CN103733080B - 用于检测运转的电机中的绝缘状态劣化的方法和装置 - Google Patents

用于检测运转的电机中的绝缘状态劣化的方法和装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于在线检测电机（2）的绝缘状态劣化的方法和装置（1）。借助于转换器（41）向电机（2）的绕组（3）施加阶梯电压，并借助于至少一个传感器（6，7，8）获取以这种方式感应出的电流（i）和/或该电流（i）的时间导数（di/dt）作为测量信号，然后以比稳定特征频率高的频率对该测量信号进行过采样。然后针对该稳定过程的参数对通过所述过采样获得的信号进行评估，以便检测绝缘中的任何劣化，所述稳定过程的参数例如是超调量（Ah）和/或自然频率（1/ΔT）和/或衰减常数。

Description

用于检测运转的电机中的绝缘状态劣化的方法和装置
技术领域
本发明涉及一种用于在线检测电机中或电机处的绝缘状态劣化的方法和装置。
背景技术
逆变器控制的电机越来越多地应用在非常广阔的领域范围。具体地说，这种驱动系统不仅用作工业中的标准，而且用在牵引系统中，特别用在安全关键系统中。在这方面，针对这些系统的条件对这些系统进行预防性监测并维持这些条件变得越来越重要。这种电机反复发生故障的一个主要原因是由于绝缘劣化，特别是由于定子绕组上的绝缘劣化。研究表明，全部故障中的大约30％到40％的故障与定子相关，在这些与定子相关的故障中，又有大约70％的故障由于绕组绝缘或到地绝缘中发生劣化或故障引起的。
当利用逆变器进行操作时，定子绕组的绝缘受到特别高的应力。在这方面，重要的是热应力、电应力、机械应力和环境应力。随着时间的推移，这些应力导致绝缘劣化，并且会导致电机本身或具有该电机的整个驱动系统发生严重故障。
然而，绝缘状态劣化不仅会发生在绕组内，而且还会发生在电源导体或电气布线处。这里，绝缘劣化或缺陷也是电机发生故障的原因。因此，在这里，绝缘状态变化也应该被尽可能快地检测到。
在现有技术中，已经提出了用于检测绝缘缺陷的各种在线和离线方法，例如在Grubic S.等人的文章“A survey on Testing and Monitoring Methods forStator Insulation Systems of Low-Voltage Induction Machines Focusing on TurnInsulation Problems”(IEEE Transactions on Industrial Electronics,第55卷第12期，第4127－4136页,2008)中公开了对各种技术的调查和评估。具体位于线圈的各个绕组之间的绝缘劣化的检测被主要描述为“可使用离线测试”，用于这种类型电机的在线测试的示例是所谓的PD方法(PD－部分放电)，其缺点在于，其应用必须附加的昂贵设备。然而，从该文献获得的主要结论是如下事实：诸如特别是所谓的浪涌测试之类的离线方法是极其有效的。这种离线测试的缺点是这些检查或测试不能连续地进行，而是只能以相对长的时间间隔进行。然而，重要的是提供一种大致连续的监测，即在线监测，来检测绝缘状态中的任何劣化。
从Grubic S.等人的“A New Concept for Online Surge Testing forthe detection of Winding Insulation Deterioration”(Energy ConversionCongress and Exposition(ECCE),第2747-2754页,2010)已知一种关于绕组绝缘劣化检测的在线测试的概念。在该技术中，提出了电压供应电路(供电电路)中的电气元件特别是感应器的不同形式的断开和连接，并且例如还将马达与电源隔离。在这种情况下，也必须向马达供应电压水平增加的多个脉冲。该技术相对复杂并且耗时。
JP 2010-268645 A描述了一种用于测试AC马达的绝缘特别是机动车辆AC马达的绝缘的技术。具体地说，这里检测电机绕组相对于电机壳体即地的绝缘状态，其中始终检测中性点(零点)的电流，在这种情况下，还可以评价由于激励而引起的该零点电流的瞬态。利用在每种情况下都必需的单独附加传感器来测量逆变器和电机之间的总电流或测量电机壳体和地之间的电流或测量逆变器壳体和地之间的电流来检测所需的参数。只有通过比较来自至少两个马达的测量结果才可能检测绝缘劣化。
从US 6,483,319 B1已知一种用于进行宽带阻抗响应测试来检测定子绕组的任何迫近故障的方法。该阻抗响应可以通过向定子绕组施加离散频率而获得，不过导致低分辨率。
在WO 03/087855 A1中描述了马达控制器中的电流的测量，其中为了降低信噪比，还公开了在测量信号中提供过采样。在该文献中没有解决绝缘状态的调查。
