CN111308345B - 用于检测无刷励磁机的电气故障的方法和系统及存储介质 - Google Patents

用于检测无刷励磁机的电气故障的方法和系统及存储介质 Download PDF

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Abstract

本发明实施例提供一种用于检测无刷励磁机的电气故障的方法和系统及存储介质。该方法包括：在无刷励磁机的均匀分布的至少两个磁极中的每个磁极上分别绕制子探测线圈；将所绕制的至少两个子探测线圈串联，以获得串联后的磁极探测线圈，其中，磁极探测线圈的端口保持开路状态；检测磁极探测线圈的端口电压；基于端口电压的谐波分量确定无刷励磁机是否存在电气故障。根据本发明实施例的用于检测无刷励磁机的电气故障的方法和系统及存储介质，可以有效提高对多相环形绕组无刷励磁系统故障保护及监测的灵敏度和可靠性，在故障检测方面具有较大的应用前景。

Description

用于检测无刷励磁机的电气故障的方法和系统及存储介质
技术领域
本发明涉及电力系统主设备继电保护及在线监测技术领域，更具体地涉及一种用于检测无刷励磁机的电气故障的方法和系统及存储介质。
背景技术
多相环形绕组无刷励磁系统已经广泛应用于大型核电机组中，是核能发电系统中重要的组成部分，无刷励磁系统的安全稳定运行对于整个发电系统至关重要。但是，目前无刷励磁系统仅采用“弱保护”配置，无刷励磁机可能发生的励磁绕组匝间短路、电枢绕组内部短路、旋转整流器二极管开路和电枢断线等电气故障都会对无刷励磁系统以及整个核电系统的安全运行带来严重威胁。
图1示出现有多相环形绕组无刷励磁系统的部分结构的示意图。参见图1，示出了无刷励磁机。目前对于多相环形绕组无刷励磁系统的故障检测主要是基于无刷励磁机的定子电流(即励磁机励磁电流)，通过不同电气故障在定子励磁电流中引起的不同谐波分量来进行故障鉴别。这种方法的缺点在于，定子励磁电流通常是由交流电源整流得到，会在运行中引入固有谐波；并且定子励磁电流会受到自动电压调节器的影响，这些因素都会影响故障判据的准确性。
发明内容
考虑到上述问题而提出了本发明。本发明提供了一种用于检测无刷励磁机的电气故障的方法和系统及存储介质。
根据本发明一个方面，提供了一种用于检测无刷励磁机的电气故障的方法，包括：在无刷励磁机的均匀分布的至少两个磁极中的每个磁极上分别绕制子探测线圈；将所绕制的至少两个子探测线圈串联，以获得串联后的磁极探测线圈，其中，磁极探测线圈的端口保持开路状态；检测磁极探测线圈的端口电压；基于端口电压的谐波分量确定无刷励磁机是否存在电气故障。
示例性地，在无刷励磁机的均匀分布的至少两个磁极中的每个磁极上分别绕制子探测线圈包括：在无刷励磁机的相距P极的两个磁极中的每个磁极上分别绕制子探测线圈，其中，P为无刷励磁机的极对数；将所绕制的至少两个子探测线圈串联包括：将所绕制的至少两个子探测线圈反向串联。
示例性地，基于端口电压的谐波分量确定无刷励磁机是否存在电气故障包括：如果端口电压包含除2M/P的整数倍谐波以外的M/P的倍数次谐波，则确定无刷励磁机存在励磁绕组匝间短路故障，其中，M为无刷励磁机的相数；如果端口电压包含2/P的倍数次谐波，则确定无刷励磁机存在电枢绕组内部短路故障和/或电枢断线故障；如果端口电压包含1/P的倍数次谐波，则确定无刷励磁机存在旋转整流器二极管开路故障。
示例性地，在无刷励磁机的均匀分布的至少两个磁极中的每个磁极上分别绕制子探测线圈包括：在无刷励磁机的P个磁极中的每个磁极上分别绕制子探测线圈，其中，P个磁极两两相距两个极，P为无刷励磁机的极对数；将所绕制的至少两个子探测线圈串联包括：将所绕制的至少两个子探测线圈正向串联。
示例性地，基于端口电压的谐波分量确定无刷励磁机是否存在电气故障包括：如果端口电压包含M/P的倍数次谐波，则确定无刷励磁机存在励磁绕组匝间短路故障，其中，M为无刷励磁机的相数；如果端口电压包含除M的整数倍谐波以外的整数次谐波，则确定无刷励磁机存在电枢绕组内部短路故障、电枢断线故障和旋转整流器二极管开路故障中的一种或多种。
示例性地，至少两个子探测线圈中的每个子探测线圈的匝数为无刷励磁机的励磁绕组每极串联匝数的1/10。
示例性地，对于至少两个子探测线圈中的每个子探测线圈，该子探测线圈围绕对应磁极的纵轴中的第一线段绕制，该子探测线圈的对应磁极上的励磁绕组围绕对应磁极的纵轴中的第二线段绕制，第一线段与第二线段不重叠。
根据本发明另一方面，提供了一种用于检测无刷励磁机的电气故障的系统，包括：磁极探测线圈，包括至少两个子探测线圈，至少两个子探测线圈用于在无刷励磁机的均匀分布的至少两个磁极中的每个磁极上分别绕制并串联以获得串联后的磁极探测线圈，其中，磁极探测线圈的端口保持开路状态；电压检测装置，与磁极探测线圈的端口连接，用于检测磁极探测线圈的端口电压；处理装置，与电压检测装置连接，用于基于端口电压的谐波分量确定无刷励磁机是否存在电气故障。
根据本发明另一方面，提供了一种存储介质，在存储介质上存储了程序指令，程序指令在运行时用于执行以下步骤：获取磁极探测线圈的端口电压，其中，磁极探测线圈通过以下方式获得：在无刷励磁机的均匀分布的至少两个磁极中的每个磁极上分别绕制子探测线圈，并将所绕制的至少两个子探测线圈串联，以获得串联后的磁极探测线圈，其中，磁极探测线圈的端口保持开路状态；基于端口电压的谐波分量确定无刷励磁机是否存在电气故障。
