CN111983452B - 用于检测多相无刷励磁机的电枢绕组故障的方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供一种用于检测多相无刷励磁机的电枢绕组故障的方法和系统及存储介质。方法包括：在多相无刷励磁机的相距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为多相无刷励磁机的极对数；将所绕制的两个子探测线圈反向串联，以获得磁极探测线圈，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实际端口电压；计算实际端口电压的各次谐波分量的有效值；计算第一监测值C_a；将第一监测值C_a与第一阈值k_l相比较，如果第一监测值C_a大于或等于第一阈值k_l，则确定多相无刷励磁机存在电枢绕组内部短路或电枢断线故障，否则，确定多相无刷励磁机不存在电枢绕组内部短路及电枢断线故障。可提高故障监测的灵敏度和可靠性。

Description

用于检测多相无刷励磁机的电枢绕组故障的方法和系统

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多相无刷励磁机的电枢绕组故障的方法和系统及存储介质。

背景技术

多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，一般的无刷励磁系统出厂仅配置简单的定子过流保护和旋转整流器二极管故障检测装置(DNC)保护，近年来由励磁机故障引起的停机检修事故也时有发生，“弱保护”的现状已经限制到大容量无刷励磁系统的发展。多相环形绕组无刷励磁机(简称为多相无刷励磁机)可能发生的电气故障种类很多，例如定子励磁绕组匝间短路(即本文所述的定子励磁绕组故障)、转子电枢绕组内部短路、旋转整流器二极管开路和电枢断线等，这些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示出现有多相无刷励磁机的部分结构的示意图。无刷励磁机本质上是反装的发电机，正常运行时励磁绕组是静止的，电枢绕组和整流器是高速旋转的，电枢绕组中的交流电通过整流器整流为直流电后直接供给同轴旋转的主发电机的励磁绕组。无刷励磁机由于取消了碳刷和滑环结构一方面降低了维修成本，提高了运行稳定性，另一方面也因此带来了其他问题。例如，无刷励磁机的电枢绕组和整流器是处于高速旋转的工作状态，在系统运行时难以对电枢绕组及整流器的安全进行实时监测。由于实际运行中电枢绕组工作在强离心力、大电流的工况下，长时间运行会发生老化、绝缘磨损等情况，会加大内部短路故障发生的概率。断线故障发生在电枢绕组与整流器之间的连接处，也很难进行实时监测。目前提出一种基于定子励磁电流的电枢绕组内部短路及电枢断线故障检测方法，通过旋转整流器二极管开路在定子励磁电流中引起的谐波分量来进行故障鉴别。这种方法的缺点在于，励磁机的定子励磁绕组电压通常是由交流电压源整流得到，会在运行中引入电流的固有谐波；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多相无刷励磁机的电枢绕组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多相无刷励磁机的电枢绕组故障的方法，包括：

在多相无刷励磁机的相距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为多相无刷励磁机的极对数；

将所绕制的两个子探测线圈反向串联，以获得磁极探测线圈，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实际端口电压；

计算实际端口电压的各次谐波分量的有效值；

根据以下公式计算第一监测值C_a：

其中，M为多相无刷励磁机的相数，U1_2/P、U1_4/P、…、U1_2(M-1)/P为实际端口电压中2/P的倍数次谐波分量的有效值，U1_2M/P、U1_4M/P、…、U1_2M为实际端口电压中的2M/P的倍数次谐波分量的有效值；

将第一监测值C_a与第一阈值k_l相比较，如果第一监测值C_a大于或等于第一阈值k_l，则确定多相无刷励磁机存在电枢绕组内部短路或电枢断线故障，否则，确定多相无刷励磁机不存在电枢绕组内部短路及电枢断线故障。

示例性地，在计算第一监测值C_a之后，方法还包括：

将第一监测值C_a与第二阈值k_h相比较；

如果第一监测值C_a大于或等于第一阈值k_l并且小于第二阈值k_h，则确定多相无刷励磁机存在电枢断线故障；

如果第一监测值C_a大于或等于第二阈值k_h，则确定多相无刷励磁机存在电枢绕组内部短路故障。

示例性地，在计算第一监测值C_a之后，方法还包括：

根据以下公式计算第二监测值C_d：

其中，U1_1/P、U1_3/P、…、U1_(2M+1)/P为实际端口电压中除M/P次以外的1/P的奇数倍次谐波分量的有效值；

将第一监测值C_a与第二阈值k_h相比较，并将第二监测值C_d与报警值a_d相比较；

如果第一监测值C_a大于或等于第一阈值k_l并且小于第二阈值k_h，并且第二监测值C_d小于或等于报警值a_d，则确定多相无刷励磁机存在电枢断线故障。

示例性地，方法还包括：

获取多相无刷励磁机或与多相无刷励磁机相同类型的样本励磁机的设备参数，其中，设备参数包括以下信息中的一项或多项：励磁机的形状信息和尺寸参数、励磁机各部件的材料参数、励磁绕组的参数、电枢绕组的参数和联接方式、磁极探测线圈的参数、整流器的参数和电路拓扑；

基于设备参数对多相无刷励磁机或样本励磁机以及磁极探测线圈进行仿真，以获得多相无刷励磁机或样本励磁机的励磁机模型以及磁极探测线圈的线圈模型；

基于励磁机模型和线圈模型进行旋转整流器单个二极管开路故障仿真，以获得在多相无刷励磁机或样本励磁机具有旋转整流器二极管开路故障时磁极探测线圈的第一理论端口电压；

计算第一理论端口电压的各次谐波分量的有效值；

根据以下公式计算第一阈值k_l：

其中，U2_2/P、U2_4/P、…、U2_2(M-1)/P为第一理论端口电压中2/P的倍数次谐波分量的有效值，U2_2M/P、U2_4M/P、…、U2_2M为理论端口电压中的2M/P的倍数次谐波分量的有效值，K_ltol为第一裕度系数。

示例性地，K_ltol的取值范围如下：1.5≤K_ltol≤3。

示例性地，方法还包括：

获取多相无刷励磁机或与多相无刷励磁机相同类型的样本励磁机的设备参数，其中，设备参数包括以下信息中的一项或多项：励磁机的形状信息和尺寸参数、励磁机各部件的材料参数、励磁绕组的参数、电枢绕组的参数和联接方式、磁极探测线圈的参数、整流器的参数和电路拓扑；

基于设备参数对多相无刷励磁机或样本励磁机以及磁极探测线圈进行仿真，以获得多相无刷励磁机或样本励磁机的励磁机模型以及磁极探测线圈的线圈模型；

基于励磁机模型和线圈模型进行电枢断线故障仿真，以获得在多相无刷励磁机或样本励磁机具有电枢断线故障时磁极探测线圈的第二理论端口电压；

计算第二理论端口电压的各次谐波分量的有效值；

根据以下公式计算第二阈值k_h：

其中，U3_2/P、U3_4/P、…、U3_2(M-1)/P为第二理论端口电压中2/P的倍数次谐波分量的有效值，U3_2M/P、U3_4M/P、…、U3_2M为理论端口电压中的2M/P的倍数次谐波分量的有效值，K_htol为第二裕度系数。

示例性地，K_htol的取值范围如下：2≤K_htol≤5。

示例性地，在计算第一监测值C_a之后，方法还包括：

获取多相无刷励磁机或与多相无刷励磁机相同类型的样本励磁机在正常运行时测试探测线圈的第三理论端口电压，其中，测试探测线圈采用与磁极探测线圈相同的布置方式布置在多相无刷励磁机或样本励磁机上；

计算第三理论端口电压的各次谐波分量的有效值；

根据以下公式计算报警值a_d：

其中，U4_M/P、U4_3M/P、…、U4_(2P-1)M/P为第三理论端口电压中除M/P次以外的1/P的奇数倍次谐波分量的有效值，U4_2M/P、U4_4M/P、…、U4_2M为第三理论端口电压中的2M/P的倍数次谐波分量的有效值，K_dtol为第三裕度系数。

示例性地，K_dtol的取值范围如下：2≤K_dtol≤10。

示例性地，方法还包括：

在确定多相无刷励磁机存在电枢断线故障的情况下，输出对应的报警信息；和/或，

在确定多相无刷励磁机存在电枢绕组内部短路故障的情况下，输出停机指令，停机指令用于控制无刷励磁机以及与无刷励磁机相连接的主发电机停机。

示例性地，计算实际端口电压的各次谐波分量的有效值包括：结合总体最小二乘旋转不变子空间算法和模拟退火算法来计算实际端口电压的各次谐波分量的有效值。

示例性地，两个子探测线圈中的每个子探测线圈的匝数为多相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多相无刷励磁机的电气故障的系统，包括：

磁极探测线圈，包括两个子探测线圈，两个子探测线圈用于在多相无刷励磁机的相距P极的两个磁极中的每个磁极上分别绕制并反向串联以获得串联后的磁极探测线圈，其中，P为多相无刷励磁机的极对数，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：

获取通过电压检测装置检测获得的、磁极探测线圈布置在多相无刷励磁机上时的实际端口电压；

计算实际端口电压的各次谐波分量的有效值；

根据以下公式计算在线监测值C_d：

其中，M为多相无刷励磁机的相数，U1_2/P、U1_4/P、…、U1_2(M-1)/P为实际端口电压中2/P的倍数次谐波分量的有效值，U1_2M/P、U1_4M/P、…、U1_2M为实际端口电压中的2M/P的倍数次谐波分量的有效值；

将第一监测值C_a与第一阈值k_l相比较，如果第一监测值C_a大于或等于第一阈值k_l，则确定多相无刷励磁机存在电枢绕组内部短路或电枢断线故障，否则，确定多相无刷励磁机不存在电枢绕组内部短路及电枢断线故障。

