CN100476449C - 在运行中监控和/或分析电机的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及在运行中监控和/或分析电机的装置以及方法，其中电机包含至少一个发电机(4)，该发电机具有一个轴(2)以及驱动该轴(2)的驱动装置(1)，其中该轴在发电机(4)的第一侧接地，并且在该轴(2)上在发电机(4)的第二侧设置一个测量单元(6)用于作为时间函数测量轴电压(URC(t))和/或轴电流(IRC(t))。在如此的装置中轴电压(URC(t))和/或轴电流(IRC(t))的信号被供给一个分析单元(7)，这样能够组合并且同时测量不同的错误状态，其中分析单元(7)能够组合并且同时分析电机的至少两个可能存在的错误状态。如此的装置或者如此的方法能够确定在各个错误状态的各个测量结果之间的联立的交互关系，如此能够明确并且可靠地诊断实际危急的状态，则在分开考虑特殊现象的情况下是不可能的。

Description

在运行中监控和/或分析电机的装置和方法
技术领域
本发明涉及在运行中监控和/或分析电机的装置和方法。对此电机包含至少一个发电机，该发电机具有一个轴以及驱动该轴的驱动装置，其中该轴在发电机的第一侧主要直接接地，并且在该轴上在发电机的第二侧设置一个测量单元用于作为时间函数测量轴电压和/或轴电流。对此特别涉及一个在发电站设备中应用的装置。
背景技术
为了保证无摩擦运行，必须连续监控和/或偶尔分析该电机、特别是较大电机、比如在发电站设备中应用的电机，以便及时识别错误状态并避免不受控制的故障。
为了这个目的已经存在用于多个可能错误状态的各种不同的方法和装置，在此简短介绍。
US5,006,769描述了一个检测在发电机的转子绕组中匝间断路的装置。在该装置中通过特殊的接地组件测量轴电压并以特殊方式借助于傅里叶变换进行分析。
EP 0271678自身方面建议一个装置，以该装置可以断定轴接地的功能良好性和功能可靠性或者轴的绝缘。对此建议的、本来原设置用于降低轴电压的装置能够断定电机的全部接地情况。
在DE 19742662中描述了一个装置，通过测量轴的轴电压和轴电流，以该装置可以识别轴的电火花腐蚀(特别是在轴承位置)，比如在存在较高电压的情况下可能出现电火花腐蚀并且大多数具有伤害作用。
多个文献描述了这个装置，该装置用于检测在集流环上的电刷打火。例如US3,653,019、US4,058,804、US4,163,227以及US4,451,786与此有关。对此一个特别为此设置的测量装置直接连接在电刷上，并且，这是这些文献的主要方向，接下来进行数据处理，其能够区分干扰信号和有用信号。为此首先应用了选通方法，在该方法中识别干扰信号并且在干扰信号期间中断检测(消隐)。在US 4,577,151中建议了另一个监测电刷打火的方法，在该方法中通过一个特别为此设置的天线检测独特的信号并且接下来把信号供给分析单元。为此天线必须被布置在集流环附近，以便接收相应的高频信号。接下来在一个特殊的分析单元中放大并解调该信号并且然后供给一个检测器。
在US 4,814,699中描述一个用于识别另外错误状态的方法。其中涉及在定子、转子中或在励磁装置中检测局部放电。对此轴用作天线并且通过(绝缘的)轴承或通过特别为此设置的耦合线圈耦合输出高频脉冲。为此轴的轴承关于地必须电绝缘，还阐明，可以在这个特殊的信号中区分干扰信号和有用信号。
另外重要的、同样必须监控的错误状态在于机器、特别是涡轮发电机相绕组的轴系振动。振动可以分为若干种类。对此可能涉及弯曲振动或者横向的振动，其出现在垂直于轴的方向上。此外可能出现所谓的摆动，也就是说一般轴的旋转频率围绕通常50Hz(或者60Hz)的工频准周期地衰减变化，其由于例如电网中的脉冲干扰产生。真正的扭转振动被认为轴的第三种振动，其例如可能由于在电网上突然的负载增加产生。对此扭转振动是这样的振动，其表现在沿着轴的不一致的转动频率(相移或者频率偏移)，也就是说引起轴的扭转。
在扭转振动中涉及非常小的振动，通常在0.01度的相位幅度范围内，可是其还是可能导致非常高的轴负载，并且如此扭转振动的固有频率与引起该扭转振动的激励吻合特别导致如此扭转振动的危险摇摆，这甚至可能引起轴断裂。对此扭转振动的频率可以从几HZ直到200Hz，其中该频率自然依赖于轴的材料性质和厚度、与轴连接的接地和设备的大小。特别是在具有较长轴的较大设备中该扭转振动是非常紧要的。