根据本发明实施例的用于检测无刷励磁机的电气故障的方法和系统及存储介质，可以有效提高对多相环形绕组无刷励磁系统故障保护及监测的灵敏度和可靠性，在故障检测方面具有较大的应用前景。
附图说明
通过结合附图对本发明实施例进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显。附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中，相同的参考标号通常代表相同部件或步骤。
图1示出现有多相环形绕组无刷励磁系统的部分结构的示意图；
图2示出布置有q轴探测线圈的无刷励磁机的部分结构的示意性立体图；
图3示出布置有q轴探测线圈的无刷励磁机的部分结构的示意性主视图；
图4示出根据本发明实施例的用于检测无刷励磁机的电气故障的方法的示意性流程图；
图5示出根据本发明一个实施例的在无刷励磁机的磁极上绕制子探测线圈的示意性立体图；
图6示出根据本发明一个实施例的在无刷励磁机的磁极上绕制子探测线圈的示意性主视图；
图7示出根据本发明一个实施例的子探测线圈的第一种布置方式的示意图；
图8示出根据本发明一个实施例的子探测线圈的第二种布置方式的示意图；
图9为单个子探测线圈电压在正常工况下的傅里叶分解结果，从图中可以看出其电压中包含11/5次、22/5次等11/5的倍数次谐波；
图10为第一种布置方式的磁极探测线圈(即相距P个极下的两个子探测线圈反向串联)在正常工况下端口电压的傅里叶分解结果，从图中可以看出其端口电压包含22/5次、44/5次等22/5的倍数次谐波；
图11为第二种布置方式的磁极探测线圈(即所有奇数极或所有偶数极下的P个子探测线圈正向串联)在正常工况下端口电压的傅里叶分解结果，从图中可以看出其端口电压包含11次、22次等11的倍数次谐波；
图12为单个子探测线圈电压在励磁绕组匝间短路故障下的傅里叶分解结果，从图中可以看出其电压中包含11/5次、22/5次等11/5的倍数次谐波；
图13为第一种布置方式的磁极探测线圈(即相距P个极下的两个子探测线圈反向串联)在励磁绕组匝间短路故障下端口电压的傅里叶分解结果，从图中可以看出其端口电压包含11/5次、22/5次等11/5的倍数次谐波；
图14为第二种布置方式的磁极探测线圈(即所有奇数极或所有偶数极下的P个子探测线圈正向串联)在励磁绕组匝间短路故障下端口电压的傅里叶分解结果，从图中可以看出其端口电压包含11/5次、22/5次等11/5的倍数次谐波；
图15为单个子探测线圈电压在电枢绕组内部短路故障下的傅里叶分解结果，从图中可以看出其电压中包含1/5次、2/5次等所有分数次谐波；
图16为第一种布置方式的磁极探测线圈(即相距P个极下的两个子探测线圈反向串联)在电枢绕组内部短路故障下端口电压的傅里叶分解结果，从图中可以看出其端口电压包含2/5次、4/5次等2/5的倍数次谐波；
图17为第二种布置方式的磁极探测线圈(即所有奇数极或所有偶数极下的P个子探测线圈正向串联)在电枢绕组内部短路故障下端口电压的傅里叶分解结果，从图中可以看出其端口电压包含基波、2次等整数次谐波；
图18为单个子探测线圈电压在(非同桥臂)二极管开路故障下的傅里叶分解结果，从图中可以看出其电压中包含1/5次、2/5次等所有分数次谐波；
图19为第一种布置方式的磁极探测线圈(即相距P个极下的两个子探测线圈反向串联)在(非同桥臂)二极管开路故障下端口电压的傅里叶分解结果，从图中可以看出其端口电压包含1/5次、2/5次等所有分数次谐波；
图20为第二种布置方式的磁极探测线圈(即所有奇数极或所有偶数极下的P个子探测线圈正向串联)在(非同桥臂)二极管开路故障下端口电压的傅里叶分解结果，从图中可以看出其端口电压包含基波、2次等整数次谐波；
图21为单个子探测线圈电压在电枢断线故障下的傅里叶分解结果，从图中可以看出其电压中包含1/5次、2/5次等所有分数次谐波；
图22为第一种布置方式的磁极探测线圈(即相距P个极下的两个子探测线圈反向串联)在电枢断线故障下端口电压的傅里叶分解结果，从图中可以看出其端口电压包含2/5次、4/5次等2/5的倍数次谐波；
图23为第二种布置方式的磁极探测线圈(即所有奇数极或所有偶数极下的P个子探测线圈正向串联)在电枢断线故障下端口电压的傅里叶分解结果，从图中可以看出其端口电压包含基波、2次等整数次谐波；以及
图24示出根据本发明一个实施例的用于检测无刷励磁机的电气故障的系统的示意性框图。
具体实施方式
为了使得本发明的目的、技术方案和优点更为明显，下面将参照附图详细描述根据本发明的示例实施例。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是本发明的全部实施例，应理解，本发明不受这里描述的示例实施例的限制。基于本发明中描述的本发明实施例，本领域技术人员在没有付出创造性劳动的情况下所得到的所有其它实施例都应落入本发明的保护范围之内。
基于探测线圈的故障检测可以避免受到上述因素的影响，故障检测的灵敏度和可靠性更高。因此，本发明提出基于探测线圈的故障检测方法，以实现对多相环形绕组无刷励磁系统有效的保护及监测。