RU 2208236 C2描述了在电机绕组绝缘诊断情况下的陡峭电压波的电压信号的评估，该评估需要在马达的端子处另外安装电压仪器。
这里还要提到的是更老的之前没有公开的EP申请10450114.3或其对应的PCT申请WO/EP2010/061502(另参见P.Nussbaumer等人的“SaliencyTracking Based Sensorless Control of AC Machines Exploiting InverterSwitching Transients",Proceedings of IEEE Symposium on Sensorless Controlfor Electrical Drives,SLED,2010,第238-242页)，其中，与本发明的绝缘监测问题的情况不同，公开了使用电流的瞬态时间导数发现AC电流电机中的不对称，该瞬态时间导数是由于向电机绕组施加电压阶跃而产生的。在这种情况下，利用相对高的采样频率对电流时间导数的瞬态特征进行采样，以便获得相对于短观察窗口最有意义的时间电流变化的数字值。然而，通过该方法无法发现产生的绝缘缺陷。
发明内容
因而，本发明的目的是分别提出一种用于在线检测电机中或电机处的绝缘状态劣化的方法和装置，通过所述方法和装置，能够对电机内的绝缘状态劣化进行可靠的在线检测，此外其中应该能够将设计和结构复杂性保持得尽可能低。
本发明基于如下事实：通过电阻器、电感器和电容器的复杂网络来表示具有逆变器和感应式电机的驱动系统的构建。这样，逆变器的布局和设计例如对其联接至地的寄生电容施加影响。电机的绝缘影响相与地、相与相和绕组与绕组的寄生电容(一般绕组绝缘或各个绕组彼此的绝缘，即所谓的“线匝间绝缘”)。当将逆变器连接至电机绕组时施加的电压脉冲的极短上升时间导致反射并因而导致高频振荡，不仅在施加电压时是这样，而且同样在相应绕组中感应的电流中也是这样。如果上述复杂网络中的一个元件特别是由于线匝之间绝缘劣化而随后变化，则整个系统将变得“失谐”，在这种情况下，在上述电流的高频、瞬态振荡中产生变化。
另一方面，值得注意的是，大多数现代驱动系统都已经在电源电路中包括电流传感器或检测电流的时间导数的传感器，其中这些传感器也能够被用在本发明的在线检测绝缘状态劣化的技术中。
为了实现给定目的，本发明提供了一种一种用于在线检测电机的绝缘状态劣化的方法，其中通过逆变器向所述电机的绕组施加阶梯电压，并且通过至少一个传感器作为测量信号来检测所发生的电流和/或该电流的时间导数，然后以比瞬态振荡的特征频率高的频率对该电流和/或该电流的时间导数进行过采样，之后针对瞬态过程的特征参数对通过所述过采样获得的信号进行分析，以便检测可能的绝缘劣化。
有利地，所述特征参数是超调量和/或自然频率和/或衰减常数。
有利地，将从所述分析获得的特征参数与在正确发挥功能的电机上的先前测量程序中获得的对应特征参数进行比较。
有利地，将所获得的特征参数与预定阈值进行比较，如果该预定阈值被超过则将导致判定发生错误状况。
有利地，通过计算所述测量信号的被连续过采样的极值之间的时间间隔来确定所述自然频率。
有利地，将所述超调量确定为稳态条件下的值与信号中的可能的第一极值之间的差。
有利地，为了检测实际的绝缘缺陷，使用所述信号的稳态条件(y∞)作为特征参数。
有利地，在检测感应电流的时间导数的情况下，将所述稳态条件下的信号的值确定为施加恒定电压时的最后测量值。
有利地，在直接检测稳态条件下的感应电流的情况下，通过所述信号中的两个分开的样本以及由它们限定的斜率来确定所述信号的值(y∞)。
有利地，基于施加阶梯电压来进行多个测量，并且对所获得的结果进行统计学评估。
本发明还提供了一种用于在线检测电机中的绝缘状态劣化的装置，其中具有逆变器和至少一个传感器的电源电路通过连接至所述电机的电流供给导体而与所述电机相关联，在施加阶梯电压时，所述传感器检测在所述电机的至少一个绕组中感应出的作为测量信号的电流或该电流的时间导数，其中所述传感器连接至过采样装置，该过采样装置用于以比瞬态过程高的频率对所述测量信号进行过采样，并且所获得的样本被供给到计算单元，该计算单元用于确定施加所述阶梯电压时所述瞬态过程的特征参数，以便检测可能的绝缘劣化。
有利地，所述特征参数是超调量和/或自然频率和/或衰减常数。
有利地，该装置还包括至少一个比较器单元，该至少一个比较器单元用于将所获得的特征参数与所述电机正常发挥功能时所存储的对应特征参数相比较，并且/或者与预先指定的阈值相比较。
有利地，所述比较器单元连接至评估单元，该评估单元用于检测和识别劣化以及检测和识别绝缘缺陷。
有利地，该装置还包括位于所述过采样装置和所述计算单元之间的窗口电路，其中所述窗口电路具有连接至控制所述逆变器的控制单元的控制输入并指定以来自所述控制单元的控制信号开始的预定观察窗口，其中所述样本被供给至进一步处理阶段。
