CN102057550A - 用于检测感应式电机中的故障的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于检测感应式电机中的故障的方法，在该方法中在通量固定的、特别是转子通量固定的坐标系中分析电流分量。为此，在通量固定的、特别是转子通量固定的坐标系中对形成通量的电流分量(i_vekd)进行频率分析。

Description

用于检测感应式电机中的故障的方法

技术领域

本发明涉及一种用于检测感应式电机中的故障的方法，在该方法中在通量固定的(flussfesten)、特别是转子通量固定的(rotorflussfesten)坐标系中分析电流分量。

背景技术

这样的方法例如在US5644458中公知。此处将定子电压、定子电流和定子通量(Statorflüsse)从三相的坐标系转换到定子固定的(statorfeste)两相的坐标系。然后关于转子通量进一步转换到转子固定的坐标系。在电动机模型中将这些转换的参数与固定的参数进一步关联。将在该模型中事先计算的电流分量与当前的电流分量进行比较。在偏差大于在1％至25％的范围中的特定的百分比的情况下，假定在电动机中出现非特定的故障。

US 6 822 839 B2同样描述了从三相交流系统到一个两轴系统的普遍公知的坐标系转换。进行另一个转换，以获得关于有功功率和无功功率的信息。根据总的电动机无功功率，进行故障识别。然而该故障识别在具有负载的电动机的情况下说服力较小。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，能够以简单的方式尽早地识别故障。

在本文开头提到的种类的方法中，所述技术问题通过如下解决：即在通量固定的、特别是转子通量固定的坐标系中对形成通量的电流分量进行频率分析。

也就是，在通量固定的、特别是转子通量固定的坐标系中从正交的电流分量i_vekd和i_vekq中分析首先提到的电流分量，其控制磁场。后提到的分量控制转矩。

每个磁通量对应于一个电感。在具有部分绕组短路(即，在一个绕组相的各个线圈之间的绝缘损失)的定子绕组故障的情况下，例如在相应的绕组相中的电感改变。在所有三个相中不再对称的电感引起形成通量的电流分量i_vekd的脉动，并且具体来说以双倍的馈电频率。在故障时磁通量不再恒定的情况下，在转矩或与其成比例的电流分量i_vekd中也出现以双倍的馈电频率的脉动。然而随着电动机负载增加，在绕组故障未改变的情况下在转矩曲线中的双倍的馈电频率的振幅减小，从而实际上不再可以利用该信号来代表在负载下的绕组故障。然而形成通量的电流分量i_vekd很大程度上独立于转矩大小，从而在额定负载下也能够毫无问题地确保利用该电流值进行故障探测。

优选对于至少一个预先确定的馈电频率确定一个当前的工作点并且将该工作点与前面的工作点进行比较。即，使用在不同的时刻在当前的数据和参考数据之间的比较用于判断。这样的比较比使用绝对值得到更高的判断可靠性。选择的工作点在此优选相应于在工作或驱动应用中实际出现的工作点。

前面的工作点优选相应于电机的无故障状态。例如可以假定，电机在交货状态(Auslieferungszustand)下是无故障的。当前的工作点与无故障的工作点的关系使得在电机变得不能运行的状态很早之前就可以进行非常灵敏的故障诊断。

对于频率分析优选使用傅里叶变换。利用快速傅里叶变换(FFT)，可以相对快速和可靠地获得在形成通量的电流分量中存在的频谱。然后根据该频谱可以判断，在电机中是否存在故障。

优选在具有预先确定的长度的时间窗内对测量值进行快速傅里叶变换。也就是在离散的时间段中获得频率信息。相应地，可以采集在数据组中的获得的分析值并且按顺序存储。这样的时刻的长度例如位于3至5秒范围。

优选在时间窗内保持馈电频率恒定。这点可以在限制长度的时间窗中容易地实现。如果在该时间窗中馈电频率改变，则丢弃相应的数据组。

同样具有优势的是，在时间窗内保持对称的电压。当时间窗具有限制的长度时，该条件也可以容易地满足。当对称性改变时，则丢弃相应的数据组。在此重要的是，相电压是对称的。在此不需要电压的高度。