根据该问题的重要性多个专利研究如此的振动。例如US 3,934,459描述了一个用于测量涡轮发电机系统的全部轴系的扭转振动的测量设备或者方法。为此通过一个或多个没有详细说明的、专门为此设置的传感器引出在轴的一个或多个点上的扭转振动。扭转信号的进一步处理是该文献的主题。通过以带通滤波器的滤波和乘法实现进一步处理，以便确定在末端的最大扭矩。
此外提及US 3,885,420、US4,148,222、US4,137,780和US4,317,371，这些文献全部描述用于测量这种电设备的扭转振动的测量设备或者方法。为了检测扭转振动与轴连接的、特别为此设置的齿轮用作信号发生器，其通过传感器产生电信号。借助于带通滤波器和乘法器等进一步处理该信号。在US4,317,731中描述了一个特殊的、用于测量相移的解调方法。该方法包含产生较低的中频和接下来的频率解调，这本身在无线电广播技术中已知。另一个方法(US3,885,420、)把一个锁相环(PPL：phase-locked-loop)用于解调。此外指出US4,444,064，其描述了一个方法，在该方法中首先在轴上外加一个磁格式(magnetisches Muster)，其然后用作脉冲发生器。测量扭转振动的另外方案基于在与轴耦合的永磁发电机的相绕组端子上的电压用于确定如此振动。通过分析在相应端子上引出的、产生的电压推断出扭转振动。再度借助于频率解调(PPL技术)实现该分析。这些装置的优点与齿轮解决方案相比具有较低费用。
作为另外可能出现的错误状态此外例如指出转子绕组的不完全的绝缘，以及旋转同步的颤振痕迹和/或划痕位置，这同样应当检测，以便防止发生故障。
发明内容
本发明基于这个任务，提供一个全面检测电机错误状态的选择装置使用，其具有足够的准确性，并且价格低廉并且耐用，其能够在通常的运行中进行连续监控。对此涉及用于在运行中监控和/或分析电机的装置，其中电机包含至少一个发电机，该发电机具有一个轴以及驱动该轴的驱动装置，其中该轴在发电机的第一侧主要直接接地，并且在该轴上在发电机的第二侧特别优选设置一个测量单元用于作为时间函数测量轴电压和/或轴电流。
由此解决该任务，即轴电压和轴电流供给一个分析单元，其中分析单元能够组合并同时分析电机的至少两个可能的错误状态。
因此本发明的核心一方面在于，确定轴电压和/或轴电流的测量能够断定电机的不同的系统性能和错误状态。如果相应地如此改变分析单元，即分析单元能够组合并同时记录对于不同的错误状态表征的信号，则得到一个组合测量设备，可以以通常已经存在的组件(在发电机一侧上的接地和在发电机另一侧上用于测量轴电压的单元)驱动该分析单元。一个如此的组合测量设备、在该设备中在测量并且因此几乎一个唯一的数据组的基础上可以同时检测多个错误状态、能够十分详细分析信号，能够改善不同效果的组合判读。与按照现有技术背景的、用于每个错误状态的各个测量设备的情况不同，在一个如此设备中能够建立并研究在各个现象/测量结果之间的联立交互关系，则不必在不同的设备之间的校准。如果存在多个错误状态和反常情况，其表明单独考虑的、也许还不是危急的情况，可是如果附加出现一个另外的错误状态，则这些错误状态和反常情况是一个危急状态的预兆。在传统的方法中，在该方法中以非协调的方式考虑独特的错误状态，则可能出现设备暂停，即使实际上还不必须暂停。与此相反建议的组合测量设备能够十分可靠地诊断错误状态。如此的组合测量设备首先具有这样的较大优点，即能够自动实现不同错误状态之间的相互关系，并且能够有针对性地报警(Alerts)。与现有技术相比不仅应用峰值和平均值，而且也应用在信号的整个频谱上、也就是说不仅在低频范围内而且同时也在高频范围内、在频率范围内和在时间范围内的实际测量。
此外由于发电机轴附近的磁不对称、由于发电机轴的静电充电、由于外部电场、该电场使轴电压容性耦合在发电机轴上、或由于在旋转的轴上的剩磁、例如由于轴的剩余磁化的原因产生在此考虑的轴电压或者轴电流。
如果轴电压和轴电流或者不降低到可容忍的程度，或者轴系的接地方案不适用，则轴电压和轴电流对于发电机的不同元件基本上是一个危险电位，并且可能导致伤害发电机。为此在过去在发电机轴上采取特殊的预防措施，例如在发电机的非驱动端上安装绝缘间隔，并且在驱动端上发电机轴经过电刷与地电位连接。为了减小电压峰值，发电机轴常常在非驱动端借助于滑动接触通过电容交流电压方式地耦合在地电位上。
