CN1504759A

CN1504759A - 用于检测感应电机中电动机内部故障的方法和装置

Info

Publication number: CN1504759A
Application number: CNA200310116969A
Authority: CN
Inventors: Tg; T·G·哈贝特勒
Original assignee: Eaton Corp
Current assignee: Eaton Intelligent Power Ltd
Priority date: 2002-12-05
Filing date: 2003-12-03
Publication date: 2004-06-16
Anticipated expiration: 2023-12-03
Also published as: EP1427082B1; CN100487475C; US6822839B2; EP1427082A2; EP1427082A3; US20040109267A1; ES2454018T3

Abstract

本发明涉及一种用于确定电动机内部故障信息状况的监测系统(10)。从运转中的感应电机(14)获得电压和电流数据。然后，由所述电压和电流数据确定传递到所述感应电机的无功功率和有功功率(48)，然后使用对所述有功功率和无功功率的频谱的检查确定负载和电动机状况。特别是，可以检查对无功功率频谱的分析以发现与电动机内部故障相关的信息，从而可以检查所述有功功率的频谱以发现与电动机驱动或负载相关的故障。

Description

用于检测感应电机中电动机内部故障的方法和装置

技术领域

本发明一般涉及感应电机的监测以及，更具体的地说，涉及用于在感应电机中确定电动机故障信息的方法和装置。

背景技术

电动机，例如三相AC感应电动机被用于各种商业和工业环境中。制冷系统，印刷机，装配线，以及许多其它的应用都使用这样的电动机。不论是何种应用，及时地检测电动机的故障是至关重要的。一般地，直到所述的电动机完全损坏为止，电动机的故障并不能被检测出来，因此将产生因过量的花费，停工延误并修理，以及潜在的危险的情形而造成的损害的情况。结果需要高效地并且有效地检测电动机的故障。

当诸如电动机或发电机的感应电机出现机械的或电气的问题时，在需要它们完全失效之前确定所述的问题。一些问题能够导致感应电机的崩溃或是过早的失效。例如：电气不平衡，未对准，气隙，和转子不平衡能够导致感应电机的不正确的运转。电机的内部缺陷例如轴承故障，在制造过程中对电机引入材料及结构的缺陷，以及过热可以产生其它的问题。

典型的电动机监测系统监测提供给感应电动机的有功功率，将其作为所述电动机及其驱动的负载的健康/状况的指示。然而，传输进感应电机或电动机的有功功率依赖于外部因素或电动机本身以外的考虑。经常对提供给感应电动机有功功率进行检查，以便确定归因于电机的负载的以及电机本身的故障条件。例如，对感应电动机频谱有功功率中非期望的谐波或对期望的谐波的扰动的监测将提供与负载和电动机的组合相关联的故障信息。然而，相对于电动机内部的故障来说，有功功率的频谱中的谐波据信是对负载故障的更好的指示。这样，将难以辨识属于电动机本身的故障还是负载或电动机驱动的故障。

因此，已经开发了一些方法以便区分电动机内部故障和属于电机负载的故障。这些方法中的一种使用感应电机三相中的电流和电压值估算基本上不受电机扭距作用影响的电流。这种方法将估算的电流值与实际的电流值进行比较以确定是否存在故障。这样，需要为感应电机的运转建模，或者另一种方案是，产生为一个以上的感应电机所共用的一组基线值。然而，生成非给定电机所特有的基线值没有将每台电机运转中的细微差别考虑在内，这可导致不正确或是错误的故障状况检测。此外，这种方法需要计算电动机中的磁链，这增加了复杂性以及状况监测系统的花费。

因此，希望设计一种更有效的系统以分辩感应电机中电动机的内部故障。

发明概述

本发明涉及一种状况监测系统，用于确定感应电机中的电动机内部故障，它克服了上述的缺点。根据本发明，从运转的感应电动机中获得电压以及电流数据。从所述的电压和电流数据中，计算“d”轴以及“q”轴的电压和“d”轴以及“q”轴的电流。然后，对所述的轴电压和轴电流进行参考坐标变换(reference frame transformation)。从变换的电压和电流值中，确定瞬间的无功以及传递到所述的感应电机的有功功率。然后，使用对所述的瞬间有功功率以及瞬间无功功率的检查确定负载和电动机故障信息。特别是，对瞬间无功功率的频谱分析提供对电动机内部故障的指示，而瞬间有功功率的频谱提供对电动机驱动或负载故障的指示。