优选计算至少一个临界频率并且分析在该临界频率下的频谱。即不需要分析通过快速傅里叶变换获得的整个频谱。而是对于故障情况的检测，可以限制到一个或少数几个临界频率。

在此具有优势的是，作为临界频率f_k，对于定子故障确定f_k＝2·f_sp，并且对于转子绕组故障确定f_k＝2(f_sp-n·p)。其中，

f_sp是馈电频率，

n是转子转数并且p是极对数。由此考虑如下事实，形成通量的电流分量在定子故障中以双倍的馈电电压脉动。在异步电机的转子绕组故障的情况下还考虑松弛(Schlupf)。

优选从变频器的运行数据中获得所需的参数。当变频器以矢量调节或扩展的电压矢量调节(vcc脉冲、电压矢量控制脉冲)的运行方式运行时，则本来就提供了所需的数据，即，不需要其它传感器来进行故障监视，而是可以根据本来就存在的测量值来进行故障监视。

附图说明

以下借助附图结合优选的实施例详细解释本发明。其中，

图1强烈示意地示出了具有变频器的异步电动机，

图2示出了用于解释一些电流分量的相量图，

图3示出了参考值的统计分布，

图4示出了故障检测的示意性解释，

图5示出了转矩的FFT频谱，

图6示出了形成通量的电流分量的FFT频谱，以及

图7示出了流程图。

具体实施方式

图1示意性示出了异步电动机1，其通过三相的导线2与变频器3相连。导线2可以具有直到150m的长度。变频器3利用三相交流电以公知方式对异步电动机1供电，该三相交流电在异步电动机1的定子中产生旋转磁场。

尽管异步电动机通常相对稳健地构造，但是还会出现故障，例如在定子绕组中的绝缘损失或转子绕组中的导条断裂(Stabbruch)。这样的故障通常不会立即导致电动机停机，而是还可以运行电动机。但是人们希望尽早地获得关于故障的信息，从而可以在本来就设置的维护停机时修理或更换电动机。

当以下提到“电动机”时，故障诊断以相应方式也适用于当电机作为发电机运行的情况。

当变频器3在矢量调节或VVC脉冲(voltage vector control plus，电压矢量控制脉冲)的运行方式下运行时，则提供了一些可以用于故障诊断的数据。即无需附加的传感器、探测器等用于检测故障。

对于故障诊断，在转子通量固定的坐标系中分析在变频器3中存在的空间矢量，即，定子电流分量。在与磁通量Ψ_r具有固定的关系的坐标系中，获得正交的电流分量i_vekd和i_vekq。在此i_vekd与转子通量平行取向并且控制磁场，i_vekq垂直于电流分量i_vekd取向并且控制电动机转矩。

变频器3可以在矢量调节或VVC脉冲的运行方式下，无需机械的传感器，计算所需的角度θ_rf，用来相对于定子绕组相α确定旋转的坐标系(d，q)。在电动机转矩M和i_vekq之间的关系通过等式(1)确定。

$M=\frac{3}{2}\·p\·\frac{L_m}{L_r}\·{\mathrm{\ψ}}_r\·i_{\mathrm{vekq}}---\left(1\right)$

在等式(1)中转子通量Ψ_r与i_vekd和其它的电动机参数一起得到

${\mathrm{\ψ}}_r=\frac{L_m}{1+{\mathrm{\τ}}_r\·s}\·i_{\mathrm{vekd}};$ ${\mathrm{\τ}}_r=\frac{L_r}{R_r}---\left(2\right)$

在此s是相应于一阶延迟单元的调节技术的表达的拉普拉斯算子。

每个磁通量可以对应于一个电感。在部分发生绕组短路的定子绕组故障的情况下，在相应的绕组相中的电感改变。在所有三个相

中不再对称的电感引起形成通量的电流分量i_vekd以双倍的馈电频率脉动。在故障时不再恒定的磁通量情况下在转矩或与其成比例的电流分量i_vekq中也出现以双倍馈电频率的脉动。

然而随着电动机负载增加，在绕组故障不改变的情况下，转矩曲线中的双倍的馈电频率的振幅减小，从而在负载情况下借助转矩曲线中的脉动实际上不再能够探测到绕组故障。然而形成通量的电流分量i_vekd很大程度上独立于转矩大小，从而在额定负载情况下也容易地保证利用该电流值进行故障探测。

在转矩和i_vekd之间的说服力的重要区别在于电动机馈电频率的范围。在低于电动机额定频率时在一半的额定负载下几乎不能利用FFT识别在毫无问题的和发生故障的定子绕组之间的区别，而在相同的负载情况下在低于电动机的一半的额定频率时，i_vekd的FFT提供毫无问题的故障识别。

