CN102047084B - 用于监测电机的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于监测电机、特别是发电机(1)的方法，所述电机具有转子结构(11)，所述转子结构沿着可转动的轴(10)安装在定子(12)内且与定子(12)一起形成气隙(17)。根据所述方法，测量信号借助于至少一个传感器(18)被探测和评价，所述传感器设置在气隙(17)内或定子(12)内，所述测量信号依赖于电机产生的磁场。所述方法的特征在于，所述测量信号用作评价轴(10)上的动态负载的基础。

Description

用于监测电机的方法
技术领域
本发明涉及一种用于监测电机、特别是发电机的方法，所述电机具有转子结构，所述转子结构沿着可转动的轴安装在定子内且与定子一起围出气隙，其中，测量信号借助于至少一个传感器被探测和评价，所述传感器设置在气隙内或定子内，所述测量信号依赖于电机产生的磁场。
背景技术
电机将机械能转化为电能(发电机模式)或将电能转化为机械能(电动机模式)。转化基于洛伦兹力，所述洛伦兹力作用于磁场中的运动物体。
示例性地而非任何限制性地，下文涉及如同发电机操作的电机。特别地，陈述涉及大的技术设备，例如大的同步发电机、例如用于工业发电的那些同步发电机。
发电机具有转子，所述转子安装在轴上且在静止的定子内以转子转动频率转动。在转动过程中，电机产生旋转的恒定磁场，所述磁场在定子绕组中感生出正弦电压，从而产生正弦电流。转子的恒定磁场通过有电流流过的绕组产生，且绕组设置在与转动轴线平行地延伸的槽中。在大的技术设备中，绕组例如包括空心金属条，所述金属条的外表面借助于塑料层彼此电绝缘。冷却介质通常在空心金属条的内部中循环。
电机、特别是大型发电机在操作过程中被监测，特别是以便在早期识别轴的振动或其原因，以及以这种方式使得可避免损坏机器。
轴的振动优选以扭转振荡、摆动振荡和/或弯曲振荡的形式产生。扭转振荡是使得沿着轴具有不一致的转动频率从而在轴中产生扭转的振荡。示例性地，它们可由陡然的负载变化引起。扭转振荡是非常小的振荡，通常相位幅度为0.01°左右，但可在轴上产生非常高的载荷。扭转振荡发生的频率依赖于材料特性、轴的粗度、与轴连接的质量以及设备尺寸。
摆动振荡是工频(通常为50或60Hz)左右的轴的转动频率的准周期阻尼变化，这例如由成电源的电涌的形式的干扰引起，且同样对轴具有扭转作用。然而，与已经提及的扭转振荡相比，摆动振荡通常使得轴转动的瞬时角速度和转动运动的瞬时相位产生明显较慢的变化。例如，在用于工业发电的具有通常为50或60Hz的转子额定转动频率的大型发电机的情况下，扭转振荡以100-300Hz的典型频率产生，摆动振荡以5-10Hz的典型频率产生。
而且，振动也可由转子匝间短路或通过由转子产生的磁场的非均匀的极布置引起。
为了防止损坏电机，在较大的振动产生时关断电机。
US 3,506,914公开了一种方法，借助于所述方法，转子匝间短路可被探测到，如上所述，转子匝间短路可导致振动。所谓的杂散场测量用于探测转子匝间短路，其中，由转子产生的且与转子表面相切的杂散磁场借助于气隙传感器探测，所述气隙传感器在气隙中装配在转子与定子之间。这利用了以下事实：匝间短路使得杂散场产生了可在气隙中测量的变化。
公开于多个文献例如US 3,934,459，US 3,885,420，US 4,148,222，US 4,137,780，US 4,317,371中的用于确定轴振荡的另一方法在于，带齿的轮连接到轴，以在转子和定子的外部探测轴的扭转振荡，所述带齿的轮在轴的转动过程中在一个或多个圆周布置的传感器中产生周期性的测量信号，其周期依赖于齿的数目和轴的转动频率。轴的扭转振荡产生探测的信号的相位或频率调制。然而，该方法具有的不足是，带齿的轮必须被提供作为信号发射器。事后安装可能是不可能的或是困难的，且可能与相当高的成本有关。
从US 4,444,064公知的一种用于探测扭转振荡的方法是，首先向轴施加磁性图案，所述磁性图案在操作过程中充当脉冲发射器。
US 4,793,186公开了一种用于扭转测量的测量仪器，所述测量仪器连接到永磁发电机的相位绕组端子，所述绕组端子耦合到发电机的轴。扭转振荡通过评价产生的电压推出，即借助于锁相环技术通过频率解调推出。该方法仅可用于具有永磁体发电机的系统，而且相当不准确。
另一种用于探测沿着发电机轴的扭转振荡的可能方法描述于JP 52110449中。这基于对发电机中的相位端子电流的测量和评价。该方法也相当不准确，而且对于相对较高的频率需要电流变换器。