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：

获取磁极探测线圈布置在多相无刷励磁机上时的实际端口电压，其中，磁极探测线圈包括两个子探测线圈，两个子探测线圈用于在多相无刷励磁机的相距P极的两个磁极中的每个磁极上分别绕制并反向串联以获得串联后的磁极探测线圈，其中，P为多相无刷励磁机的极对数，磁极探测线圈的端口保持开路状态；

计算实际端口电压的各次谐波分量的有效值；

根据以下公式计算第一监测值C_a：

其中，M为多相无刷励磁机的相数，U1_2/P、U1_4/P、…、U1_2(M-1)/P为实际端口电压中2/P的倍数次谐波分量的有效值，U1_2M/P、U1_4M/P、…、U1_2M为实际端口电压中的2M/P的倍数次谐波分量的有效值；

将第一监测值C_a与第一阈值k_l相比较，如果第一监测值C_a大于或等于第一阈值k_l，则确定多相无刷励磁机存在电枢绕组内部短路或电枢断线故障，否则，确定多相无刷励磁机不存在电枢绕组内部短路及电枢断线故障。

根据本发明实施例的用于检测多相无刷励磁机的电枢绕组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监测的灵敏度和可靠性，在故障监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示出现有多相无刷励磁机的部分结构的示意图；

图2示出布置有q轴探测线圈的多相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轴探测线圈的多相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多相无刷励磁机的旋转整流器二极管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多相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多相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(在5对极多相无刷励磁机中)子探测线圈的布置方式的示意图；

图8示出根据本发明一个实施例的电枢绕组内部短路及断线故障的检测判据C_a与旋转整流器二极管开路故障的检测判据C_d的逻辑关系；

图9示出U_fd＝10V，R＝2Ω，n＝960r/min的正常工况下磁极探测线圈端口电压的实验波形；

图10示出磁极探测线圈在正常工况下端口电压的傅里叶分解结果；

图11示出U_fd＝10V，R＝2Ω，n＝960r/min的工况下发生定子励磁绕组匝间短路50％故障时磁极探测线圈端口电压的实验波形；

图12示出磁极探测线圈在定子励磁绕组匝间短路50％故障下端口电压的傅里叶分解结果；

图13示出U_fd＝10V，R＝10Ω，n＝960r/min的工况下发生单个二极管开路故障时磁极探测线圈端口电压的实验波形；

图14示出磁极探测线圈在旋转整流器二极管故障下端口电压的傅里叶分解结果；

图15示出U_fd＝10V，R＝10Ω，n＝960r/min工况下发生转子电枢绕组单相断线故障时磁极探测线圈端口电压的实验波形；

图16示出磁极探测线圈在电枢断线故障下端口电压的傅里叶分解结果；

图17示出U_fd＝10V，R＝10Ω，n＝960r/min的工况下发生转子电枢相绕组70％匝间短路故障时磁极探测线圈端口电压的实验波形；

图18示出磁极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；

图19示出11相环形绕组无刷励磁机的旋转整流器的二极管分布的示意图；

图20示出两个共阴极管和开路工况下磁极探测线圈端口电压的仿真波形；

图21示出一个共阴极管和一个(不在同一桥臂的)共阳极管开路工况下磁极探测线圈端口电压的仿真波形；以及

图22示出根据本发明一个实施例的用于检测多相无刷励磁机的旋转整流器二极管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。

本发明实施例提供一种用于检测多相无刷励磁机的电枢绕组故障的方法和系统。该用于检测多相无刷励磁机的电枢绕组故障的方法涉及一种新型的磁极探测线圈。

目前，部分多相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轴探测线圈的多相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轴探测线圈的多相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多相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多相无刷励磁机定转子之间气隙磁场的变化，并且多相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，可以检测多相环形绕组无刷励磁系统的电枢绕组故障。

本领域技术人员可以理解的是，旋转整流器的位于同一桥臂的两个二极管同时开路的故障，无论从电路拓扑结构还是从其技术效果上看，均等同于电枢断线故障，因此，在本文中，将该故障视为电枢断线故障的一种，即本文所述的电枢断线故障可以包括旋转整流器的位于同一桥臂的两个二极管同时开路的故障。而本发明实施例中所考虑的旋转整流器二极管故障(即旋转整流器二极管开路故障)，不包括上述位于同一桥臂的两个二极管同时开路的情况，而是仅包括位于不同桥臂的两个二极管同时开路的情况。

图4示出根据本发明实施例的用于检测多相无刷励磁机的电枢绕组故障的方法400的示意性流程图。如图4所示，用于检测多相无刷励磁机的电枢绕组故障的方法400包括步骤S410、S420、S430、S440、S450和S460。

在步骤S410，在多相无刷励磁机的相距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为多相无刷励磁机的极对数。

在步骤S420，将所绕制的两个子探测线圈反向串联，以获得磁极探测线圈，其中，磁极探测线圈的端口保持开路状态。

为了提高多相环形绕组无刷励磁系统运行的安全可靠性，实现对多相无刷励磁系统可能发生的电枢绕组故障进行在线监测，本发明提出一种安装在多相无刷励磁机静止磁极上的探测线圈。针对在多相无刷励磁机的电机圆周上均匀分布(即相距P极)的两个磁极，在其中的每个磁极上分别绕制子探测线圈。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5示出根据本发明一个实施例的在多相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多相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。

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，两个子探测线圈中的每个子探测线圈的匝数可为多相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，可能会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。

将所绕制的两个子探测线圈反向串联，即可获得磁极探测线圈。布置好的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。

图7示出根据本发明一个实施例的子探测线圈的布置方式的示意图。图7示出了极对数为5的多相无刷励磁机的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。

在一个实施例中，磁极探测线圈的数目可以为一个，这一磁极探测线圈可以一次或多次地绕制在相距P极的两个磁极上，每次绕制的磁极可以相同或不同，并可以在每次磁极探测线圈绕制在磁极上时检测对应的实际端口电压，以获得一次或多次检测结果。也就是说，可以针对无刷励磁机进行一次或多次故障检测。

在步骤S430，检测磁极探测线圈的实际端口电压。

在步骤S440，计算实际端口电压的各次谐波分量的有效值。

可以采用任何现有的或将来可能实现的谐波分析方法计算实际端口电压的各次谐波分量的有效值，例如，可以采用傅里叶分解(FFT)方法或者采用总体最小二乘旋转不变子空间算法(TLS-ESPRIT)结合模拟退火算法

(SAA)来计算实际端口电压的各次谐波分量的有效值。

示例性地，计算实际端口电压的各次谐波分量的有效值可以包括：结合总体最小二乘旋转不变子空间算法和模拟退火算法来计算实际端口电压的各次谐波分量的有效值。

提取周期性信号中特定频率分量的传统方法是FFT。众所周知，利用FFT方法分析信号频谱时，只有满足整周期同步采样(即采样频率f_s应为信号频率f的整数倍，且采样频率f_s应大于信号中最高次谐波分量频率的2倍，采样持续时间也应是信号周期的整数倍)，才能得到准确的结果。否则(即非同步采样)，利用FFT方法会造成频谱泄漏和栅栏效应等，得到的频谱误差较大。

实际应用中，多采用固定采样频率采集电压。然而，在磁极探测线圈端口电压中谐波分量的频率可能随电机转速波动而变化的情况下，很难对磁极探测线圈的电压信号实现同步采样。而且实际信号的周期变化也给采样点数(即数据长度)的选取带来困难，可能无法实现整周期采样。在这些情况下，用FFT方法提取磁极探测线圈端口电压的故障特征谐波会出现较大误差。本发明实施例提供一种能够准确提取磁极探测线圈端口电压中故障特征谐波的方法。应用总体最小二乘旋转不变子空间算法结合模拟退火算法，能够有效克服FFT方法处理周期性信号的局限性，只需较少的采样点，且不必整周期同步采样，就能够准确计算采样信号中主要分量的频率和幅值。

在步骤S450，根据以下公式计算第一监测值C_a：

其中，M为多相无刷励磁机的相数，U1_2/P、U1_4/P、…、U1_2(M-1)/P为实际端口电压中2/P的倍数次谐波分量的有效值，U1_2M/P、U1_4M/P、…、U1_2M为实际端口电压中的2M/P的倍数次谐波分量的有效值。

在步骤S460，将第一监测值C_a与第一阈值k_l相比较，如果第一监测值C_a大于或等于第一阈值k_l，则确定多相无刷励磁机存在电枢绕组内部短路或电枢断线故障，否则，确定多相无刷励磁机不存在电枢绕组内部短路及电枢断线故障。

可以将实际端口电压的谐波分量的有效值代入设定好的故障检测判据中，得到第一监测值C_a。当第一监测值C_a>第一阈值k_l时，判断多相无刷励磁机发生了电枢绕组故障。该电枢绕组故障有可能是电枢绕组内部短路故障，也有可能是电枢断线故障，具体的示例性区分方式将在下文描述。本发明提出的电枢绕组故障检测判据为磁极探测线圈的端口电压中的2/P次、4/P次…等2/P的倍数次谐波分量的总有效值与2M/P次、4M/P次…等2M/P的倍数次谐波分量的总有效值之比C_d。

如果在多相无刷励磁机内安装磁极探测线圈，从理论上来说，在多相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，可以实现对多相无刷励磁机有效的保护和监测。

