CN203250006U

CN203250006U - 基于光纤光栅传感技术的大功率电机故障综合监测系统

Info

Publication number: CN203250006U
Application number: CN 201320291922
Authority: CN
Inventors: 姚云飞; 钱祥忠; 柳凌; 崔徐佳
Original assignee: Wenzhou University
Current assignee: Wenzhou University
Priority date: 2013-05-24
Filing date: 2013-05-24
Publication date: 2013-10-23
Anticipated expiration: 2023-05-24

Abstract

本实用新型提供了一种基于光纤光栅传感技术的大功率电机故障综合监测系统，采用光纤光栅温度和应力传感器，通过对电动机定子表面的温度分布、绕组工作电压和电流、电机振动等参量的在线测量，实现对电机温度过高与突变、绕组断相与短路、过压、低压、振动等故障特征综合监测判断。该系统具有本质安全，抗强电磁干扰，便于远程操作和系统联网，稳定性高，可绝对测量，抗传输光强波动起伏能力强等优点。

Description

基于光纤光栅传感技术的大功率电机故障综合监测系统

技术领域

本实用新型属于电机故障综合监测与分析判断领域，具体涉及一种基于光纤光栅传感技术的大功率电机故障综合监测系统。

背景技术

电机的故障包括机械与电气两方面，机械方面有振动、轴承过热等故障；电气方面故障有定子绕组缺相运行，三相电流不平衡，绕组短路和接地绕组过热等。表现为电机温度变化和分布异常、振动异常、绕组电压电流不对称等。可以通过绕组电压、电流、温度分布和振动的在线监测，来对电机的故障进行诊断，从而采取相应的保护措施。

由于缺乏对电动机温度分布的了解，同时考虑到温度测量的困难，设计者在设计电动机保护器时大都是以定子电流为保护依据。考虑到电动机热特性的复杂性，以定子电流为动作依据的电动机保护器虽然能够辨别大部分的故障，但是无法实现准确的超温保护。对于不会引起电流异常的故障，以定子电流为动作依据的电动机保护器则无法实现保护。正常状况下，电机温升都会在一个允许范围内。但是当出现故障或者其它异常情况时，电机温度可能会超过其允许极限值，对电机绝缘造成破坏，降低电机寿命，甚至直接烧坏电机。因此在对电机进行监控保护除了对电机的电流、电压等信号的监控外，也要对电机的温度进行测量。

另外，电机直接转矩控制调速技术，是在保持磁链幅值不变的基础上，通过正确选择定子电压综合矢量来控制定子磁链的旋转速度以控制转矩进而控制电机速度。在直接转矩控制系统中，低速运行时定子电阻上的压降分量增大，不能忽略由定子电阻变化引起的磁链变化。因此，定子电阻的精确观测即定子磁链的准确观测器是改善系统低速性能的关键。目前采用观测器方法来估算定子电阻。而定子电阻的变化主要由其温度决定。如果能在线实时测量出定子电阻（温度），可以更准确和方便地实施电机的直接转矩调速控制。

电机温度测量的方法可分为直接和间接两种。直接测量方法一般就是指利用电机自带的铂电阻、热电偶测温元件，检测电机内部定子、转子温度，实现对电机温度的测量。这种方法虽然比较直观但是需要专门的配套设施，但由于测温元件数量有限，难以测得温度的分布。而对于大功率电机，由于工作在强电磁场和狭小绝缘空间，给电类测温元件的安装和工作带来困难。间接测量方法是用软测量建模对电机温度进行估计，不需要增加任何硬件设施。其原理是根据电机的发热原因，来设计电机温度软测量模型，通过对电机运行数据计算获得电机温度的估计值，难以得到温度变化的动态分布。

在电机装配过程中将光纤光栅植入定子线棒中对大型电机内部温度场实时监测，能实现定子线棒温度的准分布式多点测量。但裸FBG很容易在植入过程中损坏，且温度特性易受绝缘材料影响。采用不锈钢毛细管封装FBG虽然可以抵抗定子线棒加工过程中的高温高压及外力的损害，但对电机绝缘性能、定子转子之间的磁场分布可能会产生影响。对装配完成的电机无法植入光纤光栅温度传感器。