有利地，所述计算单元利用现场可编程门阵列即FPGA实现。
有利地，所述计算单元包括数字信号处理器即DSP。更详细地说，本发明首先提供了一种用于在线检测电机的绝缘状态劣化的方法，其中通过逆变器向所述电机的绕组施加阶梯电压，并且通过至少一个传感器作为测量信号来检测所发生的电流和/或该电流的时间导数，然后以与瞬态振荡的特征频率相比相对较高的频率对该电流和/或该电流的时间导数进行过采样，之后针对瞬态过程的特征参数对通过所述过采样获得的信号进行分析，以便检测可能的绝缘劣化，所述特征参数例如是超调量和/或自然频率和/或衰减常数。
以相同的方式，本发明提供了一种用于在线检测电机中的绝缘状态劣化的装置，其中具有逆变器和至少一个传感器的电源电路通过到达所述电机的电流导体被分配至所述电机，在施加阶梯电压时，所述传感器检测在所述电机的至少一个绕组中感应出的作为测量信号的电流或该电流的时间导数，其中所述传感器连接至过采样装置，该过采样装置用于以相对于瞬态过程比较高的频率对所述测量信号进行过采样，并且所获得的样本被供给到计算单元，该计算单元用于确定施加所述阶梯电压时所述瞬态过程的特征参数，以便检测可能的绝缘劣化，所述特征参数例如是超调量和/或自然频率和/或衰减常数。
因此，所提出的用于绝缘缺陷检测或绝缘劣化检测的技术利用对所施加的阶梯电压的“阶跃电流响应”(诸如自然频率或衰减速率、超调量)中的变化，而且对于实际缺陷检测来说利用由于(初始)缺陷引起的上述复杂系统的元件中的变化之后静止状态(稳定状态)下的值，以便进行绝缘监测。对逆变器切换操作的阶跃响应利用电流传感器或者另选地利用电流导数传感器优选地利用电机的电源电路中已经存在的传感器来检测。在这种情况下，有利的是，在本发明的技术中，对相电流进行评估，从而能够避免另外的传感器。另外，可以采用不同的逆变器切换操作，并检测对这些阶梯电压变化的系统响应，通过相对较高的采样频率(在若干MHz(或Ms/s-兆样本每秒)的范围内)的情况下，其中能够检测到高频电流瞬态的特征参数的变化。所使用的特别优选的传感器类型是所谓的罗果夫斯基类型的传感器，通过这种类型的传感器能够检测电流的时间导数。这些罗果夫斯基传感器也可以被称为CDI传感器(CDI-电流导数检查器)。在先前执行的测试中，证明40MHz的采样速率是有利的，而感应电流振荡的振荡频率例如大约100或200kHz。
本发明的技术的有利之处还在于如下事实：除了绕组和地之间的绝缘之外，相与相之间的绝缘以及各相的线匝之间的绝缘也可以被检测。逆变器(转换器)和马达之间的阻抗差在对应相电流信号中检测，该阻抗差导致陡峭电压波形在绕组的各个线匝处发生反射。此外，在这种情况下，还有利的是，在仅仅一个电机的情况下也可以进行绝缘劣化测试，其中通过比较马达的各相电流的特征参数，能够以绝缘特征的非对称形式检测相的绕组绝缘的劣化。
所描述的高频过采样可以使用例如高频采样A/D转换器(以下也简称为“ADC”)来实现，除了低成本电流传感器或电流导数传感器之外，还可以使该高频过采样A/D转换器。
对于(实际)数据处理，可以使用传统的低成本逻辑电路或计算源，从而实现本发明所需的费用非常低并节约成本。
然而，如果存在隔离弱化、绝缘性能、电阻或电感等的变化，则一旦出现绕组绝缘缺陷，第一次可以方便地进行连续可靠的绕组绝缘缺陷检测。如上所述，线匝间绝缘在这里极其重要，线匝之间的短路被认为是极其重要的缺陷，在大型电机中，这种缺陷特别需要立即响应，以便防止绕组和层叠芯子被完全毁坏。该问题情形能够利用本发明来解决，并且无需之前相当大的附加努力(诸如电机和逆变器的特殊布线)，无需之前需要的高精度电流传感器，特别是无需典型的对操作进行的中断。
在本发明的技术中采用的瞬态过程的特征参数具体为超调量或振荡的自然频率，并且作为自然频率的替换或对自然频率的补充，还可以使用瞬态振荡的衰减常数。通过这些特征参数，可以立即且可靠地检测绝缘中的初始缺陷。
对此，为了可靠地进行检测，已经证明，如果将通过所述分析获得的特征参数与利用正确发挥功能的电机在先前的测量程序中获得的对应特征参数进行比较，则是相当有利的。这种比较可以容易地进行，因此，如果被比较参数不同的话，则可以产生变化系统响应的直接表示。
为了进行简单的在线检测，另外地或替代地，如果将所获得的特征参数与预定阈值进行比较，则也是有利的，如果该预定阈值被超过则将导致判定发生错误状况。用于每个单独电机的预定阈值可以基于简单的计算或测试来预先确定，其中在这些阈值被超过时才判定发生缺陷条件或初始缺陷。这意味着位于容差极限内的特征参数的平均偏差将作为用于产生缺陷的多余指标而被消除。例如，也可以将运转产生的热引起的特征参数的变化考虑进去。
自然(特征)频率可以通过确定待测量信号的连续极值之间的时间间隔来非常简单地获得。以类似的方式，可以容易地将超调量确定为稳态下的值与(过采样)信号中的(第一)极值之间的差。