理论分析表明，虽然多相无刷励磁机的电枢绕组为分数槽绕组，正常运行中电枢反应磁场中包含1/P次、2/P次等各种分数次谐波，但是由于电枢绕组本身是(M相)对称的，所以对于单个子探测线圈(本文描述的子探测线圈是绕制在单个磁极上的线圈)来说，该子探测线圈不与其他子探测线圈串联的话，在正常运行工况下，该子探测线圈的端口电压中只含有M/P次、2M/P次…这些M/P的倍数次谐波(P为极对数，M为相数)。而将相距P极的两个子探测线圈反向串联，就只有1/P次、3/P次等1/P的奇数倍谐波(包括基波)磁场会在这两个串联线圈中产生交变磁链及感应电动势，而某些频率的电压在子探测线圈串联后被抵消掉了。所以，相距P极的反向串联的两个子探测线圈所组成的磁极探测线圈，其端口电压在正常工况下只含有2M/P次、4M/P次等2M/P的倍数次谐波；在定子励磁绕组匝间短路故障下含有M/P次、2M/P次等M/P的倍数次谐波；在转子电枢绕组内部短路故障下含有2/P次、4/P次等2/P的倍数次谐波；在旋转整流器二极管故障下含有1/P次、2/P次等所有分数次谐波，其中奇数次谐波分量是由电枢绕组偶数次谐波电流引起的；在电枢断线故障(与同一桥臂的两个二极管同时开路是等效的)下含有2/P次、4/P次等2/P的倍数次谐波。上述特征规律也已通过实验与仿真的验证。

由上可知，只出现2/P次、4/P次等2/P的倍数次谐波，而不出现1/P的奇数倍谐波是电枢绕组内部短路及电枢断线故障的故障特征。因此，可以通过磁极探测线圈的端口电压中出现2/P次、4/P次等2/P的倍数次谐波且没有1/P的奇数倍谐波作为故障判据，对多相无刷励磁机进行电枢绕组故障在线监测，并与其他故障进行区分。表1示出多相无刷励磁机正常运行及各种故障工况下，磁极探测线圈端口电压的谐波特征。

表1.多相无刷励磁机正常运行及各种故障工况下，磁极探测线圈端口电压的谐波特征

可见，根据正常及各种故障情况下磁极探测线圈的端口电压谐波特征，可实现对电枢绕组故障的鉴别。

根据本发明实施例的用于检测多相无刷励磁机的电枢绕组故障的方法，可以有效提高对多相环形绕组无刷励磁系统故障监测的灵敏度和可靠性，在故障监测方面具有较大的应用前景。

根据本发明实施例，在计算第一监测值C_a之后，方法400还可以包括：将第一监测值C_a与第二阈值k_h相比较；如果第一监测值C_a大于或等于第一阈值k_l并且小于第二阈值k_h，则确定多相无刷励磁机存在电枢断线故障；如果第一监测值C_a大于或等于第二阈值k_h，则确定多相无刷励磁机存在电枢绕组内部短路故障。

由于电枢绕组内部短路故障及电枢断线故障在磁极探测线圈中的故障特征是相同的，因此在检测出电枢绕组故障的前提下，还可以进一步区分该故障具体是电枢绕组内部短路故障还是电枢断线故障。当多相无刷励磁机发生电枢绕组内部短路故障时，在故障回路中会产生非常大的短路电流，通常会比正常相电流大一个数量级。幅值较大的短路电流会在磁极探测线圈中感应出幅值较大的2/P的倍数次谐波分量(参见表2中的实验数据)，并且会比电枢断线故障引起的谐波分量的幅值明显大很多。因此可以从2/P的倍数次谐波分量的幅值上对两种故障加以区分。

表2.11相(5对极)无刷励磁机模拟样机电枢绕组内部短路及单相断线故障时，磁极探测线圈端口电压的谐波特征

根据本发明实施例，可以设置两个阈值来区分电枢绕组内部短路故障与电枢断线故障，其中第一阈值(低阈值)可以记为k_l；第二阈值(高阈值)可以记为k_h。一旦检测到C_a≥k_h，可以马上输出停机指令，以启动电枢绕组内部短路的保护机制，使主发电机与励磁机都停机，避免很大的短路电流造成励磁机严重损坏、继而主发电机失磁甚至殃及主变压器。如果检测到k_h>C_a≥k_l，则可以输出报警信息。当然，在C_a≥k_h时，也可以输出报警信息。

对于上述两个阈值k_l和k_h，可以通过实验或仿真确定。当无刷励磁系统正常运行或发生励磁绕组匝间短路故障时，第一监测值C_a的理论值为0，而发生旋转整流器二极管故障时，磁极探测线圈端口电压中也会出现2/5次、4/5次等2/5的倍数次谐波分量，第一监测值C_a的理论值不为0。因此，为避免将旋转整流器二极管故障误判为电枢断线故障，第一阈值k_l可以设定为大于旋转整流器二极管故障引起的C_a值。此外，如上所述，可以根据2/5的倍数次谐波分量的总有效值的大小区分电枢绕组内部短路故障和电枢断线故障，则第二阈值k_h可以设定为大于电枢断线故障引起的检测C_a值。考虑到实际无刷励磁机无法像模拟样机一样实施旋转整流器二极管开路、电枢断线等故障实验，因此可以通过相应的仿真数据来确定第一阈值k_l和第二阈值k_h。

根据本发明实施例，在计算第一监测值C_a之后，方法400还可以包括：

根据以下公式计算第二监测值C_d：

其中，U1_1/P、U1_3/P、…、U1_(2M+1)/P为实际端口电压中除M/P次以外的1/P的奇数倍次谐波分量的有效值；

将第一监测值C_a与第二阈值k_h相比较，并将第二监测值C_d与报警值a_d相比较；

如果第一监测值C_a大于或等于第一阈值k_l并且小于第二阈值k_h，并且第二监测值C_d小于或等于报警值a_d，则确定多相无刷励磁机存在电枢断线故障。

在检测到k_h>C_a≥k_l的情况下，可以选择排除旋转整流器二极管故障的干扰，以更准确地检测电枢断线故障。下面描述旋转整流器二极管故障的检测方法。可选地，可以将实际端口电压的谐波分量的有效值代入设定好的故障检测判据(参见公式(2))中，得到第二监测值C_d。当第二监测值C_d>报警值a_d时，可以判断多相无刷励磁机发生了旋转整流器二极管故障。本发明提出的旋转整流器二极管故障检测判据为磁极探测线圈的端口电压中的1/P次、3/P次…等1/P的奇数倍谐波分量(除M/P的奇数倍次以外)的总有效值与2M/P次、4M/P次…等2M/P的倍数次谐波分量的总有效值之比C_d。

根据本发明实施例，方法400还可以包括：

获取多相无刷励磁机或与多相无刷励磁机相同类型的样本励磁机的设备参数，其中，设备参数包括以下信息中的一项或多项：励磁机的形状信息和尺寸参数、励磁机各部件的材料参数、励磁绕组的参数、电枢绕组的参数和联接方式、磁极探测线圈的参数、整流器的参数和电路拓扑；

基于设备参数对多相无刷励磁机或样本励磁机以及磁极探测线圈进行仿真，以获得多相无刷励磁机或样本励磁机的励磁机模型以及磁极探测线圈的线圈模型；

基于励磁机模型和线圈模型进行旋转整流器单个二极管开路故障仿真，以获得在多相无刷励磁机或样本励磁机具有旋转整流器二极管开路故障时磁极探测线圈的第一理论端口电压；

计算第一理论端口电压的各次谐波分量的有效值；

根据以下公式计算第一阈值k_l：

其中，U2_2/P、U2_4/P、…、U2_2(M-1)/P为第一理论端口电压中2/P的倍数次谐波分量的有效值，U2_2M/P、U2_4M/P、…、U2_2M为理论端口电压中的2M/P的倍数次谐波分量的有效值，K_ltol为第一裕度系数。

示例性地，所述励磁机的形状信息是指励磁机横截面的实际形状，所述励磁机的尺寸参数包括轴向长度、内径、外径、气隙长度、极数、极弧系数等中的一项或多项，所述材料参数包括磁导率、磁化曲线(B-H曲线)、电导率等中的一项或多项，所述励磁绕组的参数包括励磁绕组的每极串联匝数和/或励磁绕组的电阻，所述电枢绕组的参数包括电枢绕组的槽型、尺寸、串联匝数和电阻中的一项或多项，所述联接方式包括联接表，所述磁极探测线圈的参数包括所述磁极探测线圈的节距和/或串联匝数，所述整流器的参数包括整流器的二极管的电阻。

可选地，对多相无刷励磁机或样本励磁机的仿真可以一次执行，所获得的第一阈值k_l可以用在任意与样本励磁机同类型的多相无刷励磁机的实际故障监测中。当然，可选地，可以针对当前实际进行故障监测的多相无刷励磁机重新建立仿真模型。仿真模型的建立可以采用任何合适的现有或将来可能出现的多相无刷励磁机仿真技术实现，本发明不对此进行限制。

示例性地，第一裕度系数K_ltol可以是任何合适的数值，其可以预先通过理论或实验确定，即通过理论或实验确定在旋转整流器二极管开路故障下的检测判据C_a值乘以多少倍获得的第一阈值k_l可以较好地将电枢绕组故障与正常工况及其他故障区分开。示例性地，K_ltol的取值范围如下：1.5≤K_ltol≤3。

上述通过仿真方式获得第一阈值k_l仅是示例而非对本发明的限制，例如，第一阈值k_l可以可选地由人工基于经验设置。通过仿真方式获得的第一阈值k_l可靠性比较高，有利于比较准确地将电枢绕组故障与正常工况及其他故障区分开，从而有利于提高电枢绕组故障监测的灵敏度和可靠性。

根据本发明实施例，方法400还可以包括：

获取多相无刷励磁机或与多相无刷励磁机相同类型的样本励磁机的设备参数，其中，设备参数包括以下信息中的一项或多项：励磁机的形状信息和尺寸参数、励磁机各部件的材料参数、励磁绕组的参数、电枢绕组的参数和联接方式、磁极探测线圈的参数、整流器的参数和电路拓扑；

