CN103208880B - 磁悬浮飞轮储能装置及其故障诊断方法 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供磁悬浮飞轮储能装置及其故障诊断方法，包括密封舱体和安装在密封舱体里的飞轮，密封舱体里设置上机械轴承基座和下机械轴承基座，上机械轴承基座里安装上机械轴承，下机械轴承基座安装下机械轴承，飞轮通过飞轮的飞轮轴安装在上机械轴承和下机械轴承上，在上机械轴承和飞轮之间安装轴向磁轴承，在下机械轴承和飞轮之间安装电动发电一体机。本发明具有多部件实时故障诊断能力，基于信息融合的故障诊断方法准确率高，运行过程的能量损耗低，且具有被动容错能力。

Description

磁悬浮飞轮储能装置及其故障诊断方法

技术领域

本发明涉及的是一种飞轮储能装置及飞轮储能装置的故障诊断方法。

背景技术

目前，由于自然环境的日益恶化，能源和环境已成为当今人类所面临的重大问题，能量的储存与再利用受到世界各国的广泛关注。在此背景下，以能量转换效率高、寿命长、绿色环保、储能密度大、响应速度快、充放电循环成本低见长的现代飞轮储能进入了高速发展期。

飞轮储能是将电能、转动能、制动能等转化成飞轮的旋转动能加以储存，利用电动机、发电机实现动能与电能的交换，由电力控制器实现升速充电与降速放电的技术。为了保证飞轮能够储存较多的能量，飞轮要拥有较大的转动惯量，且要在高转速下长时间运行，为降低能量损失，飞轮还需工作于低真空的密封环境，这些都导致飞轮储能系统存在较强的故障未知性和事故危险性，因高速飞轮破损，导致的飞轮储能装置爆炸等危险事故时有发生。为了保证系统运行的稳定性和安全性，避免发生系统不平衡量变化或支承部件磨损、控制失灵等故障，及时有效地检测出系统的故障，并进行应急处理是十分必要的。

专利申请号为：201210154944.5，名为“一种大容量高效率磁悬浮飞轮储能装置”的专利，给出的飞轮储能装置包括飞轮组件、电机、重载磁浮轴承、径向轴承、真空密封壳体和安全组件，但该专利没有考虑储能系统的安全可靠性。

专利申请号为：CN201110310173.X，名为“磁悬浮飞轮储能装置”的专利，提供了一种具有结构紧凑，比能量密度和放电深度高的磁悬浮飞轮储能装置，该装置配置有径向和轴向磁悬浮轴承，其径向磁悬浮轴承为径向混合锥轴承，但同样该专利也未考虑飞轮储能装置的故障诊断性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有故障诊断功能的磁悬浮飞轮储能装置及其故障诊断方法。

本发明的目的是这样实现的：

本发明磁悬浮飞轮储能装置，其特征是：包括密封舱体和安装在密封舱体里的飞轮，密封舱体里设置上机械轴承基座和下机械轴承基座，上机械轴承基座里安装上机械轴承，下机械轴承基座安装下机械轴承，飞轮通过飞轮的飞轮轴安装在上机械轴承和下机械轴承上，在上机械轴承和飞轮之间安装轴向磁轴承，在下机械轴承和飞轮之间安装电动发电一体机。

本发明磁悬浮飞轮储能装置的故障诊断方法，采用本发明的磁悬浮飞轮储能装置，其特征是：

（1）磁电转速传感器检测飞轮实际转速，根据前一时刻飞轮实际转速及当前时刻电动发电一体机的输入或输出电压，输出飞轮的理论转速，并与飞轮实际转速共同作为输入进行一次故障诊断，若二转速之差大于设定阈值，则电动发电一体机或上机械轴承、下机械轴承存在故障；

（2）以电动发电一体机温度传感器检测到的电动发电一体机当前时刻温度和前一时刻温度作为输入，根据两次温度与设定值的比较结果，进行故障诊断，以当前时刻及前一时刻定子表面加速度计测得的振动加速度为输入再进行电动发电一体机的故障诊断，以两次故障诊断的结果作为输入进行局部信息融合，得出故障诊断初步结果；