通过本发明的技术，也能够检测到已经存在的缺陷，也就是说，不仅仅是初始的绝缘缺陷，其中如果为了检测实际的绝缘缺陷，使用所述信号的静止(稳态)条件作为特征参数，则也是有利的。对于简单错误检测来说，在检测感应电流的时间导数的情况下，如果将所述稳态条件下的信号的值确定为施加恒定电压时的最后测量值，则也是有利的。另一方面，为此，如果在直接检测感应电流的情况下，通过所述信号中的两个不同的样本以及由它们限定的斜率来确定所述稳态条件下的信号的值，则也是有利的。
本发明的方法的有利实施方式的特征因而在于，通过施加阶梯电压进行多个测量过程，并且对所获得结果进行统计学评估。这可以获得关于(初始)缺陷检测的更多特征信息，同时还提高了检测的可靠性。
就本发明的装置来说，类似地，其特征在于通过至少一个比较器单元以特别方式进行简单识别，该至少一个比较器单元用于将所获得的特征参数与所述电机正常发挥功能时的对应存储的特征参数相比较，并且/或者与预定阈值进行比较。有利地，一评估单元连接至该比较器单元，该评估单元用于检测或识别绝缘劣化以及合适的话检测或识别绝缘缺陷。
为了提供在启动瞬态现象时涉及的实质过程上执行的在线测试的时间限制，有利地在所述过采样装置和所述(实际)计算单元之间设置窗口电路，其中所述窗口电路具有连接至控制所述逆变器的控制单元的控制输入并指定以来自所述控制单元的控制信号开始的观察窗口，其中所述样本被供给至进一步处理阶段。
如已经说明的，在当前情况下，所述计算单元可以利用简单的低成本元件实现，其中利用FPGA元件(场可编程门阵列)的实施方式是特别有利的。必要时，可以另选地或附加地设置数字信号处理器(DSP)来执行所述计算的至少一部分。
附图说明
下面参照附图基于特别优选的示例性实施方式进一步描述本发明，本发明并不限于所述示例性实施方式。附图为：
图1是以框图形式的根据本发明的装置的实施方式的示意图；
图1A是一个更具体的略微修改的实施方式中的这种装置的检测器电路或计算单元的部分；
图2是诸如利用罗果夫斯基传感器(CDI传感器)获得的测量信号的示意图，该示意图以任意单位(“a.u.”)示出了感应电流的时间导数di/dt；
图2A是以时间比例放大的形式示出了一部分来自图2的di/dt信号，以通过高过采样频率相对于瞬态过程的频率的实际比率图示用于该信号的高频采样点；
图3是类似于图2的信号，即感应电流的时间导数，其中绘出了特征参数，即作为自然振荡频率的倒数的ΔT、超调量Δh和稳态值Y∞；
图4示意性示出了如利用简单电流传感器获得的随着时间的可比较信号，其中还示出了Δh和Δh；
图5示意性示出了感应式电机的三个绕组的布置，其中两个干扰电容(缺陷电容)CF、CF’位于相绕组的第一抽头点和地之间以及三相绕组U、V、W的中性点和地之间；
图6示出了在缺陷电容CF位于第一抽头点和地之间的这种测试布置中获得的电流导数响应，其中示出了参考曲线和存在缺陷电容时产生的测量信号曲线二者，该图示相当于电机从非活动状态切换到活动状态；
图7示出了在存在缺陷电容CF时首先作为参考信号其次作为“缺陷”测量信号的类似于图6的对应di/dt信号，但是这次是在通过逆变器从具有正值的一个活动状态变化到具有负值的另一个活动状态进行的切换过程中；
图8是类似于图6的图，其中现在除了参考信号之外还示出了存在缺陷电容CF以及存在缺陷电容CF’时的测量信号；以及
图9A和9B是示出了测量电路瞬态过程的统计信号特征参数即超调量(图9A)和自然频率(图9B)的示意图，其中在每种情况下均示出了三个曲线：参考曲线、用于缺陷电容CF的曲线(虚线)以及另外用于缺陷电容CF’的曲线(点线)，其中给出了240个测量结果的统计分析。
具体实施方式
图1示出了用于在线检测电机中的绝缘状态劣化的根据本发明的装置的优选实施方式的示意图，该优选实施方式特别适合于执行本发明的方法。
图1中所示的装置1用来在线监测电机(感应式电机)2，该电机2可以是单相电机或多相电机，其中，尽管在图1中针对电机2仅示意性地示出了单个绕组3，但在图1中，采取例如三个相。该电机2具有分配给该电机2的电源电路或供电电路4，该电源电路或供电电路4具有与三个相对应的三个电流供应线路4A、4B和4C。该电源电路4还包括逆变器4’，该逆变器4’为电机2提供对应的电压信号。另外，图示出了与逆变器4’相关联的DC端子电容5。
在各个相导体4A、4B和4C中布置有对应的传感器6、7、8。在当前情况下，对于本发明的技术来说，这些传感器6、7、8用来检测各个相4A、4B、4C中的电流i或电流的时间导数di/dt。电流导数传感器例如可以是本身公知的还被称为CDI传感器的罗果夫斯基传感器。另一方面，电流传感器也是已知的，这里也不需要进一步说明。
