CN104755947B - 用于基于阻抗分析的机电系统的诊断的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于基于从其中使用电力旋转机械的机电系统的操作期间所测量的至少两个电流和两个电压所估计的阻抗的分析来诊断机电系统的状态的方法。该方法可在电动机和发电机的条件监测中是特别有用的。本发明组合来自在电动机端子可测量的电压和电流信号的信息。具体来说，来自多相电力机器的两相或更多相的电压和电流的测量相结合，以估计机器的阻抗，阻抗是电路在被施加电压时呈现的对电流流动的阻力。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于基于从机电系统(其中使用电力旋转机械)的操作期间所测量的电流和电压所估计的阻抗的分析来诊断机电系统的状态的方法。该方法可在电动机和发电机的条件监测中是特别有用的。
背景技术
进行中的设计改进引起增加可靠性、健壮性以及更重要的电力旋转机械的更大效率。与控制这些机器的方法的改进相联系，这些设计变更引起旋转机械中的电动机和发电机的增加使用。与电力旋转机械的增加相关性同时的是监测电动机和发电机的条件的更深思熟虑方式的开发。通常，这些机器的健康基于所测量温度和振动来评估。
近来，通常从将旋转机器连接到电源的电力电缆所测量的定子绕组电流的分析在公认为用于识别电力机器以及形成轴线的组成部分的其他某些组件的条件的方法方面一直在增长。这些测量定子绕组电流的谱分析(更通常称作电动机电流特征分析(MCSA))表示使用从电力电缆所测量的信号来分析电力旋转机械的健康的广泛采用的方法。电力机器的故障引起负载变化以及转子与定子之间的空气隙的大小的变化。这些变化均用来调制大交流(AC)电源电流，从而使电源频率的边带在电流的频谱中是可见的。特定故障模式可与电流谱中的特定频率相关；因此有可能识别电力机器中的故障的类型和严重性。
存在MCSA的各种优点。除了相当廉价的实现之外，还存在与从将旋转机器直接连接到电源的电力电缆直接测量信号关联的固有优点。首先，电流和电压传感器可被认为是无侵入的，因为旋转机器形成机电系统的组成部分。其次，与换能器相对于故障的位置关联的传输通路影响不太严重。
虽然MCSA表示强大工具，但是并非没有其局限性。这个分析中的通常未公开假设在于，提供给电力机器的相电压是不受机器条件影响的理想化正弦。实际上，机器中生成的电磁力(EMF)可能在有故障与健康机器之间有所不同，并且因此在电动机端子所测量的电压可能包括询问以获得诊断信息的一些动态特征。虽然在全电压直接（direct-on-line）供电机器的情况下电流信号中的动态特征远比电压中的等效特征更易于辨别是成立的，但是通过忽略电压测量也忽略条件监测相关的一些信息也是成立的。这个状况在通过驱动器供电的电力机器的情况下是特别相关的，其中控制器动作能够起作用以将信息从电流信号转移到提供给机器的电压。因此，组合从将旋转机器连接到电源的电力电缆所测量的电流和电压的方法能够确保没有忽略潜在有用的诊断信息。这种方法的示例是对基于测量电流和电压所估计的电磁转矩的分析。但是，估计机器的转矩的方法要求例如定子电阻等机器参数值的准确估计。这类值不一定是易于可用的，并且其准确估计是不平凡的。
所测量电流和电压可以相结合，以得到电力机器的导纳或阻抗，其又可经过分析以识别机器的健康。美国专利描述US2007/0282548A描述一种用于通过对某个时间周期监测电动机的输入处的导纳或阻抗来确定电动机所驱动的机械系统的条件的方法。导纳或阻抗使用电流和电压测量来计算。导纳或阻抗的变化与包括故障的已知条件关联。而美国专利描述US2007/0282548A描述一种得出和分析单电源相的导纳或阻抗的方法，它经常是较大量诊断信息可通过比较多相旋转电力机器的独立相之间的差来得到的情况。这种方式可证明是局限性的示例是诊断三相电力机器的中的静态偏心率（eccentricity）的情况下。在这种状况中，虽然从三相中的两相所测量的电流和电压所估计的阻抗的某些特性将与从健康机器的等效阻抗估计有所不同，但是在第三相中，在健康情况下所估计的阻抗与在静态偏心率的情况下之间的差可以是可忽略的。因此，存在基于仅从电力机器的一相所测量的电流和电压所估计的阻抗的监测方式对某些正形成故障不灵敏的风险，其中具有许多遗漏报警的可能性。