即对于故障检测仅使用以下测量参数：在通量固定的坐标系中的电动机电流分量i_vekd、电动机馈电频率f_sp、电动机转数n(当要检测转子故障时)和等式(1)的转矩M，或者可选地，相应的电流分量i_vekq。

在馈电频率f_sp的情况下，对于每个当前的负载，计算当前的力矩与额定力矩的比(M/M_n)。根据负载和频率，借助快速傅里叶变换(FFT)分析测量值i_vekd的振幅(绝对值大小)。

通过比较两个运行状态(其中一个相应于“正常的”、即无故障的电动机状态)进行测量数据的分析。当前工作点与参考状态的关系使得在电机变得不能运行的状态很早之前就能进行非常灵敏的故障诊断。

对关于电动机绕组的绝缘状态的高的判断可靠性，当前工作点的数据与来自基础或参考测量(其中绕组还没有发生故障)的数据的比较是非常有帮助的。没有参考测量，则要利用绝对值作为判断标准，这可能意味着较不灵敏的故障诊断。

在参考测量以及在后面跟随的分析测量中，根据电动机的负载状态和馈电频率，存储所有重要的数据。

在确定的时间窗(例如四秒)之内对测量数据进行FFT，然后在以下给出的确定的频率情况下分析FFT。

馈电频率f_sp在时间窗之内应该保持恒定。在±Δf范围内的小的波动是允许的。此外由变频器提供的交流系统的电压应该是对称的。当没有满足这些前提条件时，丢弃相应的数据组。原则上进行多个数据组的统计分析。

对于定子故障分析，在空载和额定负载之间的任意的电动机负载都是可以的。图3示出了在不同的频率和用圆圈表示的不同的负载状态情况下，具有i_vekd参考数据的工作点的统计分布。这些基础数据是在无故障的电机中确定的。

图3示出了在参考情况下在确定的负载M/M_n和确定的电动机频率f_sp的情况下工作点的统计分布。对于通过圆圈表示的每个测量点，在程序运行中对于一个超过4s的测量循环，存储M/M_n、f_sp、n、以及在2*f_sp情况下i_vekd的FFT的振幅。

如果在记录参考数据(o)之后转换到分析模式，则重新存储相同的数据并且在相同的图中关于负载和馈电频率利用x显示工作点的统计分布。此时通过比较在参考和分析存储器之间的i_vekd值进行故障指示(Fehleraussage)。

如果o和x值重合，则实际上意味着，与之相关的i_vekd值的比较是可能的。在负载与参考和分析数据的馈电频率之间的工作点的小的区别是允许的。如果对于分析模式中的工作点没有位于“附近”的参考数据，则抑制故障指示。

即，图3仅示出一个概览，在哪些工作点上可以通过比较作出故障指示。

图3中的叉示出在分析模式中对于示例性选择的具有大约5％的负载和40Hz的工作点的所有相关的测量参数的记录。

如从图4得知的，电流分量i_vekd的分析是非常具有说服力的。从左到右记录了馈电频率f_sp并且向上记录了来自快速傅里叶变换的相应的电流分量关于电流的额定值的比。

可以看出，在1A的故障电流情况下的故障值和无故障的情况之间具有明显区别。即使在0.5A的小的故障电流的情况下(用三角形表示)，也可以将故障情况与无故障情况明显区分。在两种情况下，电动机是还是完全可以工作的。

在快速傅里叶变换之后不必检查整个频谱。如上所述，仅检查临界频率f_k就足够了。该频率的大小取决于，是想要检查定子还是转子中的故障。

于是对于定子绕组故障得到

f_k＝2·f_sp

对于转子绕组故障，得到

f_k＝2·(f_sp-n·p)

在此f_sp是馈电频率，n是转子的转数并且p是电动机的极对数。

图5和6示出，在转子绕组故障的情况下电流分量i_vekd的分析(图6)相对于公知的转矩分析(图5)有多有效，在公知的力矩分析中在25％的小的负载情况下实际上不再能够进行故障探测。

图5示出了利用快速傅里叶变换获得的在转矩M中的频谱分布。在任何频率都不能作出关于是否出现故障的重要指示。

图6示出了从电流分量i_vekd的快速傅里叶变换得到的频谱分布。在此可以明显识别在1.6Hz处的峰值。这是对于异步电动机的相应的运行状态的临界频率f_k处的峰值。这样的故障确定在额定力矩的25％的小的电动机负载情况下已经是可能的。

