CN109845090A - 用于检测电机中故障的方法 - Google Patents

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Abstract

公开了一种用于检测AC/AC励磁机(60)中的故障的方法，该AC/AC励磁机包括励磁机转子(90)和励磁机定子(70)。获得分别反映在励磁机转子绕组(100)处的电流或电压的转子电流信号或转子电压信号。备选地或另外，获得分别反映在励磁机定子绕组(80)处的电流或电压的定子电流信号或定子电压信号。对所获得的一个或多个信号应用频率分析以检测任何频率分量(160)。在转子电流信号或转子电压信号的情况下，基于存在处于第一频率fs*(2‑s)的频率分量(160)来确定励磁机(60)是否受到励磁机定子绕组(80)中的匝间短路的影响，其中fs是励磁机定子(70)的供电频率，以及s是励磁机滑差。在定子电流信号或定子电压信号的情况下，基于存在处于第二频率fs*(1‑2*s)的频率分量(160)来确定励磁机(60)是否受到励磁机转子绕组(100)中的匝间短路的影响。AC/AC励磁机(60)的绕组中存在处于第一频率和/或第二频率的频率分量(160)指示所提及的故障状况。

Description

用于检测电机中故障的方法
技术领域
本发明涉及检测电机中的故障。
背景技术
众所周知，通过测量来自机器的不同部分的电流信号和电压信号来检测电机故障，以及通过对所测量的信号应用频率分析来检测已知用以指示故障的频率分量。
EP2995967A1公开了一种基于来自同步电机的励磁机的电流信号和电压信号的测量结果来确定同步电机的主机器部分中的机电故障状况的方法。
传统方法不允许检测电机的励磁机中的故障。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种使得能够检测电机的励磁机中的故障的改进方法。
这些目的通过根据所附权利要求1的方法和根据所附权利要求14的设备实现。
本发明基于以下认识：在AC/AC励磁机的绕组中存在指示某些故障条件的某些频率分量。
根据本发明的第一方面，提供了一种AC/AC励磁机故障的检测方法，该AC/AC励磁机包括励磁机转子和励磁机定子。该方法包括以下步骤：获得分别反映在励磁机转子绕组处的电流或电压的转子电流信号或转子电压信号；对所获得的信号应用频率分析以检测任何频率分量；以及基于存在处于第一频率fs*(2-s)的频率分量来确定励磁机是否受到励磁机定子绕组中的匝间短路的影响，其中fs是励磁机定子的供电频率，以及s是励磁机滑差。
根据本发明的第二方面，提供了一种AC/AC励磁机故障的检测方法，该AC/AC励磁机包括励磁机转子和励磁机定子。该方法包括以下步骤：获得分别反映在励磁机转子绕组处的电流或电压的转子电流信号或转子电压信号；对所获得的信号应用频率分析以检测任何频率分量；以及基于存在处于第一频率fs*(2-s)的频率分量来确定励磁机是否受到励磁机定子绕组中的匝间短路的影响，其中fs是励磁机定子的供电频率，以及s是励磁机滑差。
根据本发明的一个实施例，该方法包括以下步骤：通过将处于第一频率或第二频率的幅度与处于相应相邻频率的幅度进行比较，来分别确定处于第一频率或第二频率的频率分量的存在。
根据本发明的一个实施例，该方法包括以下步骤：通过将处于第一频率或第二频率的幅度与处于相同频率的参考频谱的幅度进行比较，来分别确定处于第一频率或第二频率的频率分量的存在。
根据本发明的一个实施例，参考频谱从健康的AC/AC励磁机中获得。
根据本发明的一个实施例，参考频谱从模拟中获得。
根据本发明的一个实施例，该方法包括以下步骤：针对具有预定宽度的频带来计算平均幅度，其中第一频率或第二频率分别位于该频带的中间；分别将处于第一频率或第二频率的幅度除以平均幅度，以由此获得相对幅度；以及将相对幅度与预定阈值进行比较，以确定是否存在频率分量。