对大功率高压电机绕组的电压和电流故障进行在线监测，电类传感器也不适合。要对大功率高压电机的不同故障进行在线综合监测，要采用不同类型的传感器，给故障信号的解调和传递（特别是远控）带来困难。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服上述不足之处，提供一种基于光纤光栅传感技术的大功率电机故障综合监测系统；该基于光纤光栅传感技术的大功率电机故障综合监测系统安装方便、性能可靠、监测信号可以远距离监控。

本实用新型是通过如下技术方案实现的：

一种基于光纤光栅传感技术的大功率电机故障综合监测系统，包括传感光栅单元和解调单元；

所述传感光栅单元安装在电机上；所述传感光栅单元包括光纤光栅温度传感器、光纤光栅电压传感器、光纤光栅电流传感器、光纤光栅振动传感器；

所述解调单元包括光开关、宽带光源、耦合器、F-P腔调谐滤波器、光电探测器、放大器、A/D转换单元、D/A转换单元、DSP控制单元、单片机控制单元和故障报警显示单元；

宽带光源发出的宽带光经过耦合器、传输光纤和光开关传送到传感光栅单元，传感光栅单元的反射光经传输光纤和耦合器与F-P腔调谐滤波器相连，F-P腔调谐滤波器的输出端与光电探测器相连；光电探测器的输出端经A/D转换单元和DSP控制单元与故障报警显示单元相连；DSP控制单元与单片机控制单元相连，DSP控制单元经D/A转换单元与F-P腔调谐滤波器相连。

进一步的，所述传感光栅单元设置在监测现场，所述解调单元设置在远离监测现场的位置。

进一步的，所述光纤光栅温度传感器通过环氧树脂固化在电机的定子表面。

进一步的，光纤光栅电压传感器和光纤光栅电流传感器安装放置在电源逆变器与接线盒之间的任意位置。

进一步的，所述光纤光栅电压传感器包括压电陶瓷和光纤光栅应力传感器。

进一步的，所述光纤光栅电流传感器包括磁致伸缩管和光纤光栅应力传感器。

进一步的，所述光纤光栅振动传感器包括光纤光栅应力传感器和永磁体，光纤光栅应力传感器的一端固定，另一端与永磁体连接形成自由端。

本实用新型所述的基于光纤光栅传感技术的大功率电机故障综合监测系统，采用光纤光栅温度和应力传感器，通过对电动机定子表面的温度分布、绕组工作电压和电流、电机振动等参量的在线测量，实现对电机温度过高与突变、绕组断相与短路、过压、低压、振动等故障特征综合监测判断。系统具有本质安全，抗强电磁干扰，便于远程操作和系统联网，稳定性高，可绝对测量，抗传输光强波动起伏能力强等优点。

本实用新型采用同一种传感器对电机不同故障进行综合监测，解调系统简单, 具有光纤传感的本质安全、可靠、电绝缘性能优良、探头形式灵活、小型化、便于远程操作和系统联网特色，又有光纤光栅检测重复性好，稳定性高，可绝对测量，抗传输光强波动起伏能力强，可准分布式传感，便于复用技术的开发等优点。

附图说明

图1为传感器安装放置位置示意图；

图2为测量系统组成框图；

图3 实验监测反射光波长随监测点温度变化；

图4 电机绕组电压监测传感器结构；

图5 实验监测反射光波长随监测电压的变化；

图6 实验监测反射光波长随监测电流的变化；

图7 电机振动故障和转速监测传感器结构；

图8 实验监测转轴振动时域信号。

具体实施方式

基于光纤光栅温度传感技术的电机定子温度故障监测的原理为：

光纤光栅通常采用紫外线干涉条纹照射一段的裸光纤，在纤芯产生折射率周期调制，根据光纤光栅的耦合模理论，称光纤周期较短的光栅为Bragg光栅，其基本特性表现为一个反射式的光学滤波器。当宽频的讯号通过光栅时,光栅能把满足Bragg条件的入射光反射,其他波长的光则通过。反射峰值波长称为Bragg波长 ,与光纤的有效折射率