本发明实施例提供一种用于检测无刷励磁机的电气故障的方法和系统。该用于检测无刷励磁机的电气故障的方法涉及一种新型的磁极探测线圈。
目前，部分无刷励磁机在定子磁极之间安装了特制的q轴(即交轴)探测线圈，通过q轴磁场感应的电动势估测主发电机励磁电流，解决旋转整流器输出电流(即提供给主发电机的励磁电流)无法直接测量的问题。图2示出布置有q轴探测线圈的无刷励磁机的部分结构的示意性立体图。图3示出布置有q轴探测线圈的无刷励磁机的部分结构的示意性主视图。
本发明提出的磁极探测线圈完全不同于传统的q轴探测线圈。首先，q轴探测线圈的等效节距非常小；而磁极探测线圈中的每个子探测线圈是绕制在磁极上、节距接近于整距的线圈。其次，q轴探测线圈的长度比励磁机轴向长度短得多；而磁极探测线圈中的每个子探测线圈的长度略大于励磁机轴向长度。此外，从功能上看，现有q轴探测线圈是用来估测主发电机励磁电流的，而磁极探测线圈主要用于反映无刷励磁机定转子之间气隙磁场的变化情况进而反映电气故障是否存在。具体地，磁极探测线圈的端口电压的变化可以反映无刷励磁机定转子之间气隙磁场的变化，并且无刷励磁机定转子之间气隙磁场的变化情况可以用于判断电气故障是否存在，因此，利用本发明提出的新型磁极探测线圈，通过监测其端口电压，可以检测并区分多相环形绕组无刷励磁系统的常见电气故障。
图4示出根据本发明实施例的用于检测无刷励磁机的电气故障的方法400的示意性流程图。如图4所示，用于检测无刷励磁机的电气故障的方法400包括步骤S410、S420、S430和S440。
在步骤S410，在无刷励磁机的均匀分布的至少两个磁极中的每个磁极上分别绕制子探测线圈。
在步骤S420，将所绕制的至少两个子探测线圈串联，以获得串联后的磁极探测线圈，其中，磁极探测线圈的端口保持开路状态。在本文中，磁极探测线圈是指至少两个子探测线圈串联组成的线圈，即磁极探测线圈包括至少两个子探测线圈。
为了提高多相环形绕组无刷励磁系统运行的安全可靠性，实现对无刷励磁系统可能发生的多种电气故障进行保护及在线检测，本发明提出一种安装在无刷励磁机静止磁极上的探测线圈。针对在无刷励磁机的电机圆周上均匀分布的至少两个磁极，在其中的每个磁极上分别绕制子探测线圈。均匀分布是指至少两个磁极中的任意一对相邻磁极之间的距离是固定的，即磁极两两间隔相等。此外，至少两个磁极不包含在无刷励磁机的电机圆周上实际相邻的两个磁极，即至少两个磁极不包含无刷励磁机的全部磁极。
图5示出根据本发明一个实施例的在无刷励磁机的磁极上绕制子探测线圈的示意性立体图，图6示出根据本发明一个实施例的在无刷励磁机的磁极上绕制子探测线圈的示意性主视图。图5和图6示出的是1匝的子探测线圈，其中图5示出的线圈首、末两端分别标记为1和1'。图5和图6仅是示例而非对本发明的限制，子探测线圈可以具有任意合适的匝数。
如图5和6所示，子探测线圈的绕制方法与每极励磁绕组的绕制方法类似，本文不做赘述。所绕制的每个子探测线圈的节距接近于整距，即每个子探测线圈的节距与整距之间的差距小于预定节距阈值。该预定节距阈值可以是任意的，其可以根据需要设定，例如设定为0.2倍节距。此外，所绕制的每个子探测线圈的长度略大于励磁机轴向长度，即每个子探测线圈的长度与励磁机轴向长度之间的差距小于预定长度阈值。该预定长度阈值可以是任意的，其可以根据需要设定，例如设定为0.5厘米。
示例性地，对于至少两个子探测线圈中的每个子探测线圈，该子探测线圈围绕对应磁极的纵轴中的第一线段绕制，该子探测线圈的对应磁极上的励磁绕组围绕对应磁极的纵轴中的第二线段绕制，第一线段与第二线段不重叠。继续参见图5和6，示出了第一线段和第二线段，其中，第一线段采用较粗线条表示，第二线段采用较细线条表示。由图5和6可见，子探测线圈与对应磁极上的励磁绕组同轴布置，即二者均围绕对应磁极的纵轴(d轴)布置。此外，子探测线圈位于对应磁极上的除励磁绕组所在空间以外的剩余空间内，二者的分布空间不重叠。
至少两个子探测线圈中的每个子探测线圈的匝数可以根据需要任意设定。在一个示例中，至少两个子探测线圈中的每个子探测线圈的匝数可为无刷励磁机的励磁绕组每极串联匝数的1/10。在励磁绕组每极串联匝数的1/10不是整数的情况下，对励磁绕组每极串联匝数的1/10取整，例如采用四舍五入的方式取整，所获得的整数作为至少两个子探测线圈中的每个子探测线圈的匝数。子探测线圈的匝数太少，磁极探测线圈的端口电压会比较小，不利于电压分析和电气故障检测。子探测线圈的匝数太多，磁极探测线圈的端口电压过大，可能对励磁绕组绝缘产生不良影响，同时线圈的制造成本及其安装成本均会大幅上升。每个子探测线圈的匝数为励磁绕组每极串联匝数的1/10，这是综合故障检测精度以及设备成本之后所选取的比较合适的线圈匝数。
将所绕制的至少两个子探测线圈串联，即可获得磁极探测线圈。布置好的磁极探测线圈的两个端口是不连通的，即磁极探测线圈的端口始终保持开路状态，其内部始终没有电流，并且磁极探测线圈与励磁机励磁绕组等部件都保持绝缘，从而可以避免磁极探测线圈对励磁机运行的干扰。
在磁极上绕制并串联子探测线圈的方式至少包括两种，下面分别介绍。
