract features which indicate the specific fault modes of operation.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή πραγματεύεται την ανάλυση της στατικής και δυναμικής συμπεριφοράς ενός ηλεκτροκινητήριου συστήματος αποτελούμενου από ασύγχρονη μηχανή δακτυλιοφόρου δρομέα και ηλεκτρονικούς μετατροπείς ισχύος συνδεδεμένους στο δρομέα αυτής, γνωστού ως «Υποσύγχρονη Κασκάντε», το οποίο χρησιμοποιείται σε κινητήρια συστήματα ισχύος της τάξης 1-20 MW. Ιδιαίτερα εστιάστηκε στη μελέτη των ταλαντώσεων της ηλεκτρομαγνητικής ροπής, οι οποίες οφείλονται στην ύπαρξη του ανορθωτή στο κύκλωμα του δρομέα, και το πώς επηρεάζονται ποσοτικά οι ταλαντώσεις αυτές από την ταχύτητα περιστροφής και τα παραμετρικά στοιχεία της μηχανής. Ακόμα, διερευνάται η ταλάντωση της ηλεκτρομαγνητικής ροπής στην περίπτωση ανοιχτοκυκλωμάτων ή βραχυκυκλωμάτων στις διόδους του ανορθωτή στο κύκλωμα του δρομέα. Μελετούνται οι ενδεχόμενες επιπτώσεις των ταλαντώσεων της ροπής στο μηχανικό σύστημα, καθώς και το πώς θα πρέπει να σχεδιασθεί το μηχανικό σύστημα προκειμένου να αποφευχθούν προβλήματα και αστοχίες λόγω στρεπτικών ταλαντώσεων. Επιπλέον γίνεται μια συστηματική διερεύνηση μεθόδων επεξεργασίας του σήματος του ρεύματος για τη διάγνωση σφαλμάτων σε ασύγχρονες μηχανές ή ηλεκτρονικούς μετατροπείς ισχύος, προτείνονται βελτιωμένες μέθοδοι και μελετάται η δυνατότητα ανίχνευσης σφαλμάτων στην ασύγχρονη μηχανή ή τον ηλεκτρονικό μετατροπέα ισχύος της υποσύγχρονης Κασκάντε μέσω της ανάλυσης του ρεύματος του δρομέα. Πιο αναλυτικά, στο κεφάλαιο 1 γίνεται μια εισαγωγή και αναφέρονται οι στόχοι και η γενική δομή της διδακτορικής διατριβής. Στο κεφάλαιο 2 γίνεται μια σύντομη περιγραφή της ασύγχρονης μηχανής διπλής τροφοδοσίας και ακολουθεί αναλυτική περιγραφή της υποσύγχρονης Κασκάντε, αναδεικνύοντας και τις ομοιότητες και διαφορές αυτής με την ασύγχρονη μηχανή διπλής τροφοδοσίας. Αναφέρονται τα πλεονεκτήματα της χρήσης του υπό διερεύνηση κινητήριου συστήματος σε εφαρμογές μεγάλης ισχύος και περιγράφονται τα βασικά χαρακτηριστικά του καθώς και ο τρόπος με τον οποίο επιτυγχάνεται ο έλεγχος της ροπής και των στροφών της ασύγχρονης μηχανής. Επιπλέον γίνεται και μια βιβλιογραφική διερεύνηση σχετικά με τις παραλλαγές του συστήματος αυτού, δηλαδή κάποιες τροποποιήσεις του ηλεκτρονικού μετατροπέα ισχύος ή/και της ασύγχρονης μηχανής που έχουν προταθεί κατά καιρούς, καθώς και ποιες από τις τοπολογίες χρησιμοποιούνται στην πράξη στην πλειοψηφία των εγκατεστημένων συστημάτων. Στο κεφάλαιο 3 διερευνάται μέσω προσομοίωσης στο Matlab/Simulink η λειτουργική συμπεριφορά ενός συστήματος ισχύος 4 MW, εγκατεστημένου σε ελληνική τσιμεντοβιομηχανία. Αρχικά γίνεται η διατύπωση των εξισώσεων για την μοντελοποίηση της ασύγχρονης μηχανής στο φυσικό σύστημα a-b-c καθώς και στο σύστημα d-q-o. Αναφέρονται τα πλεονεκτήματα της χρήσης του συστήματος d-q-o για την προσομοίωση της ασύγχρονης μηχανής αλλά και για τη θεωρητική διερεύνηση των ηλεκτρομαγνητικών μεγεθών αυτής. Για το σύστημα που εξετάζεται επιλέγεται ένα σύστημα d-q-ο στερεωμένο στο δρομέα, αφού εκεί βρίσκεται ο ηλεκτρονικός μετατροπέας ισχύος, ώστε