上述方法仅涉及扭转振荡的测量，而不涉及探测弯曲振荡。
相比，EP 1 537 390 B1公开了一种方法，借助于所述方法，不仅扭转振荡、而且摆动振荡和弯曲振荡都可被探测。为此，在轴上产生的轴电流和/或轴电压被引出并在发电机的外部被评价。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于监测电机、特别是发电机的方法，以便能够可靠地探测沿着轴产生的基本所有的振荡形式。为此，需要尽可能低成本的、且也可根据使用时的发电机翻新的措施。
本发明的目的如权利要求1所述地得以实现。根据用于监测电机的解决方案的方法的有利的改进特征是从属权利要求的主题，且可发现于其余的描述中，特殊是参看示例性实施例。
根据所述解决方案，提出了一种用于监测电机的方法，所述电机具有转子结构，所述转子结构沿着可转动的轴安装在定子内且与定子一起围出气隙，其中，测量信号借助于至少一个传感器被探测和评价，所述传感器设置在气隙内或定子内，所述测量信号依赖于电机产生的磁场，所述方法的特征在于，测量信号借助于设置在气隙内或定子内的传感器获得，且用作探测轴的振荡的基础。在这种情况下，振荡特别是扭转振荡、摆动振荡和/或弯曲振荡。测量信号以特别有利的方式被合适地评价，以确定轴振荡的自然频率。
这样一种方法特别优选，其中，待评价的测量信号通过已存在的传感器探测，所述传感器还用于探测转子匝间短路。传感器、例如这些传感器优选探测切向和/或径向磁场，所述切向和/或径向磁场在转子结构和定子之间的气隙中由电机产生。可选地或与其组合地，主磁通量还在叠片定子芯中被探测。优选使用对磁场敏感且成线圈、导体环、霍尔传感器或磁阻测量传感器的形式的传感器。
由传感器探测的测量信号优选在时域中和/或在频域中、例如通过对时域中探测的测量信号进行傅里叶变换进行分析，其中，探测的测量信号在转子额定转动频率和/或在转子额定转动频率的整数倍下被评价相位、频率和/或幅度特性。
特别地，探测的测量信号在包含在它们中的频率调制、相位调制和/或幅度调制方面被研析(untersuchen)。这些在频谱中可看作转子额定转动频率或其谐波的边线(Nebenlinien)或者看作与转子额定转动频率或其谐波相关的谱线的增宽。相位或频率特性优选借助于公知于射频技术的解调方法分析。这些方法包括模拟方法、例如用于频移的方法，或数字方法、例如具有周期采样时间的采样方法。
现有的用于幅度调制的模拟或数字方法优选用于幅度特性的分析。
特别是在数字解调方法的情况下，探测的测量信号或由它们导出的信号以与转子额定转动频率或该频率的整数倍、即其谐波频率大致对应的采样频率采样。
探测的测量信号在转子额定转动频率和/或转子额定转动频率的整数倍下的相位波动或频率波动优选相对于相应的参考相位或参考频率变化过程确定。探测的测量信号的相位波动或频率波动然后用作转子额定转动频率下的转子转动运动的评估基础，且用作轴的扭转振荡和/或摆动振荡的发展变化的量度。在这种情况下，参考相位或频率变化过程由具有较大的相位恒定性的参考信号获得。由电网电压获得的信号特别合适。
为了可尽可能准确地确定随时间变化的轴的实际扭转，探测的测量信号的多个频带优选同时被分析，其中，所述扭转由与转动运动相对于时间的线性相位变化过程的偏差表示。在该过程中，试图确定各个频带中的相位波动是否彼此相关。为了进一步评估，仅优选使用一组测量信号的探测的相位波动中的那些相关的相位波动。
在一个有利的方法中，为相位波动或频率波动预定极限值。如果发现探测的测量值已经超过极限值，则产生信号或关断电机。特别地，分别为每个频带、即为转子额定转动频率或其整数倍的频率指定极限值，且与相位波动的相应的相关值进行比较。
已经发现，确定的幅度波动可以合适的方式作为弯曲振荡的量度被评估。在这种情况下，可以说，探测的测量信号的多个频带优选同时被分析和在相关的幅度波动方面被研析。用于转子运动的评估的值特别优选地仅基于相关的幅度波动确定。
特别地，为幅度波动预定极限值，且如果超过极限值，则产生信号或关断电机。
在本方法的另一优选的实施例中，感应空心线圈用作用于探测弯曲振荡的传感器，且较高频率的电流信号或电压信号施加给所述感应空心线圈。特别地，该信号处于500Hz以上的频率下。感应空心线圈的阻抗波动被评价。弯曲振荡可通过测量例如由于涡流损失或电感变化产生的阻抗波动和/或传感器线圈的电流波动或电压波动被探测。这与涡流传感器的功能原理对应。在这种情况下，特别有利地是，在一个传感器头中组合场传感器和振动传感器。