在一个实施例中，在无刷励磁机的均匀分布的至少两个磁极中的每个磁极上分别绕制子探测线圈包括：在无刷励磁机的相距P极的两个磁极中的每个磁极上分别绕制子探测线圈，其中，P为无刷励磁机的极对数；将所绕制的至少两个子探测线圈串联包括：将所绕制的至少两个子探测线圈反向串联。本文将本实施例中的绕制并串联子探测线圈的方式称为第一种布置方式。
可以在相距半个电机圆周(即相距P极，P为极对数)的两个磁极上，分别绕制一个子探测线圈，然后将这两个子探测线圈反向串联。绕制子探测线圈的两个磁极可以任意选取，只需满足相距P极的条件即可。
图7示出根据本发明一个实施例的子探测线圈的第一种布置方式的示意图。图7示出了极对数为5的无刷励磁机的10个磁极。如图7所示，在第1极与第6极分别绕制了子探测线圈11'和66'，再将这两个子探测线圈反向串联，进而获得磁极探测线圈。
在另一个实施例中，在无刷励磁机的均匀分布的至少两个磁极中的每个磁极上分别绕制子探测线圈包括：在无刷励磁机的P个磁极中的每个磁极上分别绕制子探测线圈，其中，P个磁极两两相距两个极，P为无刷励磁机的极对数；将所绕制的至少两个子探测线圈串联包括：将所绕制的至少两个子探测线圈正向串联。本文将本实施例中的绕制并串联子探测线圈的方式称为第二种布置方式。
可以从无刷励磁机的任意一个磁极开始，按照磁极排列顺序依次对磁极进行数字编号。可以在无刷励磁机的所有奇数极或所有偶数极上分别绕制一个探测线圈，然后将这P个探测线圈正向串联。
图8示出根据本发明一个实施例的子探测线圈的第二种布置方式的示意图。图8示出了极对数为5的无刷励磁机的10个磁极。如图8所示，在第1、3、5、7、9极各绕制一个子探测线圈，分别标记为11'、33'、55'、77'与99'，再将这5个子探测线圈依次正向串联，进而获得磁极探测线圈。
在步骤S430，检测磁极探测线圈的端口电压。可以采用任何现有的或将来可能实现的电压检测方法检测端口电压。
在步骤S440，基于端口电压的谐波分量确定无刷励磁机是否存在电气故障。
如果在无刷励磁机内安装磁极探测线圈，从理论上来说，在无刷励磁机正常运行时(比如正常额定工况)，气隙磁场在磁极探测线圈中产生包含预定谐波分量的端口电压；而当发生电气故障时，气隙磁场的分布情况发生变化，在磁极探测线圈中感应出其他频率的感应电动势。因此，可以根据正常及各种电气故障情况下磁极探测线圈端口电压的特征谐波，实现对不同电气故障的检测及区分。应用本发明设计的磁极探测线圈，可以实现对无刷励磁机有效的保护和监测。
在采用上述第一种布置方式的情况下，基于端口电压的谐波分量确定无刷励磁机是否存在电气故障可以包括：如果端口电压包含除2M/P的整数倍谐波以外的M/P的倍数次谐波，则确定无刷励磁机存在励磁绕组匝间短路故障，其中，M为无刷励磁机的相数；如果端口电压包含2/P的倍数次谐波，则确定无刷励磁机存在电枢绕组内部短路故障和/或电枢断线故障；如果端口电压包含1/P的倍数次谐波，则确定无刷励磁机存在旋转整流器二极管开路故障。
在采用上述第二种布置方式的情况下，基于端口电压的谐波分量确定无刷励磁机是否存在电气故障可以包括：如果端口电压包含M/P的倍数次谐波，则确定无刷励磁机存在励磁绕组匝间短路故障，其中，M为无刷励磁机的相数；如果端口电压包含除M的整数倍谐波以外的整数次谐波，则确定无刷励磁机存在电枢绕组内部短路故障、电枢断线故障和旋转整流器二极管开路故障中的一种或多种。
下面，以一台5对极11相无刷励磁机模拟样机系统举例说明电气故障的检测及区分。对该无励磁机模拟样机系统进行正常及四种故障工况的实验与仿真计算，可以表明本发明提出的磁极探测线圈对无刷励磁机电气故障检测的作用。
5对极11相无刷励磁机模拟样机的基本参数如表1所示。
表1. 5对极11相无刷励磁机模拟样机基本参数
Figure BDA0002442110390000091
实验中，第一种布置方式的磁极探测线圈，即相距P(P＝5)个极下的两个子探测线圈反向串联组成的磁极探测线圈，其端口电压在正常工况下只含有22/5次、44/5次等22/5的倍数次谐波；在励磁绕组匝间短路故障下含有11/5次、22/5次等11/5的倍数次谐波；在电枢绕组内部短路故障下含有2/5次、4/5次等2/5的倍数次谐波；在旋转整流器二极管开路故障下含有1/5次、2/5次等所有分数次谐波；在电枢断线故障下含有2/5次、4/5次等2/5的倍数次谐波。根据第一种布置方式的磁极探测线圈端口电压频率特征的变化，能够灵敏检测出励磁绕组匝间短路故障与旋转整流器二极管开路故障，并且能够反应电枢绕组内部短路故障与电枢断线故障的发生。
而第二种布置方式的磁极探测线圈，即所有奇数极或偶数极下P个子探测线圈正向串联组成的磁极探测线圈，其端口电压在正常工况下只含有11次、22次等11的倍数次谐波；在励磁绕组匝间短路故障下含有11/5次、22/5次等11/5的倍数次谐波；在电枢绕组内部短路故障下含有基波、2次等所有整数次谐波(主要为偶数次谐波)；在旋转整流器二极管开路故障下含有基波、2次等所有整数次谐波；在电枢断线故障下含有基波、2次等所有整数次谐波(主要为偶数次谐波)。根据第二种布置方式的磁极探测线圈端口电压频率特征的变化，能够灵敏检测出励磁绕组匝间短路故障，并且能够反应旋转整流器二极管开路故障、电枢绕组内部短路故障与电枢断线故障的发生。
表2为正常及各种电气故障情况下，本发明所提出的两种布置方式的磁极探测线圈端口电压频率特征的总结。
