CN102135601A - 基于磁场探测的同步电机静止励磁装置故障诊断方法 - Google Patents

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一种基于磁场探测的同步电机静止励磁装置故障诊断方法，用于解决同步电机励磁装置故障的检测问题。其技术方案是：该方法利用探测线圈在线采集同步电机脉冲磁通回路中的磁信号并利用数据采集仪对该信号进行显示和分析，若信号中包含周期性的冲击脉冲或者冲击脉冲的密度突然增加，则表明碳刷与集电环之间存在接触不良故障。该方法简单易行、可靠性高且适用范围广，能够使维修人员及时发现并处理同步电机的静止励磁装置故障，保证同步电机的正常运行。

Description

基于磁场探测的同步电机静止励磁装置故障诊断方法
技术领域
本发明涉及一种能够在线诊断同步电机是否存在静止励磁装置故障的方法，属测试技术领域。
背景技术
静止励磁装置故障是同步电机的常见故障，通常包括碳刷压紧力不当、松动、偏心、有凹凸点或灼伤等问题，这类故障会使碳刷与集电环之间接触不良、发生振颤，进而产生过热点，造成集电环表面损坏，严重情况下会产生集电环火，导致励磁电压和电流不稳、系统功率波动等一系列问题，若故障得不到及时有效处理，还可能进一步烧损碳刷、刷架和集电环，造成转子一点接地及失磁等故障。目前针对静止励磁装置故障尚无有效的在线检测方法，只能通过定期直观检查查找问题，这样的措施不能及时发现故障。因此，如何有效在线检测同步电机的静止励磁装置故障是是有关技术人员当前所面临的难题，该项技术具有重要应用价值。
发明内容
本发明的目的在于克服已有技术之缺陷、提供一种简单易行、可靠性高且适用范围广的基于磁场探测的同步电机静止励磁装置故障诊断方法。
本发明所述问题是以下述技术方案实现的：
一种基于磁场探测的同步电机静止励磁装置故障诊断方法，它利用探测线圈在线采集同步电机脉冲磁通回路中的磁信号并利用数据采集仪对该信号进行显示和分析，若信号中包含周期性的冲击脉冲或者冲击脉冲的密度突然增加，则表明碳刷与集电环之间存在接触不良故障。
上述基于磁场探测的同步电机静止励磁装置故障诊断方法，用于采集同步电机脉冲磁通的探测线圈套装于发电机转子轴承座或可倾式分块轴瓦的轴承顶块上，也可以套装在发电机转轴上。
本发明利用探测线圈和数据采集仪诊断同步电机的静止励磁装置故障，探测线圈安装方便，不影响电机的正常运行，而且探测线圈的安装位置远离了机内的强磁场，可以保证采集到的信号不失真。通过增加探测线圈的匝数可以保证诊断装置的抗干扰能力。该方法简单易行、可靠性高且适用范围广，能够及时发现同步电机的静止励磁装置故障，保证同步电机的正常运行。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步详述。
图1是静止励磁装置原理图；
图2是励磁系统等效电路；
图3是经简化后的励磁系统等效电路；
图4是集电环电流分布图；
图5是探测线圈在MI-5-1500型同步发电机组上测得的电压信号；
图6是局部电压信号的放大图；
图7是探测线圈在MT-5-1500型同步发电机机组上测得的电压信号；
图8是探测线圈在MJF-30-6型同步发电机机组上测得的电压信号。
图中及文中各标号为：1、 正极碳刷；1’、 正极碳刷；2、负极碳刷；2’、 负极碳刷；                                                
Figure 2011100461786100002DEST_PATH_IMAGE001
、正极一碳刷与集电环间的接触电阻；、正极另一碳刷与集电环间的接触电阻；
Figure 2011100461786100002DEST_PATH_IMAGE003
、负极一碳刷与集电环间的接触电阻；
Figure 954795DEST_PATH_IMAGE004
、负极另一碳刷与集电环间的接触电阻；
Figure 2011100461786100002DEST_PATH_IMAGE005
、
Figure 796850DEST_PATH_IMAGE006
、
Figure 2011100461786100002DEST_PATH_IMAGE007
、
Figure 785534DEST_PATH_IMAGE008
、集电环电阻；
Figure 2011100461786100002DEST_PATH_IMAGE009
、励磁绕组电阻；
Figure 662223DEST_PATH_IMAGE010
、励磁绕组电抗；、励磁电势；
Figure 953527DEST_PATH_IMAGE012
、碳刷与集电环间接触电阻变化量；r、集电环半径；
Figure 2011100461786100002DEST_PATH_IMAGE013
、流过正极一碳刷的励磁电流；
Figure 282878DEST_PATH_IMAGE014
、流过正极另一碳刷的励磁电流；
Figure 2011100461786100002DEST_PATH_IMAGE015