对于电机的诊断，由此利用快速傅里叶变换确定磁化电流分量i_vekd的频谱分布，并且将结果作为

判断因数＝(FFT(i_vekd(检测的电动机))/FFT(i_vekd(正常的电动机))·100％

对每个任意的当前电动机负载统计平均地输出。

根据定子绕组中绝缘损失的严重程度不同，该因数从“正常的”值100％增加到直到500％的值。

图7以流程图形式示意性示出了例如对于定子绕组故障的方法的过程。在初始步骤4中采集所需数据并且综合为一个“帧”或数据组。在此是定子电流I_sd、定子电压U_s、转矩M和馈电电压f_sp。

在接下来的步骤中，进行频谱的分析，方法是，对从中获得的数据I_vekd，U_vek和M应用离散傅里叶变换，并且确定没有直流分量的绝对频谱。

在步骤6中判断频谱。确定电流分量i_vekq的、电压U_vek的和力矩M的临界频率2·f_sp情况下的峰值。

在监视步骤7中检查在步骤4中获得的数据，馈电频率f_sp和负载因数M/M_n是否在一个“帧”内以所需的精度保持恒定。小的偏差Δf_sp和Δ(M/M_n)是允许的。

在检查步骤8中检查，馈电频率是否足够地保持恒定，即，Δf_sp是否比预先给出的Δf小。如果是(是)，则该方法继续。如果不是(否)，则丢弃相应的数据组(帧)。

在下一步骤9中检查，馈电频率f_sp是否位于一个从f_min直到f_max的允许的频率范围内。如果是，则该方法继续。如果不是，则丢弃相应的数据组。

在下一个步骤10中检查，电动机是否在允许的负载范围运转，即，在当前的力矩M和额定力矩M_n之间的比是否小于预先给出的最大值max。如果是，则该过程继续。如果不是，则丢弃数据组。

在下一个检查步骤中检查，馈电电压U_vek在数值上是否是恒定的，即，相电压是否是对称的。如果是，则该过程继续。如果不是，则丢弃相应的数据组。

在步骤12中选择运行方式。在参考运行方式中(参考模式)，确定对于无故障的电动机的数据。在此在步骤13中检查，转矩M是否在足够的程度上是恒定的。如果转矩波动Δ(M/M_n)超过确定的最大值max，则丢弃数据组。如果波动低于该值，则该过程继续。在这种情况下，在步骤14中对于每个测量循环将相应的参考数据存储在一个文件中。在此是数据：馈电频率f_sp，负载因数M/M_n，转矩M和形成通量的电流分量i_vekd。

相反，如果在后面的运行中分析电动机，则对于每个测量循环存储事先确定的测量值：馈电频率f_sp，负载比M/M_n，转矩M和形成通量的电流分量i_vekd，并且加载相应的参考数据。为此设置步骤15。

在步骤16中此时将最新的分析数据的平均值与参考数据的合适的平均值比较。在此使用馈电频率f_sp的相同的频率范围和相同的负载比M/M_n。

从该比较中，可以在步骤17中输出电动机状态，其中在最简单的情况下可以区分“正常的”、“临界的”和“损坏的”。

还可以存储该判断。

Claims (10)

1.一种用于检测感应式电机中的故障的方法，在该方法中在通量固定的、特别是转子通量固定的坐标系中分析电流分量，

其特征在于，

在通量固定的、特别是转子通量固定的坐标系中对形成通量的电流分量(i_vekd)进行频率分析。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对于至少一个预先确定的馈电频率(f_sp)确定一个当前的工作点并且将该工作点与前面的工作点进行比较。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述前面的工作点相应于电机的无故障状态。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，对于频率分析使用快速傅里叶变换。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在具有预先确定的长度的时间窗内对测量值进行快速傅里叶变换。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，在所述时间窗内保持馈电频率(f_sp)恒定。

7.根据权利要求5或6所述的方法，其特征在于，在所述时间窗内保持对称的、数值上相同的电压。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其特征在于，计算至少一个临界频率(f_k)并且分析在该临界频率(f_k)下的频谱。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，作为临界频率(f_sp)，对于定子故障确定

f_k＝2·f_sp，

并且对于转子绕组故障确定

f_k＝2(f_sp-n·p)，

其中，

f_sp是馈电频率，

n是转子转数，并且

p是极对数。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的方法，其特征在于，从变频器(3)的运行数据中获得所需的参数。

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