表2.各种工况下不同布置方式的磁极探测线圈端口电压谐波特征(表中N为自然数)
Figure BDA0002442110390000101
Figure BDA0002442110390000111
从表2中可以看出，第一种布置方式可以以端口电压出现除N·22/5以外的N·11/5次谐波作为故障判据鉴别励磁绕组匝间短路故障；以端口电压出现N·1/5次谐波作为故障判据鉴别(非同桥臂)二极管开路故障；以端口电压出现N·2/5次谐波作为故障判据鉴别电枢绕组内部短路故障和电枢断线故障。第二种布置方式可以以端口电压出现N·11/5次谐波作为故障判据鉴别励磁绕组匝间短路故障；以端口电压出现除11N以外的整数次谐波作为故障判据鉴别(非同桥臂)二极管开路故障、电枢绕组内部故障和电枢断线故障。
图9为单个子探测线圈在正常工况下端口电压的傅里叶分解结果，从图中可以看出其端口电压中包含11/5次、22/5次等11/5的倍数次谐波。
图10为第一种布置方式的磁极探测线圈(即相距P个极下的两个子探测线圈反向串联)在正常工况下端口电压的傅里叶分解结果，从图中可以看出其端口电压包含22/5次、44/5次等22/5的倍数次谐波。
图11为第二种布置方式的磁极探测线圈(即所有奇数极或所有偶数极下的P个子探测线圈正向串联)在正常工况下端口电压的傅里叶分解结果，从图中可以看出其端口电压包含11次、22次等11的倍数次谐波。
图12为单个子探测线圈在励磁绕组匝间短路故障下端口电压的傅里叶分解结果，从图中可以看出其端口电压中包含11/5次、22/5次等11/5的倍数次谐波。
图13为第一种布置方式的磁极探测线圈(即相距P个极下的两个子探测线圈反向串联)在励磁绕组匝间短路故障下端口电压的傅里叶分解结果，从图中可以看出其端口电压包含11/5次、22/5次等11/5的倍数次谐波。
图14为第二种布置方式的磁极探测线圈(即所有奇数极或所有偶数极下的P个子探测线圈正向串联)在励磁绕组匝间短路故障下端口电压的傅里叶分解结果，从图中可以看出其端口电压包含11/5次、22/5次等11/5的倍数次谐波。
图15为单个子探测线圈在电枢绕组内部短路故障下端口电压的傅里叶分解结果，从图中可以看出其端口电压中包含1/5次、2/5次等所有分数次谐波。
图16为第一种布置方式的磁极探测线圈(即相距P个极下的两个子探测线圈反向串联)在电枢绕组内部短路故障下端口电压的傅里叶分解结果，从图中可以看出其端口电压包含2/5次、4/5次等2/5的倍数次谐波。
图17为第二种布置方式的磁极探测线圈(即所有奇数极或所有偶数极下的P个子探测线圈正向串联)在电枢绕组内部短路故障下端口电压的傅里叶分解结果，从图中可以看出其端口电压包含基波、2次等整数次谐波。
图18为单个子探测线圈在(非同桥臂)二极管开路故障下端口电压的傅里叶分解结果，从图中可以看出其端口电压中包含1/5次、2/5次等所有分数次谐波。
图19为第一种布置方式的磁极探测线圈(即相距P个极下的两个子探测线圈反向串联)在(非同桥臂)二极管开路故障下端口电压的傅里叶分解结果，从图中可以看出其端口电压包含1/5次、2/5次等所有分数次谐波。
图20为第二种布置方式的磁极探测线圈(即所有奇数极或所有偶数极下的P个子探测线圈正向串联)在(非同桥臂)二极管开路故障下端口电压的傅里叶分解结果，从图中可以看出其端口电压包含基波、2次等整数次谐波。
图21为单个子探测线圈在电枢断线故障下端口电压的傅里叶分解结果，从图中可以看出其端口电压中包含1/5次、2/5次等所有分数次谐波。
图22为第一种布置方式的磁极探测线圈(即相距P个极下的两个子探测线圈反向串联)在电枢断线故障下端口电压的傅里叶分解结果，从图中可以看出其端口电压包含2/5次、4/5次等2/5的倍数次谐波。
图23为第二种布置方式的磁极探测线圈(即所有奇数极或所有偶数极下的P个子探测线圈正向串联)在电枢断线故障下端口电压的傅里叶分解结果，从图中可以看出其端口电压包含基波、2次等整数次谐波。
通过上述计算和分析，可以看出，第一种布置方式可以根据端口电压的特征谐波判断励磁绕组匝间短路故障与旋转整流器二极管开路故障，而且对于电枢绕组内部短路故障和电枢断线故障也能监测故障的发生；第二种布置方式可以根据端口电压的特征谐波判断励磁绕组匝间短路故障，并且对于旋转整流器二极管开路故障、电枢绕组内部短路故障和电枢断线故障也能监测故障的发生。与现有的基于定子励磁电流的故障检测方法相比，本发明提供的基于磁极探测线圈的电气故障监检测方法能提高对多相环形绕组无刷励磁系统故障检测的灵敏度和可靠性，在故障保护及监测方面具有较大的应用前景。
根据本发明实施例，方法400还可以包括：在确定无刷励磁机存在电气故障的情况下，输出报警信息。
报警信息可以是任何能够指示无刷励磁机存在电气故障的信息。在一个示例中，报警信息是数据，可以通过有线或无线网络将报警信息输出至远程服务器(例如远程电机管理系统)或其他设备(个人计算机或移动终端等)。在另一个示例中，报警信息可以是声音信号、图像信号、光信号等。例如，可以通过显示器、扬声器、蜂鸣器、闪光灯等装置中的一种或多种输出报警信息。通过输出报警信息，可以通知工作人员发生电气故障，以提示工作人员对无刷励磁机进行检修。
