CN109188121A - 三级式起动/发电机静止状态下旋转整流器故障检测方法 - Google Patents

三级式起动/发电机静止状态下旋转整流器故障检测方法 Download PDF

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Abstract

三级式起动/发电机静止状态下旋转整流器故障检测方法。本发明涉及一种三级式起动/发电机故障检测领域，当励磁机定子绕组为三相励磁绕组结构时，对励磁机施加频率为fes的三相励磁电压；在主发电机定子三相绕组上施加高频电压信号uAh(t)、uBh(t)、uCh(t)；所述高频电压信号由αβ坐标系下的高频正弦波电压uαh(t)和uβh(t)经CLARK反变换至ABC坐标系下得到；在励磁机定子侧检测三相励磁电流ieas、iebs和iecs，将采集的三相励磁电流进行CLARK变换得到等效的两相励磁电流ieαs和ieβs，并利用快速傅里叶分析FFT的方法对等效两相励磁电流进行谐波分析，判定旋转整流器处于故障状态：短路或断路。

Description

三级式起动/发电机静止状态下旋转整流器故障检测方法
技术领域
本发明属于三级式起动/发电机故障检测领域，涉及一种三级式起动/发电机静止状态下旋转整流器故障检测方法，是一种在主发电机定子等效α相绕组和β相绕组注入旋转高频电压信号，在励磁机定子侧采集励磁电流并提取特征信号的故障检测方法。
背景技术
三级式同步发电机由于其特有的优势被广泛应用于现有的航空电源系统中。如今随着多/全电飞机的发展，如何实现三级式电机的起动发电一体化已成为研究热点。图1所示为励磁机采用三相励磁绕组结构的三级式电机结构图，其主要结构特点是包括定、转子分别一体化组装的副励磁机、励磁机、旋转整流器和主发电机等部件。其中，励磁机通过旋转整流器整流为主发电机提供励磁电流，因此旋转整流器故障与否对系统能否正常运转至关重要。由于与主发电机同轴安装，较大的离心力和热应力也使得旋转整流器的故障率远高于其他部件。综上，研究旋转整流器的故障检测具有重要意义。此外，航空三级式电机是一种高功率密度组合电机，系统电磁耦合及机械振动将对机械式位置传感器产生严重干扰，大大降低系统的可靠度。因此需要在无机械位置传感器的条件下，开展旋转整流器故障检测的研究。旋转整流器的故障可分为断路故障和短路故障，无论何种故障的发生均会降低旋转整流器励磁输出能力，从而导致系统带载能力的下降、起动失败。因此在系统起动前，必须要对旋转整流器进行故障检测。
目前，旋转整流器的故障检测方法有很多，主要分为两大类：
(1)基于发电机拓扑结构的方法。这类方法主要包括辅助探测线圈法、主励磁机定子电流谐波分析法和主发电机定子电压谐波分析法。由于三级式起动/发电机与传统的三级式发电机在拓扑结构上存在较大差异，使得此类方法无法在三级式起动/发电机中应用。
(2)基于起动/发电机拓扑结构的方法。此类方法主要包括励磁机转子电流谐波分析。励磁机转子电流的获得需要利用精确的转子位置信息和电机参数来进行估算，显然此方法在无位置传感器的三级式起动/发电机中的应用将受到极大限制。
发明内容
要解决的技术问题
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种三级式起动/发电机静止状态下旋转整流器故障检测方法，提出一种基于高频信号注入，即主发电机定子侧注入信号、励磁机定子侧检测信号的三级式起动/发电机静止状态下旋转整流器故障检测方法。
技术方案
一种三级式起动/发电机静止状态下旋转整流器故障检测方法，其特征在于步骤如下：
步骤1：当励磁机定子绕组为三相励磁绕组结构时，对励磁机施加频率为fes的三相励磁电压；
当励磁机定子为两相绕组结构时，对励磁机施加的是：将三相励磁电压进行CLARK变换为等效的两相绕组励磁电压；
变换前后电压频率不变；
步骤2：在主发电机定子三相绕组上施加高频电压信号uAh(t)、uBh(t)、uCh(t)；所述高频电压信号由αβ坐标系下的高频正弦波电压uαh(t)和uβh(t)经CLARK反变换至ABC坐标系下得到，高频正弦波电压uαh(t)和uβh(t)的表达式如下：
其中Uh、fh为αβ坐标系下主发电机α轴、β轴注入高频电压的幅值和频率；
步骤3：在励磁机定子侧检测三相励磁电流ieas、iebs和iecs，将采集的三相励磁电流进行CLARK变换得到等效的两相励磁电流ieαs和ieβs，并利用快速傅里叶分析FFT的方法对等效两相励磁电流进行谐波分析；
当励磁机定子为两相绕组结构时，直接采集两相励磁电流并利用快速傅里叶分析FFT的方法对等效两相励磁电流进行谐波分析；
步骤4：若两相励磁电流中均含有频率为fh-fes和fh+fes的谐波分量，但不含有频率为fh的谐波分量，则旋转整流器无故障；若两相励磁电流中均含有频率为fh-fes和fh+fes的谐波分量，同时至少有一相电流含有频率为fh的谐波分量，则说明旋转整流器处于故障状态：短路或断路。
有益效果
本发明提出的一种三级式起动/发电机静止状态下旋转整流器故障检测方法，当励磁机定子绕组为三相励磁绕组结构时，对励磁机施加频率为fes的三相励磁电压；在主发电机定子三相绕组上施加高频电压信号uAh(t)、uBh(t)、uCh(t)；所述高频电压信号由αβ坐标系下的高频正弦波电压uαh(t)和uβh(t)经CLARK反变换至ABC坐标系下得到；在励磁机定子侧检测三相励磁电流ieas、iebs和iecs，将采集的三相励磁电流进行CLARK变换得到等效的两相励磁电流ieαs和ieβs，并利用快速傅里叶分析FFT的方法对等效两相励磁电流进行谐波分析，判定旋转整流器处于故障状态：短路或断路。
本发明具有以下优点：1)充分利用了高频信号在旋转整流器正常与故障状态下传递规律的差异性，避免了对电机转子位置和电机参数的依赖；2)数据处理过程和检测方法相对简单。
附图说明
图1：三级式起动/发电机结构图
图2：旋转整流器正常工作时励磁机三相定子电流波形
图3：旋转整流器一个管子断路时励磁机三相定子电流波形
图4：旋转整流器一个管子短路时励磁机三相定子电流波形
图5：旋转整流器正常工作时励磁机定子等效两相电流谐波分析
a：α相电流谐波分析；b：β相电流谐波分析
图6：旋转整流器一个管子断路时励磁机定子等效两相电流谐波分析
a：α相电流谐波分析；b：β相电流谐波分析
图7：旋转整流器一个管子短路时励磁机定子等效两相电流谐波分析
a：α相电流谐波分析；b：β相电流谐波分析
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
步骤1：所用三级式电机的励磁机为三相励磁绕组结构，对三相励磁绕组施加三相互差120°电角的交流电压，其幅值为70V，频率为80Hz；
步骤2：在主发电机定子三相绕组上施加高频电压信号uAh(t)、uBh(t)、uCh(t)，所述高频信号由αβ坐标系下的高频方波电压uαh(t)和uβh(t)经CLARK反变换至ABC坐标系下得到。uαh(t)和uβh(t)如下所示：
即注入高频电压幅值Uh＝30V、频率fh＝1000Hz。
步骤3：分别在旋转整流器正常、一个管子断路和一个管子短路状态下，在励磁机定子侧检测三相励磁电流ieas、iebs和iecs，如图2、3、4所示。分别将三种状态下采集的三相励磁电流进行CLARK变换得到等效的两相励磁电流ieαs和ieβs，并利用FFT对等效的两相励磁电流进行谐波分析，如图5、6、7所示。
步骤4：从图5可以看出，在旋转整流器正常状态下，励磁机定子侧等效的两相励磁电流中均明显含有频率为920Hz和1080Hz的谐波分量，但几乎不含有频率为1000Hz的谐波分量(α相约为1.5mA、β相约为0.9mA)；从图6可以看出，在旋转整流器一个管子断路状态下，励磁机定子侧等效的两相励磁电流中含有频率为920Hz和1080Hz的谐波分量，同时β相电流明显含有频率为1000Hz的谐波分量(约为10.5mA)。从图7可以看出，在旋转整流器一个管子短路状态下，励磁机定子侧等效的两相励磁电流中含有频率为920Hz和1080Hz的谐波分量，同时β相电流明显含有频率为1000Hz的谐波分量(约为11.1mA)。