发明内容
如与丢弃在电动机端子可用的信息相反，本发明组合来自在电动机端子可测量的电压和电流信号的信息。具体来说，来自多相电力机器的两相或更多相的电压和电流的测量相结合，以估计机器的阻抗，阻抗是电路在被施加电压时呈现的对电流流动的阻力。本发明具有优于与现有技术已知的阻抗或导纳的分析相关的现有条件监测方法的许多优点。主要通过比较从多相旋转电力机器的每相所估计的阻抗，本发明显著降低遗漏报警的概率。
按照本发明的方法包括下列步骤：
•测量为旋转机器供电的相同相应相的至少两个相电流和两个相电压，
•使用适合将所测量值从时域变换成频域的计算机处理装置来处理所测量值，
•处理电流谱信号I1F、I2F、I3F、…InF，以得到反转电流谱I1F,inv、I2F,inv、I3F,inv、…InF,inv，创建电压谱信号V1F、V2F、V3F、…VnF和电流谱信号I1F、I2F、I3F、…InF，
•处理反转电流谱I1F,inv、I2F,inv、I3F,inv、…InF,inv，以得到旋转机器的阻抗谱信号Y1F、Y2F、Y3F、…YnF，
•从诊断机电系统所需要的阻抗谱信号来提取在感兴趣频率的幅度的向量，
•计算从阻抗谱信号所提取的、在感兴趣频率的幅度之间的差的最大值，
•将从阻抗谱信号所提取的、在感兴趣频率的幅度之间的差的最大值与作为极限而给出的阈值进行比较，
•当超过极限时向用户指示报警。
优选地，在感兴趣频率的幅度的向量是电源频率的三次谐波。
优选地，在感兴趣频率的幅度的向量指示机电系统中的偏心率的存在。
按照本发明的系统包括：用于测量向旋转机器供电的相同相应相的至少两个相电流和两个相电压的部件；用于处理所测量值并且用于创建旋转机器的阻抗谱信号Y1F、Y2F、Y3F、…YnF的部件；用于从阻抗谱信号来提取感兴趣数据的部件；用于向用户指示报警的部件，其特征在于具有用于计算从阻抗谱信号所提取的、在感兴趣频率的幅度之间的差的最大值并且用于将从阻抗谱信号所提取的、在感兴趣频率的幅度之间的差的最大值与作为极限而给出的阈值进行比较的部件。
优选地，机电系统中的旋转机械是电动机或发电机。
一种可加载到计算机测量装置中的计算机程序产品，其特征在于，在程序运行期间，它运行如权利要求1-5所述的方法。
附图说明
本发明的主题在以下附图中作为一实施例来提供。
图1示出本发明的实现的系统的框图。
图2是一相的离散电压信号V1和离散电流信号I1的简图，
图3是一相的电压谱信号V1F和电流谱信号I1F的简图，
图4是反转电流谱I1F,inv、I2F,inv、I3F,inv的简图。
图5是三相的阻抗谱的片段的简图，
图6是来自图5的阻抗谱的片段的放大
图7是在诊断机电系统时执行的操作的流程图。
具体实施方式
用于按照本发明的方法的实现的测量系统连接到交流电源1的三相源，其通过电源电缆2与旋转机器3连接。在本发明的所提供实施例中，交流电源1的源是三相的，但是，虽然图中未示出，但是本领域的技术人员将会理解，所述的本发明也可适用于通过多相电源所供电的旋转机器。