根据本发明另一方面，提供一种用于检测无刷励磁机的电气故障的系统。图24示出根据本发明一个实施例的用于检测无刷励磁机的电气故障的系统2400的示意性框图。如图24所示，系统2400包括磁极探测线圈2402、电压检测装置2404和处理装置2406。
磁极探测线圈2402包括至少两个子探测线圈，所述至少两个子探测线圈用于在所述无刷励磁机的均匀分布的至少两个磁极中的每个磁极上分别绕制并串联以获得串联后的所述磁极探测线圈，其中，所述磁极探测线圈的端口保持开路状态。
磁极探测线圈2402可以利用上文描述的布置方式布置于无刷励磁机的磁极上，并且可以将磁极探测线圈2402的线圈首、末端引出以供检测。
电压检测装置2404与所述磁极探测线圈2402的端口连接，用于检测所述磁极探测线圈2402的端口电压。
电压检测装置2404可以是任何能够检测电压的装置，包括但不限于数字示波器等。
处理装置2406与所述电压检测装置2404连接，用于基于所述端口电压的谐波分量确定所述无刷励磁机是否存在电气故障。
处理装置2406可以是中央处理单元(CPU)、微控制器(MCU)、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、可编程逻辑阵列(FPGA)或者具有数据处理能力和/或指令执行能力的其它形式的处理单元，并且可以控制所述系统2400中的其它组件以执行期望的功能。处理装置2406与电压检测装置2404之间的连接可以是直接或间接连接。例如，处理装置2406可以通过数据传输线与电压检测装置2404连接，也可以通过无线方式(即网络)与电压检测装置2404连接。
上文已经结合图4-23描述了用于检测无刷励磁机的电气故障的方法400的实施方式，本领域技术人员可以根据上文描述理解用于检测无刷励磁机的电气故障的系统2400中的磁极探测线圈2402、电压检测装置2404和处理装置2406的结构和工作原理，此处不再赘述。
根据本发明实施例，所述至少两个子探测线圈具体用于在所述无刷励磁机的相距P极的两个磁极中的每个磁极上分别绕制并反向串联，其中，P为所述无刷励磁机的极对数。
根据本发明实施例，所述处理装置2406通过以下方式基于所述端口电压的谐波分量确定所述无刷励磁机是否存在电气故障：如果所述端口电压包含除2M/P的整数倍谐波以外的M/P的倍数次谐波，则确定所述无刷励磁机存在励磁绕组匝间短路故障，其中，M为所述无刷励磁机的相数；如果所述端口电压包含2/P的倍数次谐波，则确定所述无刷励磁机存在电枢绕组内部短路故障和/或电枢断线故障；如果所述端口电压包含1/P的倍数次谐波，则确定所述无刷励磁机存在旋转整流器二极管开路故障。
根据本发明实施例，所述至少两个子探测线圈具体用于在所述无刷励磁机的P个磁极中的每个磁极上分别绕制并正向串联，其中，所述P个磁极两两相距两个极，P为所述无刷励磁机的极对数。
根据本发明实施例，所述处理装置2406通过以下方式基于所述端口电压的谐波分量确定所述无刷励磁机是否存在电气故障：如果所述端口电压包含M/P的倍数次谐波，则确定所述无刷励磁机存在励磁绕组匝间短路故障，其中，M为所述无刷励磁机的相数；如果所述端口电压包含除M的整数倍谐波以外的整数次谐波，则确定所述无刷励磁机存在电枢绕组内部短路故障、电枢断线故障和旋转整流器二极管开路故障中的一种或多种。
根据本发明实施例，所述至少两个子探测线圈中的每个子探测线圈的匝数为所述无刷励磁机的励磁绕组每极串联匝数的1/10。
根据本发明实施例，对于所述至少两个子探测线圈中的每个子探测线圈，该子探测线圈围绕对应磁极的纵轴中的第一线段绕制，该子探测线圈的对应磁极上的励磁绕组围绕对应磁极的纵轴中的第二线段绕制，所述第一线段与所述第二线段不重叠。
根据本发明实施例，系统2400还可以包括：输出装置(未示出)，用于在确定无刷励磁机存在电气故障的情况下，输出报警信息。
输出装置可以向外部(例如用户)输出各种信息(例如图像和/或声音)。输出装置可以包括有线或无线网络接口、显示器、扬声器、蜂鸣器、闪光灯等中的一个或多个。
本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
此外，根据本发明实施例，还提供了一种存储介质，在所述存储介质上存储了程序指令。所述存储介质例如可以包括智能电话的存储卡、平板电脑的存储部件、个人计算机的硬盘、只读存储器(ROM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM)、便携式紧致盘只读存储器(CD-ROM)、USB存储器、或者上述存储介质的任意组合。
在一个实施例中，所述程序指令在运行时用于执行以下步骤：获取磁极探测线圈的端口电压，其中，所述磁极探测线圈通过以下方式获得：在所述无刷励磁机的均匀分布的至少两个磁极中的每个磁极上分别绕制子探测线圈，并将所绕制的至少两个子探测线圈串联，以获得串联后的所述磁极探测线圈，其中，所述磁极探测线圈的端口保持开路状态；基于所述端口电压的谐波分量确定所述无刷励磁机是否存在电气故障。
在一个实施例中，所述磁极探测线圈具体通过以下方式获得：在所述无刷励磁机的相距P极的两个磁极中的每个磁极上分别绕制子探测线圈，并将所绕制的至少两个子探测线圈反向串联，其中，P为所述无刷励磁机的极对数。
