CN102636751A - 基于励磁机励磁电流的交流无刷发电机故障检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于励磁机励磁电流的交流无刷发电机故障检测方法，首先测量发电机组励磁机励磁电流的直流分量和各次谐波幅值，然后通过定子绕组匝间短路诊断算法、转子绕组匝间短路诊断算法、励磁机故障诊断算法和旋转整流器故障诊断算法来检测发电机组是否发生电气故障。所述电气故障包括定子绕组匝间短路、转子绕组匝间短路、励磁机转子绕组匝间短路、励磁机转子绕组相间短路、旋转整流器1个二极管开路和旋转整流器1个二极管短路。本发明利用LabView开发的故障诊断算法，通过测量励磁机励磁电流，就可检测多种电气故障，从而节约了测量点，不必在发电机内安装多种侵入式传感器；实时性好，能够满足在线检测的要求。

Description

基于励磁机励磁电流的交流无刷发电机故障检测方法

技术领域

本发明涉及发电机状态监测与故障诊断技术领域，具体是一种基于励磁机励磁电流的交流无刷发电机故障检测方法。

背景技术

现有发电机监测与诊断主要对绕组绝缘、轴承和冷却系统进行状态监测和故障诊断，对发电机组电气故障的监测与诊断较少涉及。这是因为发电机电气故障种类多、故障部位分散，早期电气故障主要包括发电机定子绕组匝间短路、发电机转子绕组匝间短路和发电机励磁系统故障等。目前对于每一类电气故障，都需要不同的检测方法，安装不同的传感器，应用不同的诊断算法。因此，难以对上述电气故障进行统一监测和集中诊断。

发电机转子绕组匝间短路是一种常见故障。目前国家标准使用了转子动态下气隙探测线圈法来检测转子线圈是否发生匝间短路故障，该方法需要在距离被测转子表面10～20mm处或发电机定子槽楔上安装磁通探测器，只能在发电机空载和三相短路情况下进行；在发电机带负荷的条件下，由于电枢反应，检测效果不明显；

发电机定子绕组匝间短路是破坏性很强的故障，要求发电机继电保护装置快速准确地切除故障，保护发电机免受进一步的损伤。但是发电机的各种保护方案对定子绕组同分支小匝数匝间短路都不能有效反应。特别是匝数很小的短路，短路环中的电流很大，但发电机端和中性点侧电流变化很小，这就增加了故障检测的难度。而目前针对定子绕组同分支小匝数匝间短路还没有在线诊断方法。

发电机励磁系统故障主要包括励磁机故障和旋转整流器故障。与主发电机类似，励磁机定转子绕组也会出现短路故障，尤其是处于高速旋转状态的励磁机电枢绕组，发生匝间和相间短路故障的可能性较大。同样高速旋转的整流器如遇到过电压和过电流及其他非正常情况，功率二极管可能遭到损坏。二极管故障时会出现短路和断路情况。在船舶“高温、高湿、高盐”特殊环境下，发电机励磁系统的安全运行存在很大隐患，但由于船舶发电机空间狭小，无法采用侵入式检测手段等特点，船舶交流发电机励磁系统的状态监测与故障诊断尚属空白。

发明内容

本发明提供一种基于励磁机励磁电流的交流无刷发电机故障检测方法，可以解决现有发电机故障诊断方法存在的无法对多种发电机电气故障进行统一监测和集中诊断的问题。

一种基于励磁机励磁电流的交流无刷发电机故障检测方法，包括如下步骤：首先测量发电机组励磁机励磁电流的直流分量和各次谐波幅值，然后通过定子绕组匝间短路诊断算法、转子绕组匝间短路诊断算法、励磁机故障诊断算法和旋转整流器故障诊断算法来检测发电机组是否发生电气故障；所述电气故障包括定子绕组匝间短路、转子绕组匝间短路、励磁机转子绕组匝间短路、励磁机转子绕组相间短路、旋转整流器1个二极管开路和旋转整流器1个二极管短路；其中