基于设备参数对多相无刷励磁机或样本励磁机以及磁极探测线圈进行仿真，以获得多相无刷励磁机或样本励磁机的励磁机模型以及磁极探测线圈的线圈模型；

基于励磁机模型和线圈模型进行电枢断线故障仿真，以获得在多相无刷励磁机或样本励磁机具有电枢断线故障时磁极探测线圈的第二理论端口电压；

计算第二理论端口电压的各次谐波分量的有效值；

根据以下公式计算第二阈值k_h：

其中，U3_2/P、U3_4/P、…、U3_2(M-1)/P为第二理论端口电压中2/P的倍数次谐波分量的有效值，U3_2M/P、U3_4M/P、…、U3_2M为理论端口电压中的2M/P的倍数次谐波分量的有效值，K_htol为第二裕度系数。

设备参数中各项参数的含义可以参考上文的描述进行理解。可选地，对多相无刷励磁机或样本励磁机的仿真可以一次执行，所获得的第二阈值k_h可以用在任意与样本励磁机同类型的多相无刷励磁机的实际故障监测中。当然，可选地，可以针对当前实际进行故障监测的多相无刷励磁机重新建立仿真模型。仿真模型的建立可以采用任何合适的现有或将来可能出现的多相无刷励磁机仿真技术实现，本发明不对此进行限制。

示例性地，第二裕度系数K_htol可以是任何合适的数值，其可以预先通过理论或实验确定，即通过理论或实验确定在电枢断线故障下的检测判据C_a值乘以多少倍获得的第二阈值k_h可以较好地将电枢断线故障与电枢绕组内部短路故障区分开。示例性地，K_htol的取值范围如下：2≤K_hto≤5。

上述通过仿真方式获得第二阈值k_h仅是示例而非对本发明的限制，例如，第二阈值k_h可以可选地由人工基于经验设置。通过仿真方式获得的第二阈值k_h可靠性比较高，有利于比较准确地将电枢绕组内部短路故障与电枢断线故障区分开，从而有利于提高电枢绕组故障监测的灵敏度和可靠性。

根据本发明实施例，在计算第一监测值C_a之后，方法400还可以包括：

获取多相无刷励磁机或与多相无刷励磁机相同类型的样本励磁机在正常运行时测试探测线圈的第三理论端口电压，其中，测试探测线圈采用与磁极探测线圈相同的布置方式布置在多相无刷励磁机或样本励磁机上；

计算第三理论端口电压的各次谐波分量的有效值；

根据以下公式计算报警值a_d：

其中，U4_M/P、U4_3M/P、…、U4_(2P-1)M/P为第三理论端口电压中除M/P次以外的1/P的奇数倍次谐波分量的有效值，U4_2M/P、U4_4M/P、…、U4_2M为第三理论端口电压中的2M/P的倍数次谐波分量的有效值，K_dtol为第三裕度系数。

上述“与磁极探测线圈相同的布置方式”中的“布置方式”包括磁极探测线圈中的子探测线圈的绕制和串联方式。具体地，测试探测线圈也包括两个子探测线圈，测试探测线圈所包括的两个子探测线圈一一对应地绕制在多相无刷励磁机或样本励磁机的相距P极的两个磁极上并反向串联在一起，形成测试探测线圈。可选地，测试探测线圈可以与用于实际检测多相无刷励磁机的电枢绕组故障的磁极探测线圈采用同一线圈实现。

示例性地，第三裕度系数K_dtol可以是任何合适的数值，其可以预先通过理论或实验确定，即通过理论或实验确定待检测的多相无刷励磁机或与其相同类型的样本励磁机在正常工况下获得的检测判据C_d乘以多少倍所获得的报警值a_d可以较好地将旋转整流器二极管故障与正常工况及其他三种故障区分开。

示例性地，K_dtol的取值范围如下：2≤K_dtol≤10。经过理论和实验研究，预设裕度系数K_dtol设置在2和10之间可以比较好地保证将旋转整流器二极管故障与正常工况及其他三种故障区分开。

对一台5对极11相无刷励磁机样机系统(P＝5，M＝11)进行正常及四种故障工况的理论分析，以及实验与仿真计算，可以表明本发明提出的基于磁极探测线圈的电枢绕组故障在线监测方法的可行性。

5对极11相无刷励磁机模拟样机系统的基本参数如表3所示，在励磁机样机的第1极和第6极下(相距P＝5个极)各安装一个10匝的子探测线圈，并将两个子探测线圈反向串联后引出两个接线端用于测量磁极探测线圈的端口电压。

表3.5对极11相无刷励磁机模拟样机基本参数

考虑到实际无刷励磁机无法像模拟样机一样实施旋转整流器二极管(非同桥臂)开路故障和电枢断线故障实验，因此可以首先对旋转整流器二极管开路故障和电枢断线故障进行仿真计算，然后根据仿真结果确定第一阈值k_l和第二阈值k_h。表4为根据旋转整流器二极管开路故障及电枢断线故障仿真结果计算的C_a值。

表4.根据旋转整流器二极管开路故障及电枢断线故障仿真结果计算的Ca值

为避免将电枢断线故障误判为电枢绕组内部短路故障进而造成保护误动作，可根据表4中电枢单相断线故障下的C_a的仿真值，设置第二阈值k_h，并取第二裕度系数K_htol＝3，那么k_h＝K_htol×0.347≈1.041。当第一监测值C_a≥k_h时，可以认为发生了电枢绕组内部短路故障，此时可以可选地使内部短路故障保护机制快速动作(而且主发电机与无刷励磁机都停机)。

为避免将旋转整流器二极管开路故障(不是同一桥臂的两个二极管同时开路)误判为电枢断线故障进而造成监测误报警，可根据表4中旋转整流器单个二极管开路故障的C_a的仿真值，设置第一阈值k_l，并取第一裕度系数K_ltol＝2，那么k_l＝K_ltol×0.142≈0.284。当k_h>C_a≥k_l时，可以认为发生了电枢断线故障，此时可以可选地输出关于电枢断线故障的报警信息。

另一方面，多相环形绕组无刷励磁机的旋转整流器由2M个二极管构成(M为电枢绕组相数)，也有可能发生两个(非同桥臂的二极管)甚至多个二极管同时开路的故障。随着非同桥臂二极管开路数量的增多，对应的检测判据C_a值也会有所增大。当开路的二极管数量大于2时，检测判据C_a可能会超过第一阈值k_l。为避免将这种多个二极管同时开路的故障误报为电枢断线故障，可以通过旋转整流器二极管(非同桥臂)开路故障的检测判据C_d值构成逻辑判据，即当k_h>C_a≥k_l且C_d＜a_d时，发出电枢断线故障报警。电枢绕组内部短路及断线故障的检测判据C_a与旋转整流器二极管开路故障的检测判据C_d的逻辑关系如图8所示。

如图8所示，当C_a≥k_h时，可以认为电枢绕组内部短路故障发生，此时可以可选地控制主发电机和励磁机立即停机。当k_h>C_a≥k_l时，可以进一步查看C_d的情况，如果C_d＜a_d，则可以认为电枢断线故障发生，此时可以可选地输出关于电枢断线故障的报警信息；如果C_d≥a_d，则有可能发生旋转整流器二极管故障与电枢断线故障同时存在的情况，也有可能仅发生旋转整流器二极管故障。当C_d≥a_d时，可以认为旋转整流器二极管故障发生，此时可以可选地输出关于旋转整流器二极管故障的报警信息。

图9所示为励磁机模拟样机运行在励磁电压U_fd＝10V，负载电阻R＝10Ω，转速n＝960r/min的正常工况下，磁极探测线圈端口电压的实验波形。对图9所示的端口电压进行总体最小二乘旋转不变子空间算法结合模拟退火算法计算，得到其中各次谐波分量的有效值，如表5所示。在表5中，各次谐波电压的标幺值，都是以该负载的正常工况下磁极探测线圈的端口电压总有效值为基值而得到的。从表5中可以看出其端口电压主要是22/5次谐波，其他次数谐波幅值较小，可以认为是由制造、安装等误差引起。图10所示为磁极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22/5次、44/5次等22/5的倍数次谐波。

表5.正常工况实验中磁极探测线圈端口电压各谐波分量有效值(单位：V)

示例性而非限制性地，可以根据正常运行时磁极探测线圈的端口电压的谐波分量中除M/P次以外的1/P次、3/P次等1/P的奇数倍谐波与2M/P次、4M/P次…等2M/P的倍数次谐波分量的总有效值之比设置报警值a_d。根据表5所示的正常运行的数据，按照以下公式可确定报警值a_d(本示例中第三裕度系数K_dtol取为5)：

图11所示为励磁机模拟样机运行在励磁电压U_fd＝10V，负载电阻R＝2Ω，转速n＝960r/min工况下发生定子励磁绕组匝间短路50％故障时磁极探测线圈端口电压的实验波形。对图11所示的端口电压进行总体最小二乘旋转不变子空间算法结合模拟退火算法计算，得到其中各次谐波分量的有效值，如表6所示。以该负载的正常工况下磁极探测线圈端口电压总有效值作为基值对故障工况下的数据进行标幺化，可以方便观察故障下各谐波分量的变化情况。从表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，其中11/5次谐波幅值增大较多，其他分数次谐波有效值与正常工况相比变化不大。图12为磁极探测线圈在定子励磁绕组匝间短路50％故障下端口电压的傅里叶分解结果，从图中也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。

表6.定子励磁绕组短路50％故障实验中磁极探测线圈端口电压各谐波分量有效值(单位：V)

