CN100549636C - 检测在电机上轴系振动的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于检测在一个电机上轴系振动的一种方法以及一种装置。在此为了检测振动测量轴电压(U_s(t))和/或轴电流(I_s(t))并且关于对于振动表征的分量分析轴电压和/或轴电流。该方法，其利用通常大多数仅认为是有害的轴电压或者轴电流，一方面证明是足够准确的并且是非常适合于长时间监控此类振动，另一方面能够结构简单地并且以可靠的方式实现。

Description

检测在电机上轴系振动的方法和装置

技术领域

本发明涉及用于检测在一个电机上、特别是在发电站设备中轴系振动的一种方法和一种装置。

背景技术

机器、特别是涡轮发电机组的轴系振动有若干种类。在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。在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度的相位振幅范围内，可是其还是可能导致非常高的轴负载，并且尤其是此类扭转振动的固有频率与引起该扭转振动的激励吻合可能导致此类扭转振动的危险起振，这甚至可能引起轴断裂。在此扭转振动的频率能够从凡Hz直到200Hz，其中该频率自然依赖于轴的材料性质和厚度、与轴连接的物质和设备的大小。特别是在具有长的轴的大型设备中该扭转振动可能显得紧要。

根据该问题的重要性多个专利已经研究了这个课题。例如US3,934,459说明了用于测量涡轮发电机系统的全部轴系扭转振动的一种测量设备和一种方法。为此通过一个或多个没有详细说明的传感器在轴的一个或多个点上记录该扭转振动。扭转信号的进一步处理是该文献的主题。通过用带通滤波器的滤波和乘法实现进一步处理，以便最终得到最大扭矩。

此外提及US 3,885,420、US4,148,222、US4,137,780和US4,317,371，这些文献统统说明用于测量此类电气设备的扭转振动的测量设备或者方法。为了检测扭转振动将与轴连接的齿轮用作信号发生器，这些齿轮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中说明了一种特殊的、用于测量相移的解调方法。该方法包含较低的中频的产生和接下来的频率解调，这本身在无线电广播技术中已知。另一种方法(US 3,885,420)把一个锁相环PPL(phase-locked-loop)用于解调。此外指出US4,444,064，其说明了一种方法，在该方法中首先在轴上外加一个磁格式，其然后用作脉冲发生器。测量扭转振动的另一方案基于将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此类振动。通过分析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。这种设置的优点与齿轮解决方案相比具有较低费用。

发明内容

因此本发明任务，一方面提供一种用于检测扭转振动的选择方法，另一方面提供一种用于检测机器轴系其他振动的装置，该装置具有足够的准确性并且在此能够结构简单、价格低廉并且可靠地被实现。特别应检测在运行中难以测量的轴系固有频率，尤其也应检测在时间过程中固有频率的变化。

由此解决该任务，即为了检测振动，测量并分析在轴和发电机的地之间的轴电压和轴电流。

正如在出版文献EP-A1-0 271 678和稍后的出版文献DE-A1-197 42622中所说明的，在发电机的发电机轴上由于不同的原因产生轴电压和轴电流，该发电机通常是涡轮组的一部分，轴电压和轴电流的频谱从直流直到较高频率，其与发电机的转动频率成倍数关系，可是也与发电机的静态激励系统的频率有关。在此观察在最初周期函数(周期＝转子转数)的频谱中表明的基频的谐波。

尤其由于发电机轴附近的磁不对称、由于发电机轴的静电充电、由于将轴电压容性耦合在发电机轴上的外部电场、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合适，则轴电压和轴电流对于发电机的不同元件基本上是一个潜在危险，并且可能导致损害发电机。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线路，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，常常将发电机轴在非驱动端借助于滑动接触通过电容以交流电压的方式耦合到地电位上。

可是轴电压和轴电流也可以考虑用于监控轴接地的功能可靠性和功能高效性。开始提到的出版文献EP-A1-0 271 678为此给出一个监控电路和分析电路，其在发电机的非运行端上通过电阻同旁路电容的并联电路建立一个电流路径，分析在流经这个RC组合的电流中的机器典型的频率分量。RC组合表明在轴和地电位之间的可靠连接，该连接不仅减少静态充电而且也把高频电压降低到对于轴承没有危险的值。