因此，根据本发明的一个方面，提供了一种用于在状况监测系统中用于识别负载和电动机故障信息的方法。所述的方法包括同时采样正在运行的感应电机的电压和电流数据的步骤。然后，用一部分电压和电流采样数据确定无功功率的指标。所述的方法进一步包括用所述的无功功率的指标确定电动机内部的故障的步骤。

根据本发明的另一个方面，一种感应电机监测系统包括至少一个电压传感器和至少一个电流传感器，以及连接于所述的电压传感器和电流传感器的控制器。所述的控制器被配置为从所述的至少一个电压传感器和至少一个电流传感器接收电压和电流数据，并且由这些电压和电流数据确定瞬间无功功率。所述的控制器被进一步配置用于产生所述的瞬间无功功率的频谱，并且至少由所述的频谱确定电动机故障。

根据本发明的另一个方面，提供了一种用于区分电动机故障和交流感应电动机负载故障的装置。所述的装置包括用于获得至少两个交流电动机电流信号的至少两个电流传感器，以及用于获得至少两个交流电动机电压信号的至少两个电压传感器。提供模数转换器用于将所述的至少两个交流电动机信号转换成数字化的电流信号，并且将所述的至少两个交流电动机电压信号转换成数字化的电压信号。所述装置进一步包括微处理器，用于接收所述的数字化信号并且将瞬间无功功率与一组基线无功功率进行比较以确定电动机中的电动机故障。

本发明可以使用硬件以及/或软件实现。这样，在本发明的一个方面中，使用存储有计算机程序的计算机可读存储介质以确定交流感应电动机中的故障。所述的计算机程序表示一组指令，当它们被计算机执行时，将使得计算机监测其上具有负载且已知是正常运转的交流电动机的运转。然后使所述的计算机由所述模型确定基线运行。所述的一组指令进一步使计算机获得运转的交流电动机的实时电压和实时电流数据，并且用所述的实时电压和实时电流数据确定交流电动机的无功功率。然后，计算机比较所述的无功功率和基线运转，并且由此确定交流电动机中所存在的故障状态。

根据本发明的另一个方面，一种用于交流感应电动机的电动机故障探测器包括用于获得运转中的交流电动机的电压和电流数据的装置。所述的探测器还包括用所述的交流电动机的电压和电流数据确定瞬间无功功率的装置。本发明还提供了用于由所述的瞬间无功功率确定交流电动机的内部故障的装置。

从下面的详细说明以及附图中，可以明白本发明的各种特征，目的，以及优点。

附图说明

附图表示了目前构思的用于实施本发明的一种最佳实施例。在附图中：

图1是根据本发明的一种感应电机监测系统的示意图；

图2是用于图1中所示的感应电动机监测系统的故障检测方案的方块图。

优选实施例的详细描述

本发明的操作环境将结合图1中所示的三相交流感应电动机进行说明。然而，应当理解，本发明同样适用于单相或多相交流电动机以及其它类型的电动机。

图1～2表示了一种结合有根据本发明的故障检测方案的电动机故障探测器。参看图1，电动机故障探测系统10包括通过传输线16a，16b以及16c与电动机14相连的电源12。系统10还包括带有模数转换器20(A/D转换器)的通用计算机18，它用来监测通过传输线16a～16c传输给电动机14的电流和电压。电流传感器或变换器22a和22b获得传送到电动机14的电流的波形，并且通过传输线24a和24b将波形的表示传送到A/D转换器20。电压传感器或变换器26a和26b获得提供给电动机14的电压的波形，并且通过传输线28a和28b将波形的表示传送到A/D转换器20。A/D转换器20接收所述的电流和电压的波形表示并且将其数字化以便容易地获得所述波形的测量。所述的计算机具有微处理器30，它从A/D转换器20处接收数字化的信号，并且执行使得所述的微处理器30分析所述的数字化的信号的计算机程序，这将参照图2进行说明。

计算机18包括与微处理器30相连的超控端子，当其被启动时允许交流感应电动机14的用户超控微处理器30的输出。这种超控对于延迟关机以及在不管电动机的故障而必须继续进行处理的情况下的重要应用是有用的。微处理器30通过输出端子34向电动机14的使用者输出数据。