图13所示为励磁机模拟样机运行在励磁电压U_fd＝10V，负载电阻R＝10Ω，转速n＝960r/min工况下发生单个二极管开路故障时磁极探测线圈端口电压的实验波形。对图13所示的端口电压进行总体最小二乘旋转不变子空间算法结合模拟退火算法计算，得到其中各次谐波分量的有效值，如表7所示。表7中各次谐波电压的基值取值与表5相同、都是该负载的正常工况下磁极探测线圈的端口电压总有效值。从表7中可以看出9/5次、14/5次和19/5次等谐波幅值与正常工况相比变化较大，一些1/5的奇数倍次谐波与正常工况相比变化明显，验证了理论推导中旋转整流器二极管故障时磁极探测线圈端口电压中会出现1/5次、2/5次等所有分数次谐波。图14为磁极探测线圈在旋转整流器二极管故障下端口电压的傅里叶分解结果，从图中也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。

表7.单个二极管开路故障实验中磁极探测线圈端口电压各谐波分量有效值(单位：V)

根据表7所示的数据，按照以下公式可计算第二监测值C_d：

可见单个二极管开路故障可以很好地检测到。

图15所示为励磁机模拟样机运行在励磁电压U_fd＝10V，负载电阻R＝10Ω，转速n＝960r/min工况下发生转子电枢绕组单相断线故障时磁极探测线圈端口电压的实验波形。对图15所示的端口电压进行总体最小二乘旋转不变子空间算法结合模拟退火算法计算，得到其中各次谐波分量的有效值，如表8所示。表8中各次谐波电压的基值取值与表5相同、都是该负载的正常工况下磁极探测线圈的端口电压总有效值。从表8中可以看出其端口电压中8/5次、14/5次等谐波与正常工况相比幅值变化较大，而1/5次、3/5次等1/5的奇数倍次谐波幅值变化不大，验证了发生电枢断线故障时磁极探测线圈端口电压中包含2/5次、4/5次等2/5的倍数次谐波。图16为磁极探测线圈在电枢断线故障下端口电压的傅里叶分解结果，从图中也可以看出其端口电压中包含2/5次、4/5次等2/5的倍数次谐波。

表8.电枢绕组单相断线故障下磁极探测线圈端口电压各谐波分量有效值(单位：V)

图17所示为励磁机模拟样机运行在励磁电压U_fd＝10V，负载电阻R＝10Ω，转速n＝960r/min工况下发生转子电枢相绕组70％匝间短路故障时磁极探测线圈端口电压的实验波形。对图17所示的端口电压进行总体最小二乘旋转不变子空间算法结合模拟退火算法计算，得到其中各次谐波分量的有效值，如表9所示。表9中各次谐波电压的基值取值与表5相同、都是该负载的正常工况下磁极探测线圈的端口电压总有效值。从表9中可以看出2/5次、4/5次等2/5的倍数次谐波比正常工况相比幅值变化较大，1/5次、3/5次等1/5的奇数倍次谐波幅值变化不大，也验证了电枢绕组故障时磁极探测线圈端口电压中会出现2/5次、4/5次等2/5的倍数次谐波。图18为磁极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，从图中也可以看出其端口电压中包含2/5次、4/5次等2/5的倍数次谐波。

表9.电枢相绕组70％匝间短路故障下磁极探测线圈端口电压各谐波分量有效值(单位：V)

通过实验数据可知，在多相无刷励磁机正常运行时，由于制造、安装等误差，磁极探测线圈端口电压中会出现较小幅值的1/5次、2/5次…等所有的分数次谐波，但是其中幅值较大的是22/5的倍数次谐波。当发生励磁绕组匝间短路故障时，只有11/5次、33/5次等11/5的奇数倍谐波幅值与正常时相比有明显增大，其它分数次谐波幅值并未有明显变化。当发生旋转整流器二极管故障时，磁极探测线圈端口电压中1/5次、2/5次等1/5的倍数次谐波幅值与正常时相比都有明显增大。当发生电枢绕组内部短路故障和电枢断线故障时，磁极探测线圈端口电压中2/5次、4/5次等2/5的倍数次谐波与正常时相比变化明显，而1/5的奇倍数次谐波幅值没有明显变化，因此可以使用2/5的倍数次谐波幅值来对电枢绕组内部短路故障和电枢断线故障进行检测，并且可以使用1/5的奇数倍谐波幅值的变化来对旋转整流器二极管故障进行唯一鉴别。

下面描述对旋转整流器二极管故障的检测。通过本发明提出的旋转整流器二极管故障检测判据C_d，可以对旋转整流器二极管故障进行有效鉴别。此外，通过设置合适的报警值a_d，可以避免对其他类型故障误报警，下面通过示例说明。针对5对极11相无刷励磁机样机系统，计算其在定子励磁绕组匝间短路故障、电枢绕组内部短路和电枢断线故障下的检测判据C_d值，结果如表10所示。

表10.根据各种工况实验数据得到的检测判据C_d值结果

从表10中可以看出，定子励磁绕组匝间短路故障、电枢绕组内部短路和电枢断线故障时检测判据C_d虽然比较小，但并不像理论分析那样完全等于0，这是由励磁机制造、安装等固有误差引起的。但其余三种故障引起的监测值C_d均小于报警值a_d(前面根据正常工况实测数据所确定的0.164)，不会报警，验证了本发明提出的旋转整流器二极管故障监测方法的可靠性。为避免对正常工况以及其他故障的误报警，可以设置合理的报警值a_d。上文已描述了通过测试探测线圈的第三理论端口电压计算报警值a_d的实施例，此处不赘述。

在一个示例中，报警值a_d落入[0.1,0.2]的范围内。可以在[0.1,0.2]的范围内任意选取一个值作为报警值a_d。通常除旋转整流器二极管故障以外，电枢绕组匝间短路故障下的检测判据C_d值是最大的，如表10所示。电枢绕组匝间短路故障下的检测判据C_d值可能在如表10所示的0.074附近。因此，可以将报警值a_d设置为略大于0.074，如[0.1,0.2]中的任意一个值，这样，可以比较好地避免对除旋转整流器二极管故障以外故障以及正常工况的误报警。

通过测试方式获得的报警值a_d可靠性比较高，有利于比较准确地将电枢绕组故障与正常工况及其他三种故障区分开，从而有利于提高电枢绕组故障监测的灵敏度和可靠性。

另一方面，多相无刷励磁机中高速旋转的整流器，多个二极管有可能同时发生故障。根据本发明实施例，还可以对两管同时故障的工况进行仿真计算。

图19示出11相环形绕组无刷励磁机的旋转整流器的二极管分布的示意图。根据本发明实施例，可以在励磁电压U_fd＝10V，负载电阻R＝10Ω，转速n＝960r/min工况下进行两管开路故障仿真。图20示出两个共阴极管D1和D2开路工况下磁极探测线圈端口电压的仿真波形。图21示出一个共阴极管D2和一个(不在同一桥臂的)共阳极管D3开路工况下磁极探测线圈端口电压的仿真波形。对磁极探测线圈的端口电压进行总体最小二乘旋转不变子空间算法结合模拟退火算法计算，得到两种故障工况下计算所得的检测判据C_d值，结果如表11所示。

表11.不同位置的两管开路故障中磁极探测线圈检测判据C_d值的仿真结果

从表11中可以看出，无论是两个共阴极管开路故障，还是一个共阴极管和一个(不在同一桥臂的)共阳极管开路故障，磁极探测线圈检测判据C_d值都比单管开路故障的0.220更大。一般来说，只要能灵敏检测出一管开路故障，也就可以检测出多管开路故障。

实验和仿真都说明，本发明提出的旋转整流器二极管开路故障的检测方法可以准确检测出单个及多个(不在同一桥臂的)二极管开路故障，具有较高的灵敏性。

通过上述模拟样机的实验、仿真验证，说明可以采用相距P个极下的两个反向串联的子探测线圈的端口电压中除M/P次以外的1/P的奇数倍次谐波分量的总有效值与2M/P的倍数次谐波分量的总有效值之比，来对二极管开路故障进行在线监测。利用正常工况实测数据确定报警值a_d的方案，不仅可以排除有电机制造、安装等带来的误差，并且可以有效地与其他故障进行区分防止误报警情况发生，还能进一步保证对二极管开路故障保持较高的灵敏度。

下面描述对电枢绕组故障的检测。根据表5-9以及图9-18所示的各种工况下的实验结果，计算了各种工况下电枢绕组内部短路和断线故障的检测判据C_a的值(以及旋转整流器二极管故障的检测判据C_d的值)，结果参见表12。

表12.根据各种工况实验数据，得到的检测判据C_a值(以及C_d值)结果

从表12中可以看出，电枢绕组单相断线故障实验中，k_h(1.041)>C_a(0.417)>k_l(0.284)，且此时二极管开路故障监测值C_d(0.028)＜a_d(0.164)，能正确检测到电枢断线故障的发生；电枢相绕组70％匝间短路实验中，无论暂态检测值还是稳态检测值，都满足C_a>k_h，能正确检测到电枢绕组内部短路故障的发生，有助于及时启动电枢绕组内部短路故障保护动作而立即切除故障。

而正常工况、励磁绕组50％匝间短路和单个二极管开路故障中，检测判据C_a值均小于第一阈值k_l(0.284)，不会引起误报警。

上述实验结果验证了电枢绕组内部短路和断线故障检测的可靠性。

另一方面，对旋转整流器的两个二极管同时开路(共阴极管D1与D2同时开路)故障、不相邻的三相绕组同时断线故障，进行了仿真计算，这两种情况下的磁极探测线圈端口电压的仿真波形分别如图20、图21所示。基于仿真结果的C_a值如表13所示。

表13.两管开路、三相断线故障的仿真计算结果及检测判据C_a值(以及C_d值)结果

从表13中的仿真结果可以看出，两个(非同桥臂的)二极管同时开路，引起的电枢绕组内部短路及断线故障检测值C_a(0.207)＜k_l，而且二极管开路故障监测值C_d(0.303)>a_d，不会误报警为电枢绕组断线故障。