本发明的另一个核心在于这个绝对意外的认识，即轴电流或者轴电压不仅仅包含上述的、根据EP-A1-0 271 678关于轴接地的功能良好性和功能可靠性的信息，或也包含根据此外要列举的EP-A2-0 391-181关于转子线圈短接的信息，而且在该信号中此外隐藏广泛的、关于轴的另外错误状态的信息，并且能够在一个唯一的分析单元中同步分析这些信息。相应例如能够放弃通常专门主管测量振动的装置，并且能够以也许已经存在的、用于监控功能良好性或转子线圈短接的设备测量轴电压或者轴电流并从在这种情况下获得数据中与另外的错误状态一起同时推断出轴的振动。对此轴电流和/或轴电压的测量是一个足够准确的并且特别适合于长期观察的、用于确定轴的错误状态的方法。
在通过该分析单元经过测量轴电压和/或轴电流得到的错误状态是从下面的组中选择的至少两个不同的错误状态：转子绕组中的匝间短路；轴接地的功能缺陷以及轴的绝缘缺陷；转子绕组的绝缘缺陷；轴的电火花腐蚀；电刷打火、特别是在集流环上的；在定子中和/或在转子中和/或在励磁装置中的局部放电；轴的振动、特别是扭转振动、和/或弯曲振动和/或摆动；在励磁装置和/或转子绕组中的火花；旋转同步的颤振痕迹和/或划痕位置。通过如此测量令人惊叹地得到所有这些错误状态并且特别能够分别同步地并且协调地研究一对或完整的一组错误状态。至少一个错误状态优选是高频的电火花活动、比如在轴上的电火花腐蚀或在励磁装置和/或转子绕组中的火花，或涉及轴的有害的振动、比如横向的弯曲振动、摆动或扭转振动。能够特别判断准确地分析这些振动的组合。
根据本发明装置的一个优选实施形式的特征在于，在发电机的第一侧为了轴的接地设置一个接地单元，其自身方面能够测量轴电压和/或轴电流作为时间函数。该信号(测量值)被提供给一个分析单元，在该分析单元中与来自测量单元的信号一起组合并同时进行分析。在发电机的第二侧(或在多个发电机的情况下在这些发电机之间的不同位置上)借助于该测量单元的附加测量能够有效定位沿着轴的错误状态。如此例如通过这种方式可以确定，在哪一个轴承上出现实际的电火花腐蚀，因为接地单元和测量单元的两个测量值的不同特性允许能够做出相应的推断。
该装置的另一个优选实施形式的特征在于，分析单元不仅在低频范围内而且也在高频的范围内进行分析。对此分析单元特别优选使用这个装置，以该装置可以选频滤波到达的信号。不同的错误状态在不同的频率范围内产生信号分量。当然例如能够优选借助于傅里叶分析同时并且组合地把低频范围用于确定匝间断路和/或轴的有害的振动，并且把高频范围用于确定电火花活动。
相应地这证明是有益的，即此外为了改善不同现象的分离并且为了提高信噪比对分析单元的到达的信号进行滤波。对此这些装置可能具有低通滤波器和高频带通滤波器，通过这些滤波器或者同时或者开关方式交替地对到达的信号(测量单元或者接地单元的轴电压或者轴电流的信号)进行滤波。这些装置或者可以布置为无源滤波器，可是也能够应用选频放大器。优选低通滤波器设计使得在20kHz以下的频率通过，高频带通滤波器以可调节的方式设计使得在20kHz至40MHz范围内、特别优选在1MHz至40MHz范围内的频率通过。
本发明的另一个优选实施形式具有这样的特征，即附加把另外的、不基于轴电压和/或轴电流的、关于错误状态的数据或信号提供给分析单元，这些数据或信号与涉及错误状态的轴电压和/或轴电流一起组合并同时地被监控或分析。这种附加数据或信号例如可能是定子相绕组的局部放电测量的测量信号或在集流环电刷上电火花活动的测量的测量信号。如果这些附加的、通过另外的过程检测的数据或信号同样被提供给分析单元，则可以确定在错误状态之间的另外相关性并且用于诊断。
根据本发明的另一个实施形式作为采样电路、特别是在应用一个模-数转换器的情况下实现在分析单元中的分析，该采样电路具有这样的采样速率，其与工频一致或是工频的整数倍除以发电机的极对数。在分析单元中为了分析轴电压和/或轴电流特别可以研究涉及在轴电压和/或轴电流中包含的调频和/或调幅和/或在基带中的频率线的信号。对此也可以分析频谱中的瞬变过程。有益地借助于傅里叶变换进行信号的分析。也许在以载波频率、例如以工频和其整数谐波除以极偶的数目解调或向下混频信号之后，逐段进行傅里叶变换，分析产生的频谱的谱线展宽和/或边带和/或在基带内的频率线。对此通常以1-200kHz的采样速率、特别对于低频部分在5kHz范围内对信号采样，并且对于高频部分在200kHz范围内对信号采样。接下来为了确定信号的精细结构对在0.5k至1000k数据点范围内、特别是在64k数据点单位范围内的数据段分别进行傅里叶变换(FFT)。