根据本发明的一个实施例，该方法包括以下步骤：分别将处于第一频率或第二频率的幅度除以处于相同频率的参考频谱的幅度，以由此获得相对幅度；以及将相对幅度与预定阈值进行比较以确定是否存在频率分量。
根据本发明的一个实施例，阈值至少为二，诸如至少为五、至少为十、至少为二十、至少为五十、至少为一百、至少为五百或至少为一千。
根据本发明的一个实施例，频带的宽度至多为100Hz，诸如至多为60Hz、至多为40Hz、至多为20Hz、至多为10Hz、至多为5Hz或至多为3Hz。
根据本发明的一个实施例，通过分别测量来自励磁机转子绕组的电流或电压来获得转子电流信号或转子电压信号。
根据本发明的一个实施例，通过分别测量来自励磁机定子绕组的电流或电压来获得定子电流信号或定子电压信号。
根据本发明的一个实施例，通过分别测量来自为励磁机定子绕组供电的转换器的电流或电压来获得定子电流信号或定子电压信号。
根据本发明的第三方面，提供了一种电机，该电机包括至少一个仪器和分析模块，该分析模块被配置为执行根据前述实施例中的任一实施例的方法。
附图说明
将参考附图对本发明进行更详细的解释，其中
图1示出了根据本发明的一个实施例的电机；
图2a示出了健康的AC/AC励磁机中的励磁机转子电流的频谱；以及
图2b示出了励磁机定子绕组中具有匝间短路的AC/AC励磁机中的励磁机转子电流的频谱。
具体实施方式
参照图1，根据本发明的一个实施例的电机10包括具有相应主定子绕组30的主定子20以及具有相应主转子绕组50的主转子40。主转子绕组50借助于励磁机60而被供电，该励磁机60包括具有相应励磁机定子绕组80的励磁机定子70和具有相应励磁机转子绕组100的励磁机转子90。励磁机定子绕组80利用AC电流供电。例如，励磁机定子绕组80可以与主定子绕组30从同一电源110供电，根据图1的示例，该主定子绕组30利用三相AC电流供电。到主定子绕组30的AC电流借助于第一转换器115而被转换，以适应用于驱动电机10目的的AC电流的频率和幅度。到励磁机定子绕组80的AC电流借助于第二转换器120而被转换，以适应用于激励目的的AC电流的频率和幅度。第二转换器120可以例如是自动电压调节器(AVR)。
当被供电时，在励磁机定子70内创建旋转磁场(即励磁机场)，并且在励磁机转子绕组100中感应出对应的AC电流。励磁机转子绕组100经由将AC电流整流为DC电流的整流器130而与主转子绕组50连接。励磁机60由此具有AC/AC发电机的特征，其中当要在励磁机转子绕组100中感应出任何电流时，励磁机场和励磁机转子90两者都旋转，但是具有不同的速度。励磁机场和励磁机转子90的旋转速度的相对差异在本文中称为由s表示的“励磁机滑差(exciter slip)”，并且这种类型的励磁机60被称为“AC/AC励磁机”。
励磁机滑差s由定义，其中ns是励磁机磁场的旋转速度(即，励磁机场速度)，而nr是励磁机转子90的旋转速度(即，励磁机转子速度)。理论上，励磁机滑差可以获得任何正值，但实际上它通常获得介于0与1.5之间的值。励磁滑差值s＝0对应于励磁机磁速度等于励磁机转子速度的情况，即，励磁机转子绕组100中没有感应出电流的情况。励磁机滑差值s＝1对应于励磁机转子90静止而励磁机场不静止的情况。励磁机滑差值s>1对应于励磁机场和励磁机转子90沿相反方向旋转的情况，这是本文中所讨论的AC/AC励磁机60的典型情况。可以肯定的是，在本发明的上下文中所讨论的励磁机滑差和AC/AC励磁机60在感应电动机的上下文中与转子滑差无关。
本发明的发明人借助于模拟发现，AC/AC励磁机60的励磁机定子绕组80中的匝间短路导致励磁机转子绕组100中存在处于频率fs*(2-s)的频率分量160(参见图2b)，其中fs是励磁机定子70的供电频率，而s是励磁机滑差。本发明人还发现，AC/AC励磁机60的励磁机转子绕组100中的匝间短路导致励磁机定子线圈80中存在处于频率fs*(1-2*s)的频率分量160。因此，发明人已经能够实现本发明，根据本发明，可以确定AC/AC励磁机60是否受到励磁机定子绕组80的匝间短路的影响、或者AC/AC励磁机60是否受到励磁机转子绕组100中的匝间短路的影响。根据本发明的一个实施例，电机10包括分析模块180，分析模块180被配置为进行用于检测AC/AC励磁机60中的所述故障所需的操作。