(1)所述定子绕组匝间短路诊断算法，进行下述操作：

(1.1)计算发电机电枢电压的基次谐波频率f1：f1＝P×N/60，

式中，P为发电机的转子极对数，N为发电机额定转速；

(1.2)每隔5秒，对采样电路输出的励磁机励磁电流数字信号进行快速傅里叶变换，提取励磁机励磁电流直流分量幅值IDC，分别提取频率为2f1、4f1、6f1的励磁机励磁电流谐波幅值

分别计算励磁机励磁电流二次谐波、四次谐波和六次谐波相对值 $\mathrm{\α}=I_{2f_1}/I_{\mathrm{DC}},$ $\mathrm{\β}=I_{4f_1}/I_{\mathrm{DC}}$ 和 $\mathrm{\δ}=I_{6f_1}/I_{\mathrm{DC}};$

(1.3)判断是否α(n+1)/α(n)＞300％，是则进行步骤(1.4)，否则人机交互单元不显示；式中，α(n)表示前5秒间隔的α值，α(n+1)表示后5秒间隔的α值；

(1.4)判断是否β(n+1)/β(n)≤175％且δ(n+1)/δ(n)≤175％，是则为发电机不对称运行导致的谐波成分变化，人机交互单元不显示；否则通过人机交互单元显示定子绕组匝间短路；式中，β(n)、δ(n)分别表示前5秒间隔的β、δ值，β(n+1)、δ(n+1)分别表示后5秒间隔的β、δ值；

(2)所述转子绕组匝间短路诊断算法，进行下述操作：

(2.1)计算转子绕组匝间短路时励磁机励磁电流频谱中的故障基次谐波频率f2：f2＝N×M/60，

式中，N为发电机额定转速，M为发电机定子每相绕组的并联支路数；

(2.2)每隔5秒，对采样电路输出的励磁机励磁电流数字信号进行快速傅里叶变换，提取励磁机励磁电流直流分量幅值IDC，分别提取频率为kf2的励磁机励磁电流谐波幅值

k＝1、2...7、8；

(2.3)判断

的励磁机励磁电流谐波幅值个数是否大于2个，是则进行步骤(2.4)，否则人机交互单元不显示，式中，表示前5秒间隔的

值，

表示后5秒间隔的

值；

(2.4)取

比值最大的励磁机励磁电流谐波幅值计算发电机转子绕组匝间短路特征值

j∈〔1、2...7、8〕；

(2.5)判断是否ε(n+2)/ε(n+1)＞120％，是则通过人机交互单元显示转子绕组匝间短路，否则转子绕组匝间短路特征不明显，人机交互单元不显示，式中，ε(n+1)表示后5秒间隔的ε值，ε(n+2)表示更后5秒间隔的ε值；

(3)所述励磁机转子绕组短路诊断算法，进行下述操作：

(3.1)计算励磁机电枢电压的基次谐波频率f3：f3＝P1×N/60，

式中，P1为励磁机的转子极对数，N为发电机额定转速；

(3.2)每隔5秒，对采样电路输出的励磁机励磁电流数字信号进行快速傅里叶变换，提取励磁机励磁电流直流分量幅值IDC，提取频率为2f3的励磁机励磁电流谐波幅值

计算励磁机转子绕组短路特征值 $\mathrm{\γ}=I_{{2f}_3}/I_{\mathrm{DC}};$

(3.3)判断是否γ(n+1)/γ(n)＜150％，是则励磁机转子绕组没有发生短路，人机交互界面不显示；否则判断是否150％＜γ(n+1)/γ(n)＜300％，是则通过人机交互单元显示励磁机转子绕组匝间短路；否则通过人机交互单元显示励磁机转子绕组相间短路；式中，γ(n)表示前5秒间隔的γ值，γ(n+1)表示后5秒间隔的γ值；