本发明的另一个优选实施形式的特征在于，在第一侧设置一个接地单元(Driving end module)，其具有通向在轴上的接触装置的一个高电阻并且具有一个通向地的低电阻，其中与高电阻并联布置一个保险装置，并且其中特别优选地在地和低电阻之间布置一个测量电阻，其中引出在高电阻和接触装置与接地之间的轴电压和流经测量电阻的轴电流。特别优选地如下布置测量单元。其具有通向在轴上的接触装置的保险装置并且具有一个或多个并联布置的电容以及具有一个与电容并联并通向地的电阻。对此在地和电容或接地点之间布置一个测量电阻，其中引出在保险装置和接地之间的轴电压和流经测量电阻的电流。这种形式的测量能够无干扰地观测并且由于存在的保险装置能够防止峰值电压和峰值电流可靠地观测。
在从属权利要求中说明了根据本发明装置的另外优选实施形式。
此外本发明涉及在运行监控和/或分析电机的方法，其中电机包含至少一个发电机，其具有一个轴以及驱动该轴的驱动装置，其中该轴在发电机的第一侧主要低阻接地，并且在该轴上在发电机的第二侧特别优选设置一个测量单元用于测量轴电压和/或轴电流作为时间函数。对此轴电压和/或轴电流的信号被提供给分析单元，并且在分析单元中对于电机的至少两个可能的错误状态进行组合并且进行同时的分析。对此优选涉及上面提到的错误状态，优选在应用上面描述的装置的情况下实施该方法。
在附属权利要求中说明根据本发明方法的另外优选实施形式。
附图说明
下面根据实施例结合附图详细阐述本发明。唯一的附图示出了用于测量作为时间(t)的函数的轴电压URC(t)和/或UDE(t)或者轴电流IRC(t)和/或IDE(t)的装置的示意图。
具体实施方式
附图示出了燃气轮机设备的示意图，在该图中两个涡轮1布置在一个发电机4的两侧作为驱动装置，其中两个涡轮1同发电机4一样布置在一个公共的轴2或者轴系上。在此仅仅示范性地理解两个涡轮1，仅仅布置一个涡轮也是可能的。为了例如在提速时发电机4与涡轮1分离，通常设置这样的联动器，其允许涡轮1与发电机4机械去耦合。
轴2安置在至少两个轴承3上。在轴承3上的油膜使轴2和与地连接的轴承3电绝缘。可是在从某个高度起的电压峰值的情况下可能击穿该绝缘，这可能导致电腐蚀问题(轴的电火花腐蚀)。
正如开始已经提到的，在此类发电机4的轴上由于不同原因产生轴电压和轴电流，其频谱从直流分量直到这样的频率，其作为倍数与发电机的旋转频率有关，而且也与发电机的实际激励系统的频率有关。可能出现直到几MHz的频率。
尤其由于轴2附近的磁非对称性、由于轴2的静电充电、由于使轴电压容性耦合到轴2上的外部电场、或由于在旋转的轴2上的剩磁、以及由于轴2的剩余磁化(制造引起)产生轴电压或者轴电流。
轴电压、在下面称为U(t)、和轴电流、在下面称为I(t)、原则上可能危害发电机的不同元件并且可能导致损害发电机。可是根据本发明将轴电压或者轴电流用于有目的地分析并检测电机的各种错误状态。
为此在发电机4的一个侧将一个低阻的接地单元、例如所谓的DE组件5(Driving End Module)连接在轴2上，该组件主要保证轴2可靠的低阻接地。DE组件5与分析单元7连接。
在发电机4的另一侧作为用于作为时间函数测量轴电压(URC(t))和/或轴电流(IRC(t))的测量单元，一个高阻的接地设备、与分析单元7连接的所谓RC组件6(R为电阻、C为电容)一端与轴2连接并且另一方面连接到接地点9。
DE组件5经过一个接触装置10与轴2连接。在接触装置10中主要涉及一个铜编织层，该编织层摩擦地与轴2电接触。通过在接触装置10和接地点8之间首先连接一个高电阻12并且与该高电阻12并联一个保险装置，DE组件5对接地点8形成低阻。这防止出现过高的电流。因DE组件5首先保证轴2低阻接地。与该高电阻12或者保险装置14串联一个低电阻13通向地。电阻13的值R典型为1至10欧姆。为了此外可以短路高频的电压峰值(典型为150-200kHz)，一个具有在3-10μF范围内容量的电容器17与低电阻并联。否则存在这样的危险，既如此的电压峰值经过轴承套消失并且在那里导致形成电火花。
在高电阻12和接触装置10或地之间作为时间函数引出轴电压UDE(t)，并且通过同轴电缆19移交给分析单元7。为了监控保险装置14的状态，同时也能够监控在电阻12和13或者地之间的电压。在地和低电阻13之间此外存在一个测量电阻18(shunt resistance)，在该电阻处通过在其上面产生的电压降可以计算并记录轴电流IDE(t)。这些信息也通过同轴电缆19移交给分析单元7。