电源电缆2与测量装置4连接，测量装置4包含模数转换器5，其与计算机处理装置6连接，计算机处理装置6包含处理器7、用于计算阻抗并且处理阻抗谱信号的处理模块8、用于分析从阻抗谱信号所接收的数据的分析器模块9以及数据存储模块10，其适合于按照本发明的方法的实现。计算机处理装置6经过测量装置4与装置11耦合，装置11可视化通过运行发明方法所得到的结果。在本发明的所提供实施例中，测量装置4与计算机装置6集成，但是测量装置和计算机装置可以是独立装置，其在图中未示出。在这种情况下，用于可视化结果的装置11与计算机装置6直接或远程连接。
发明方法按照图7所示的下列步骤12-22来实现。
步骤12
参照图1所示的机电网络，在步骤12，测量向定子绕组供电的交流电的模拟电压信号V1、V2、V3、…Vn和相应模拟电流信号I1、I2、I3、…In，其中n是旋转电力机器3的相数，必须大于1。一典型实施例将是测量三相(n=3)的模拟电压信号和相应模拟电流信号。为了清楚起见，下面描述其中考虑n=3相的这个典型实施例，但是本领域的技术人员将会知道，可同样考虑n的其他值。
步骤13
所产生测量模拟电压信号V1、V2、V3中的至少两个以及模拟电流信号I1、I2、I3中的至少两个(其中所测量模拟电流信号I1、I2、I3和所测量模拟电压信号V1、V2、V3属于相同相应相位)在模数转换器5(对其提供恒定参数P1)中转换成离散电压信号V1D、V2D、V3D和相应离散电流信号I1D、I2D、I3D。参数P1表征将模拟信号转换成离散信号的过程，由用户所给出的取样率FS和用户所给出的经过转换的信号长度TL组成。取样率FS定义从模拟电压信号V1、V2、V3和模拟电流信号I1、I2、I3所获取的每秒的样本数量。通常，最小取样率为1 kHz，并且这是缺省设定。信号长度TL定义对模数转换所获取的模拟信号V1、V2、V3和模拟电流信号I1、I2、I3的长度。在发明方法的实施例中，信号长度TL的最小值为1s。
所得离散电压信号V1D、V2D、V3D和离散电流信号I1D、I2D、I3D自动传送给在计算机装置6中实现的处理模块8。
步骤14
在这个步骤，离散电压信号V1D、V2D、V3D和离散电流信号I1D、I2D、I3D通过DFT(离散傅立叶变换)的计算来变换。DFT操作将信号从时域变换为频域中的信号，从而允许执行谱分析；包括用来计算DFT、例如快速傅立叶变换的算法的这种计算的细节是本领域的技术人员众所周知的。所产生的DFT还可使用本领域的技术人员众所周知的方法来转换为相对于DFT中的最大值的对数标度，其通常涉及电源频率。电源频率通常等于全电压供电机器的行频或者与电驱动器供电的机器的速度设置点相关的频率。在变换之后，离散电压信号V1D、V2D、V3D和离散电流信号I1D、I2D、I3D分别形成电压谱信号V1F、V2F、V3F和电流谱信号I1F、I2F、I3F。电压谱信号V1F、V2F、V3F和电流谱信号I1F、I2F、I3F包含电压谱信号V1F、V2F、V3F的情况的频率的相应电压向量V1Ff、V2Ff、V3Ff和值V1Fv、V2Fv、V3Fv以及电流谱信号I1F、I2F、I3F的情况的频率的电流向量I1Ff、I2Ff、I3Ff和值I1Fv、I2Fv、I3Fv，如图3中对于相1的示例所示。
步骤15
在计算阻抗谱信号Y1F、Y2F、Y3F之前，通常需要执行一些将要信号调节，以确保所产生阻抗谱信号Y1F、Y2F、Y3F的可用性。为了降低电源频率(其支配电流谱信号I1F、I2F、I3F)的影响，通常需要应用带通或陷波滤波器，以使用现有技术已知的峰值识别和滤波方法去除电源频率。此外，一旦经过反转，电流谱信号I1F、I2F、I3F的低幅度分量可支配阻抗谱信号Y1F、Y2F、Y3F。为了确保阻抗谱信号Y1F、Y2F、Y3F将包含尽可能多的信息，通常还需要将幅度低于用户预定义的阈值的电流谱信号I1F、I2F、I3F的值设置成等于那个阈值。将阈值作为参数集P2提供给这个步骤。阈值的典型值是电流谱信号I1F、I2F、I3F的最大幅度的1%，并且这是缺省值。在执行将要信号调节动作之后，得到经调节的电流谱信号I1F, con、I2F, con、I3F, con。本领域的技术人员将会知道，附加信号调节是针对使用现有技术已知的方法来改进阻抗谱信号Y1F、Y2F、Y3F中包含的信息的质量的任意步骤，并且在某些条件下，这个附加调节可从发明方法中省略，如图7中通过虚线所示。