另一个建议(DE-A1-197 42 622)如下，在驱动端测量流经发电机轴的接地线路的轴电流并确定轴电流的频率，然后从中推导出轴电流的起因。

现在本发明的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关于轴接地的功能高效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还包含大量关于轴的所有形式振动的信息。相应能够放弃通常专门设置用于测量此类振动的装置，并且能够用也许已经存在的、用于监控功能高效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所获得的数据中逆向推断出轴的振动。在此轴电流和/或轴电压的测量是一个足够准确的并且特别对于长期观察非常适合的、用于确定轴的此类振动的方法。

根据第一个优选的、根据本发明方法的实施形式在检测的振动中涉及扭转振动和/或横向弯曲振动和/或涉及轴的摆动。在此不仅可以确定特殊类型的单独振动的存在，而且也可以确定其时间顺序和强度。

根据另一个优选的实施形式如此实现轴电压和/或轴电流的测量，即在轴的第一位置、在发电机的前面、设置一个低阻的接地，并且在轴的第二位置、在发电机的后面、通过一个单元、例如在轴和地之间一个高阻的RC单元量取轴电压、也就是说在轴和地之间的电压、和/或轴电流、也就是说流向地的电流，并且在一个分析单元中分析该轴电压和/或轴电流。在此特别优选地为了分析轴电压和/或轴电流将该信号作为时间函数测量并记录，并且作为时间函数分析。在此以一个这样的取样速率实现采样，该采样速率与工频一致或为工频的整数倍除以发电机的极对数。优选关于在信号中包含的、轴电压/电流频谱的谐波的调频和/或调幅，检查产生的信号(电压或电流)。在此在以载频、特别是以工频或其谐波、解调或者下混频信号之后将优选部分进行傅立叶变换，并且在调频的情况下根据谐波的谱线展宽或者在调幅的情况下根据边带或基带内的频带来分析产生的频谱。这种形式的分析允许相应的、对于特殊振动表征的信号的简单可视化。

在应用傅立叶变换的情况下这证明是适用的，即以1-10kHz的采样速率数字化该信号，特别是在5kHz范围内进行采样，接下来为了确定精细结构，比如在摆动和/或扭转的情况下出现精细结构，从信号中分别对在50k至100k数据点范围内、特别是在64k数据点范围内的数据段分别进行傅立叶变换(FFT)。对于表明为在1至180Hz、或甚至直到300Hz范围内调幅的弯曲振动分别可以对在0.5k至1.5k数据点范围内、特别是在1k数据点范围内的数据段进行傅立叶变换(FFT)。

基本上表明，当存在短暂的、横向弯曲振动的情况下在频谱中在1至300hz范围内的频率中观察到短暂的谱线，当存在摆动的情况下在工频或者在其倍频谐波位置能够观察到谱线的展宽，其中在相应频率的千分之2-4的范围内存在偏移并且在直到1秒的时标上出现。与此不同，当存在扭转振动时通常观察到带有在大约50至200Hz范围内的速度的相位调制。

对轴的振动的检测和分析一般理解为，从轴电压(U_s(t))和轴电流(I_s(t))中确定振动特征值。在这些振动特征值中优选地涉及振动固有频率、也就是说涉及谐振频率。对此特别考虑a)水平弯曲决定的和/或垂直弯曲决定的固有频率、和/或b)固有扭转频率、和/或c)固有摆动频率。可选地可以附加确定并分析在固有频率中的幅度和相位。所有这些固有频率或模式可以采用处在额定转数范围内、也就是说在50或60Hz范围内的值。也可能存在该固有频率，其谐波倍频处在该范围内。例如可能出现直到20个小于或等于50Hz频率的扭转模式，也就是说固有频率密度可能很大。

为了防止或者监控如此振动的有害激励，在额定转数附近特别不应当存在有害振动的固有频率。相应这表明是有益的，即如果固有振动频率或其谐波倍频处在通常50或60Hz的额定转数的+/-10％的范围内、优选在额定转数的+/-5％的范围内，则固有振动频率归为危险的。对此当然从通常最大出现的、与额定转数的偏差中得出无谐振的窗口宽度。