为了检测AC/AC励磁机60的励磁机定子绕组80中的匝间短路，通过使用第一电流计140测量来自励磁机转子绕组100的转子电流，来获得转子电流信号。第一电流计140借助于无线设备170而被无线连接到分析模块180，该分析模块180可以例如集成到第二转换器120中。可以测量转子电压，而非转子电流，以获得对应的转子电压信号。在本发明的上下文中，分别反映在励磁机转子绕组100处的电流或电压的任何信号被认为是转子电流信号或转子电压信号，而与信号被测量的确切位置无关。对所获得的信号应用频率分析以检测任何频率分量160。频率分析可以例如通过借助于傅里叶变换将所获得的时域信号变换到频域中来完成，并且由此获得频谱(参见图2a和图2b)。频率分量160可以被定义为存在高幅度振荡(即，与处于相邻频率的幅度相比较的幅度峰值)的频率。为了确定处于相邻频率的幅度，可以考虑在中间具有感兴趣频率的、宽度例如为10Hz的频带，并且可以针对该频带来计算平均幅度。代替宽度为10Hz的频带，可以考虑具有任何适当宽度的频带，诸如宽度至多为100Hz(诸如至多为60Hz、至多为40Hz、至多为20Hz、至多为10Hz、至多为5Hz或至多为3Hz)的频带。然后，处于感兴趣频率的幅度可以除以平均幅度，并且可以将所得相对幅度与预定阈值进行比较，以确定是否存在频率分量160。也就是说，如果相对幅度大于阈值，则认为存在频率分量160。阈值应当至少为2(处于感兴趣频率的幅度大于平均幅度的两倍)，诸如至少为五、至少为十、至少为二十、至少为五十、至少为一百、至少为五百或至少为一千。如果确定存在处于频率fs*(2-s)的频率分量160，则确定存在励磁机定子绕组80中的匝间短路。
例如，参见图2a和图2b，如果励磁机定子70的供电频率fs的值为60Hz并且励磁机滑差s的值为1.2(在与60Hz的励磁机场速度的方向相反的方向上励磁机转子速度为12Hz，并且转子电流的主频率由此变为72Hz)，则为了检测励磁机定子绕组80中的匝间短路，相应AC/AC励磁机60的励磁机转子绕组100中感兴趣频率变为48Hz。为了确定处于相邻频率的幅度，计算宽度为介于45.5Hz与50.5Hz之间的5Hz的频带的平均幅度，以由此获得平均幅度。处于48Hz的幅度除以平均幅度，所得相对幅度与预定阈值(诸如十)进行比较，以确定是否存在频率分量160。如果存在处于48Hz的频率分量160，则确定存在励磁机定子绕组80中的匝间短路。
为了检测AC/AC励磁机60的励磁转子绕组100中的匝间短路，通过使用第二电流计150测量来自励磁机定子绕组80的定子电流，来获得定子电流信号。可以测量定子电压，而非定子电流，以获得对应的定子电压信号。在本发明的上下文中，分别反映在励磁机定子绕组80处的电流或电压的任何信号被认为是定子电流信号或定子电压信号，而与信号被测量的确切位置无关。可以测量例如来自第二转换器120的定子电流和/或定子电压。例如，如上所述，对所获得的信号应用频率分析，以检测任何频率分量160。如果确定存在处于频率fs*(1-2*s)的频率分量160，则确定存在励磁机转子绕组100中的匝间短路。
代替与处于相邻频率的幅度进行比较，处于感兴趣频率的幅度还可以除以处于相同频率的参考频谱的幅度，以由此获得相对幅度。可以例如从健康的AC/AC励磁机60获得参考频谱，该健康的AC/AC励磁机60与待分析励磁机60基本上相同。健康的励磁机60例如可以是新的励磁机60、或者已知功能良好并因此可以假设提供良好的参考频谱的励磁机60。还可以从模拟中获得参考频谱。
本发明不限于上文所示出的实施例，而是本领域技术人员可以在由权利要求限定的本发明的范围内采用多种方式对它们进行修改。