步骤16
在这个步骤，计算反转电流谱信号I1F, inv、I2F, inv、I3F, inv。反转电流谱信号I1F, inv、I2F, inv、I3F, inv可使用下式来计算：
图4示出在去除电源频率和电流谱信号I1F、I2F、I3F的低幅度分量之后所得到的反转电流谱信号I1F, inv、I2F, inv、I3F, inv。
步骤17
阻抗谱信号Y1F、Y2F、Y3F包含频率的阻抗向量Y1Ff、Y2Ff、Y3Ff和阻抗幅度值Y1Fv、Y2Fv、Y3Fv。频率的阻抗向量Y1Ff、Y2Ff、Y3Ff与频率的电压向量V1Ff、V2Ff、V3Ff或者频率的电流向量I1Ff、I2Ff、I3Ff是相同的。阻抗幅度值Y1Fv、Y2Fv、Y3Fv使用下式来计算：
其中，I1F,inv、I2F,inv、I3F,inv在步骤16来计算。
阻抗是特定电路被施加电压时具有的电流的相反的量度。在电力机器中，单电源相的阻抗可以是响应系统的动态、特别是空气隙的大小的变化或者转子或定子磁通量的变化而时变的。阻抗谱信号Y1F、Y2F、Y3F指示阻抗的频率含量。步骤17的结果是图5所示的阻抗谱信号Y1F、Y2F、Y3F。
步骤18
一旦计算了三个电源相的阻抗，阻抗谱信号Y1F、Y2F、Y3F在模块9中分析，以便提取与旋转机器的条件相关的信息。通过例如偏心率等故障所引起的机器中的不对称性将引起每相之间的阻抗值的差。因此，故障将引起在某个频率的阻抗谱的总水平的增加以及三相之间的差异。水平的增加用来强调相之间的差。通常，阻抗谱信号Y1F、Y2F、Y3F包含在与电源频率和旋转频率相关的频率的特性分量。在这些特性频率的阻抗幅度值Y1Fv、Y2Fv、Y3Fv涉及特定故障类型的严重性。
在本发明的示范实施例中，检查有故障电动机的偏心率的情况。偏心率不是仅基于电流测量的分析可检测的。图5中，存在阻抗谱信号Y1F、Y2F、Y3F三相的片段。当它缩放(图6)为感兴趣频率时，其中在这种情况下是行频的三次谐波，有可能注意到，在阻抗相幅度之间存在较大差异。本领域的技术人员将会知道，除了偏心率之外的故障可通过识别在除了行频的三次谐波之外的特性频率的阻抗幅度值Y1Fv、Y2Fv、Y3Fv来识别和量化。
这个步骤的结果是在步骤12所选择的每相的感兴趣频率的阻抗幅度A1Y、A2Y、A3Y。
步骤19
在这个步骤，计算在步骤12所选择的每相的感兴趣步骤的阻抗幅度A1Y、A2Y、A3Y的每个之间的差。这通过执行全配对测试或者逐对测试来实现，其中在步骤12所选择的每相的感兴趣频率的阻抗幅度A1Y、A2Y、A3Y中的所有可能的值对通过简单减法来计算。这个操作的结果是在感兴趣频率的阻抗的幅度D1A、D2A、D3A之间的差。
步骤20
在这个步骤，在感兴趣频率的阻抗的相位的幅度D1A、D2A、D3A之间的差的最大值的值。将阈值作为参数集P3提供给这个步骤。典型阈值是阻抗谱的最大值的10%，并且这个值设置为缺省值。本领域的技术人员将会知道，阈值可按照经验证据或者基于机电系统的型号来调谐。
如果在感兴趣频率的阻抗的相位的幅度D1A、D2A、D3A之间的差的最大值大于预定义阈值P3，则可发起报警，并且可使用现有技术已知的技术、例如经由监视器上的简单可视用户界面或者经由SMS文本消息向最终用户指示故障。
在所述实施例中，给出用于使用阻抗谱来诊断偏心率问题的方法，但是应当注意，通过分析在不同感兴趣频率的阻抗，该方法可适用于诊断大范围的缺陷。
步骤21。