在发电机4的另一侧通常布置RC组件6用于旁路电压峰值。该组件同样具有一个连接轴2的接触装置11，再度优选以与轴2电接触的铜编织层的形式形成该接触装置。该RC组件首先具有一个连接轴的保险装置15，通常保险装置的型号是2AT(在此保险装置也用于防止较高电流)，并且具有一个与其串联的电阻16，一个形成为电容器的电容17与该电阻并联布置。与电容17并联布置的电阻16一般具有在100至10000欧姆范围内的R值，优选400至1000欧姆。电容17的值C典型在1至30F的范围内。
在保险装置15和接地点9之间作为时间函数引出轴电压URC(t)，并且经过同轴电缆20移交给分析单元7。在接地点9和电阻16与电容17的并联布置之间此外还存在一个测量电阻18(shuntresistance)，在该电阻处通过在其上面产生的电压降可以计算并记录轴电流Is(t)。该信息也经过同轴电缆移交给分析单元7。
作为时间函数测量的轴电压URC(t)、UDE(t)或作为时间函数测量的轴电流IRC(t)、IDE(t)包含关于电机各种错误状态的信息，下面示范列出这些信息：
A)在转子绕组中的匝间短路：
正如在US 5,006,769中描述的，如此匝间短路导致在轴电压或者轴电流的信号中独特的谐波分量。该信号在1kHz以下的范围内、也就是说在低频范围内变动，并出现在转子旋转频率的整数倍处。假如在转子绕组中实际存在匝间短路，则在50Hz的旋转频率的情况下相应观察在100Hz、200Hz处的特征信号。如果不存在匝间短路，则在这些频率处仅仅观察到很弱的信号。
B)轴的接地状态或者轴的绝缘状态：
在时间范围内观察到这些错误状态的存在，并且表现在信号的独特中断、通常在1至6ms的范围内。在EP 271678 A1中描述了产生的独特信号，并且同样指出了怎样从这些信号中能够有针对性的诊断。在DE组件5和RC组件6上的轴电压的测量值的组合特别能够准确定位相应的故障位置。
C)转子绕组的绝缘状态：
该错误状态在此导致在低于1kHz范围内的低频信号。类似于转子绕组短路的情况，在存在转子绕组错误绝缘的情况下可以独特看见几倍的工频。在50Hz工频的情况下观察到在300Hz、600Hz、900Hz、等处的特殊频带，相应在6脉冲电压的情况下观察到在150Hz、300Hz等处的频带。
D)轴的电火花腐蚀：
如果出现这种错误状态，则在高频范围内、也就是说从大约500kHz起观察到独特的信号。在轴电压或者轴电流的时间信号中观察到较强的尖峰信号(Spikes)，典型处在1.5MHz或40MHz等处。对此该尖峰信号类似于在局部放电情况下产生的脉冲。
E)在集流环上的电刷打火：
这种错误状态的存在也导致信号的独特的高频尖峰信号(为此参阅开始提到的现技术背景的文献，在轴电压或者轴电流上观察到的相应信号与在这些文献中提到的信号相似)。可是观察到的信号与在电火花腐蚀中观察到的信号相比处在另外的频带范围。
F)在定子/转子/励磁器中的局部放电：
如果出现如此的局部放电，则在显著高于500kHz的频率范围内观察到尖峰信号(Spikes)。在轴电压或者轴电流上观察到的信号中主要涉及这样的信号，其类似于在开始提到的US 4,814,699中描述的信号。
G)轴振动：
对此涉及比如轴2的横向弯曲振动(I类运动)的振动、涉及轴2的摆动(II类运动)或涉及轴2的扭转振动(III类运动)。在这类关系中摆动是在固有的工频率附近转子的旋转速度的变化。如果在通常在50或60Hz下运行的电网中可能产生摆动，则出现干扰，其馈入转子的运动中并且例如使运动变得缓慢。这导致转子频率在额定频率附近摆动，如果在该摆动中涉及系统的固有频率，则这当然是特别关键的，因为摇摆是可能的。如果在电网上出现突然的负载升高，则当然例如出现扭转振动，并且由于负载升高发电机在一定程度上短暂减速(这当然也引起摆动)。
轴电流或者轴电压的分析能够诊断所有三种运动类型I、II或III。对此扭转振动(III类)和摆动(II类)的测量可以优选使用频率解调的方法，其对幅度波动不敏感。为了测量弯曲振动(I类)可以使用解调幅的方法。对此在这两种情况下可以应用特性信号的多个谐波。