在具体实施方式部分说明了根据本发明方法的另外优选实施形式。

本发明此外涉及一个用于实施如上所述的方法的装置，该装置的特征在于，在轴的第一位置设置轴的一个低阻接地，在轴的第二位置设置在轴和地之间的一个高阻RC单元，通过该RC单元量取轴电压和/或轴电流并且在分析单元中分析表征轴振动的分量。在此通过所谓的驱动端模块(DE模块)、也就是说通过一个连接轴上的接触装置的低阻电阻特别优选地实现低阻接地，其中还串联一个保险。在真正的测量位置这证明是有益的，即嵌入一个RC单元，其拥有连接轴上的接触装置的保险，该接触装置经过一个或多个(也许可开关的)电容以及经过一个与电容并联的电阻与地连接，其中在地和电容或电阻之间布置一个测量电阻(shunt-resistance)。在此测量在保险和地之间的轴电压以及直接通过测量电阻测量轴电流。因为轴的安全并可靠的接触对于数据质量和其整理分析是非常重要的，所以这证明是有益的，即各应用一个金属软线作为接触装置，其不依赖于接触模块(DE模块、RC模块)的布置。

在此优选被测量的轴电压或者轴电流作为时间函数被检测并被供给一个分析装置，其中该分析装置具有用于数字化信号(电压、电流)的装置、用于对这个数字化的信号进行傅立叶变换的装置以及用于频谱显示变换后数据的装置，其中特别按照确定的标准优选附加数字地自动确定并且简化显示轴的振动的存在、形式和强度。在此在该标准中涉及上述各个振动的特有的频谱特征。

在具体实施方式部分说明了根据本发明装置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。唯一的附图图示出了一个用于测量作为时间(t)的函数的轴电压U_s(t)或者轴电流I_s(t)的装置的示意图。

具体实施方式

附图示出一个燃气轮机设备的示意图，在该图中两个涡轮1布置v在一个发电机4的两侧，其中两个涡轮机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。为了例如在提速时能够将发电机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安装在至少两个轴承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。

正如开始已经提到的，在此类发电机4的发电机轴上由于不同原因出现轴电压和轴电流，其频谱从直流成分直到这样的频率，其作为倍数与发电机的旋转频率有关，而且也与发电机的静态激励系统的频率有关。

尤其由于轴2附近的磁非对称性、由于轴2的静电充电、由于使轴电压电容耦合到轴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、通常并且在下面称为U_s、和轴电流、通常并且在下面称为I_s、原则上危害发电机的不同元件并且可能导致损害发电机。可是现在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轴振动。

为此在发电机4的一侧将一个低阻的接地5、例如所谓的DE模块5(Driving End Module)连接在轴2上，该模块主要保证轴2可靠接地8。在发电机4的另一侧将一个与分析单元7连接的所谓RC模块6(R为电阻、C为电容)一端与轴2连接并且另一端置于地9上。

DE模块5经过一个接触装置10与轴2连接。在接触装置中优选地涉及一个铜编织层，该编织层磨擦地与轴2电接触。通过在接触装置10和地8之间首先连接一个低阻电阻12，DE模块5对地8形成低阻。电阻12典型具有在1至10欧姆范围内的R值。从而DE模块5首先保证轴2低阻接地。

在发电机4的另一侧通常布置RC模块6用于旁路HF峰值。这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模块首先具有一个连接轴的保险15，通常保险的型号是2AT(在此该保险用于防止较高电流)，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。

在保险和地之间量取作为时间函数的轴电压U_s(t)，并且轴电压经过同轴电缆移交给分析单元7。在接地点9和电阻16与电容17的并联布置之间此外存在一个测量电阻18(shunt resistance)，在该电阻上通过在其上面产生的电压降计算轴电流Is(t)并且可以记录该轴电流。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U_s(t)或作为时间函数测量的轴电流I_s(t)包含关于轴的所有运动的信息。在此涉及振动、如轴2的横向弯曲振动(A类运动)、涉及轴2的摆动(B类运动)或涉及轴2的扭转振动(C类运动)。在这类关系中摆动是在固有的额定频率附近转子的旋转速度的变化。当在通常在为50或60Hz下运行的电网中出现馈入转子的运动中并且例如降低运动速度的干扰时，例如出现摆动。这当然同样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，则这就是特别关键的，因为摆动是可能的。如果在电网上出现突然的负载升高，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)，那么例如就出现扭转振动。