在一个实施例中，所述程序指令在运行时所用于执行的基于所述端口电压的谐波分量确定所述无刷励磁机是否存在电气故障的步骤包括：如果所述端口电压包含除2M/P的整数倍谐波以外的M/P的倍数次谐波，则确定所述无刷励磁机存在励磁绕组匝间短路故障，其中，M为所述无刷励磁机的相数；如果所述端口电压包含2/P的倍数次谐波，则确定所述无刷励磁机存在电枢绕组内部短路故障和/或电枢断线故障；如果所述端口电压包含1/P的倍数次谐波，则确定所述无刷励磁机存在旋转整流器二极管开路故障。
在一个实施例中，所述磁极探测线圈具体通过以下方式获得：在所述无刷励磁机的P个磁极中的每个磁极上分别绕制子探测线圈，并将所绕制的至少两个子探测线圈正向串联，其中，所述P个磁极两两相距两个极，P为所述无刷励磁机的极对数。
在一个实施例中，所述程序指令在运行时所用于执行的基于所述端口电压的谐波分量确定所述无刷励磁机是否存在电气故障的步骤包括：如果所述端口电压包含M/P的倍数次谐波，则确定所述无刷励磁机存在励磁绕组匝间短路故障，其中，M为所述无刷励磁机的相数；如果所述端口电压包含除M的整数倍谐波以外的整数次谐波，则确定所述无刷励磁机存在电枢绕组内部短路故障、电枢断线故障和旋转整流器二极管开路故障中的一种或多种。
在一个实施例中，所述程序指令在运行时还用于执行以下步骤：在确定无刷励磁机存在电气故障的情况下，输出报警信息。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的设备和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的设备实施例仅仅是示意性的，例如，单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个设备，或一些特征可以忽略，或不执行。
本发明的各个部件实施例可以以硬件实现，或者以在一个或者多个处理器上运行的软件模块实现，或者以它们的组合实现。本领域的技术人员应当理解，可以在实践中使用微处理器或者数字信号处理器(DSP)来实现根据本发明实施例的用于检测无刷励磁机的电气故障的系统中的一些模块的一些或者全部功能。本发明还可以实现为用于执行这里所描述的方法的一部分或者全部的装置程序(例如，计算机程序和计算机程序产品)。这样的实现本发明的程序可以存储在计算机可读介质上，或者可以具有一个或者多个信号的形式。这样的信号可以从因特网网站上下载得到，或者在载体信号上提供，或者以任何其他形式提供。
应该注意的是上述实施例对本发明进行说明而不是对本发明进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。本发明可以借助于包括有若干不同元件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。单词第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序。可将这些单词解释为名称。
以上，仅为本发明的具体实施方式或对具体实施方式的说明，本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种用于检测无刷励磁机的电气故障的方法，包括：
在所述无刷励磁机的均匀分布的至少两个磁极中的每个磁极上分别绕制子探测线圈，其中，所述至少两个磁极不包含在所述无刷励磁机的电机圆周上的全部磁极中的实际相邻的两个磁极；
将所绕制的至少两个子探测线圈串联，以获得串联后的磁极探测线圈，其中，所述磁极探测线圈的端口保持开路状态；
检测所述磁极探测线圈的端口电压；
基于所述端口电压的谐波分量确定所述无刷励磁机是否存在电气故障；
其中，所述至少两个子探测线圈采用第一种布置方式或者第二种布置方式绕制并串联，
其中，在采用所述第一种布置方式的情况下，所述在所述无刷励磁机的均匀分布的至少两个磁极中的每个磁极上分别绕制子探测线圈包括：
在所述无刷励磁机的相距P极的两个磁极中的每个磁极上分别绕制子探测线圈，其中，P为所述无刷励磁机的极对数；
所述将所绕制的至少两个子探测线圈串联包括：
将所绕制的所述至少两个子探测线圈反向串联；
其中，在采用所述第一种布置方式的情况下，所述基于所述端口电压的谐波分量确定所述无刷励磁机是否存在电气故障包括：
如果所述端口电压包含除2M/P的整数倍谐波以外的M/P的倍数次谐波，则确定所述无刷励磁机存在励磁绕组匝间短路故障，其中，M为所述无刷励磁机的相数；
如果所述端口电压包含2/P的倍数次谐波，则确定所述无刷励磁机存在电枢绕组内部短路故障和/或电枢断线故障；
如果所述端口电压包含1/P的倍数次谐波，则确定所述无刷励磁机存在旋转整流器二极管开路故障；
其中，在采用所述第二种布置方式的情况下，所述在所述无刷励磁机的均匀分布的至少两个磁极中的每个磁极上分别绕制子探测线圈包括：
在所述无刷励磁机的P个磁极中的每个磁极上分别绕制子探测线圈，其中，所述P个磁极两两相距两个极，P为所述无刷励磁机的极对数；
所述将所绕制的至少两个子探测线圈串联包括：
将所绕制的所述至少两个子探测线圈正向串联；
其中，在采用所述第二种布置方式的情况下，所述基于所述端口电压的谐波分量确定所述无刷励磁机是否存在电气故障包括：
如果所述端口电压包含M/P的倍数次谐波，则确定所述无刷励磁机存在励磁绕组匝间短路故障，其中，M为所述无刷励磁机的相数；