如结合图2将更详细地说明的，本发明使用在本领域中公知的一般被称为参考坐标变换的变换。与快速傅立叶变换(FFT)不同，参考坐标变换是一种变换数字数据的技术，它允许数据的连续变换。与参考坐标变换不同，在获得可用的结果之前，在对数字化的数据执行FFT之前需要进行几轮的数据收集。尽管本发明将结合参考坐标变换的实施进行说明，同样也可以使用FFT。

现在参考图2，它表示用于在交流感应电动机中分离电动机和驱动负载故障的过程36。过程36可以由硬件，软件，或是它们的任意的组合实现。这样，对于过程36的步骤，其在下面将要说明，作为软件实现的计算机程序的作用或者专用硬件实现的功能是等价的。过程36从38开始，在40从带有负载的运行中的交流感应电动机获得两个线-线电压以及两个线-线电流，。由所述的两个线-线电压以及两个线-线电流，在42计算两相电压和两相电流数据。用于确定两相电压和两相电流的算法是众所周知的，并且下面列出了所使用的公式。特别是，所述的q轴电压可以定义为：

v_q＝(2/3)v_ab+(1/3)v_bc 公式1

其中v_ab是一个线-线电压，并且v_bc是另一个线-线电压。

d轴电压定义为：

v_d＝-[1/sqrt(3)]v_bc 公式2

所述的q轴电流通常被作为一个线电流的电流值。这样，q轴电流可以定义为：

i_q＝i_a 公式3

其中i_a等于一个线-线电流。

所述的d轴电流可以定义为：

i_d＝-[1/sqrt(3)](i_a+2i_b) 公式4

其中i_b是另一个线-线电流值。

如前面指出的，在优选实施例中，使用了参考坐标变换。这样，在44确定参考坐标变换角。所述的变换角是q轴电压和d轴电压的函数，并且可以由下式定义：

θ＝tan^-1(-v_d/v_q) 公式5

一旦在44确定了参考坐标变换角，电压和电流值就被变换到旋转坐标(rotating reference)。可以根据下式得到参考坐标电流和电压值：

v_{q_es}＝v_qcosθ+v_dsinθ 公式6

i_{q_es}＝i_qcosθ+i_dsinθ 公式7

i_{d_es}＝i_qsinθ-i_dcosθ 公式8

由于功率由电压和电流的乘积确定，本发明包括在48计算瞬时有功功率和瞬时无功功率。瞬时有功功率可以定义为：

p＝v_{q_es}i_{q_es} 公式9

并且瞬时无功功率可以定义为：

q＝v_{q_es}i_{d_es} 公式10

可以分析所述的瞬时有功功率以确定电动机驱动或负载故障，而分析所述的瞬时无功功率以确定电动机内部出现的故障。

为了区分电动机驱动故障和电动机内部故障，在50确定瞬时有功功率的频谱以及瞬时无功功率的频谱，将它们分别作为负载和电动机状况的指示。这样，所述的瞬时无功功率的频谱可以用于指示电动机全面良好，而瞬时有功功率的频谱可以用作对正在传递给负载的扭距以及电动机状况的指示。因此，为了确定所述电动机的状况，最好进行瞬时无功功率的频谱的检查。在频谱分析中，进行检查以确定非期望的谐波或者期望的谐波的改变。特别感兴趣的是与电动机旋转速度相关的谐波。然而，也可以检查其它的谐波以确定故障信息。

对于瞬时有功功率和瞬时无功功率，可以建立一个门限，使得如果瞬时值超过了所述的门限值，控制器或计算机就自动地关闭所述的感应电机。此外，如果超过所述门限，也可以不是自动切断感应电机，而是发出警告或报警指示，例如声音报警/视觉报警。另外，本发明构思了多个门限，使得超过一个门限表示可能出现问题，超过了一个更高的门限将指示出现了这样的故障，使得所述的感应电机需要停机保养或修理。所述的状态监测过程在52结束。

在本发明的另一个实施例中，当已知正在正常状况下运行时，为所述的感应电机或电动机建模。这样，可以将被确定的瞬时有功功率和瞬时无功功率与模型的基线值进行比较，以便确定负载和电动机内部故障的存在，以及相对于特定的电动机的正常运转这些故障的程度。然后，可以建立专用于一种感应电机的门限。

所述的无功功率的频谱可以包括与负载或电动机驱动故障相联系的谐波。即，无功功率的频谱不是内部电动机故障所独有的。然而，相对于有功功率的频谱，无功功率的频谱是确定电动机特有的故障信息的较好的关注点。此外，本发明充分减少所述的电动机驱动故障信息以提供关于电动机内部故障状况的可用信息。本领域的技术人员可以理解，为了获得电动机的谐波特有的频谱，需要去耦电机上的负载，以及/或附加的数学计算、滤波、或类似的处理，以便从无功功率的频谱中去除负载故障信息。