在本方法的一个特别优选的实施例中，扭转振荡、摆动振荡和/或弯曲振荡被探测，所述振荡由瞬变过程、例如由陡然产生的负载变化或类似电源中的电涌的干扰引起。瞬变过程以探测的测量信号的相位、频率和/或幅度特性，特别是以瞬变相位调制、频率调制和/或幅度调制的陡然变化表示。激励的扭转振荡、摆动振荡和/或弯曲振荡在瞬变激励之后以特征时间常数再次出现。轴的扭转振荡或弯曲振荡的自然频率可由在与相位波动、频率波动和/或幅度波动相关的激励状态中获得的信息推导。然而，特别地，以转子额定转动频率的谐波频率出现的瞬变相位调制显示轴的扭转振荡。
根据本发明的方法特别是用于电机的连续监测。
附图说明
下文中将基于一个示例性实施例并参看附图通过使用示例描述本发明，而不是对本发明的总体思想进行任何限制。已经省去了那些对于直接理解本发明来说不必要的所有构件。附图包括：
图1示出了通过具有装配在气隙内的传感器的发电机的示意性截面。
具体实施方式
图1示出了通过发电机结构1的示意性截面，以便示出与磁场的产生相关的结构细节。转子11设置在定子12内，且沿着转动轴线14安装在轴10上，使得转子可以转动。转子11具有转子绕组16，电流通过所述转子绕组，且所述转子绕组在槽15中延伸并产生主磁场2。主磁场2的磁场磁力线的分布在转子11、气隙17内以箭头表示，且在定子区域12中以虚线表示。除了其磁力线与转子表面大致成直角显现的主磁场2以外，在气隙17中还形成杂散的气隙场3，所述气隙场相对于转子表面具有切向和径向场分量，且所述气隙场通过一个或多个所谓的气隙传感器18测量。直到现在，气隙传感器18还是仅用于探测转子匝间短路，所述转子匝间短路通过转子结构的特定的环形位置处的测量出的杂散场3的幅度的明显变化显示出。
根据该技术方案的方法提供了对气隙传感器18的输出信号更广泛的分析。
气隙传感器18的由杂散场3产生的输出信号在包括转子11和轴10的转子结构的转动过程中变化，其中，转子11中的每个槽15通常产生信号变化，所述信号变化可例如以正弦信号峰值的形式定位。
因此，气隙传感器18的输出信号是周期交变信号，该信号具有突出的转子额定转动频率的谐波。特别地，输出信号具有在槽的数目N的范围内的谐波，即，具有是转子额定转动频率的N倍的频谱成分。
转子11的、因而也是轴10的扭转运动和转动波动在该信号的相角的波动和该信号的各次谐波的相角的波动中显见，这是一种与相位或频率调制等效的现象。
因此，为了确定扭转运动、即扭转振荡或摆动振荡，气隙传感器18的输出信号被解调，以从由扭转运动产生的相位波动中分离可作为转子结构的额定转动运动的结果期待的相位变化。
在这种情况下，输出信号优选在不同的频率范围中、特别是转子额定转动频率的谐波下同时被研析。输出信号或由所述输出信号导出的信号-例如经过滤波和前置放大之后产生的信号-首先被分离，以并行地将它提供给不同的解调级。输出信号或由所述输出信号导出的信号的各个频谱分量然后在不同的解调级中被解调。
转子运动在实质上所有杂散场谐波中同时有体现。因此，杂散场的时间函数sk(t)的谐波可通过以下关系表示：
sk(t)＝Ck·cos(kωt+Φk+ΔΦk)
在理想情况下，各个相位波动角ΔΦi彼此具有以下关系：
ΔΦi/ΔΦj＝i/j
其中：i，j，k  谐波的阶次
      ω       转子额定转动频率
      sk(t)    k次谐波的时间函数
      Ck       k次谐波的幅度
      Φk      k次谐波的相移
      ΔΦk    k次谐波的随时间变化的相位波动
通过合适的滤波从一组同时探测的相位波动角选择一些同时探测的相位波动角，所述相位波动角彼此相关或与转子运动高度相关(因此与轴运动高度相关)，以便由它们确定实际转子运动、进而确定实际扭转运动。相反，相位波动不与转子运动高度相关的谐波、例如基本工频下的谐波被从所述运算中排除。与单个频谱分量的分析相比，这保证了测量结果更能抗干扰。
沿着轴的弯曲振荡会导致转子11与气隙传感器18之间的距离产生变化，这样，气隙传感器18的输出信号的幅度也会变化。弯曲振荡的幅度和频率可通过幅度解调方法以相应的方式被推出。
在示例性实施例中描述的方法步骤也可类似地用于这种方法中，所述方法借助于设置在叠片定子芯中的传感器探测磁场，因此，随转动角度的磁场变化也可在这种情况下被评价。
附图标记列表
1  发电机
2  主磁场
3  气隙场
4  杂散场
5  基座
10 轴
11 转子