να διευκολυνθούμε στην ανάλυση της λειτουργικής συμπεριφοράς του συστήματος. Στη συνέχεια, παρατίθενται και συζητούνται τα αποτελέσματα της προσομοίωσης για διάφορες τιμές της ταχύτητας περιστροφής του δρομέα της ασύγχρονης μηχανής. Αφού αναλύεται η γενική συμπεριφορά των ηλεκτρομαγνητικών μεγεθών της ασύγχρονης μηχανής, γίνεται ιδιαίτερη αναφορά, θεωρητική διερεύνηση και συζήτηση σχετικά με τη συμπεριφορά του συστήματος σε ολισθήσεις πολλαπλάσιες του 1/6. Ακόμα, διερευνώνται οι παράγοντες οι οποίοι επηρεάζουν την ταλάντωση της ηλεκτρομαγνητικής ροπής και το μέγεθος αυτής της ταλάντωσης σε όλο το εύρος της συνήθους περιοχής ταχυτήτων όπου λειτουργεί το σύστημα. Τέλος, γίνεται διερεύνηση της προαναφερθείσας ταλάντωσης όταν μεταβάλλονται τα παραμετρικά στοιχεία της ασύγχρονης μηχανής από την οποία προκύπτουν χρήσιμα συμπεράσματα σχετικά με τη βέλτιστη επιλογή των παραμέτρων αυτών. Στη συνέχεια του κεφαλαίου 3 διατυπώνονται οι εξισώσεις που περιγράφουν το μηχανικό τμήμα του υπό διερεύνηση κινητήριου συστήματος, θεωρώντας ένα μοντέλο τεσσάρων μαζών και γραμμικότητα του μηχανικού συμπλέκτη. Γίνεται μια θεωρητική διερεύνηση των στρεπτικών ταλαντώσεων από την οποία προκύπτουν χρήσιμες γενικές κατευθύνσεις με βάση τις οποίες θα πρέπει να σχεδιασθεί το μηχανικό τμήμα. Κατόπιν παρατίθενται και συζητούνται τα αποτελέσματα της προσομοίωσης του εγκατεστημένου συστήματος. Στη συνέχεια διατυπώνονται οι εξισώσεις που περιγράφουν το μηχανικό τμήμα αν ληφθεί υπόψη και η μη γραμμικότητα της στιβαρότητας του μηχανικού συμπλέκτη και παρατίθενται και συζητούνται τα αποτελέσματα της προσομοίωσης με βάση τις εξισώσεις αυτές. Στο κεφάλαιο 4 γίνεται πειραματική διερεύνηση χρησιμοποιώντας ένα σύστημα ισχύος 5,5 kW στο εργαστήριο. Στην πειραματική διερεύνηση χρησιμοποιήθηκαν αισθητήρες μέτρησης όλων των ηλεκτρικών μεγεθών και επιπλέον αισθητήρες μέτρησης της ροπής (επιμηκυνσιόμετρο) αλλά και των κραδασμών του κινητήρα (επιταχυνσιόμετρο). Αφού περιγράφεται η δομή του εργαστηριακού συστήματος, παρατίθενται τα αποτελέσματα της πειραματικής διερεύνησης, τα οποία επιβεβαιώνουν τα βασικά συμπεράσματα του προηγούμενου κεφαλαίου, όσον αφορά τη συμπεριφορά των ηλεκτρομαγνητικών μεγεθών της ασύγχρονης μηχανής. Από την μέτρηση των κραδασμών της μηχανής προέκυψαν επιπλέον κραδασμοί που σχετίζονται με τη λειτουργία του ηλεκτρονικού μετατροπέα ισχύος της υποσύγχρονης Κασκάντε. Στο κεφάλαιο 5 εξετάζεται η δυνατότητα ανίχνευσης προβλημάτων στη λειτουργία ασύγχρονων μηχανών μέσω της ανάλυσης του ρεύματος αυτών. Για το σκοπό αυτό διερευνώνται αρχικά σε μια συγκριτική μελέτη διάφορες μέθοδοι ανάλυσης του ρεύματος του στάτη μιας ασύγχρονης μηχανής. Οι μέθοδοι αυτοί συγκρίνονται όσον αφορά τη διάγνωση δύο χαρακτηριστικών σφαλμάτων σε ασύγχρονες μηχανές, που είναι η εκκεντρότητα ή/και αζυγοσταθμία, καθώς και η ύπαρξη ασυμμετρίας στο δρομέα της μηχανής. Τα δύο σφάλματα αυτά επιλέχθηκαν για τη συγκριτική μελέτη, διότι η φύση του προβλήματος από πλευράς επεξεργασίας σήματος παρουσιάζει μια σημαντική διαφορά. Τα πρώτα δημιουργούν αρμονικές συνιστώσες στο ρεύμα του στάτη, οι