如果所述端口电压包含除M的整数倍谐波以外的整数次谐波，则确定所述无刷励磁机存在电枢绕组内部短路故障、电枢断线故障和旋转整流器二极管开路故障中的一种或多种。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述至少两个子探测线圈中的每个子探测线圈的匝数为所述无刷励磁机的励磁绕组每极串联匝数的1/10。
3.如权利要求1或2所述的方法，其中，对于所述至少两个子探测线圈中的每个子探测线圈，该子探测线圈围绕对应磁极的纵轴中的第一线段绕制，该子探测线圈的对应磁极上的励磁绕组围绕对应磁极的纵轴中的第二线段绕制，所述第一线段与所述第二线段不重叠。
4.一种用于检测无刷励磁机的电气故障的系统，包括：
磁极探测线圈，包括至少两个子探测线圈，所述至少两个子探测线圈用于在所述无刷励磁机的均匀分布的至少两个磁极中的每个磁极上分别绕制并串联以获得串联后的所述磁极探测线圈，其中，所述至少两个磁极不包含在所述无刷励磁机的电机圆周上的全部磁极中的实际相邻的两个磁极，所述磁极探测线圈的端口保持开路状态；
电压检测装置，与所述磁极探测线圈的端口连接，用于检测所述磁极探测线圈的端口电压；
处理装置，与所述电压检测装置连接，用于基于所述端口电压的谐波分量确定所述无刷励磁机是否存在电气故障；
其中，所述至少两个子探测线圈采用第一种布置方式或者第二种布置方式绕制并串联，
其中，所述第一种布置方式包括：在所述无刷励磁机的相距P极的两个磁极中的每个磁极上分别绕制子探测线圈并将所绕制的所述至少两个子探测线圈反向串联，其中，P为所述无刷励磁机的极对数；
其中，在采用所述第一种布置方式的情况下，所述处理装置通过以下方式基于所述端口电压的谐波分量确定所述无刷励磁机是否存在电气故障：
如果所述端口电压包含除2M/P的整数倍谐波以外的M/P的倍数次谐波，则确定所述无刷励磁机存在励磁绕组匝间短路故障，其中，M为所述无刷励磁机的相数；
如果所述端口电压包含2/P的倍数次谐波，则确定所述无刷励磁机存在电枢绕组内部短路故障和/或电枢断线故障；
如果所述端口电压包含1/P的倍数次谐波，则确定所述无刷励磁机存在旋转整流器二极管开路故障；
其中，所述第二种布置方式包括：在所述无刷励磁机的P个磁极中的每个磁极上分别绕制子探测线圈并将所绕制的所述至少两个子探测线圈正向串联，其中，所述P个磁极两两相距两个极，P为所述无刷励磁机的极对数；
其中，在采用所述第二种布置方式的情况下，所述处理装置通过以下方式基于所述端口电压的谐波分量确定所述无刷励磁机是否存在电气故障：
如果所述端口电压包含M/P的倍数次谐波，则确定所述无刷励磁机存在励磁绕组匝间短路故障，其中，M为所述无刷励磁机的相数；
如果所述端口电压包含除M的整数倍谐波以外的整数次谐波，则确定所述无刷励磁机存在电枢绕组内部短路故障、电枢断线故障和旋转整流器二极管开路故障中的一种或多种。
5.一种存储介质，在所述存储介质上存储了程序指令，所述程序指令在运行时用于执行以下步骤：
获取磁极探测线圈的端口电压，其中，所述磁极探测线圈通过以下方式获得：在无刷励磁机的均匀分布的至少两个磁极中的每个磁极上分别绕制子探测线圈，并将所绕制的至少两个子探测线圈串联，以获得串联后的所述磁极探测线圈，其中，所述至少两个磁极不包含在所述无刷励磁机的电机圆周上的全部磁极中的实际相邻的两个磁极，所述磁极探测线圈的端口保持开路状态；
基于所述端口电压的谐波分量确定所述无刷励磁机是否存在电气故障；
其中，所述至少两个子探测线圈采用第一种布置方式或者第二种布置方式绕制并串联，
其中，所述第一种布置方式包括：在所述无刷励磁机的相距P极的两个磁极中的每个磁极上分别绕制子探测线圈并将所绕制的所述至少两个子探测线圈反向串联，其中，P为所述无刷励磁机的极对数；
其中，在采用所述第一种布置方式的情况下，所述程序指令在运行时所用于执行的基于所述端口电压的谐波分量确定所述无刷励磁机是否存在电气故障的步骤包括：
如果所述端口电压包含除2M/P的整数倍谐波以外的M/P的倍数次谐波，则确定所述无刷励磁机存在励磁绕组匝间短路故障，其中，M为所述无刷励磁机的相数；
如果所述端口电压包含2/P的倍数次谐波，则确定所述无刷励磁机存在电枢绕组内部短路故障和/或电枢断线故障；
如果所述端口电压包含1/P的倍数次谐波，则确定所述无刷励磁机存在旋转整流器二极管开路故障；
其中，所述第二种布置方式包括：在所述无刷励磁机的P个磁极中的每个磁极上分别绕制子探测线圈并将所绕制的所述至少两个子探测线圈正向串联，其中，所述P个磁极两两相距两个极，P为所述无刷励磁机的极对数；
其中，在采用所述第二种布置方式的情况下，所述程序指令在运行时所用于执行的基于所述端口电压的谐波分量确定所述无刷励磁机是否存在电气故障的步骤包括：
如果所述端口电压包含M/P的倍数次谐波，则确定所述无刷励磁机存在励磁绕组匝间短路故障，其中，M为所述无刷励磁机的相数；
如果所述端口电压包含除M的整数倍谐波以外的整数次谐波，则确定所述无刷励磁机存在电枢绕组内部短路故障、电枢断线故障和旋转整流器二极管开路故障中的一种或多种。
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