(4)所述旋转整流器二极管故障诊断算法，进行下述操作：

(4.1)计算励磁机电枢电压的基次谐波频率f3：f3＝P1×N/60，

式中，P1为励磁机的转子极对数，N为发电机额定转速；

(4.2)每隔5秒，对采样电路输出的励磁机励磁电流数字信号进行快速傅里叶变换，提取励磁机励磁电流直流分量幅值IDC，提取频率为f3的励磁机励磁电流谐波幅值计算旋转整流器二极管故障特征值 $\mathrm{\λ}=I_{f_3}/I_{\mathrm{DC}};$

(4.3)判断是否λ＜10％，是则旋转整流器正常，人机交互界面不显示；否则判断是否10％＜λ＜55％，是则通过人机交互单元显示旋转整流器1个二极管开路；否则通过人机交互单元显示旋转整流器1个二极管短路。

本发明利用LabView开发的故障诊断算法，通过测量励磁机励磁电流，就可检测出发电机定子绕组匝间短路、转子绕组匝间短路、励磁机转子绕组匝间短路、励磁机转子绕组相间短路、旋转整流器二极管1管开路和旋转整流器二极管1管短路等多种电气故障，从而节约了测量点，不必在发电机内安装多种侵入式传感器；对于大中型船舶的不同型号发电机有很好的通用性，用户只要输入采样电路参数和待检测发电机参数，就可自动计算判断相应的各种电气故障，实时性好，能够满足在线检测的要求。

附图说明

图1为本发明实施例硬件结构组成框图；

图2为本发明实施例定子绕组匝间短路诊断算法操作流程框图；

图3为本发明实施例转子绕组匝间短路诊断算法操作流程框图；

图4为本发明实施例励磁机转子绕组短路诊断算法操作流程框图；

图5为本发明实施例旋转整流器二极管故障诊断算法操作流程框图；

图6为本发明实施例人机交互单元实时采集及波形显示界面。

具体实施方式

下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。

如图1所示，本发明实施例硬件结构包括传感器组、信号调理电路、采样电路、数据处理器和人机交互单元，用户通过人机交互单元向数据处理器输入采样电路参数和发电机参数，数据处理器根据采样电路参数控制采样电路采集数据，所述传感器组由三个电压传感器和四个电流传感器构成，各电压传感器及各电流传感器的输出信号分别送到信号调理电路进行滤波、稳压、调幅后，由采样电路转换为数字信号，送到数据处理器进行故障检测与识别处理，再由人机交互单元输出结果，

所述三个电压传感器中，第一、第二、第三电压传感器分别测量发电机A相、B相、C相电枢相电压；

所述四个电流传感器中，第一、第二、第三电流传感器分别测量发电机A相、B相、C相电枢相电流；第四电流传感器测量发电机励磁机励磁电流；

所述数据处理器加载定子绕组匝间短路算法、转子绕组匝间短路算法、励磁机故障诊断算法和旋转整流器故障诊断算法。

第一、第二、第三电压传感器采用瑞士ABB公司的EM010-9238型传感器；第一、第二、第三、第四电流传感器采用美国Fluke公司的80i-110s型电流测试钳；

信号调理电路采用北京阿尔泰公司的A1-P9信号调理端子板，将传感器测得的电流信号、电压信号接入信号调理电路，经滤波、稳压和调幅后由采样电路采集。

采样电路采用北京阿尔泰公司的USB2080数据采集卡，其前端采集和处理采用DSP芯片，最高采样频率为400KS/s；接线端子有9路电流霍尔接口、3路电压霍尔接口，还有振动信号和温度信号的扩展接口；数字信号最后由数据采集卡USB接口输出。

数据处理器采用深圳西斯威公司的F2716型嵌入式微型PC104板，搭配了CPU、数字I/O模块和通讯模块；CPU安装了嵌入式操作系统Windows XP embedded，在该操作系统下运行利用LabView开发的定子绕组匝间短路诊断模块、转子绕组匝间短路诊断模块、励磁机故障诊断模块和旋转整流器故障诊断模块。