轴电流或者轴电压的分析允许诊断所有三种运动类型A、B或C。在此扭转振动(C类)和摆动(B类)的测量可以优选使用调频解调的方法，其对幅度波动不敏感。为了测量弯曲振动(A类)可以使用解调幅的方法。在此在这两种情况下可以应用多个特性信号的谐波。

借助于时间信号U_s(t)和I_s(t)的傅立叶变换的整理证明是特别适合于分析的。为了提高测量精度或者为了简化输入数据的滤波，相应的时间信号与载波信号(Carrier)或者与相应移位v/2的载波信号在正交检波的意义上混频，并且以独立的实数部分或者虚数部分存储并进行傅立叶变换(FFT)。例如工频或其整数倍适合用作载波信号，为此也许能够直接从电网或在一个适合的另外位置截取工频或本地产生该工频。

首先在一个典型为5kHz采样速率的模-数转换器中数字化输入信号U_s(t)(典型在低于15V的范围内)或者I_s(t)，接下来逐段地对已数字化的时间信号U_s(t)或者I_s(t)进行傅立叶变换。在此为了分析扭转，每次对例如64k数据点的窗口进行傅立叶变换证明是合理的，在检验弯曲振动时通常1k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取样，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。这引起频率刚好偏移采样频率。

弯曲振动(A类)在相应频谱中一方面表现为轴电压/电流谐波的边带，其中这些边带相距调制频率。由此得出，这种形式的振动引起信号U_s(t)或者I_s(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是可见的。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。这种分析是视觉上可能的，但是也能够自动分析。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(B类)。在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。这在傅立叶频谱中导致在旋转频率的谱线上以及在谐波上的谱线的展宽。在此涉及在频率千分之3-4范围内的频率移位。相应可以借助于此类的谱线展宽视觉地或自动地识别摆动的出现，并且特别可以按时间顺序分析这些摆动的出现。

由于通常较高频率的原因扭转振动(C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视觉地或自动地识别并分析。

在此描述的方法不仅可以用于简单观察A-C类的运动，而且也可以用于确定在这些运动模式中轴系的相应固有频率。

为此特别分析瞬变的频率部分，因为只有这个频率部分允许逆向推断出固有频率。

在这种关系中此外注意，本方法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。如此可以从轴2的固有频率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正。

附图标记列表

1.    涡轮机

2.    轴

3.    轴承

4.    发电机

5.    低阻接地、DE模块(Driving End Unit)

6.    RC模块(高阻)

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.   低阻电阻

13.   高阻电阻

14.   保险

15.   保险

16.   电阻

17.   电容

18.   测量电阻(Shunt resistance)

Claims (22)

1.用于检测电机的轴(2)的振动的方法，其中，为了检测该振动测量并分析轴电压(U_s(t))和/或轴电流(I_s(t))，其中从轴电压(U_s(t))和/或轴电流(I_s(t))中确定振动特征值，

其特征在于，

振动特征值是下列振动固有频率：

a)水平弯曲决定的和/或垂直弯曲决定的固有频率、和/或

b)扭转固有频率、和/或

c)摆动固有频率。

2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，所述振动是轴的扭转振动、和/或轴的弯曲振动和/或轴的摆动。

3.按照权利要求1或2所述的方法，其特征在于，按照以下方式进行轴电压和/或轴电流的测量即：在轴(2)的在发电机(4)之前的第一位置设置一个接地(5)，在轴(2)的在发电机(4)之后的第二位置量取轴电压(U_s(t))和/或轴电流(I_s(t))并且在一个分析单元(7)中分析该轴电压或该轴电流。