、总励磁电流；
Figure 75253DEST_PATH_IMAGE016
、电流产生的轴向磁通；
Figure 2011100461786100002DEST_PATH_IMAGE017
、电流
Figure 799812DEST_PATH_IMAGE014
产生的轴向磁通；
Figure 22983DEST_PATH_IMAGE018
、轴向合成磁通。
具体实施方式
静止励磁装置故障最显著的特征是静止的碳刷与旋转的集电环间的接触阻抗的变化造成的碳刷电流分配突变，本发明以一种较为简单的静止励磁装置为例，分析静止励磁装置故障造成的同步电机局部磁场变化的基本原理，装置原理如图1。
图1中1和1’两只碳刷为正极碳刷，2和2’两只为负极碳刷，同极碳刷间隔
Figure 2011100461786100002DEST_PATH_IMAGE019
、异极碳刷间隔
Figure 353471DEST_PATH_IMAGE020
对称分布。图2为励磁系统的等效电路。集电环本身为铜制，相对于碳刷与集电环间的接触电阻来讲，集电环本身的电阻非常小，即：
Figure 2011100461786100002DEST_PATH_IMAGE021
，
Figure 939173DEST_PATH_IMAGE022
，
Figure 2011100461786100002DEST_PATH_IMAGE023
，
Figure 837859DEST_PATH_IMAGE024
，因此可以不考虑集电环自身的电阻，将电路中的
Figure 2011100461786100002DEST_PATH_IMAGE025
、、和
Figure 10400DEST_PATH_IMAGE028
忽略，这样在分析电路时可以采用图3的简化等效电路。
令
Figure 2011100461786100002DEST_PATH_IMAGE029
，在图3中
Figure 122712DEST_PATH_IMAGE030
，
Figure 2011100461786100002DEST_PATH_IMAGE031
，
Figure 51354DEST_PATH_IMAGE032
，
Figure 2011100461786100002DEST_PATH_IMAGE033
，假定任意时刻发电机某极的两个碳刷至少有一个与集电环保持良好的接触，励磁电流
Figure 842593DEST_PATH_IMAGE034
，为常数。
以励磁电流
Figure 921407DEST_PATH_IMAGE015
等于常数为前提，将正极碳刷与集电环间的接触电阻
Figure 888226DEST_PATH_IMAGE001
、
Figure 253348DEST_PATH_IMAGE002
组成的并联电路作为研究对象，分析集电环故障造成接触电阻变化对两条支路电流的影响。正极集电环电流、
Figure 672828DEST_PATH_IMAGE014
流通路径见图4，根据安培定则，电流产生轴向磁通
Figure 148809DEST_PATH_IMAGE016
、
Figure 501293DEST_PATH_IMAGE017
，其合成磁通为
Figure 912683DEST_PATH_IMAGE018
。
静止励磁装置正常状态
假设两个碳刷与集电环间的接触电阻相同，即
Figure 944093DEST_PATH_IMAGE036
，则流过两条支路的电流相等：
Figure 2011100461786100002DEST_PATH_IMAGE037
Figure 833551DEST_PATH_IMAGE038
                                                         （1）
轴向磁通：
Figure 2011100461786100002DEST_PATH_IMAGE039
                                                       （2）
静止励磁装置接触间断故障
若某一时刻正极某一碳刷突然发生接触间断故障，接触阻抗突然增大，此时
Figure 899596DEST_PATH_IMAGE040
，假定
Figure 481887DEST_PATH_IMAGE001
保持不变，
Figure 2011100461786100002DEST_PATH_IMAGE041
，此时，并联支路上的电流分布会发生突变，两支路的电流可以用以下方程组求解：
Figure 593DEST_PATH_IMAGE042
                                                    （3）
可以求得：
Figure 2011100461786100002DEST_PATH_IMAGE043
                                                        （4）