（3）以上、下机械轴承温度传感器测得当前时刻及前一时刻信号进行上机械轴承、下机械轴承故障诊断，再以上、下机械轴承加速度计测得当前时刻及前一时刻信号作为输入进行上机械轴承、下机械轴承故障诊断，以两次故障诊断结果作为输入进行局部信息融合，得出上、下机械轴承故障诊断初步结果；

（4）将通过步骤（1）～（3）得到的结果作为输入进行故障信息融合，得到电动发电一体机、上机械轴承、下机械轴承的故障定位及故障估计结果；

（5）以轴向磁轴承的温度传感器检测到的当前时刻及前一时刻温度信号作为输入进行一次轴向磁轴承故障诊断，再以磁电位移传感器检测到的轴向位移作为输入，根据轴向位移与设定值的比较结果，进行一次轴向磁轴承的故障诊断，对两次诊断结果进行故障信息融合，得出轴向磁轴承的故障状态；

（6）当诊断为电动发电一体机出现故障时，则进行断电及报警处理；当诊断为上、下机械轴承出现故障时，则进行断电处理或紧急制动；当诊断为轴向磁轴承出现故障时，则将轴向磁轴承断电。

本发明磁悬浮飞轮储能装置还可以包括：

1、上机械轴承基座上安装上轴承温度传感器和上机械轴承加速度计，下机械轴承基座上安装下轴承温度传感器和下机械轴承加速度计，轴向磁轴承外壁上安装轴向磁轴承温度传感器，密封舱体顶部、飞轮轴的轴线上安装磁电位移传感器，上机械轴承基座的上方安装磁电转速传感器，电动发电一体机的定子外壁上安装电动发电一体机温度传感器和电动发电一体机加速度计，密封舱体上部设置密封接头和连接电缆，电动发电一体机、轴向磁轴承以及上述所有温度传感器、位移传感器、转速传感器、加速度计均与连接电缆相连。

2、飞轮轴的轴线与密封舱体竖直中心线重合。

3、所述的下机械轴承为角接触轴承。

本发明的优势在于：

1、具有多部件实时故障诊断能力。储能飞轮装置配置有磁电速度传感器、磁电位移传感器、温度传感器、加速度传感器，可实时检测系统状态，对飞轮储能装置内部包括电动发电一体机、机械轴承、轴向磁轴承等多个部件进行故障诊断。

2、基于信息融合的故障诊断方法准确率高。本发明提供了根据多传感器信息，基于多元信息融合的故障诊断方法，能有效减少误检、漏检的发生，提高了系统的智能化水平。

3、运行过程的能量损耗低。本飞轮储能装置内部包含一个轴向磁悬浮轴承，通过磁悬浮力抵消飞轮及飞轮轴的重力，使高速旋转的飞轮及飞轮轴始终处于悬浮状态，降低飞轮旋转时支撑与转子轴系间的摩擦损耗，提高能量利用率。

4、具有被动容错能力。下机械轴承既能承受径向冲击力，又能承受轴向冲击力，当轴向磁悬浮轴承失效时，下机械轴承可承受轴向转子重力，此轴向支撑功能可防止磁悬浮轴承损坏时高速旋转飞轮转子系统对密封舱体产生的急速冲击，从结构上提高了系统高速运行时的安全可靠性。

附图说明

图1为本发明的飞轮储能装置结构示意图；

图2为本发明的飞轮储能装置故障诊断框图；

图3为本发明的飞轮储能装置故障诊断及应急处理流程图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1～3，本发明的飞轮储能装置由密封舱体1、飞轮轴2、上机械轴承3、轴向磁轴承4、飞轮5、电动发电一体机6、电动发电一体机加速度计7、电动发电一体机温度传感器8、下机械轴承9、密封接头10、连接电缆11、磁电转速传感器12、磁电位移传感器13、上轴承温度传感器14、上机械轴承加速度计15、轴向磁轴承温度传感器16、下轴承温度传感器17、下机械轴承加速度计18组成。