传感器6、7、8的输出信号被作为测量信号供应至过采样装置12，该过采样装置12利用A/D转换器(ADC)9、10、11实现，每个A/D转换器9、10、11用于一个相4A、4B、4C。采样速率足够高，以确保在切换过渡期间精确确定瞬态响应过程中的测量信号。如上所述，所用的采样频率可以是几十MHz，例如40Mhz，但是对于一些应用来说，仅仅若干Mhz，例如最大10MHz，可能就足够。
ADC 9、10、11的输出信号然后被供应至窗口电路13、14、15，该窗口电路是处理单元16的一部分，并指定观察窗口，即对测量信号进行采样之后用于分析测量信号的时间间隔。为此，窗口电路13、14、15被连接至用于逆变器4’的控制单元17，其中该控制单元17例如是脉冲宽度调制(PWM)控制单元，并以本身公知的方式向逆变器4’输出对应的切换命令。基于这些切换或控制信号，相应的观察窗口即相关的观察周期然后被固定在窗口电路13、14、15中，并且在到达相应的窗口的末端时，终止评估，即终止从ADC 9、10和11向实际的计算机元件18、19、20供应样本。
在这些计算元件18、19、20中，即通常在实际的计算单元16中，计算涉及信号的瞬态过程的特征参数，即这里具体所说的电流信号或表示电流的时间导数di/dt的信号，诸如具体地超调量和自然频率或衰减常数。此外，这里也可以确定静止时的信号的值，即稳态条件下的信号的值。
所获得的特征值然后被供应至比较器单元21，在该比较器单元21中进行与对应的特征参数的比较，后者(即对应的特征参数)先前已经在对正确发挥功能的电机2进行的测量中获得。
之后，在另一个比较器单元22中，将所识别的特征参数与预定阈值进行比较，该预定阈值例如可以借助于电机控制器23供给或预先存储在存储器(未示出)中。电机控制器23也可以连接至首先提到的比较器单元21。
在已经进行比较之后，在评估单元24中，对信号进行最后分析，即具体使用先前的比较结果进行(初始)缺陷的检测及其识别。
在第一比较器单元21中，在与在正常状态下获得的电机2的参数进行比较的过程中，消除了依赖于运转点的变化或相的不对称。然而，存储相位信号与正常状态的任何其他偏差，并在比较器单元22中对这些偏差进行阈值比较。如果那里的信号参数即特征参数高于阈值，则在控制单元24中接收关于缺陷检测和识别的对应消息，并且将该对象消息供应至例如电机控制器23以启动适当措施，诸如紧急操作或系统异常中断。
电机控制器23另外在附图标记25处被供给用于待控制过程的参考值。
图1A以简化布置即用于单个相的布置示出了用于过采样和信号处理(包括上述的比较和信号分析)的一系列单元。具体地说，这里示出了A/D转换器，诸如ADC 9(视情况，还有ADC 10和11)，所述AD转换器通过缓冲存储器26连接至采取场可编程门阵列(FPGA)27形式的逻辑模块。该缓冲存储器26的目的是对由ADC 9以高数据速率输出的输出数据进行缓冲，这是因为FPGA模块27一般无法直接处理这么大的数据量。
图1A中还以虚线示出了数字信号处理器(DSP)28也能够被连接以进行各种计算和评估，只要这些无法由FPGA模块27本身执行。
如上所述，通过采用不同的逆变器切换操作并通过测量对这些陡峭的、阶梯电压变化的系统响应，当利用几个MHz的频率以高采样速率进行采样时，则在高频电流瞬态的特征参数中检测到变化。
图2示出了通过罗果夫斯基传感器30获得的采用任意幅度单位(a.u.)的di/dt测量信号的示例。如这里所能够看到的，系统通过来自逆变器4’(参见图1)的正电压脉冲而被从非活动状态(初始值为0)中触发，在相应的绕组(例如，根据图1的绕组3)中感应的电流i或该电流i的时间导数di/dt然后显示了短期瞬态效应，之后到达稳定状态，即静止条件(例如在根据图2的正大于1的值处)。
如上所述，根据图2的测量信号30是通过作为传感器6(或7或8)的罗果夫斯基传感器利用过采样(在这种情况下，例如40MHz的采样速率)获得的。
图2A中示意性地图示了该过采样，其中具体地在图2A中以放大的时间比例(与图2相比)图示出了第一正超调量31，并且其中由点31’图示各个采样点。如能够看到的，该采样速率或频率显著高于瞬态过程的频率，诸如由图2中所示的正超调量31和负超调量32实质限定的频率。由这些超调量31、32限定的自然频率大小例如可以为大约200kHz，而如上所述，在所执行的测试中，采样频率为40MHz。
当电机2停止时以及在电机启动过程中都可以进行该测量，但是如果在电机2的PWM控制的历程中，当施加每个单独电压脉冲时对于绕组电流i或其时间导数di/dt来说产生了各个短瞬态31、32，则也可以在电机的运转过程中进行该测量。
在图3中，示出了随着时间t的用于di/dt的对应测量信号30，其中通过施加正电压阶跃将电机从任意起始值(例如0值)开启，并且其中产生超调量，该超调量超过将要达到的稳态条件y∞。第一超调量(超调量31)表示为△h。