和光栅周期Λ满足如下关系

（1）

式(1)确定了光纤光栅Bragg波长与光栅周期和反向藕合模的有效折射率的关系,在理论上给出了解释光纤光栅在外部环境光纤光栅传感响应:即光纤光栅Bragg波长的漂移是由外界作用使得光栅周期和反向耦合模的有效折射率这两个参量的改变所引起的，从而通过检测光纤光栅Bragg波长的漂移量，就测量出外界情况如温度、压力、振动等的变化。

通过一定的封装设计，使外界温度的变化导致

与Λ发生改变，即可使FBG达到对其敏感，光纤光栅反射光中心波长和温度有着非常好的的线性关系。FBG反射光中心波长的改变

与温度变化的关系为：

（2）

式（2）中

为光纤的热膨胀系数，为光纤的热光系数。检测出反射光中心波长

、中心波长的变化

和中心波长的变化率

，就能得到对应时刻测量处的温度T、温度变化

和温度的变化率

，从而判断电机温度分布、测量处温度是否有过热、温度变化异常等故障，如定子绕组槽内匝间短路故障。

基于光纤光栅应力传感技术的电机定子转子绕组电压故障监测的原理为：

采用光纤光栅与压电材料相结合的电压探头，应用逆压电效应，Bragg反射光中心波长的改变

与外加电压U之间的关系为：

（3）

式（3）中K_U为与压电体的应变常数、光弹系数、长度和泊松比有关的参数，对给定的光纤光栅与压电材料相结合的电压探头，K_U可以看作常数。因此，电压作用使Bragg反射光中心波长与电压成线性变化。检测出反射光中心波长的变化

，就能得到对应时刻测量处的电压U，从而判断绕组电压是否有过压、低压、断相、电源电压不对称、三相电源不平衡等故障。

基于光纤光栅应力传感技术的电机绕组电流故障监测的原理为：

本方案采用磁致伸缩管与光纤光栅连接构成的电流探头，应用磁致伸缩效应，电流产生磁场，磁场引起磁致伸缩管材料的应力变化，电流导致光纤光栅发生轴向应变，使光纤光栅的反射光中心波长发生变化。Bragg反射光中心波长的改变

与外加电流I之间的关系为：

（4）

式（4）中K_I为与磁致伸缩管的结构、光弹系数、长度等有关的参数，对给定的磁致伸缩管与光纤光栅连接构成的电流探头，K_I可以看作常数。因此，电流作用使Bragg反射光中心波长与电流成线性变化。检测出反射光中心波长的变化

及其变化率

，就能得到对应时刻测量处的电流I及其变化率

，从而判断绕组电流是否有突变、断相、相间短路、三相电流不平衡等故障。

基于光纤光栅应力传感技术的电机绕组槽内匝间短路和转子温度故障监测的原理为：

利用光纤光栅应力传感器与压电材料相结合的电压探头，磁致伸缩管与光纤光栅连接构成的电流探头，测量出钉子转子绕组的电压U和电流I，计算出不同温度对应的绕组电阻R=U/I，利用式（5）计算出电机定子转子绕组的温度T和温度变化及其变化率

，从而判断电机绕组槽内匝间短路、转子温度过热、温度变化异常等故障。

（5）

式(5)中，为电机所处的室温，为温度

时转子的电阻值，R是温度T时电机转子的电阻值，β是电阻的温度系数。

基于光纤光栅应力传感技术的电机振动故障和转速监测的原理为：

应用永磁体与转轴之间的磁力与距离有关的特性，采用永磁体与光纤光栅应力传感器连接构成的振动和转速探头，将光纤光栅应力传感器一端固定，另一端与永磁体连接形成自由端，当出现转子动平衡不好，轴承不良、转轴弯曲、转子不同轴等情况时，电机转动发生振动，永磁体与转轴之间的磁力随两者间距离而变化，导致光纤光栅发生轴向应变，使光纤光栅的反射光中心波长发生变化。电机转动发生振动使永磁体与转轴之间的距离随时间的改变呈现周期性的变化，该距离信号的变化幅度反映转轴的振动幅度，该距离信号的频率即是转轴的转速。