而a、e、g三相同时开路，引起的电枢绕组内部短路及断线故障检测值C_a(0.787)在第二阈值k_h与第一阈值k_l之间，而且二极管开路故障监测值C_d＜a_d，能正确检测电枢断线故障。

对上述两个多管开路、多相断线故障的仿真结果，进一步验证了电枢绕组内部短路和断线故障检测的可靠性。

下面用一个较小匝数的电枢绕组内部短路仿真计算，检测电枢绕组内部短路检测判据的灵敏性。在励磁电压U_fd＝10V，负载电阻R＝10Ω，转速n＝960r/min下进行电枢相绕组14％匝间金属性短路(即短路1个线圈)的仿真，计算故障暂态和稳态引起的C_a值，如表14所示。

表14.电枢相绕组14％匝间短路故障(金属性短路)仿真计算的检测判据C_a值

从表14中可以看出，电枢绕组发生小匝数金属性匝间短路故障，故障暂态引起的C_a值是单相断线故障(仿真的C_a值0.347)的4.58倍左右；即使当故障引起的磁极探测线圈端口电压衰减到稳态，检测判据Ca值减小也并不明显。无论在故障暂态还是稳态，C_a值均>k_h(k_h≈1.041)，电枢绕组内部保护机制都能灵敏动作。这个仿真结果说明，本文提出的电枢绕组内部短路检测判据可以对小匝数匝间短路故障进行灵敏的保护。

根据本发明实施例，方法400还可以包括：在确定多相无刷励磁机存在电枢断线故障的情况下，输出报警信息。可选地，在确定多相无刷励磁机存在电枢绕组内部短路故障的情况下，也可以输出对应的报警信息。

报警信息可以是任何能够指示多相无刷励磁机存在电枢绕组故障(例如电枢断线故障)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枢绕组故障，以提示工作人员对多相无刷励磁机进行检修。

与现有的基于定子励磁电流的故障监测方法相比，本发明提供的基于磁极探测线圈的电枢绕组故障监测方法能提高对多相环形绕组无刷励磁系统故障监测的灵敏度和可靠性，在故障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：在确定所述多相无刷励磁机存在电枢绕组内部短路故障的情况下，输出停机指令，所述停机指令用于控制所述无刷励磁机以及与所述无刷励磁机相连接的主发电机停机。

停机指令可以包括关于启动电枢绕组内部短路的保护机制的指令，启动该保护机制之后，系统可以自动控制主发电机和励磁机停机，以免励磁机或主发电机受到损坏。

根据本发明实施例的检测多相无刷励磁机的电枢绕组故障的示例性整体流程可以包括：

(1)、在多相无刷励磁机静止的励磁磁极上安装两个相距P个极的子探测线圈，并将其反向串联，形成磁极探测线圈；

(2)、根据单个二极管开路故障的仿真(或者实验)结果，确定第一阈值k_l(可以称为电枢断线故障的报警值)；根据电枢单相断线故障的仿真(或者实验)结果，确定第二阈值k_h(可以称为电枢绕组内部短路的保护机制的动作值)；

(3)、多相无刷励磁机实际运行时，对磁极探测线圈的端口电压进行实时采样，利用一定方法(如FFT、TLS-ESPRIT+SAA)进行处理，计算其中各种谐波分量的频率与幅值；

(4)、用步骤(3)测取的数据，根据上文描述的公式(1)计算得到多相无刷励磁机运行时的检测判据C_a值；

(5)、若C_a>k_h，说明发生电枢绕组内部短路故障，可以立即启动电枢绕组内部短路保护机制、切除故障并使主发电机及励磁机停机，从而避免故障进一步扩大；若k_h>C_a>k_l，则可以发出断线故障报警。

根据本发明另一方面，提供一种用于检测多相无刷励磁机的电枢绕组故障的系统。图22示出根据本发明一个实施例的用于检测多相无刷励磁机的电枢绕组故障的系统2200的示意性框图。如图22所示，系统2200包括磁极探测线圈2202、电压检测装置2204和处理装置2206。

磁极探测线圈2202包括两个子探测线圈，两个子探测线圈用于在多相无刷励磁机的相距P极的两个磁极中的每个磁极上分别绕制并反向串联以获得串联后的磁极探测线圈，其中，P为多相无刷励磁机的极对数，磁极探测线圈的端口保持开路状态。

磁极探测线圈2202可以利用上文描述的布置方式布置于多相无刷励磁机的磁极上，并且可以将磁极探测线圈2202的线圈首、末端引出以供检测。

电压检测装置2204与所述磁极探测线圈2202的端口连接，用于检测所述磁极探测线圈2202的实际端口电压。

电压检测装置2204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2206与电压检测装置2204连接，用于：

获取通过电压检测装置检测获得的、磁极探测线圈布置在多相无刷励磁机上时的实际端口电压；

计算实际端口电压的各次谐波分量的有效值；

根据以下公式计算在线监测值C_d：

其中，M为多相无刷励磁机的相数，U1_2/P、U1_4/P、…、U1_2(M-1)/P为实际端口电压中2/P的倍数次谐波分量的有效值，U1_2M/P、U1_4M/P、…、U1_2M为实际端口电压中的2M/P的倍数次谐波分量的有效值；

将第一监测值C_a与第一阈值k_l相比较，如果第一监测值C_a大于或等于第一阈值k_l，则确定多相无刷励磁机存在电枢绕组内部短路或电枢断线故障，否则，确定多相无刷励磁机不存在电枢绕组内部短路及电枢断线故障。

处理装置2206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2200中的其它组件以执行期望的功能。处理装置2206与电压检测装置2204之间的连接可以是直接或间接连接。例如，处理装置2206可以通过数据传输线与电压检测装置2204连接，也可以通过无线方式(即网络)与电压检测装置2204连接。

上文已经结合图4-21描述了用于检测多相无刷励磁机的电枢绕组故障的方法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多相无刷励磁机的电枢绕组故障的系统2200中的磁极探测线圈2202、电压检测装置2204和处理装置2206的结构和工作原理，此处不再赘述。

根据本发明实施例，处理装置2206还用于：在计算第一监测值C_a之后，将第一监测值C_a与第二阈值k_h相比较；如果第一监测值C_a大于或等于第一阈值k_l并且小于第二阈值k_h，则确定多相无刷励磁机存在电枢断线故障；如果第一监测值C_a大于或等于第二阈值k_h，则确定多相无刷励磁机存在电枢绕组内部短路故障。

根据本发明实施例，处理装置2206还用于：

在计算第一监测值C_a之后，根据以下公式计算第二监测值C_d：

其中，U1_1/P、U1_3/P、…、U1_(2M+1)/P为实际端口电压中除M/P次以外的1/P的奇数倍次谐波分量的有效值；

将第一监测值C_a与第二阈值k_h相比较，并将第二监测值C_d与报警值a_d相比较；

如果第一监测值C_a大于或等于第一阈值k_l并且小于第二阈值k_h，并且第二监测值C_d小于或等于报警值a_d，则确定多相无刷励磁机存在电枢断线故障。

根据本发明实施例，处理装置2206还用于：获取多相无刷励磁机或与多相无刷励磁机相同类型的样本励磁机的设备参数，其中，设备参数包括以下信息中的一项或多项：励磁机的形状信息和尺寸参数、励磁机各部件的材料参数、励磁绕组的参数、电枢绕组的参数和联接方式、磁极探测线圈的参数、整流器的参数和电路拓扑；

基于设备参数对多相无刷励磁机或样本励磁机以及磁极探测线圈进行仿真，以获得多相无刷励磁机或样本励磁机的励磁机模型以及磁极探测线圈的线圈模型；

基于励磁机模型和线圈模型进行旋转整流器单个二极管开路故障仿真，以获得在多相无刷励磁机或样本励磁机具有旋转整流器二极管开路故障时磁极探测线圈的第一理论端口电压；

计算第一理论端口电压的各次谐波分量的有效值；

根据以下公式计算第一阈值k_l：

其中，U2_2/P、U2_4/P、…、U2_2(M-1)/P为第一理论端口电压中2/P的倍数次谐波分量的有效值，U2_2M/P、U2_4M/P、…、U2_2M为理论端口电压中的2M/P的倍数次谐波分量的有效值，K_ltol为第一裕度系数。

根据本发明实施例，K_ltol的取值范围如下：1.5≤K_ltol≤3。

根据本发明实施例，处理装置2206还用于：

获取多相无刷励磁机或与多相无刷励磁机相同类型的样本励磁机的设备参数，其中，设备参数包括以下信息中的一项或多项：励磁机的形状信息和尺寸参数、励磁机各部件的材料参数、励磁绕组的参数、电枢绕组的参数和联接方式、磁极探测线圈的参数、整流器的参数和电路拓扑；

基于设备参数对多相无刷励磁机或样本励磁机以及磁极探测线圈进行仿真，以获得多相无刷励磁机或样本励磁机的励磁机模型以及磁极探测线圈的线圈模型；

基于励磁机模型和线圈模型进行电枢断线故障仿真，以获得在多相无刷励磁机或样本励磁机具有电枢断线故障时磁极探测线圈的第二理论端口电压；

计算第二理论端口电压的各次谐波分量的有效值；

根据以下公式计算第二阈值k_h：

其中，U3_2/P、U3_4/P、…、U3_2(M-1)/P为第二理论端口电压中2/P的倍数次谐波分量的有效值，U3_2M/P、U3_4M/P、…、U3_2M为理论端口电压中的2M/P的倍数次谐波分量的有效值，K_htol为第二裕度系数。