通常情况下
Figure 287218DEST_PATH_IMAGE044
，因此
Figure 2011100461786100002DEST_PATH_IMAGE045
，
Figure 817557DEST_PATH_IMAGE046
，集电环电流发生突变，由于
Figure 2011100461786100002DEST_PATH_IMAGE047
、
Figure 695383DEST_PATH_IMAGE048
，因此轴向合成磁通
Figure 2011100461786100002DEST_PATH_IMAGE049
瞬间突变，发电机端部存在该脉冲磁通的流通路径，在该路径上安装探测线圈就可以检测到该脉冲信号。
在华北电力大学MI-5-1500型隐极同步发电机组上进行了磁场探测实验，探测线圈安装在轴承座上。电机参数如表1所示。实验采用北京波谱公司生产的U60116C型数据采集仪，采样频率10kHz，采样时间10S。本实验模拟了发电机的负载失磁过程，具体过程为：负载运行（0—1.7S）→ 失磁异步运行（1.7—4.9S）→ 解列（4.9—10S），实验过程中原动机保持500W的拖动功率不变，探测线圈测得的时域信号如图5所示。
表1 故障模拟发电机参数
电机型号 MI-5-1500
额定容量 5kVA
额定电压 460V
额定转速 1500r/min
极对数 P=2
集电环外径 12cm
从图5可以看到，0—1.7S，探测线圈测得的电压信号中包含周期性的冲击脉冲信号，随后的失磁和解列过程中脉冲信号消失，因此可以断定：周期性脉冲信号与发电机励磁系统有关，将前1.7S的信号进行局部放大(见图6)，进一步分析周期性脉冲信号的产生原因。
从图6可以看到：每隔0.04S，探测线圈测得的电压信号中出现周期性双脉冲，电机转速为1500r/min（即周期为0.04S），即电机每旋转一周电压信号中出现两个距离较近的脉冲，由此可以排除励磁系统整流这一因素（该因素通常产生6倍工频成分），初步判定为集电环与碳刷接触不良所致。两脉冲间隔
Figure 170226DEST_PATH_IMAGE050
,可以初步估计是集电环表面有两处瑕疵。检查发现，集电环正极表面有两处较大砂眼，此外还发现正极一个碳刷压紧力不足，证明了该方法的有效性。
此外，在华北电力大学MT-5-1500和MJF-30-6同步发电机组上分别完成了磁场探测实验。电机参数如表2、表3所示。发电机处于正常运行状态，探测线圈测得的时域信号如图7、图8所示。
表2 MT -5-1500型同步发电机参数
额定容量 6.5kVA
额定电压 230V
额定转速 1500r/min
极对数 2
集电环外径 19cm
表3 MJF-30-6型同步发电机参数
额定容量 30kVA
额定电压 400V
额定转速 1000r/min
极对数 3
集电环外径 21cm
从图7可以看到，探测线圈测得的电压信号脉冲较少且分布凌乱，并没有呈现出周期性，说明碳刷与集电环之间有一些偶然的接触间断，这种偶然的接触间断是难免的，可以断定励磁装置没有故障。对MT -5-1500型同步发电机碳刷和集电环的检查发现：该机励磁装置每极只安装1个碳刷，这种结构的励磁系统碳刷与集电环接触的可靠性较好，否则容易发生失磁故障。对MT -5-1500型同步发电机碳刷和集电环检查发现该机集电环表面清洁光滑，碳刷与集电环接触可靠。
从图8可以看到，探测线圈感应的电压信号中包含着脉冲信号，且比图7脉冲密度大，这些脉冲分布杂乱，无周期性，这表明电机集电环无故障，但碳刷与集电环间的接触稍差。造成碳刷与集电环间的接触不良的原因有以下三个：(1) MJF-30-6型同步发电机长时间处于停运状态，维护不足，其集电环表面状态较MT -5-1500型同步发电机差；(2)MJF-30-6型同步发电机励磁装置每极安装2个碳刷，碳刷数量增多导致出现接触不良的概率增大；(3)MJF-30-6型同步发电机碳转子轴径较大，转轴表面线速度较高。
针对不同结构类型的静止励磁同步电机，探测线圈的安装位置可以调整。对于座式轴承电机，探测线圈可以直接套装在支座上；对于采用可倾式分块轴瓦的汽轮发电机，探测线圈可以套装在轴承顶块上(见图11)；倘若电机不具备这两种安装条件，还可以将探测线圈直接套装在大轴上，并通过支撑结构使其与大轴保持隔离，这样测得的信号更直接、准确。

Claims (2)

1.一种基于磁场探测的同步电机静止励磁装置故障诊断方法，其特征是，它利用探测线圈在线采集同步电机脉冲磁通回路中的磁信号并利用数据采集仪对该信号进行显示和分析，若信号中包含周期性的冲击脉冲或者冲击脉冲的密度突然增加，则表明碳刷与集电环之间存在接触不良故障。
2.根据权利要求1所述基于磁场探测的同步电机静止励磁装置故障诊断方法，其特征是：用于采集同步电机脉冲磁通回路中磁信号的探测线圈套装于发电机转子轴承座或可倾式分块轴瓦的轴承顶块上，或者套装于发电机转轴上。
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