本实用新型所述基于光纤光栅传感技术的大功率电机故障综合监测系统，包括传感光栅单元和解调单元；

传感光栅单元的安装放置方式为：对于已经装配完成的电机，为了监测定子绕组的温度分布，利用耐温环氧树脂将裸光纤光栅温度传感器固化在定子表面，由于现有技术能在一个光纤上制备多个不同反射光中心波长的光栅，根据电机温升范围计算出每个光栅的光波长变化范围，在波长范围不重合的要求下设计测量点数。可以根据需要，采用光开关来扩大测量点数。根据定子温度分布的现有电类温度传感器的测量和仿真结果，在高温区域（如接线盒区域的传动侧绕组端部附近）传感器放置距离可以小点，从而能能准确地测量出定子温度分布和高温准确位置。

电压和电流可以从电源逆变器的输出端或接线盒直接采集测量，光纤光栅电压和电流传感器可以安装放置在电源逆变器与接线盒之间的任意位置。图1为传感器安装放置位置示意图。

图1中：1：定子，1-1n(n=1,2,3,…,k)：定子表面光纤光栅温度传感器，1-2n(n=1,2,3)：定子绕组光纤光栅电流传感器，1-3n(n=1,2,3): 定子绕组光纤光栅电压传感器，2：转子，2-2n(n=1,2,3)：转子绕组光纤光栅电流传感器，2-3n(n=1,2,3): 转子绕组光纤光栅电压传感器3：转轴, 3-1：转轴光纤光栅振动传感器，测量信号的解调。如图2所示，解调单元包括光开关、宽带光源、耦合器、F-P腔调谐滤波器、光电探测器、放大器、A/D转换单元、D/A转换单元、DSP控制单元、单片机控制单元和故障报警显示单元；

宽带光源发出的宽带光经过耦合器和传输光纤传送到每个传感器中，不同温度、电压、电流和振动对应的不同波长反射光经过F-P腔调谐滤波器。当F-P 腔滤波器的导通中心波长与光纤光栅的反射波长相等时，探测器能探测到最大光强。经光电探测器转换成电信号。此电信号的峰值对应于光纤光栅反射光的中心波长，也对应于测量点的温度、电压、电流和振动，再经过放大、A/D变换单元变换成数字信号由DSP控制单元处理，同时DSP向F-P腔调谐滤波器提供锯齿扫描电压，改变F-P腔的腔长，在某电压值F-P腔调谐滤波器的透射光波长与光纤光栅传感器反射的波长相同。DSP控制单元用于传感器反射信号经光电转换后电信号的处理、F-P腔扫描电压的提供、故障的判断等，实现测量参数的显示与故障报警。单片机控制单元用于系统的整体控制。传感光栅位于监测现场，而解调系统可以远离监测场所。所以，通过传输光纤将传感光栅反射的包含温度信息的光信号传输到远处的解调系统，从而使得传感测量区域仅出现光波，保证了系统的本质安全。光纤F-P滤波器通过改变外加扫描驱动电压解调出该光波长的变换。

电机温度分布与温度故障监测的实施为：

根据光纤光栅反射光中心波长与温度关系式（1）和式（2），利用光纤光栅温度传感器实施电机温度分布的监测。电机定子转子温度一般在120℃以内，光纤光栅温度传感器在-50℃~150℃范围内反射光中心波长与温度都具有很好的线性关系，反射率大于90%。

宽带光源采用S+L波段的SLED，宽带光源平坦带宽取1525-1575nm。

光栅温度传感器中心波长和个数设计时，每个温度传感器的温度变化范围为-50℃~150℃，灵敏度系数一般为0.01nm/℃，每路可以带20个波长变化范围2nm、范围间隔1nm的温度传感器。利用1х4的四路光开关，可以使用80个温度探头，即图1中的k可以为1，2，……，80，不同路上的光栅中心波长可以相同。