12 定子
13 壳体
14 转子转动轴线
15 槽
16 转子绕组
17 气隙
18 气隙传感器

Claims (21)

1.一种用于监测电机的方法，所述电机具有转子结构(11)，所述转子结构沿着可转动的轴(10)安装在定子(12)内且与定子(12)一起围出气隙(17)，其中，测量信号借助于至少一个传感器(18)被探测和评价，所述传感器设置在气隙(17)内或定子(12)内，所述测量信号依赖于电机产生的磁场，其特征在于，所述测量信号用作探测轴(10)的振荡的基础，所述轴(10)的振荡包括扭转振荡和摆动振荡中的至少一种。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，轴(10)的振荡成弯曲振荡的形式。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，探测的测量信号或由所述测量信号导出的信号被评价，以确定轴(10)的振荡的自然频率。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，测量信号通过也用于探测转子匝间短路的至少一个传感器(18)探测。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，对磁场敏感且成线圈、导体环、霍尔传感器或磁阻测量传感器的形式的传感器(18)用于探测测量信号。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，探测的测量信号在时域和/或频域中被分析，且探测的测量信号的相位、频率和/或幅度特性在转子额定转动频率和/或多倍转子额定转动频率下被分析。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，探测的测量信号在包含在它们中的频率调制和/或幅度调制方面被研析。
8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，探测的测量信号以与转子额定转动频率或该转子额定转动频率的整数倍对应的采样频率采样。
9.如权利要求6所述的方法，其特征在于，探测的测量信号的相位波动或频率波动在转子额定转动频率和/或多倍转子额定转动频率下被确定，探测的测量信号的相位波动或频率波动用作转子额定转动频率下的转子转动运动的评估基础，且用作轴的扭转振荡和/或摆动振荡的量度。
10.如权利要求6所述的方法，其特征在于，探测的测量信号的多个频带同时被分析和在相关的相位波动方面被研析。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，用于转子运动的评估的值仅基于相关的相位波动确定。
12.如权利要求6所述的方法，其特征在于，为相位波动或频率波动预定极限值，且如果超过了极限值，则产生信号或关闭电机。
13.如权利要求6所述的方法，其特征在于，确定的幅度波动作为弯曲振荡的量度被评估。
14.如权利要求6所述的方法，其特征在于，探测的测量信号的多个频带被分析，且同时在相关的幅度波动方面被研析。
15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，用于转子运动的评估的值仅基于相关的幅度波动确定。
16.如权利要求13所述的方法，其特征在于，为幅度波动预定极限值，且如果超过了极限值，则产生信号或关闭电机。
17.如权利要求13-16中任一所述的方法，其特征在于，感应空心线圈用作用于探测弯曲振荡的传感器(18)，且较高频率的电流信号或电压信号被施加给所述感应空心线圈，而且感应空心线圈的阻抗变化被评价。
18.如权利要求6所述的方法，其特征在于，瞬变过程引起轴(10)的扭转振荡、摆动振荡和/或弯曲振荡，且瞬变相位、瞬变频率和/或瞬变幅度调制在探测的测量信号的频谱或解调的信号的频谱中发生。
19.如权利要求18所述的方法，其特征在于，转子额定转动频率的谐波的瞬变相位调制作为显示扭转振荡被评估。
20.如权利要求18所述的方法，其特征在于，探测的测量信号的频谱的一部分和/或发生瞬变相位、瞬变频率和/或瞬变幅度调制的解调信号的频谱的一部分被评价用于探测轴的振荡的自然频率。
21.如权利要求1-16、18-20中任一所述的方法，其特征在于，所述电机是发电机(1)。
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