根据本发明实施例，K_htol的取值范围如下：2≤K_htol≤5。

根据本发明实施例，处理装置2206还用于：

在计算第一监测值C_a之后，获取多相无刷励磁机或与多相无刷励磁机相同类型的样本励磁机在正常运行时测试探测线圈的第三理论端口电压，其中，测试探测线圈采用与磁极探测线圈相同的布置方式布置在多相无刷励磁机或样本励磁机上；

计算第三理论端口电压的各次谐波分量的有效值；

根据以下公式计算报警值a_d：

其中，U4_M/P、U4_3M/P、…、U4_(2P-1)M/P为第三理论端口电压中除M/P次以外的1/P的奇数倍次谐波分量的有效值，U4_2M/P、U4_4M/P、…、U4_2M为第三理论端口电压中的2M/P的倍数次谐波分量的有效值，K_dtol为第三裕度系数。

根据本发明实施例，K_dtol的取值范围如下：2≤K_dtol≤10。

根据本发明实施例，处理装置2206还用于：在确定多相无刷励磁机存在电枢断线故障的情况下，输出对应的报警信息；和/或，在确定多相无刷励磁机存在电枢绕组内部短路故障的情况下，输出停机指令，停机指令用于控制无刷励磁机以及与无刷励磁机相连接的主发电机停机。

根据本发明实施例，处理装置2206通过以下方式计算实际端口电压的各次谐波分量的有效值：结合总体最小二乘旋转不变子空间算法和模拟退火算法来计算实际端口电压的各次谐波分量的有效值。

根据本发明实施例，两个子探测线圈中的每个子探测线圈的匝数为多相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。

根据本发明实施例，系统2200还可以包括：输出装置(未示出)，用于将处理装置2206生成的报警信息输出，以供用户查看。

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，程序指令在运行时用于执行以下步骤：

获取磁极探测线圈布置在多相无刷励磁机上时的实际端口电压，其中，磁极探测线圈包括两个子探测线圈，两个子探测线圈用于在多相无刷励磁机的相距P极的两个磁极中的每个磁极上分别绕制并反向串联以获得串联后的磁极探测线圈，其中，P为多相无刷励磁机的极对数，磁极探测线圈的端口保持开路状态；

计算实际端口电压的各次谐波分量的有效值；

根据以下公式计算第一监测值C_a：

其中，M为多相无刷励磁机的相数，U1_2/P、U1_4/P、…、U1_2(M-1)/P为实际端口电压中2/P的倍数次谐波分量的有效值，U1_2M/P、U1_4M/P、…、U1_2M为实际端口电压中的2M/P的倍数次谐波分量的有效值；

将第一监测值C_a与第一阈值k_l相比较，如果第一监测值C_a大于或等于第一阈值k_l，则确定多相无刷励磁机存在电枢绕组内部短路或电枢断线故障，否则，确定多相无刷励磁机不存在电枢绕组内部短路及电枢断线故障。

在一个实施例中，在程序指令在运行时所用于执行的计算第一监测值C_a的步骤之后，程序指令在运行时还用于执行以下步骤：将第一监测值C_a与第二阈值k_h相比较；如果第一监测值C_a大于或等于第一阈值k_l并且小于第二阈值k_h，则确定多相无刷励磁机存在电枢断线故障；如果第一监测值C_a大于或等于第二阈值k_h，则确定多相无刷励磁机存在电枢绕组内部短路故障。

在一个实施例中，在程序指令在运行时所用于执行的计算第一监测值C_a的步骤之后，程序指令在运行时还用于执行以下步骤：

根据以下公式计算第二监测值C_d：

其中，U1_1/P、U1_3/P、…、U1_(2M+1)/P为实际端口电压中除M/P次以外的1/P的奇数倍次谐波分量的有效值；

将第一监测值C_a与第二阈值k_h相比较，并将第二监测值C_d与报警值a_d相比较；

如果第一监测值C_a大于或等于第一阈值k_l并且小于第二阈值k_h，并且第二监测值C_d小于或等于报警值a_d，则确定多相无刷励磁机存在电枢断线故障。

在一个实施例中，程序指令在运行时还用于执行以下步骤：

获取多相无刷励磁机或与多相无刷励磁机相同类型的样本励磁机的设备参数，其中，设备参数包括以下信息中的一项或多项：励磁机的形状信息和尺寸参数、励磁机各部件的材料参数、励磁绕组的参数、电枢绕组的参数和联接方式、磁极探测线圈的参数、整流器的参数和电路拓扑；

基于设备参数对多相无刷励磁机或样本励磁机以及磁极探测线圈进行仿真，以获得多相无刷励磁机或样本励磁机的励磁机模型以及磁极探测线圈的线圈模型；

基于励磁机模型和线圈模型进行旋转整流器单个二极管开路故障仿真，以获得在多相无刷励磁机或样本励磁机具有旋转整流器二极管开路故障时磁极探测线圈的第一理论端口电压；

计算第一理论端口电压的各次谐波分量的有效值；

根据以下公式计算第一阈值k_l：

其中，U2_2/P、U2_4/P、…、U2_2(M-1)/P为第一理论端口电压中2/P的倍数次谐波分量的有效值，U2_2M/P、U2_4M/P、…、U2_2M为理论端口电压中的2M/P的倍数次谐波分量的有效值，K_ltol为第一裕度系数。

在一个实施例中，K_ltol的取值范围如下：1.5≤K_ltol≤3。

在一个实施例中，程序指令在运行时还用于执行以下步骤：

获取多相无刷励磁机或与多相无刷励磁机相同类型的样本励磁机的设备参数，其中，设备参数包括以下信息中的一项或多项：励磁机的形状信息和尺寸参数、励磁机各部件的材料参数、励磁绕组的参数、电枢绕组的参数和联接方式、磁极探测线圈的参数、整流器的参数和电路拓扑；

基于设备参数对多相无刷励磁机或样本励磁机以及磁极探测线圈进行仿真，以获得多相无刷励磁机或样本励磁机的励磁机模型以及磁极探测线圈的线圈模型；

基于励磁机模型和线圈模型进行电枢断线故障仿真，以获得在多相无刷励磁机或样本励磁机具有电枢断线故障时磁极探测线圈的第二理论端口电压；

计算第二理论端口电压的各次谐波分量的有效值；

根据以下公式计算第二阈值k_h：

其中，U3_2/P、U3_4/P、…、U3_2(M-1)/P为第二理论端口电压中2/P的倍数次谐波分量的有效值，U3_2M/P、U3_4M/P、…、U3_2M为理论端口电压中的2M/P的倍数次谐波分量的有效值，K_htol为第二裕度系数。

在一个实施例中，K_htol的取值范围如下：2≤K_htol≤5。

在一个实施例中，在程序指令在运行时所用于执行的计算第一监测值C_a的步骤之后，程序指令在运行时还用于执行以下步骤：

获取多相无刷励磁机或与多相无刷励磁机相同类型的样本励磁机在正常运行时测试探测线圈的第三理论端口电压，其中，测试探测线圈采用与磁极探测线圈相同的布置方式布置在多相无刷励磁机或样本励磁机上；

计算第三理论端口电压的各次谐波分量的有效值；

根据以下公式计算报警值a_d：

其中，U4_M/P、U4_3M/P、…、U4_(2P-1)M/P为第三理论端口电压中除M/P次以外的1/P的奇数倍次谐波分量的有效值，U4_2M/P、U4_4M/P、…、U4_2M为第三理论端口电压中的2M/P的倍数次谐波分量的有效值，K_dtol为第三裕度系数。

在一个实施例中，K_dtol的取值范围如下：2≤K_dtol≤10。

在一个实施例中，程序指令在运行时还用于执行以下步骤：在确定多相无刷励磁机存在电枢断线故障的情况下，输出对应的报警信息；和/或，在确定多相无刷励磁机存在电枢绕组内部短路故障的情况下，输出停机指令，停机指令用于控制无刷励磁机以及与无刷励磁机相连接的主发电机停机。

在一个实施例中，程序指令在运行时所用于执行的计算实际端口电压的各次谐波分量的有效值的步骤包括：结合总体最小二乘旋转不变子空间算法和模拟退火算法来计算实际端口电压的各次谐波分量的有效值。

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多相无刷励磁机的电枢绕组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 (14)

1.一种用于检测多相无刷励磁机的电枢绕组故障的方法，包括：

在所述多相无刷励磁机的相距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为所述多相无刷励磁机的极对数；

将所绕制的两个子探测线圈反向串联，以获得磁极探测线圈，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实际端口电压；

计算所述实际端口电压的各次谐波分量的有效值；

根据以下公式计算第一监测值C_a：

其中，M为所述多相无刷励磁机的相数，U1_2/P、U1_4/P、…、U1_2(M-1)/P为所述实际端口电压中2/P的倍数次谐波分量的有效值，U1_2M/P、U1_4M/P、…、U1_2M为所述实际端口电压中的2M/P的倍数次谐波分量的有效值；

将所述第一监测值C_a与第一阈值k_l相比较，如果所述第一监测值C_a大于或等于所述第一阈值k_l，则确定所述多相无刷励磁机存在电枢绕组内部短路或电枢断线故障，否则，确定所述多相无刷励磁机不存在电枢绕组内部短路及电枢断线故障；

其中，在计算所述第一监测值C_a之后，所述方法还包括：

将所述第一监测值C_a与第二阈值k_h相比较；

如果所述第一监测值C_a大于或等于所述第一阈值k_l并且小于所述第二阈值k_h，则确定所述多相无刷励磁机存在电枢断线故障；

或，在计算所述第一监测值C_a之后，所述方法还包括：

根据以下公式计算第二监测值C_d：

其中，U1_1/P、U1_3/P、…、U1_(2M+1)/P为所述实际端口电压中除M/P次以外的1/P的奇数倍次谐波分量的有效值；

将所述第一监测值C_a与第二阈值k_h相比较，并将所述第二监测值C_d与报警值a_d相比较；

如果所述第一监测值C_a大于或等于所述第一阈值k_l并且小于所述第二阈值k_h，并且所述第二监测值C_d小于或等于所述报警值a_d，则确定所述多相无刷励磁机存在电枢断线故障。