在步骤21，在每相的感兴趣频率的阻抗幅度A1Y、A2Y、A3Y和在20所得到的告警经由输出单元使用已知方法自动提供给用户。
步骤22
在步骤22，阻抗幅度A1Y、A2Y、A3Y经由输出单元11使用已知方法自动提供给用户。另外，发明方法可以可选地如图7所示经由将步骤22连接到步骤12的虚线在步骤12重新开始。
Claims (8)
1.一种用于监测其中使用电力旋转机械的机电系统的条件的方法，包括下列步骤：
- 测量为所述电力旋转机械供电的相同相应相的至少两个相电流和两个相电压，
- 使用适合将所述测量的值从时域变换成频域的计算机处理装置来处理所述测量的值，创建电压谱信号V1F、V2F、V3F、…VnF和电流谱信号I1F、I2F、I3F、…InF，
- 处理所述电流谱信号I1F、I2F、I3F、…InF，以得到反转电流谱I1F,inv、I2F,inv、I3F,inv、…InF,inv，
- 处理所述反转电流谱I1F,inv、I2F,inv、I3F,inv、…InF,inv，以得到所述电力旋转机械的阻抗谱信号Y1F、Y2F、Y3F、…YnF，
- 从诊断所述机电系统所需要的所述阻抗谱信号来提取处于感兴趣频率的幅度的向量，
- 计算从所述阻抗谱信号所提取的、处于感兴趣频率的幅度之间的差的最大值，
- 将从所述阻抗谱信号所提取的、所述处于感兴趣频率的幅度之间的差的最大值与作为极限而给出的阈值进行比较，
- 当超过所述极限时向用户指示报警。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述处于感兴趣频率的幅度的向量是用于为所述电力旋转机械供电的电源的频率的三次谐波。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述处于感兴趣频率的幅度的向量指示所述机电系统中的偏心率的存在。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述机电系统中的所述电力旋转机械(3)是电动机或发电机。
5.一种用于监测其中使用电力旋转机械的机电系统的条件的系统，包括：
- 用于测量为所述电力旋转机械供电的相同相应相的至少两个相电流和两个相电压的部件，
- 用于使用适合将所述测量的值从时域变换成频域的计算机处理装置来处理所述测量的值的部件，
用于创建电压谱信号V1F、V2F、V3F、…VnF和电流谱信号I1F、I2F、I3F、…InF的部件，
- 用于处理所述电流谱信号I1F、I2F、I3F、…InF以得到反转电流谱I1F,inv、I2F,inv、I3F,inv、…InF,inv的部件，
- 用于处理所述反转电流谱I1F,inv、I2F,inv、I3F,inv、…InF,inv以得到所述电力旋转机械的阻抗谱信号Y1F、Y2F、Y3F、…YnF的部件，
- 用于从诊断所述机电系统所需要的所述阻抗谱信号来提取处于感兴趣频率的幅度的向量的部件，
- 用于计算从所述阻抗谱信号所提取的处于感兴趣频率的幅度之间的差的最大值的部件，
- 用于将从所述阻抗谱信号所提取的所述处于感兴趣频率的幅度之间的差的最大值与作为极限而给出的阈值进行比较的部件，
- 用于当超过所述极限时向用户指示报警的部件。
6.如权利要求5所述的系统，其特征在于，所述处于感兴趣频率的幅度的向量是用于为所述电力旋转机械供电的电源的频率的三次谐波。
7.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述处于感兴趣频率的幅度的向量指示所述机电系统中的偏心率的存在。
8.如权利要求5所述的系统，其特征在于，所述机电系统中的所述电力旋转机械(3)是电动机或发电机。
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