Claims (1)

1.一种三级式起动/发电机静止状态下旋转整流器故障检测方法，其特征在于步骤如下：
步骤1：当励磁机定子绕组为三相励磁绕组结构时，对励磁机施加频率为fes的三相励磁电压；
当励磁机定子为两相绕组结构时，对励磁机施加的是：将三相励磁电压进行CLARK变换为等效的两相绕组励磁电压；
步骤2：在主发电机定子三相绕组上施加高频电压信号uAh(t)、uBh(t)、uCh(t)；所述高频电压信号由αβ坐标系下的高频正弦波电压uαh(t)和uβh(t)经CLARK反变换至ABC坐标系下得到，高频正弦波电压uαh(t)和uβh(t)的表达式如下：
其中Uh、fh为αβ坐标系下主发电机α轴、β轴注入高频电压的幅值和频率；
步骤3：在励磁机定子侧检测三相励磁电流ieas、iebs和iecs，将采集的三相励磁电流进行CLARK变换得到等效的两相励磁电流ieαs和ieβs，并利用快速傅里叶分析FFT的方法对等效两相励磁电流进行谐波分析；
当励磁机定子为两相绕组结构时，直接采集两相励磁电流并利用快速傅里叶分析FFT的方法对等效两相励磁电流进行谐波分析；
步骤4：若两相励磁电流中均含有频率为fh-fes和fh+fes的谐波分量，但不含有频率为fh的谐波分量，则旋转整流器无故障；若两相励磁电流中均含有频率为fh-fes和fh+fes的谐波分量，同时至少有一相电流含有频率为fh的谐波分量，则说明旋转整流器处于故障状态：短路或断路。
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