2.如权利要求1所述的方法，其中，在计算所述第一监测值C_a之后，所述方法还包括：

如果所述第一监测值C_a大于或等于所述第二阈值k_h，则确定所述多相无刷励磁机存在电枢绕组内部短路故障。

3.如权利要求1或2所述的方法，其中，所述方法还包括：

获取所述多相无刷励磁机或与所述多相无刷励磁机相同类型的样本励磁机的设备参数，其中，所述设备参数包括以下信息中的一项或多项：励磁机的形状信息和尺寸参数、励磁机各部件的材料参数、励磁绕组的参数、电枢绕组的参数和联接方式、所述磁极探测线圈的参数、整流器的参数和电路拓扑；

基于所述设备参数对所述多相无刷励磁机或所述样本励磁机以及所述磁极探测线圈进行仿真，以获得所述多相无刷励磁机或所述样本励磁机的励磁机模型以及所述磁极探测线圈的线圈模型；

基于所述励磁机模型和所述线圈模型进行旋转整流器单个二极管开路故障仿真，以获得在所述多相无刷励磁机或所述样本励磁机具有旋转整流器二极管开路故障时所述磁极探测线圈的第一理论端口电压；

计算所述第一理论端口电压的各次谐波分量的有效值；

根据以下公式计算所述第一阈值k_l：

其中，U2_2/P、U2_4/P、…、U2_2(M-1)/P为所述第一理论端口电压中2/P的倍数次谐波分量的有效值，U2_2M/P、U2_4M/P、…、U2_2M为所述理论端口电压中的2M/P的倍数次谐波分量的有效值，K_ltol为第一裕度系数。

4.如权利要求3所述的方法，其中，K_ltol的取值范围如下：1.5≤K_ltol≤3。

5.如权利要求1或2所述的方法，其中，所述方法还包括：

获取所述多相无刷励磁机或与所述多相无刷励磁机相同类型的样本励磁机的设备参数，其中，所述设备参数包括以下信息中的一项或多项：励磁机的形状信息和尺寸参数、励磁机各部件的材料参数、励磁绕组的参数、电枢绕组的参数和联接方式、所述磁极探测线圈的参数、整流器的参数和电路拓扑；

基于所述设备参数对所述多相无刷励磁机或所述样本励磁机以及所述磁极探测线圈进行仿真，以获得所述多相无刷励磁机或所述样本励磁机的励磁机模型以及所述磁极探测线圈的线圈模型；

基于所述励磁机模型和所述线圈模型进行电枢断线故障仿真，以获得在所述多相无刷励磁机或所述样本励磁机具有电枢断线故障时所述磁极探测线圈的第二理论端口电压；

计算所述第二理论端口电压的各次谐波分量的有效值；

根据以下公式计算所述第二阈值k_h：

其中，U3_2/P、U3_4/P、…、U3_2(M-1)/P为所述第二理论端口电压中2/P的倍数次谐波分量的有效值，U3_2M/P、U3_4M/P、…、U3_2M为所述理论端口电压中的2M/P的倍数次谐波分量的有效值，K_htol为第二裕度系数。

6.如权利要求5所述的方法，其中，K_htol的取值范围如下：2≤K_htol≤5。

7.如权利要求1所述的方法，其中，在计算所述第一监测值C_a之后，所述方法还包括：

获取所述多相无刷励磁机或与所述多相无刷励磁机相同类型的样本励磁机在正常运行时测试探测线圈的第三理论端口电压，其中，所述测试探测线圈采用与所述磁极探测线圈相同的布置方式布置在所述多相无刷励磁机或所述样本励磁机上；

计算所述第三理论端口电压的各次谐波分量的有效值；

根据以下公式计算所述报警值a_d：

其中，U4_1/P、U4_3/P、…、U4_(2M+1)/P为所述第三理论端口电压中除M/P次以外的1/P的奇数倍次谐波分量的有效值，U4_2M/P、U4_4M/P、…、U4_2M为所述第三理论端口电压中的2M/P的倍数次谐波分量的有效值，K_dtol为第三裕度系数。

8.如权利要求7所述的方法，其中，K_dtol的取值范围如下：2≤K_dtol≤10。

9.如权利要求1或2所述的方法，其中，所述方法还包括：

在确定所述多相无刷励磁机存在电枢断线故障的情况下，输出对应的报警信息；和/或，

在确定所述多相无刷励磁机存在电枢绕组内部短路故障的情况下，输出停机指令，所述停机指令用于控制所述无刷励磁机以及与所述无刷励磁机相连接的主发电机停机。

10.如权利要求1或2所述的方法，其中，所述计算所述实际端口电压的各次谐波分量的有效值包括：

结合总体最小二乘旋转不变子空间算法和模拟退火算法来计算所述实际端口电压的各次谐波分量的有效值。

11.如权利要求1或2所述的方法，其中，所述两个子探测线圈中的每个子探测线圈的匝数为所述多相无刷励磁机的励磁绕组每极串联匝数的1/10。

12.如权利要求1或2所述的方法，其中，对于所述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。

13.一种用于检测多相无刷励磁机的电枢绕组故障的系统，包括：

磁极探测线圈，包括两个子探测线圈，所述两个子探测线圈用于在所述多相无刷励磁机的相距P极的两个磁极中的每个磁极上分别绕制并反向串联以获得串联后的所述磁极探测线圈，其中，P为所述多相无刷励磁机的极对数，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：

获取通过所述电压检测装置检测获得的、所述磁极探测线圈布置在所述多相无刷励磁机上时的实际端口电压；

计算所述实际端口电压的各次谐波分量的有效值；

根据以下公式计算第一监测值C_a：

其中，M为所述多相无刷励磁机的相数，U1_2/P、U1_4/P、…、U1_2(M-1)/P为所述实际端口电压中2/P的倍数次谐波分量的有效值，U1_2M/P、U1_4M/P、…、U1_2M为所述实际端口电压中的2M/P的倍数次谐波分量的有效值；

将所述第一监测值C_a与第一阈值k_l相比较，如果所述第一监测值C_a大于或等于所述第一阈值k_l，则确定所述多相无刷励磁机存在电枢绕组内部短路或电枢断线故障，否则，确定所述多相无刷励磁机不存在电枢绕组内部短路及电枢断线故障；

其中，所述处理装置还用于：

在计算所述第一监测值C_a之后，将所述第一监测值C_a与第二阈值k_h相比较；

如果所述第一监测值C_a大于或等于所述第一阈值k_l并且小于所述第二阈值k_h，则确定所述多相无刷励磁机存在电枢断线故障；

或，所述处理装置还用于：

在计算所述第一监测值C_a之后，根据以下公式计算第二监测值C_d：

其中，U1_1/P、U1_3/P、…、U1_(2M+1)/P为所述实际端口电压中除M/P次以外的1/P的奇数倍次谐波分量的有效值；

将所述第一监测值C_a与第二阈值k_h相比较，并将所述第二监测值C_d与报警值a_d相比较；

如果所述第一监测值C_a大于或等于所述第一阈值k_l并且小于所述第二阈值k_h，并且所述第二监测值C_d小于或等于所述报警值a_d，则确定所述多相无刷励磁机存在电枢断线故障。

14.一种存储介质，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：

获取磁极探测线圈布置在多相无刷励磁机上时的实际端口电压，其中，所述磁极探测线圈包括两个子探测线圈，所述两个子探测线圈用于在所述多相无刷励磁机的相距P极的两个磁极中的每个磁极上分别绕制并反向串联以获得串联后的所述磁极探测线圈，其中，P为所述多相无刷励磁机的极对数，所述磁极探测线圈的端口保持开路状态；

计算所述实际端口电压的各次谐波分量的有效值；

根据以下公式计算第一监测值C_a：

其中，M为所述多相无刷励磁机的相数，U1_2/P、U1_4/P、…、U1_2(M-1)/P为所述实际端口电压中2/P的倍数次谐波分量的有效值，U1_2M/P、U1_4M/P、…、U1_2M为所述实际端口电压中的2M/P的倍数次谐波分量的有效值；

将所述第一监测值C_a与第一阈值k_l相比较，如果所述第一监测值C_a大于或等于所述第一阈值k_l，则确定所述多相无刷励磁机存在电枢绕组内部短路或电枢断线故障，否则，确定所述多相无刷励磁机不存在电枢绕组内部短路及电枢断线故障；

其中，在所述程序指令在运行时所用于执行的计算所述第一监测值C_a的步骤之后，所述程序指令在运行时还用于执行以下步骤：

将所述第一监测值C_a与第二阈值k_h相比较；

如果所述第一监测值C_a大于或等于所述第一阈值k_l并且小于所述第二阈值k_h，则确定所述多相无刷励磁机存在电枢断线故障；

或，在所述程序指令在运行时所用于执行的计算所述第一监测值C_a的步骤之后，所述程序指令在运行时还用于执行以下步骤：

根据以下公式计算第二监测值C_d：

其中，U1_1/P、U1_3/P、…、U1_(2M+1)/P为所述实际端口电压中除M/P次以外的1/P的奇数倍次谐波分量的有效值；

将所述第一监测值C_a与第二阈值k_h相比较，并将所述第二监测值C_d与报警值a_d相比较；

如果所述第一监测值C_a大于或等于所述第一阈值k_l并且小于所述第二阈值k_h，并且所述第二监测值C_d小于或等于所述报警值a_d，则确定所述多相无刷励磁机存在电枢断线故障。

Images