数字I/O模块将CPU运算结果通过人机交互单元显示，通讯模块具有多种通讯接口，如USB、RS485、以太网接口等等。本实施例中，状态监测和故障诊断结果通过以太网接口远程通讯到上位机。

图2为定子绕组匝间短路诊断算法操作流程框图，所述定子绕组匝间短路诊断算法，进行下述操作：

(1.1)计算发电机电枢电压的基次谐波频率f1：f1＝P×N/60，

式中，P为发电机的转子极对数，N为发电机额定转速；

(1.2)每隔5秒，对采样电路输出的励磁机励磁电流数字信号进行快速傅里叶变换，提取励磁机励磁电流直流分量幅值IDC，分别提取频率为2f1、4f1、6f1的励磁机励磁电流谐波幅值分别计算励磁机励磁电流二次谐波、四次谐波和六次谐波相对值 $\mathrm{\α}=I_{2f_1}/I_{\mathrm{DC}},$ $\mathrm{\β}=I_{4f_1}/I_{\mathrm{DC}}$ 和 $\mathrm{\δ}=I_{6f_1}/I_{\mathrm{DC}};$

(1.3)判断是否α(n+1)/α(n)＞300％，是则进行步骤(1.4)，否则人机交互单元不显示；式中，α(n)表示前5秒间隔的α值，α(n+1)表示后5秒间隔的α值；

(1.4)判断是否β(n+1)/β(n)≤175％且δ(n+1)/δ(n)≤175％，是则为发电机不对称运行导致的谐波成分变化，人机交互单元不显示；否则通过人机交互单元显示定子绕组匝间短路；式中，β(n)、δ(n)分别表示前5秒间隔的β、δ值，β(n+1)、δ(n+1)分别表示后5秒间隔的β、δ值。

图3为转子绕组匝间短路诊断算法操作流程框图，所述转子绕组匝间短路诊断算法，进行下述操作：

(2.1)计算转子绕组匝间短路时励磁机励磁电流频谱中的故障基次谐波频率f2：f2＝N×M/60，

式中，N为发电机额定转速，M为发电机定子每相绕组的并联支路数；

(2.2)每隔5秒，对采样电路输出的励磁机励磁电流数字信号进行快速傅里叶变换，提取励磁机励磁电流直流分量幅值IDC，分别提取频率为kf2的励磁机励磁电流谐波幅值

k＝1、2...7、8；

(2.3)判断

的励磁机励磁电流谐波幅值个数是否大于2个，是则进行步骤(2.4)，否则人机交互单元不显示，式中，

表示前5秒间隔的

值，

表示后5秒间隔的

值；

(2.4)取

比值最大的励磁机励磁电流谐波幅值计算发电机转子绕组匝间短路特征值

j∈〔1、2...7、8〕；

(2.5)判断是否ε(n+2)/ε(n+1)＞120％，是则通过人机交互单元显示转子绕组匝间短路，否则转子绕组匝间短路特征不明显，人机交互单元不显示，式中，ε(n+1)表示后5秒间隔的ε值，ε(n+2)表示更后5秒间隔的ε值。

图4为励磁机转子绕组短路诊断算法操作流程框图，所述励磁机转子绕组短路诊断算法，进行下述操作：

(3.1)计算励磁机电枢电压的基次谐波频率f3：f3＝P1×N/60，

式中，P1为励磁机的转子极对数，N为发电机额定转速；

(3.2)每隔5秒，对采样电路输出的励磁机励磁电流数字信号进行快速傅里叶变换，提取励磁机励磁电流直流分量幅值IDC，提取频率为2f 3的励磁机励磁电流谐波幅值计算励磁机转子绕组短路特征值 $\mathrm{\γ}=I_{{2f}_3}/I_{\mathrm{DC}};$

(3.3)判断是否γ(n+1)/γ(n)＜150％，是则励磁机转子绕组没有发生短路，人机交互界面不显示；否则判断是否150％＜γ(n+1)/γ(n)＜300％，是则通过人机交互单元显示励磁机转子绕组匝间短路；否则通过人机交互单元显示励磁机转子绕组相间短路；式中，γ(n)表示前5秒间隔的γ值，γ(n+1)表示后5秒间隔的γ值。