弯曲振动(I类)在相应频谱中一方面表现为轴电压/电流谐波的边带，其中边带相距调制频率。这由此得出，即这种形式的振动引起信号U(t)或者I(t)的调幅，其中调制频率大约为1至300Hz，并且该调制不仅在轴电压/轴电流的基波上而且在相应的谐波上显而易见。如此通过简单的观察或者分析谱线或者其边带就能够识别弯曲振动。这种分析是可见的，可是也能够自动分析。此外弯曲振动也表现为在基带内的频率线，也就是说0Hz周围的“边带”。
通常在转子的基频周围发生摆动振动(II类)。对此涉及旋转频率的快速改变，也就是说涉及在少于1秒的时标上的改变。这在傅里叶频谱中导致在旋转频率的谱线上以及在谐波上的谱线展宽。对此涉及在频率千分之3-4范围内的频率展宽或者频率移位。相应可以借助于如此的谱线展宽可见或自动识别摆动的出现，并且特别可以按时间顺序分析摆动的出现。
由于通常较高频率的原因扭转振动(III类)导致在频谱中的精细结构。扭转振动通常处在100至200Hz的范围内，并且导致在时标上非常快速的频率偏移或者相位偏移。这也还可以在频谱中可见或自动识别并分析。
H)在励磁设备或转子绕组中的电火花：
在此也观察到高频的独特信号。
I)旋转同步的颤振痕迹和/或划痕位置：
如果例如轴套被划过，则出现如此的颤振痕迹。划痕位置理解为电划痕位置。该错误物状态在信号中表现在低频部分并且也表现在高频部分。例如在低频部分观察到划痕位置，可是在高频范围内也可能观察到在确定的范围内的周期电火花。
这是重要的，即在一个唯一的分析单元7中基本上根据轴电压可以分析按照现技术背景由不同测量设备和耦合单元测量的不同现象，如此可以简单建立并研究在各个测量结果之间的交互关系。对此不仅在低频信号范围内而且也在高频信号范围内测量轴电压。这是特别有益的，因为首先结合另外的现象能够清楚断定一些现象并且首先描述在组合中出现电机伤害。例如匝间短路首先是运行故障，同时也出现较强振动。同时测量证明是非常有益的，因为可以识别交互关系。
把用于确定上述错误状态的算法用于分析。一些算法不仅应用低频信号范围的信号而且也应用高频信号范围的信号(例如为了检测划痕位置、轴的绝缘)。此外有些算法也应用另外测量算法的结果并且确定这些结果的相互关系，以便提高诊断的准确判断。通过(同时)组合多个测量方法得到比通过所有单个方法单独累加更好并且判断更准确的结果。为此示范利用下面的特殊组合：
·在同一个设备中振动分析与与同时对匝间短路的分析的组合。这是有益的，因为匝间短路首先是运行故障，其引起振动。
·振动分析与轴的划痕位置分析的组合。震动导致划痕或者相反亦然，借助于两个独特信号的相应同时出现可以识别，如此估计运行危险。
·在轴上高频活性(电火花腐蚀)的测量与划痕位置测量的组合。划痕位置本身单独通常不是紧要的。同样电火花腐蚀本身单独也不是紧要的。可是如果这两种迹象同时出现，则再度可能推断出一个紧急的运行状态。
·在轴上振动测量与定子绕组的局部放电测量的组合。较强的振动和局部放电是因果关系，并且同步出现表示一个危急状态的征兆。
这些独特的、组合出现的错误状态也可以非常简单地供给一个自动的识别方法，因为在一个分析单元中同步应用这些错误状态，基于组合值以非常高的可靠性可以产生相应的报警信号。
真正的分析单元7包含两个输入级，一个高频输入级23和一个低频输入级24。高频输入级23包括一个高频带通滤波器(接收频带边缘陡峭并且从20kHz直到MHz范围，主要在频率宽度上可以调整)。例如通过一个频率选择的放大器实现的带通滤波器(滤波器)23使干扰信号(例如可控硅脉冲)与有用信号(例如电火花信号)分离。检测处在通带内的有用信号，抑制在滤波器截止范围内的干扰信号。因此例如使用这种认识，即可控硅开关信号与电刷打火的火花信号相比频率更低。通过在不同平带内的接收可以普遍区分彼此的不同现象。
低频输入级设计用于直到大约20kHz的频率。再度涉及一个无源的低通滤波器或涉及一个选择的低频放大器。因此预处理低频信号。
输入级信号接下来移交给一个组合的分析单元22。借助于时间信号URC(t)或者UDE(t)或IRC(t)或者IDE(t)的傅里叶变换的分析证明特别适合于在频率范围内的分析。为了提高测量准确性或者为了简化输入数据的滤波相应的时间信号可以与载波信号(Carrier)或者与相应偏移π/2的载波信号在正交检波的意义上混频，并且以单独的实数部分或者虚数部分存储并进行傅里叶变换(FFT)。例如工频或其整数倍适合作为载波信号，为此同样直接从电网或在一个适合的位置引出该工频或本地产生。