密封舱体1将飞轮储能装置封闭为低真空状态，飞轮轴2位于密封舱体竖直中心线上，密封舱体1内由上至下布置有上机械轴承3、轴向磁轴承4、飞轮5、电动发电一体机6、下机械轴承9。上轴承温度传感器14、下轴承温度传感器17分别安装在上、下机械轴承基座内，紧邻轴承外圈，上机械轴承加速度计15、下机械轴承加速度计18分别安装在上、下机械轴承基座上；轴向磁轴承温度传感器16紧贴在轴向磁轴承4壳体外壁上；磁电位移传感器13安装于密封舱体顶部，位于飞轮轴2的轴线上；磁电转速传感器12安装在上机械轴承3的基座上侧，位于飞轮轴2的一侧，电动发电一体机温度传感器8紧贴在电动发电一体机6的定子外壁上，电动发电一体机加速度计7安装在电动发电一体机6的定子外壁上，电动发电一体机6、轴向磁轴承4通过密封舱1顶部的密封接头10与连接电缆11相连，各传感器的导线通过密封舱1顶部的密封接头10与连接电缆11相连。电动发电一体机6的转子镶嵌在飞轮轴2之上，形成飞轮转子系统。

下机械轴承9为角接触轴承，飞轮储能装置工作时，轴向磁轴承4通电，产生吸力，使飞轮转子系统从下机械轴承9上悬浮起来，飞轮储能装置充电时，外部电源驱动电动发电一体机6的转子旋转、带动飞轮5升速储存动能，放电时飞轮5降速释放动能使电动发电一体机6发电，通过外接电缆11输出电能。飞轮储能装置工作时，各传感器实时将检测信号发送给上位机，上位机对各传感器信息状态进行监测，判断系统是否正常，当发现系统信息不正常时，根据故障诊断方法进行故障定位、故障估计等诊断分析，确定故障发生部位及故障程度，以便采取及时补救处理措施，保证系统安全性。

结合附图2,本发明的故障诊断方法为：

首先磁电转速传感器12检测飞轮实际转速，根据前一时刻飞轮实际转速及当前时刻电动发电一体机6的输入或输出电压，飞轮速度模型输出飞轮的理论转速，并与飞轮实际转速共同作为输入进行一次故障诊断，若二转速之差大于设定阈值，则认为电动发电一体机6或上机械轴承3、下机械轴承9可能存在故障；其次，以电动发电一体机温度传感器8检测到的电动发电一体机当前时刻温度和前一时刻温度作为输入，根据两次温度与设定值的比较结果，进行故障诊断，为增强故障诊断的准确性，以当前时刻及前一时刻定子表面加速度计7测得的振动加速度为输入再进行电动发电一体机6的故障诊断，以两次故障诊断的结果作为输入进行局部信息融合，得出故障诊断初步结果；再次，与电动发电一体机6的故障诊断类似，以机械轴承温度传感器14、17测得当前时刻及前一时刻信号进行上机械轴承3、下机械轴承9故障诊断，再以机械轴承加速度计15、18测得当前时刻及前一时刻信号作为输入进行上机械轴承3、下机械轴承9故障诊断，以两次故障诊断结果作为输入进行局部信息融合，得出机械轴承3、9故障诊断初步结果；最后，将速度故障诊断结果、电动发电一体机6局部信息融合结果、上机械轴承3局部信息融合的结果、下机械轴承9局部信息融合的结果作为输入进行故障信息融合，给出电动发电一体机6、上机械轴承3、下机械轴承9的故障定位及故障估计结果。为了进行轴向磁轴承4的故障诊断，以轴向磁轴承4的温度传感器16检测到的当前时刻及前一时刻温度信号作为输入进行一次轴向磁轴承4故障诊断，再以磁电位移传感器13检测到的轴向位移作为输入，根据轴向位移与设定值的比较结果，进行一次轴向磁轴承4的故障诊断，最后对两次诊断结果进行故障信息融合，得出轴向磁轴承4的故障状态。