在超调量进入负范围(超调量32)内之后，在附图标记33处再次产生进入正范围的轻微超调量，从而导致产生作为自然频率的倒数值的周期△T。在所示的示例中，△T为大约3.5μs，这表明自然频率为286kHz。
因而，从使用罗果夫斯基传感器在采样(参见图2A)即在计算部件18、19、20中确定之后获得的图3中所示的随着时间t的信号波形di/dt能够以简单方式检测该自然频率。
对于超调量△h同样如此，该△h作为瞬态振荡期间的第一幅度与(最终)稳态条件y∞之间的值。
最后，除了对于未损坏电机2来说该稳态条件y∞即最终获得的稳态值y∞是已知的以外，也可以针对相应施加的阶梯电压从头测量该稳态条件，否则，只要采取短测量时间，可以通过对测量信号平均化获得该稳态值。
在进行各个分析过程的详细介绍之前，将参照图4，图4作为测量信号30’的一个另选示例，其中由传感器6、7、8检测到的实际电流i在时间段t上示出。还图示了作为用于瞬态过程的自然频率的倒数的周期△T以及超调量△h。这里，幅值被再次给予任意单位(“a.u.”)。在图4中，与测量信号30’一起，以虚线示出了平均直线，其正梯度、时间导数图示稳态条件。
在下文中，在参考图5及其后附图讨论具体测试结果之前，将简要地讨论如何计算特征参数，诸如自然频率、超调量和稳态条件。
可以采用不同的已知算法来计算瞬态系统响应的自然频率(1/△T)，诸如在电流信号i(t)中或电流的时间导数di/dt的信号中给出的。具体地对于实时计算来说，简单且特别有效的方式是确定瞬态过程的极值，所述极值可以在测量信号30或30’中识别出。如上所述，这可以以本身公知的方式(例如利用快速健壮的算法)来执行，并导致直接计算自然频率。
另一个略微更静雅更精确的计算方法是可以通过施加快速傅立叶变换(FFT－快速傅立叶变换法)来计算固有频率。
这里，精确选择用于相应窗口函数的参数也十分重要。有利的是将观察窗口一直指定至稳态条件的值，但是它也可以更短，从而使得待处理的数据较少。例如，可以将该窗口选择为正好略微大于△T。
在图3和图4中，如上所述，自然频率(f0)的倒数被表示为用于两个传感器(图3中的CDI传感器和图4中的绝对值电流传感器)的△T。
可以使用与被用来通过使用快速简单算法确定电流的瞬态波形的极值或该电流的时间导数di/dt来计算自然频率f0＝1/△T的方法相同的方法计算信号的超调量值。如果考虑图3的信号波形(电流的时间导数di/dt)，则第一极值与稳态条件之间的差代表第一超调量31。在图3中，用于第一正超调量的值被标以△h(在使用CDI传感器的情况下)。如果使用标准传感器(所述标准传感器测量随着时间的绝对电流，参见图4)，则瞬态信号波形的衰减遵循近乎笔直轨迹。因此，在这里考虑的几个微秒的相关时间段中施加电压阶跃过程中没有到达稳态信号条件。在活动切换期间，在该时间窗口中，电流在该时间段内连续增加，参见信号34，只有电流的时间导数达到稳态值。在切换状态改变之前在电流信号中切换瞬态过程期间相对于最后电流值的最大值可以被认为是第一正超调量△h(图4)。
如果足够长地(即足以达到电流的时间导数的稳态条件)施加电压阶跃，则当然能够容易地确定信号的稳态条件的值y∞。在用于电流的时间导数的传感器(罗果夫斯基传感器)的情况下，当施加恒定电压水平时，该稳态条件的值为最终测量值。这也可以直接地实现，而无需高频A/D转换器。如果通过在多个这种最终读数上进行平均化而检测该稳态条件的值，则可以增加信号精度。
如果使用直接测量电流的传感器，则所感兴趣的值为电流曲线的斜率的稳态条件，参见图4中的曲线段34。这里，可以将该计算进行成这样，即获得至少两个电流值，且这两个值之间的时间差足够大以使得能够精确确定电流的时间导数，即图4中的直线34的斜率。
对A/D转换器9、10、11进行过采样的另一个优点是可采用平均化技术，因而可增加检测的精度。
在绝缘劣化的情况下，稳态条件下的值与无损坏电机的值相比不会改变。然而，一旦发生线匝短路，即一旦发生从线匝到线匝的短路，则测量表明该稳态条件的值发生重大变化，即使只有单相中的一个线匝短路也是如此。
因而，稳态条件的值y∞的计算特别适合于计算绝缘中已经存在的缺陷。
已经在5.5KW的鼠笼转子感应电机上进行实际测试，其中可以接近电机的三个线匝的不同线匝的抽头点。通过将这些抽头点连接至电机的对应端子，可以将可变数量的线匝短路，以模拟定子中的线匝间绝缘缺陷，这种缺陷并不足以毁坏电机。现在，如果不是直接连接，而是将附加的电容，即缺陷电容CF插入在对应的端子之间，则模拟从线匝到线匝的劣化绝缘。这种方案在图5中示意性地示出，其中示出了与相U、V、W对应的三个绕组35、36、37。以虚线示出了各个相之间的电容Cph－ph和各个相与地之间的电容Cph－gnd。另外，以点线示意性示出了电容Ct－t，该电容作为两个接连的线匝之间的正常电容。