Claims (14)

1.一种用于检测AC/AC励磁机(60)中的故障的方法，所述AC/AC励磁机(60)包括励磁机转子(90)和励磁机定子(70)，所述方法包括以下步骤：
-获得分别反映在励磁机转子绕组(100)处的电流或电压的转子电流信号或转子电压信号；
-对所获得的信号应用频率分析以检测任何频率分量(160)；以及
-基于存在处于第一频率fs*(2-s)的频率分量(160)，来确定所述励磁机(60)是否受到励磁机定子绕组(80)中的匝间短路的影响，其中fs是所述励磁机定子(70)的供电频率，以及s是励磁机滑差。
2.一种用于检测AC/AC励磁机(60)中的故障的方法，所述AC/AC励磁机(60)包括励磁机转子(90)和励磁机定子(70)，所述方法包括以下步骤：
-获得分别反映在励磁机定子绕组(80)处的电流或电压的定子电流信号或定子电压信号；
-对所获得的信号应用频率分析以检测任何频率分量(160)；以及
-基于存在处于第二频率fs*(1-2-s)的频率分量(160)，来确定所述励磁机(60)是否受到励磁机转子绕组(100)中的匝间短路的影响，其中fs是所述励磁机定子(70)的供电频率，以及s是励磁机滑差。
3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述方法包括以下步骤：
-通过将处于所述第一频率或所述第二频率的幅度与处于相应相邻频率的幅度进行比较，来分别确定处于所述第一频率或所述第二频率的频率分量(160)的存在。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述方法包括以下步骤：
-通过将处于所述第一频率或所述第二频率的幅度与处于相同频率的参考频谱的幅度进行比较，来分别确定处于所述第一频率或所述第二频率的频率分量(160)的存在。
5.根据权利要求4所述的方法，其中所述参考频谱从健康的AC/AC励磁机(60)中获得。
6.根据权利要求4所述的方法，其中所述参考频谱从模拟中获得。
7.根据权利要求3所述的方法，其中所述方法包括以下步骤：
-针对具有预定宽度的频带来计算平均幅度，其中所述第一频率或所述第二频率分别位于所述频带的中间；
-分别将处于所述第一频率或所述第二频率的所述幅度除以所述平均幅度，以由此获得相对幅度；以及
-将所述相对幅度与预定阈值进行比较，以确定是否存在频率分量(160)。
8.根据权利要求4至6中任一项所述的方法，其中所述方法包括以下步骤：
-分别将处于所述第一频率或所述第二频率的所述幅度除以处于相同频率的所述参考频谱的所述幅度，以由此获得相对幅度；以及
-将所述相对幅度与预定阈值进行比较，以确定是否存在频率分量(160)。
9.根据权利要求7和8中任一项所述的方法，其中所述阈值至少为二，诸如至少为五、至少为十、至少为二十、至少为五十、至少为一百、至少为五百或至少为一千。
10.根据权利要求7所述的方法，其中所述频带的宽度至多为100Hz，诸如至多为60Hz、至多为40Hz、至多为20Hz、至多为10Hz、至多为5Hz或至多为3Hz。
11.根据权利要求1所述的方法，其中通过分别测量来自所述励磁机转子绕组(100)的电流或电压来获得所述转子电流信号或所述转子电压信号。
12.根据权利要求2所述的方法，其中通过分别测量来自所述励磁机定子绕组(80)的电流或电压来获得所述定子电流信号或所述定子电压信号。
13.根据权利要求2所述的方法，其中通过分别测量来自转换器(120)的电流或电压来获得所述定子电流信号或所述定子电压信号，所述转换器(120)为所述励磁机定子绕组(80)供电。
14.一种电机(10)，包括至少一个仪器(140，150)和分析模块(180)，所述分析模块(180)被配置为执行根据前述权利要求中任一项所述的方法。
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