因此，在根据本发明的一个实施例中，提供了一种在状况监测系统中识别负载和电动机故障信息的方法。所述的方法包括同时采样运转中的感应电机的电压和电流数据的步骤。然后，由采样电压和电流数据的一部分确定无功功率的指标。所述方法还包括使用所述的无功功率的指标确定电动机内部故障的步骤。

根据本发明的另一个实施例，一种感应电动机监测系统包括至少一个电压传感器和至少一个电流传感器，以及连接于所述的电压传感器和电流传感器的控制器。所述的控制器被配置用于从所述的至少一个电压传感器和至少一个电流传感器接收电压和电流数据，并且由所述的电压和电流数据确定瞬时无功功率。所述的控制器被进一步配置用于产生所述的瞬间无功功率的频谱，并且至少使用所述的频谱确定电动机故障。

根据本发明的另一个方面，提供一种用于区分电动机故障和交流感应电动机中的负载故障的装置。所述的装置包括用于获得至少两个交流电动机电流信号的至少两个电流传感器，以及用于获得至少两个交流电动机电压信号的至少两个电压传感器。提供模数转换器用于将所述的至少两个交流电动机信号转换成数字化的电流信号，并且将所述的至少两个交流电动机电压信号转换成数字化的电压信号。所述装置还包括微处理器，以便接收所述的数字化信号并且将瞬间无功功率与一组基线无功功率进行比较以确定电动机中的电动机故障。

本发明可以使用硬件或软件实现。这样，在本发明的一个方面中，提供了其上存储有用来确定交流感应电动机中的故障的计算机程序的计算机可读存储介质。所述的计算机程序表示一组指令，当它们被计算机执行时，将使得计算机监测其上具有负载且已知是正常运转的交流电动机的运转。然后，使所述的计算机从模型中确定基线运行。所述的一组指令进一步还使得计算机获得运转的交流电动机的实时电压和实时电流数据，并且由所述的实时电压和实时电流数据确定交流电动机的无功功率。然后，计算机比较所述的无功功率和基线运转，并且由此确定交流电动机中故障状态的存在。

根据本发明的另一个方面，一种用于交流感应电动机的电动机故障探测器包括用于获得运转中的交流电动机的电压和电流数据的装置。所述的探测器还包括用所述的交流电动机的电压和电流数据确定瞬间无功功率的装置。本发明同样也提供用于由所述的瞬间无功功率确定所述的交流电动机的内部故障的装置。

已经根据最佳实施例对本发明进行了说明，并且应该认识到，除了已被清楚地说明的之外，一些等同的、可替换的，以及改型的技术方案都是可能的，并且都在所附的权利要求的范围内。