另外，现在示出了两个缺陷电容CF、CF’，首先是位于绕组35的第一抽头38与相接线U之间的缺陷电容CF，其次是中性点39与相接线U之间的缺陷电容CF’。与线匝电容(例如Ct－t)并联的附加电容CF或CF’由于线匝绝缘而增加了(缺陷)电容。在绝缘的介电特性发生劣化的情况下能够检测到电容的对应增加。在测试过程中，为了获得对感应电机的绝缘系统的特性的更详细的识别，将相与相电容Cph－ph限定为500pF，而将相与地电容Cph－gnd限定为1nF。
在测试时，通过16位A/D转换器以40Mhz的频率进行过采样。与FPGA元件27的通信借助于数据缓冲器26(图1)进行。
在初始测试时，参见图5，缺陷电容CF被插入在U绕组35的第一抽头38和相接线之间。
图6以曲线41示出了这样获得的信号波形，该信号波形是利用用于电流的时间导数di/dt的罗果夫斯基传感器测量的，其中还图示出了用于未损坏电机的信号波形的参考曲线40。如能够看到的，对于两个曲线40(参考)和41(具有缺陷电容CF)获得两个不同的信号波形。该缺陷电容例如为CF＝66nF。
如所期望的，从图6的信号波形还可以辨别出无法基于稳态条件下的测量信号值来检测线匝电容中的变化，这是因为这两个信号波形在稳态条件下产生相同的值。然而，从图6可以辨别出在超调量和自然频率方面的清晰差别。该差别仅在活动切换状态的电压矢量沿着“劣化”相U的相轴指向时才能辨别出(在该示例中)。最后要提到的一点是，如已经证明的那样，切换瞬态过程仅表现出非常小的统计变化。在当前图中示出的每个信号波形都相当于基于240个测量结果获得的平均值。
出于比较之目的，图7示出了用于其中切换过程通过使逆变器4’从正范围中的活动状态进入负范围中的活动状态(例如从大约+1到大约－2)来发生的情况的信号波形，即参考信号40’和测量波形41’。通过对比，图6图示出了在逆变器’从非活动状态0到活动状态(稳态值为大约+1)的切换过程期间的信号40、41的波形。
另外，在图7的情况下，CF＝66nF的缺陷电容连接在线圈35的第一抽头38和相接线U之间。这里还可清晰辨别出的首先是与参考信号40’相比的波形41’的(首先为正然后为负)的超调量，其次是在时间间隔△T的偏移方面的自然频率的变化。
在另一个测试中，进行了可比较测量，其中一方面缺陷电容CF插入在绕组的中间的抽头与U相之间(50％短路)或中性点39和相接线之间(缺陷电容CF’,相当于100％短路)，其中在这种情况下，所述缺陷电容为1nF。根据图8中的对应信号波形(也是利用罗果夫斯基传感器(di/dt)测量的，并且是在以40MHz进行过采样之后获得的)，可以清楚地识别出参考信号50与信号51(在50％短路(缺陷电容CF)的情况下)之间的差别以及参考信号50与信号52(在100％短路(缺陷电容CF’)的情况下)之间的差别。这里还可以辨别出的是，通过检测变化，可以在瞬态衰减的第一周期之后近似示出的波形中识别出自然频率。
为了检查所检测到的切换瞬态过程的可靠性，对传感器信号的统计学特性进行调查。如上所述，在每个配置中，都分别对电机或线圈进行240次测量，并且对结果和/或信号参数进行比较。
与图8中的信号波形对应，图9a(关于超调量距离)和图9B(关于频率或自然频率)示意性地示出了之前所述的如从切换瞬态过程获得的一样的信号特性的归一化概率密度。对于参考来说(超调量50A)，超调量距离(图3中的△h)被示出为位于大约4.3处，用于信号51的第一超调量51A在图9A中被示出为位于略超过5的超调量距离处，而信号52中的第一超调量52A在图9A中被示出为位于近似5.8的超调量距离处。
就自然频率来说，在图9B中示出了对应的频率值50B、51B、52B，在参考曲线50的情况下，对于该自然频率来说所述频率值为大约0.27MHz，对于以50％短路的信号曲线51来说大约为0.38MHz，而对于图8中所示的100％短路的信号52来说，近似为0.33MHz(52B)。
在这些测试中没有使用复杂算法，而是使用纯数学方法来确定所使用的特征参数，即超调量和自然频率。如从图9A和9B可辨别出的，所确定的特征参数具有较低变化，这使得即使线匝电容中发生最小的变化，也能够可靠快速地检测。
如之前所述，为了在在线运转时连续监测绕组的状态，有利的是例如在试运转阶段测试未损坏电机2(正确发挥功能的电机)的信号的特征参数。然后重要的是确保不引入任何电阻、电感或电容值的变化(诸如由导线布局引起的那些变化)。
除了自然频率之外或代替自然频率，还可以作为测量的一部分来作为特征参数确定瞬态自然振荡的衰减常数。进行这种测量的一个方法例如是使用简单的指数函数从每个超调量和下冲量的大小和时间来逼近瞬态振荡的衰退行为。

Claims (17)