采用熔接方法或用法兰盘连接方法减小光栅连接时的光损耗。

利用耐温环氧树脂将裸光纤光栅温度传感器固化在定子表面，在接线盒区域的传动侧绕组端部附近等温度分布较高区域，传感器放置距离小点，以便能能准确地测量出定子温度分布和高温准确位置。实验监测反射光中心波长为1529.2nm的光纤光栅温度传感器，其反射光波长随监测点温度变化如图3所示。

电机绕组电压与电压故障监测的实施为：采用压电陶瓷与光纤光栅应力传感器相结合成为电压传感探头,结构如图4所示，被测电压通过两端电极41作用在压电陶瓷42上，压电陶瓷42发生形变使对光纤光栅应力传感器43施加轴向应力, 通过测量反射光谱的中心波长位移量来达到电压，判断绕组电压是否有过压、低压、断相、电源电压不对称、三相电源不平衡等故障。实施中的压电陶瓷采用锆钛酸铅压电叠堆来提高压电陶瓷形变量，压电叠堆片数为150片。实验监测无被测电压时反射光波长为1528.6nm的光纤光栅电压传感器，其反射光波长随监测电压变化如图5所示。

电机绕组电流与电流故障监测的实施为：采用磁致伸缩管与光纤光栅连接构成的电流探头，磁致伸缩材料放在空心螺旋管内部，被测电流通入螺旋管，在管内产生磁场，磁致伸缩材料长度发生变化，对光纤光栅施加轴向应力，通过测量反射光谱的中心波长位移量来达到电流，判断绕组电流是否有突变、断相、相间短路、三相电流不平衡等故障。实验监测无被测电流时反射光波长为1555.2nm的光纤光栅电流传感器，其反射光波长随监测电流变化如图6所示。

利用上述电机绕组电压和电流故障监测的实施方式，可以实施对电机绕组槽内匝间短路和转子温度的监测，对否有电机绕组槽内匝间短路、转子温度过热、温度变化异常等故障进行综合判断。

电机转轴振动故障与转速监测的实施为：实施的监测结构如图7所示。光纤光栅应力传感器71一端固定，另一端与永磁体72连接形成自由端，永磁体72与电机转轴73之间的作用力随两者之间距离而变化。当出现转子动平衡不好、转子不同轴等情况时，电机转动发生振动，永磁体72与转轴73之间的距离发生变化，两者的作用力也随之变化，导致光纤光栅发生轴向应变，使光纤光栅的反射光中心波长发生变化。光波长的变化幅度反映转轴的振动幅度，变化频率就是转轴的转速。实验测得的转轴振动时域信号如图8所示。使用傅里叶变换将所得时域信号的数据转换到频域，得出信号频率，即转速。

Claims

1.一种基于光纤光栅传感技术的大功率电机故障综合监测系统，其特征在于，包括传感光栅单元和解调单元；

2.根据权利要求1所述的基于光纤光栅传感技术的大功率电机故障综合监测系统，其特征在于，所述传感光栅单元设置在监测现场，所述解调单元设置在远离监测现场的位置。

3.根据权利要求1所述的基于光纤光栅传感技术的大功率电机故障综合监测系统，其特征在于，所述光纤光栅温度传感器通过环氧树脂固化在电机的定子表面。

4.根据权利要求1所述的基于光纤光栅传感技术的大功率电机故障综合监测系统，其特征在于，光纤光栅电压传感器和光纤光栅电流传感器安装放置在电源逆变器与接线盒之间的任意位置。

5.根据权利要求1所述的基于光纤光栅传感技术的大功率电机故障综合监测系统，其特征在于，所述光纤光栅电压传感器包括压电陶瓷和光纤光栅应力传感器。

6.根据权利要求1所述的基于光纤光栅传感技术的大功率电机故障综合监测系统，其特征在于，所述光纤光栅电流传感器包括磁致伸缩管和光纤光栅应力传感器。

7.根据权利要求1所述的基于光纤光栅传感技术的大功率电机故障综合监测系统，其特征在于，所述光纤光栅振动传感器包括光纤光栅应力传感器和永磁体，光纤光栅应力传感器的一端固定，另一端与永磁体连接形成自由端。