飞轮储能装置故障诊断及应急处理流程如图3所示。当飞轮储能装置工作时，上位机采集装置内部各传感器信息，若测得的飞轮转速与速度模型输出转速偏差超出设定阈值，或某个温度传感器测得值过高，则按图2给出的方法进行故障诊断，若诊断为电动发电一体机6故障，则进行断电及报警处理，若不是电动发电一体机6的故障，程序检测是否为轴向磁轴承4故障，若诊断为轴向磁轴承4出现故障，由于下机械轴承9为角接触轴承，可承受轴向力，因此，不必停止飞轮储能装置，只需将轴向磁轴承4断电，对轴向磁轴承4的控制电路进行检修即可；若程序诊断为机械轴承3或9出现故障，则根据机械轴承3或9的故障程度，采取不同处理措施，如果摩擦力矩稍大，说明危险性不大，则进行断电处理，让飞轮自然降速即可，如果摩擦力矩非常大，可能会导致高速飞轮5或飞轮轴2的损坏，则需进行紧急制动，使飞轮迅速降速，以最大程度降低危险和损失。如果未确定出具体发生故障部位，则可能发生漏检，为防止意外事故的发生，也要采取紧急制动，以便于进行全面检查。

Claims (4)

1.磁悬浮飞轮储能装置，其特征是：包括密封舱体和安装在密封舱体里的飞轮，密封舱体里设置上机械轴承基座和下机械轴承基座，上机械轴承基座里安装上机械轴承，下机械轴承基座安装下机械轴承，飞轮通过飞轮的飞轮轴安装在上机械轴承和下机械轴承上，在上机械轴承和飞轮之间安装轴向磁轴承，在下机械轴承和飞轮之间安装电动发电一体机；

上机械轴承基座上安装上轴承温度传感器和上机械轴承加速度计，下机械轴承基座上安装下轴承温度传感器和下机械轴承加速度计，轴向磁轴承外壁上安装轴向磁轴承温度传感器，密封舱体顶部、飞轮轴的轴线上安装磁电位移传感器，上机械轴承基座的上方安装磁电转速传感器，电动发电一体机的定子外壁上安装电动发电一体机温度传感器和电动发电一体机加速度计，密封舱体上部设置密封接头和连接电缆，电动发电一体机、轴向磁轴承以及上述所有温度传感器、位移传感器、转速传感器、加速度计均与连接电缆相连。

2.根据权利要求1所述的磁悬浮飞轮储能装置，其特征是：飞轮轴的轴线与密封舱体竖直中心线重合。

3.根据权利要求1或2所述的磁悬浮飞轮储能装置，其特征是：所述的下机械轴承为角接触轴承。

4.磁悬浮飞轮储能装置的故障诊断方法，采用权利要求1所述的磁悬浮飞轮储能装置，其特征是：

(1)磁电转速传感器检测飞轮实际转速，根据前一时刻飞轮实际转速及当前时刻电动发电一体机的输入或输出电压，输出飞轮的理论转速，并与飞轮实际转速共同作为输入进行一次故障诊断，若二转速之差大于设定阈值，则电动发电一体机或上机械轴承、下机械轴承存在故障；

(2)以电动发电一体机温度传感器检测到的电动发电一体机当前时刻温度和前一时刻温度作为输入，根据两次温度与设定值的比较结果，进行故障诊断，以当前时刻及前一时刻定子表面加速度计测得的振动加速度为输入再进行电动发电一体机的故障诊断，以两次故障诊断的结果作为输入进行局部信息融合，得出故障诊断初步结果；

(3)以上、下机械轴承温度传感器测得当前时刻及前一时刻信号进行上机械轴承、下机械轴承故障诊断，再以上、下机械轴承加速度计测得当前时刻及前一时刻信号作为输入进行上机械轴承、下机械轴承故障诊断，以两次故障诊断结果作为输入进行局部信息融合，得出上、下机械轴承故障诊断初步结果；

(4)将通过步骤(1)～(3)得到的结果作为输入进行故障信息融合，得到电动发电一体机、上机械轴承、下机械轴承的故障定位及故障估计结果；

(5)以轴向磁轴承的温度传感器检测到的当前时刻及前一时刻温度信号作为输入进行一次轴向磁轴承故障诊断，再以磁电位移传感器检测到的轴向位移作为输入，根据轴向位移与设定值的比较结果，进行一次轴向磁轴承的故障诊断，对两次诊断结果进行故障信息融合，得出轴向磁轴承的故障状态；

(6)当诊断为电动发电一体机出现故障时，则进行断电及报警处理；当诊断为上、下机械轴承出现故障时，则进行断电处理或紧急制动；当诊断为轴向磁轴承出现故障时，则将轴向磁轴承断电。