首先在一个典型为5kHz(来自低频输入级24的低频信号)或者200kHz(来自高频输入级23的高频信号)采样速率的模-数转换器(ADC)中数字化到达的信号URC(t)或者UDE(t)(典型在低于15V的范围内)或IRC(t)或者IDE(t)，接下来逐段地对已数字化的时间信号Udig(t)或者Idig(t)进行傅里叶变换。对此为了分析例如扭转分别对例如64k数据点的窗口进行傅里叶变换证明是合理的，在检验弯曲振动时通常1k的数据点的窗口就已经足够了，因为相应的频谱特征是非常粗的。
此外可以以一个这样的采样速率对信号采样，该采样频率与工频一致或是工频的整数倍除以发电机的极对数(网络相位同步分析)。这引起频率刚好偏移采样频率。如此例如可以特别简单地检测旋转同步的颤振痕迹和/或划痕位置。
在另外的实施中在轴上的测量与例如在US 4,814,699中描述的在相位端子上的局部放电测量组合。因此能够区分在定子绕组中的局部放电脉冲和在轴上的电火花活动，或补充局部放电测量。
在另外的实施中关于低频信号和高频信号分析直接在集流环电刷上引出的信号(参见US 3,653,019)，并且同样借助于组合的算法与从轴电压或者轴电流中获得的数据一起分析。
可是原则上直接在轴上的输出耦合的较大优点在于，能够测量在轴上的所有电火花活动、例如通过轴承套的放电。发电机4的两侧测量此外能够很好地定位产生的现象。
在这种关系中必须注意，本方法特别特别适合于长时间观察轴系的状态，因为设备费用相对较低并且传感器、也就是说轴、始终存在。如此可以从电机的错误状态的逐步的缓慢变化中推断出也许可能存在的修正需求，可以计划并实施有针对性的相应修改。
附图标记列表
1.涡轮、驱动装置
2.轴
3.轴承
4.发电机
5.接地单元(DE组件、Driving End Module)
6.RC组件(高阻)、测量单元
7.分析单元
8.5的接地点
9.6的接地点
10.5的接触装置
11.6的接触装置
12.高电阻
13.低电阻
14.保险装置
15.保险装置
16.电阻
17.电容
18.测量电阻(Shunt resistance)
19.从5到7的同轴电缆
20.从6到7的同轴电缆
21.集流环
22.组合分析单元
23.高频带通滤波器(高频输入级)
24.低通滤波器(低频输入级)

Claims (20)

1.在运行中监控和/或分析电机的装置，其中电机包含至少一个发电机(4)，该发电机具有一个轴(2)以及驱动该轴(2)的驱动装置(1)，其中该轴(2)在发电机(4)的第一侧接地，并且在该轴(2)上在发电机(4)的第二侧设置一个测量单元(6)用于测量轴电压和/或轴电流作为时间函数，其特征在于，轴电压和/或轴电流的至少一个信号被提供给一个分析单元(7)并且在该分析单元(7)中对电机的至少两个可能错误状态进行组合并且进行同时分析，其中分析单元(7)不仅在低频信号范围内而且也在高频信号范围内进行分析，并且其中借助于傅里叶分析同时并且组合地采用低频范围确定匝间短路和/或轴的有害振动，同时并且组合地采用高频部分确定电火花活动。
2.按照权利要求1的装置，其特征在于，所述错误状态是选自以下组中的至少两个不同的错误状态：
转子绕组中的匝间短路；轴接地的功能缺陷；轴(2)的绝缘缺陷；转子绕组的绝缘缺陷；轴(2)的电火花腐蚀；电刷打火；在定子中和/或在转子中和/或在励磁装置中的局部放电；轴(2)的有害振动；在励磁装置和/或转子绕组中的火花；旋转同步的颤振痕迹和/或划痕位置。
3.按照上述权利要求之一所述的装置，其特征在于，至少一个错误状态是高频的电火花活动或在励磁装置和/或转子绕组中的火花，或者是轴(2)的有害震动。
4.按照权利要求3所述的装置，其特征在于，
所述高频的电火花活动是在轴(2)上的电火花腐蚀，并且所述有害震动是横向的弯曲振动、摆动和/或扭转振动。
5.按照权利要求1或者2的装置，其特征在于，在发电机(4)的第一侧设置一个接地单元(5)用于轴(2)的接地，其自己一方能够测量轴电压和/或轴电流作为时间函数，并且信号被供给分析单元(7)，在该分析单元(7)中与来自测量单元(6)的信号组合地并且同时地进行分析。
6.按照权利要求1所述的装置，其特征在于，分析单元(7)具有装置(23、24)，用该装置对信号进行频率选择的滤波。