图5为旋转整流器二极管故障诊断算法操作流程框图，所述旋转整流器二极管故障诊断算法，进行下述操作：

(4.1)计算励磁机电枢电压的基次谐波频率f3：f3＝P1×N/60，

式中，P1为励磁机的转子极对数，N为发电机额定转速；

(4.2)每隔5秒，对采样电路输出的励磁机励磁电流数字信号进行快速傅里叶变换，提取励磁机励磁电流直流分量幅值IDC，提取频率为f3的励磁机励磁电流谐波幅值

计算旋转整流器二极管故障特征值 $\mathrm{\λ}=I_{f_3}/I_{\mathrm{DC}};$

(4.3)判断是否λ＜10％，是则旋转整流器正常，人机交互界面不显示；否则判断是否10％＜λ＜55％，是则通过人机交互单元显示旋转整流器1个二极管开路；否则通过人机交互单元显示旋转整流器1个二极管短路。

所述人机交互单元为液晶触摸屏，用户在液晶触摸屏上设置采样电路参数和发电机参数，所述采样电路参数包括采样频率、采样时间和采样通道；所述发电机参数包括发电机额定转速、定子绕组连接方式、定子绕组并联支路数、转子极对数和励磁机励磁极对数；

液晶触摸屏显示发电机运行状态和故障诊断结果，所述发电机运行状态包括三相电枢电压有效值和频率、三相电枢电流有效值和频率、每个采样通道的时域波形和频谱分析；所述故障诊断结果包括定子绕组匝间短路、转子绕组匝间短路、励磁机转子绕组匝间短路、励磁机转子绕组相间短路、旋转整流器1个二极管开路和旋转整流器1个二极管短路。

人机交互单元采用日本欧姆龙的NT30-ST121-BR型液晶触摸屏，用于实现数据处理器计算结果的显示、存储等功能，以频谱图、时域波形图、图表等形式定性、定量地显示出监测和诊断结果。本实施例中，发电机故障诊断程序提供三种诊断模式。分别为在现场的机旁实时诊断，离线采集诊断和针对上位机的远程通讯诊断。操作人员还可在主界面中选择对历史数据的读取和诊断。图6为实时采集及波形显示界面。在该界面左侧的控制面板中用户可以对数据采集的参数进行设置。用户还可以根据发电机的结构对待测发电机的参数进行设置。用户可以选择对某个采集通道的电气量进行时域波形显示和频谱分析。界面右下方分别是对发电机电枢线电压和相电流的有效值和频率的显示。如果出现故障，会在诊断结果处显示故障类型，同时报警指示灯变红。

Claims (1)

1.一种基于励磁机励磁电流的交流无刷发电机故障检测方法，其特征在于包括如下步骤：首先测量发电机组励磁机励磁电流的直流分量和各次谐波幅值，然后通过定子绕组匝间短路诊断算法、转子绕组匝间短路诊断算法、励磁机故障诊断算法和旋转整流器故障诊断算法来检测发电机组是否发生电气故障；其中

(1)所述定子绕组匝间短路诊断算法，进行下述操作：

(1.1)计算发电机电枢电压的基次谐波频率f1：f1＝P×N/60，

式中，P为发电机的转子极对数，N为发电机额定转速；

(1.2)每隔5秒，对采样电路输出的励磁机励磁电流数字信号进行快速傅里叶变换，提取励磁机励磁电流直流分量幅值IDC，分别提取频率为2f1、4f1、6f1的励磁机励磁电流谐波幅值分别计算励磁机励磁电流二次谐波、四次谐波和六次谐波相对值 $\mathrm{\α}=I_{2f_1}/I_{\mathrm{DC}},$ $\mathrm{\β}=I_{4f_1}/I_{\mathrm{DC}}$ 和 $\mathrm{\δ}=I_{6f_1}/I_{\mathrm{DC}};$