1.一种用于在线检测电机(2)的绝缘状态劣化的方法，其中通过逆变器(4’)向所述电机(2)的绕组(3)施加阶梯电压，并且通过至少一个传感器(6，7，8)作为测量信号来检测所发生的电流(i)和/或该电流(i)的时间导数(di/dt)，然后以比瞬态振荡的特征频率高的频率对该电流(i)和/或该电流(i)的时间导数进行过采样，之后针对瞬态过程的特征参数对通过所述过采样获得的信号进行分析，以便检测可能的绝缘劣化。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述特征参数是超调量(Δh)和/或自然频率(1/ΔT)和/或衰减常数。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，将从所述分析获得的特征参数与在正确发挥功能的电机上的先前测量程序中获得的对应特征参数进行比较。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，将所获得的特征参数与预定阈值进行比较，如果该预定阈值被超过则将导致判定发生错误状况。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，通过计算所述测量信号的被连续过采样的极值之间的时间间隔来确定所述自然频率(1/ΔT)。
6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，将所述超调量(Δh)确定为稳态条件下的值与信号中的可能的第一极值之间的差。
7.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，为了检测实际的绝缘缺陷，使用所述信号的稳态条件(y∞)作为特征参数。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，在检测感应电流的时间导数的情况下，将所述稳态条件下的信号的值(y∞)确定为施加恒定电压时的最后测量值。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，在直接检测稳态条件下的感应电流的情况下，通过所述信号中的两个分开的样本以及由它们限定的斜率来确定所述信号的值(y∞)。
10.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，基于施加阶梯电压来进行多个测量，并且对所获得的结果进行统计学评估。
11.一种用于在线检测电机中的绝缘状态劣化的装置，其中具有逆变器(4’)和至少一个传感器(6，7，8)的电源电路(4)通过连接至所述电机(2)的电流供给导体(4A，4B，4C)而与所述电机(2)相关联，在施加阶梯电压时，所述传感器(6，7，8)检测在所述电机(2)的至少一个绕组(3)中感应出的作为测量信号的电流(i)或该电流(i)的时间导数(di/dt)，其中所述传感器(6，7，8)连接至过采样装置(12)，该过采样装置(12)用于以比瞬态过程高的频率对所述测量信号进行过采样，并且所获得的样本被供给到计算单元(16)，该计算单元(16)用于确定施加所述阶梯电压时所述瞬态过程的特征参数，以便检测可能的绝缘劣化。
12.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，所述特征参数是超调量(Δh)和/或自然频率(1/ΔT)和/或衰减常数。
13.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，还包括至少一个比较器单元(21，22)，该至少一个比较器单元(21，22)用于将所获得的特征参数与所述电机正常发挥功能时所存储的对应特征参数相比较，并且/或者与预先指定的阈值相比较。
14.根据权利要求13所述的装置，其特征在于，所述比较器单元(21，22)连接至评估单元(24)，该评估单元(24)用于检测和识别劣化以及检测和识别绝缘缺陷。
15.根据权利要求11至13中任一项所述的装置，其特征在于，还包括位于所述过采样装置(12)和所述计算单元(16)之间的窗口电路(13，14，15)，其中所述窗口电路(13，14，15)具有连接至控制所述逆变器的控制单元(17)的控制输入并指定以来自所述控制单元(17)的控制信号开始的预定观察窗口，其中所述样本被供给至进一步处理阶段。
16.根据权利要求11至13中任一项所述的装置，其特征在于，所述计算单元(16)利用现场可编程门阵列即FPGA(27)实现。
17.根据权利要求11至13中任一项所述的装置，其特征在于，所述计算单元(16)包括数字信号处理器即DSP(28)。
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