Claims

1.一种在状况监测系统中识别负载和电动机故障信息的方法，包括如下步骤：

同时采样运行中的感应电机的电压和电流数据(40)；

由部分采样的电压和电流数据确定无功功率的指示(48)；以及

使用所述的无功功率的指示确定电动机内部的故障。

2.如权利要求1所述的方法，还包括由另一部分采样的电压和电流数据确定有功功率的指示(48)，并且由所述的有功功率的指标确定负载故障的步骤。

3.如权利要求2所述的方法，还包括确定有功功率的频谱和无功功率的频谱(50)的步骤。

4.如权利要求3所述的方法，还包括分析所述的无功功率的频谱以确定电动机故障，并且分析所述的有功功率的指示的频谱以确定负载故障的步骤。

5.如权利要求4所述的方法，其中所述的负载故障包括电动机驱动故障。

6.如权利要求1所述的方法，还包括如下步骤：

由采样的电压和电流数据确定两相电压和两相电流值(42)；

由所述的两相电压值确定参考坐标变换角(44)；以及

将两相电压和两相电流值(46)变换到一个旋转坐标系。

7.如权利要求1所述的方法，其中所述的无功功率是瞬时无功功率。

8.一种感应电动机监测系统(10)包括：

至少一个电压传感器(26a，26b)和至少一个电流传感器(22a，22b)；以及

控制器(18)，其和所述的至少一个电压传感器(26a，26b)以及至少一个电流传感器(22a，22b)相连，并且被配置用于：

从所述的至少一个电压传感器(26a，26b)以及至少一个电流传感器(22a，22b)接收电压和电流数据；

由所述的电压和电流数据确定瞬时无功功率(48)；

产生所述的瞬时无功功率的频谱(50)；并且

至少由所述的频谱确定电动机故障。

9.如权利要求8所述的系统，其中所述的至少一个电压传感器(26a，26b)包括一对电压传感器(26a，26b)，它们被配置用于获得感应电动机(14)的两相的线-线电压，并且所述的至少一个电流传感器(22a，22b)包括一对电流传感器(22a，22b)，它们被配置用于获得感应电动机(14)的两相的线-线电流，并且其中的控制器(18)还被配置用于由所述的电压和电流数据确定两相电压和两相电流值(42)。

10.如权利要求8所述的系统，其中所述控制器(18)还被配置用于确定参考坐标变换角(44)，并且使用参考坐标变换以所述的参考坐标变换角将所述的两相电压和两相电流值(46)变换到旋转坐标系。

11.如权利要求10所述的系统，其中所述的控制器(18)进一步被配置用于由所述的变换后的两相电压和变换后的两相电流值确定所述的瞬时无功功率。

12.如权利要求11所述的系统，其中所述的控制器(18)进一步被配置用于由所述的变换后的两相电压和变换后的两相电流值确定所述的瞬时有功功率。

13.一种在交流感应电动机(14)中区分电动机故障和负载故障的装置，所述的装置包括：

用于获得至少两个AC电动机电流信号的至少两个电流传感器(22a，22b)；

用于获得至少两个AC电动机电压信号的至少两个电压传感器(26a，26b)；

用于将所述的至少两个AC电动机电流信号转换为数字化信号并且将所述的至少两个AC电动机电压信号转换为数字化信号的模数转换器(20)；以及

用于接收所述数字化信号，并且将瞬时无功功率与一组基线无功功率值进行比较以确定电动机内的电动机故障的微处理器。

14.如权利要求13所述的装置，其中所述的微处理器(30)计算所述的瞬时无功功率值(50)的频谱，并且将所述的频谱与基线无功功率频谱进行比较以确定所述的电动机故障。

15.如权利要求13所述的装置，其中所述的微处理器(30)在计算所述的瞬时无功功率值(50)之前，对所述的数字化信号应用参考坐标变换(46)。

16.如权利要求13所述的装置，其中所述的微处理器(30)由所述的数字化信号计算瞬时有功功率值(48)，并且将所述的瞬时有功功率值与一组基线有功功率值进行比较以确定交流电动机(14)的电动机驱动故障。

17.如权利要求16所述的装置，其中所述微处理器(30)计算所述的瞬时有功功率值(50)的频谱，并且将所述的频谱与基线有功功率频谱进行比较以确定所述的电动机驱动故障。

18.一种其上存储有计算机程序的计算机可读存储介质，所述的程序用于确定交流感应电动机(14)中的故障，并表示一组指令，所述的指令被计算机执行时将使计算机：

为其上带有负载并且已知是正常运转的交流电动机建模，并且由此确定基线运转；

获得运转中的交流电动机(14)的实时电压和实时电流数据(40)；

由所述的实时电压和实时电流数据确定所述的交流电动机(14)的无功功率(48)；

将所述的无功功率与所述的基线运转进行比较；以及

至少由所述的比较确定所述的交流电动机(14)中的故障状态的存在。

19.如权利要求18所述的计算机可读存储介质，其中所述的一组指令还使得计算机在发现所述的交流电动机中出现了故障时发出警报。

20.如权利要求18所述的计算机可读存储介质，其中所述的一组指令还使得计算机对所述的实时电压和实时电流数据(46)应用参考坐标变换。

21.如权利要求18所述的计算机可读存储介质，其中所述的一组指令还使得计算机产生所述无功功率(50)的频谱，并且在控制台上显示所述的频谱以便使用者进行可视的分析。

22.如权利要求21所述的计算机可读存储介质，其中所述的一组指令还使计算机相对于所述的基线运转显示所述的无功功率频谱，以便可视地指示交流电动机(14)中的故障状况。

23.一种用于交流感应电动机(14)的故障探测器，所述的探测器包括：

用于接收运转中的交流电动机(14)的电压和电流数据的装置；

用于由所述的电压和电流数据确定交流电动机(14)的瞬时无功功率的装置；以及

用于由所述的瞬时无功功率确定交流电动机(14)内部故障的装置。