(1.3)判断是否α(n+1)/α(n)＞300％，是则进行步骤(1.4)，否则人机交互单元不显示；式中，α(n)表示前5秒间隔的α值，α(n+1)表示后5秒间隔的α值；

(1.4)判断是否β(n+1)/β(n)≤175％且δ(n+1)/δ(n)≤175％，是则为发电机不对称运行导致的谐波成分变化，人机交互单元不显示；否则通过人机交互单元显示定子绕组匝间短路；式中，β(n)、δ(n)分别表示前5秒间隔的β、δ值，β(n+1)、δ(n+1)分别表示后5秒间隔的β、δ值；

(2)所述转子绕组匝间短路诊断算法，进行下述操作：

(2.1)计算转子绕组匝间短路时励磁机励磁电流频谱中的故障基次谐波频率f2：f2＝N×M/60，

式中，N为发电机额定转速，M为发电机定子每相绕组的并联支路数；

(2.2)每隔5秒，对采样电路输出的励磁机励磁电流数字信号进行快速傅里叶变换，提取励磁机励磁电流直流分量幅值IDC，分别提取频率为kf2的励磁机励磁电流谐波幅值

k＝1、2...7、8；

(2.3)判断

的励磁机励磁电流谐波幅值个数是否大于2个，是则进行步骤(2.4)，否则人机交互单元不显示，式中，表示前5秒间隔的

值，

表示后5秒间隔的值；

(2.4)取

比值最大的励磁机励磁电流谐波幅值

计算发电机转子绕组匝间短路特征值

j∈〔1、2...7、8〕；

(2.5)判断是否ε(n+2)/ε(n+1)＞120％，是则通过人机交互单元显示转子绕组匝间短路，否则转子绕组匝间短路特征不明显，人机交互单元不显示，式中，ε(n+1)表示后5秒间隔的ε值，ε(n+2)表示更后5秒间隔的ε值；

(3)所述励磁机转子绕组短路诊断算法，进行下述操作：

(3.1)计算励磁机电枢电压的基次谐波频率f3：f3＝P1×N/60，

式中，P1为励磁机的转子极对数，N为发电机额定转速；

(3.2)每隔5秒，对采样电路输出的励磁机励磁电流数字信号进行快速傅里叶变换，提取励磁机励磁电流直流分量幅值IDC，提取频率为2f 3的励磁机励磁电流谐波幅值

计算励磁机转子绕组短路特征值 $\mathrm{\γ}=I_{{2f}_3}/I_{\mathrm{DC}};$

(3.3)判断是否γ(n+1)/γ(n)＜150％，是则励磁机转子绕组没有发生短路，人机交互界面不显示；否则判断是否150％＜γ(n+1)/γ(n)＜300％，是则通过人机交互单元显示励磁机转子绕组匝间短路；否则通过人机交互单元显示励磁机转子绕组相间短路；式中，γ(n)表示前5秒间隔的γ值，γ(n+1)表示后5秒间隔的γ值；

(4)所述旋转整流器二极管故障诊断算法，进行下述操作：

(4.1)计算励磁机电枢电压的基次谐波频率f3：f3＝P1×N/60，

式中，P1为励磁机的转子极对数，N为发电机额定转速；

(4.2)每隔5秒，对采样电路输出的励磁机励磁电流数字信号进行快速傅里叶变换，提取励磁机励磁电流直流分量幅值IDC，提取频率为f3的励磁机励磁电流谐波幅值

计算旋转整流器二极管故障特征值 $\mathrm{\λ}=I_{f_3}/I_{\mathrm{DC}};$

(4.3)判断是否λ＜10％，是则旋转整流器正常，人机交互界面不显示；否则判断是否10％＜λ＜55％，是则通过人机交互单元显示旋转整流器1个二极管开路；否则通过人机交互单元显示旋转整流器1个二极管短路。

Images