οποίες απέχουν αρκετά στο πεδίο της συχνότητας από τη βασική αρμονική. Τα δεύτερα προκαλούν αρμονικές συνιστώσες, των οποίων η συχνότητα βρίσκεται πάρα πολύ κοντά σε αυτή της βασικής αρμονικής του ρεύματος. Αρχικά περιγράφεται πώς γίνεται ο υπολογισμός των απαραίτητων πινάκων των επαγωγιμοτήτων και των ωμικών αντιστάσεων της ασύγχρονης μηχανής στο φυσικό σύστημα a-b-c στην περίπτωση εκκεντρότητας ή σφάλματος στο δρομέα, καθώς και το πώς εξομοιώθηκαν τα σφάλματα αυτά στην πειραματική διάταξη. Κατόπιν γίνεται μια σύντομη αναφορά σε μεθόδους επεξεργασίας του σήματος του ρεύματος που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την ανίχνευση των προαναφερθέντων σφαλμάτων. Στη συνέχεια παρατίθενται τα αποτελέσματα από την διερεύνηση των διαφόρων μεθόδων μέσω προσομοίωσης και πειράματος. Από τη διερεύνηση αυτή προέκυψαν χρήσιμα συμπεράσματα για τα πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα της κάθε μεθόδου και για τις εφαρμογές καθεμιάς εξ’ αυτών. Ιδιαίτερα μελετήθηκε μια μέθοδος που βασίζεται στο όρισμα του συνεχούς μετασχηματισμού κυματιδίου ή/και του παραθυρικού μετασχηματισμού Fourier, η οποία αποδείχθηκε ότι υπό ορισμένες προϋποθέσεις πλεονεκτεί ως προς την καλύτερη ανίχνευση της συχνότητας και του πλάτους των αρμονικών συνιστωσών στο ρεύμα της ασύγχρονης μηχανής και μπορεί να χρησιμοποιηθεί και κατά τη διάρκεια μεταβατικών καταστάσεων λειτουργίας. Ακόμα προτάθηκε και διερευνήθηκε μια νέα βελτιωμένη μέθοδος για την ανίχνευση αρμονικών συνιστωσών, που βρίσκονται κοντά σε ισχυρές αρμονικές, η οποία βασίζεται στη συνέλιξη του σήματος του ρεύματος με το μιγαδικό κυματίδιο Morlet. Η μέθοδος αυτή εφαρμόστηκε για την περισσότερο αξιόπιστη ανίχνευση και την ακριβέστερη αποτίμηση σφαλμάτων στο δρομέα ασύγχρονων μηχανών, μέσω ανάλυσης του ρεύματος του στάτη. Στο κεφάλαιο 6 γίνεται μια προκαταρκτική διερεύνηση σχετικά με τη δυνατότητα ανίχνευσης σφαλμάτων στην ασύγχρονη μηχανή μέσω της ανάλυσης του ρεύματος του δρομέα. Προτείνονται μέθοδοι επεξεργασίας του σήματος του ρεύματος του κυκλώματος του δρομέα ώστε να ελαχιστοποιηθούν οι αρμονικές που προέρχονται από τον ηλεκτρονικό μετατροπέα ισχύος, για να είναι ευκολότερη η ανίχνευση αρμονικών που οφείλονται σε σφάλματα στην ασύγχρονη μηχανή. Ακόμα, μελετούνται σφάλματα στον ηλεκτρονικό μετατροπέα, ήτοι ανοιχτοκυκλώματα και βραχυκυκλώματα στις διόδους του ανορθωτή, και το αν και πώς αυτά μπορούν να επηρεάσουν δυσμενώς τις ταλαντώσεις της ηλεκτρομαγνητικής ροπής. Γίνεται διερεύνηση μέσω προσομοίωσης και πειράματος της συμπεριφοράς του συστήματος στην περίπτωση τέτοιου είδους σφαλμάτων. Στη συνέχεια, και αφού γίνεται μια σύντομη αναφορά και διερεύνηση μεθόδων για την ανίχνευση σφαλμάτων σε ηλεκτρονικούς μετατροπείς οι οποίες έχουν χρησιμοποιηθεί στο παρελθόν, προτείνεται μια βελτιωμένη μέθοδος ανίχνευσης τέτοιου είδους σφαλμάτων η οποία βασίζεται στον υπολογισμό της γωνίας και της στιγμιαίας συχνότητας του διανύσματος χώρου του ρεύματος του δρομέα. Η μέθοδος αυτή δίνει την δυνατότητα άμεσης ανίχνευσης και τον ακριβούς εντοπισμού των σφαλμάτων στον μετατροπέα σε πραγματικό χρόνο.