7.按照权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置是一个低通滤波器(24)和一个高频带通滤波器(23)，通过二者以同时或者开关方式交替对信号滤波，其中低通滤波器(24)使20kHz以下的频率通过，高频滤波器(23)以可调节方式使20kHz到40MHz范围的频率通过。
8.按照权利要求7所述的装置，其特征在于，所述高频滤波器(23)以可调节方式使从1MHz直到40MHz的频率通过。
9.按照权利要求1或者2所述的装置，其特征在于，另外的、不基于轴电压和/或轴电流测量的、关于错误状态的信号被附加提供给分析单元(7)，这些信号与涉及错误状态的轴电压和/或轴电流一起组合和同时地被监控或者分析。
10.按照权利要求1或者2所述的装置，其特征在于，应用模-数转换器的情况下作为采样实现在分析单元(7)中的分析，其中应用一个采样速率，该速率与工频一致或是工频的整数倍除以发电机的极对的数目。
11.按照权利要求1或者2所述的装置，其特征在于，在分析单元(7)中为了分析轴电压和/或轴电流研究相应的信号，该研究是对于在所述信号中包含的频率调制和/或幅度调制和/或在基带中的频率线进行的。
12.按照权利要求11所述的装置，其特征在于，在分析单元(7)中分析频谱中的瞬变过程。
13.按照权利要求10所述的装置，其特征在于，在以载波频率和载波频率的整数谐波除以极偶的数目解调或向下混频信号之后逐段进行傅里叶变换，分析产生的频谱的谱线展宽和/或边带和/或在基带内的频率线。
14.按照权利要求13所述的装置，其特征在于，所述载波频率是工频。
15.按照权利要求11所述的装置，其特征在于，以1-200kHz的采样速率对于低频部分在5kHz范围内对信号采样，对于高频部分在200kHz范围内对信号采样，接下来为了确定信号的精细结构分别对在0.5k至1000k数据点范围内的数据段进行傅里叶变换。
16.按照权利要求11所述的装置，其特征在于，以1-200kHz的采样速率对于低频部分在5kHz范围内对信号采样，对于高频部分在200kHz范围内对信号采样，接下来为了确定信号的精细结构分别对在在64k数据点范围内的数据段进行傅里叶变换。
17.按照权利要求1或者2所述的装置，其特征在于，在发电机(4)的第一侧设置一个接地单元(5)，其具有一个通向在轴(2)上的接触装置(10)的高电阻(12)和一个通向接地点(8)的低电阻(13)，其中与高电阻(12)并联布置一个保险装置(14)，并且其中在接地点(8)和低电阻(13)之间布置一个测量电阻(18)，其中引出在高电阻(12)和接触装置(10)和接地点(8)之间的轴电压，以及引出经过测量电阻(18)的轴电流。
18.根据权利要求1或者2所述的装置，其特征在于，测量单元(6)具有一个通向在轴(2)上的接触装置(11)的保险装置(15)和一个或多个并联布置的电容(17)以及具有一个与所述电容并联并通向接地点(9)的电阻(16)，其中在接地点(9)和电容(17)或者电阻(16)之间布置一个测量电阻(18)，其中引出在保险装置(15)和接地点(9)之间的轴电压和经过测量电阻(18)的轴电流。
19.在运行中监控和/或分析电机的方法，其中电机包含至少一个发电机(4)，该发电机具有一个轴(2)以及驱动该轴(2)的驱动装置(1)，其中该轴(2)在发电机(4)的第一侧接地，并且在该轴(2)上在发电机(4)的第二侧设置一个测量单元(6)用于测量轴电压和/或轴电流作为时间函数，其特征在于，描述轴电压和/或轴电流的信号被供给一个分析单元(7)并且在该分析单元(7)中对电机的至少两个可能错误状态进行组合并且进行同时分析，其中分析单元(7)不仅在低频信号范围内而且也在高频信号范围内进行分析，并且其中借助于傅里叶分析同时并且组合地采用低频范围确定匝间短路和/或轴的有害振动，同时并且组合地采用高频部分确定电火花活动。
20.根据权利要求19的方法，其特征在于，错误状态是选自下面的组的至少两个不同的错误状态：
转子绕组中的匝间短路；轴接地的功能缺陷；轴(2)的绝缘缺陷；转子绕组的绝缘缺陷；轴(2)的电火花腐蚀；电刷打火；在定子中和/或在转子中和/或在励磁装置中的局部放电；轴(2)的有害振动；在励磁装置和/或转子绕组中的火花；旋转同步的颤振痕迹和/或划痕位置，
并且在应用根据权利要求1至18之一所述的装置的情况下实施该方法。
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