4.按照权利要求3所述的方法，其特征在于，设置一个高阻的RC模块(6)，通过该模块(6)量取所述的轴电压(U_s(t))和/或所述的轴电流(I_s(t))。

5.按照权利要求1或2所述的方法，其特征在于，为了分析，所述的轴电压(U_s(t))和/或所述的轴电流(I_s(t))作为时间(t)的函数被测量。

6.按照权利要求5所述的方法，其特征在于，测量按以下的采样速率作为采样实现，该采样速率与工频一致或为工频的整数倍除以发电机的极对数。

7.按照权利要求5所述的方法，其特征在于，为了分析轴电压(U_s(t))和/或轴电流(I_s(t))，对所述轴电压(U_s(t))和/或轴电流(I_s(t))的信号关于该信号内所包含的调频、调幅和/或在基带内的频率线方面进行检查。

8.按照权利要求7所述的方法，其特征在于，分析利用在频谱中的瞬时过程。

9.按照权利要求6所述的方法，其特征在于，在以载波频率解调或向下混频所述轴电压(U_s(t))和/或轴电流(I_s(t))的信号之后逐段进行傅立叶变换，并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。

10.按照权利要求9所述的方法，其特征在于，所述载波频率是工频或者是工频的整数倍除以极对数。

11.按照权利要求7所述的方法，其特征在于，以1-10kHz的采样速率对所述的信号采样，接着为了确定如在摆动和/或扭转中出现的精细结构，将该信号中在10000至100000数据点范围内的各数据段进行傅立叶变换，或者为了确定弯曲振动将在500至1500数据点范围内各数据段进行傅立叶变换。

12.按照权利要求7所述的方法，其特征在于，以在5kHz范围内的采样速率对所述的信号采样，接着为了确定如在摆动和/或扭转中出现的精细结构，将该信号中在64000数据点范围内的各数据段进行傅立叶变换，或者为了确定弯曲振动对在1000数据点范围内的各数据段进行傅立叶变换。

13.按照权利要求11或12所述的方法，其特征在于，作为提示，在频谱中在1至300Hz范围内的频率中的瞬时的、非谐波的谱线被分析为弯曲振动。

14.按照权利要求11或12所述的方法，其特征在于，在工频位置或者在工频的谐波倍频除以极对数的位置，谱线的瞬时偏移或展宽被分析为摆动的提示。

15.按照权利要求11或12所述的方法，其特征在于，瞬时的相位调制被分析为扭转振动的提示。

16.按照权利要求8所述的方法，其特征在于，为了检测主轴的固有频率分析利用频谱的瞬态部分。

17.按照权利要求16的方法，其特征在于，把下列振动固有频率归为危险的：该固有频率本身或其谐波倍频在通常50或60Hz的额定转速的+/-10％的范围内。

18.按照权利要求17的方法，其特征在于，把下列振动固有频率归为危险的：该固有频率本身或其谐波倍频在通常50或60Hz的额定转速的+/-5％的范围内。

19.实施按照权利要求1至18之一方法的装置，其特征在于，在发电机(4)的一侧、在轴(2)的第一位置设置轴(2)的第一接地装置(5)，在发电机(4)的另一侧在轴(2)的第二位置设置第二接地装置(6)，通过第二接地装置测量所述的轴电压(U_s(t))和/或所述的轴电流(I_s(t))。

20.按照权利要求19的装置，其特征在于，第一接地装置(5)拥有一个连接在轴(2)上的接触装置(10)的低阻电阻(12)并且拥有一个连接地(8)的高阻电阻(13)，在所述装置中，并联于该高阻电阻(13)布置一个保险(14)。

21.根据权利要求19或20的装置，其特征在于，第二接地装置(6)拥有一个连接在轴(2)上的接触装置(11)的保险(15)并且拥有一个或多个并联布置的电容(17)以及拥有一个与电容并联的连接地(9)的电阻(16)，其中在地(9)和电容(17)或者电阻(16)之间布置一个测量电阻(18)，其中量取在保险与接地之间的轴电压(U_s(t))和经过测量电阻(18)的轴电流(I_s(t))。

22.根据权利要求21的装置，其特征在于，测量的轴电压(U_s(t))或测量的轴电流(I_s(t))作为时间函数被记录并被提供给一个分析单元(7)，其中分析单元(7)具有数字化信号(U_s(t)、I_s(t))的装置、对已数字化的信号进行傅立叶变换的装置以及频谱显示已变换的数据的装置，其中按照确定的标准附加地以数值方式自动确定并简化显示轴(2)的振动的存在、形式和强度。

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