RU2150711C1 - Device for detection of short-circuited turns in armature winding and inductor of synchronous machine - Google Patents
Device for detection of short-circuited turns in armature winding and inductor of synchronous machine Download PDFInfo
- Publication number
- RU2150711C1 RU2150711C1 RU99108173A RU99108173A RU2150711C1 RU 2150711 C1 RU2150711 C1 RU 2150711C1 RU 99108173 A RU99108173 A RU 99108173A RU 99108173 A RU99108173 A RU 99108173A RU 2150711 C1 RU2150711 C1 RU 2150711C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- input
- output
- filter
- winding
- load
- Prior art date
Links
Landscapes
- Control Of Eletrric Generators (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к электротехнике, а именно к устройствам контроля технического состояния синхронных машин и может быть использовано для обнаружения витковых замыканий в обмотках работающей машины. The invention relates to electrical engineering, in particular to devices for monitoring the technical condition of synchronous machines and can be used to detect coil faults in the windings of a running machine.
Известно устройство контроля витковых замыканий в обмотке ротора электрической машины, которое работает по принципу анализа амплитудных значений импульсов напряжения, наведенных в электромагнитном датчике, который установлен в воздушном зазоре, вблизи поверхности вращающегося возбужденного ротора генератора (патент N 1831744 кл. H 02 H 7/03, опубл. 1993 г.). Амплитуда импульсов зависит от полного тока в пазах каждой катушки, а значит, от наличия виткового замыкания в ней. Импульсы коммутируются в соответствующие ячейки памяти с последующим сравнением их амплитуд. При появлении виткового замыкания выдается сигнал во внешние устройства сигнализации и защиты. Данное устройство обладает большой чувствительностью, однако при этом необходимо размещение датчика в воздушном зазоре машины, для чего требуется внесение изменений в ее конструкцию. Кроме того, данное устройство позволяет обнаруживать витковое замыкание только в обмотке ротора машины. A known device for monitoring winding circuits in the rotor winding of an electric machine, which operates on the principle of analyzing the amplitude values of voltage pulses induced in an electromagnetic sensor mounted in the air gap, near the surface of a rotating excited generator rotor (patent N 1831744 class. H 02 H 7/03 , publ. 1993). The amplitude of the pulses depends on the total current in the grooves of each coil, and therefore on the presence of a coil circuit in it. The pulses are switched into the corresponding memory cells, followed by a comparison of their amplitudes. When a short circuit occurs, a signal is output to external alarm and protection devices. This device has great sensitivity, however, it is necessary to place the sensor in the air gap of the machine, which requires changes to its design. In addition, this device allows to detect a winding circuit only in the winding of the rotor of the machine.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков к предлагаемому устройству является устройство, реализующее способ защиты обмоток якоря и индуктора синхронной машины от витковых замыканий, основанный на измерении высокочастотных составляющих тока и напряжения в обмотке индуктора, а также тока в цепи обмотки якоря (а. с. N 1192020, кл. H 02 H 7/06, опубл. 1985 г. ). В зависимости от уровня высокочастотных составляющих в обмотке индуктора и тока нагрузки в обмотке якоря формируется сигнал на отключение нагрузки и на гашение поля, в результате чего происходит полный останов машины. Достоинствами прототипа является возможность обнаружения витковых замыканий как в обмотке ротора, так и в обмотке статора за счет наличия двух каналов получения информации. В то же время наличие датчиков в цепях обмоток машины приводит к снижению надежности работы устройства и к удорожанию технологии его изготовления. Кроме того, необходимость нескольких промежуточных преобразователей ограничивает быстродействие схемы защиты. The closest set of essential features to the proposed device is a device that implements a method of protecting the windings of the armature and inductor of a synchronous machine from coil faults, based on measuring the high-frequency components of the current and voltage in the winding of the inductor, as well as the current in the armature winding circuit (a.N. 1192020, class H 02 H 7/06, publ. 1985). Depending on the level of high-frequency components in the inductor winding and the load current in the armature winding, a signal is generated to disconnect the load and to damp the field, resulting in a complete stop of the machine. The advantages of the prototype is the ability to detect coil faults both in the rotor winding and in the stator winding due to the presence of two channels for obtaining information. At the same time, the presence of sensors in the winding circuits of the machine leads to a decrease in the reliability of the device and to an increase in the cost of its manufacturing technology. In addition, the need for several intermediate converters limits the speed of the protection circuit.
Изобретение направлено на снижение стоимости осуществления контроля технического состояния электрической машины, повышение надежности и быстродействия схемы защиты. The invention is aimed at reducing the cost of monitoring the technical condition of an electric machine, increasing the reliability and speed of protection schemes.
Сущность изобретения состоит в том, что от известного устройства защиты обмоток якоря и индуктора синхронной машины от витковых замыканий, содержащего блок фиксации аварийных режимов работы, устройство формирования сигнала защиты, управляемую систему возбуждения и катушку отключения нагрузки, предлагаемое устройство отличается тем, что снижение стоимости осуществления контроля технического состояния машины, повышение надежности и быстродействия схемы защиты достигается за счет введения трех датчиков электромагнитной индукции, установленных на внешней поверхности корпуса машины, по оси симметрии обмоток статора, сдвинутых относительно друг друга на 120o, оси чувствительности которых направлены вдоль радиальной составляющей индукции внешнего магнитного поля и выходы которых подключены ко входам усилителя, выход которого подключен ко входу фильтра высокочастотных составляющих и ко входу фильтра основной гармоники, причем выход фильтра высокочастотных составляющих подключен ко входу амплитудного компаратора, выход которого подключен к первому входу блока фиксации аварийных режимов работы, а выход фильтра основной гармоники подключен ко входу компаратора высокого уровня и ко входу компаратора низкого уровня, выходы которых подключены соответственно ко второму и третьему входам блока фиксации аварийных режимов работы, выход которого подключен ко входу устройства формирования сигнала защиты, один из выходов которого подключен ко входу катушки отключения нагрузки, а второй ко входу управляемой системы возбуждения.The essence of the invention lies in the fact that from the known device for protecting the windings of the armature and inductor of a synchronous machine from coil circuits, containing a block for fixing emergency operation modes, a device for generating a protection signal, a controlled excitation system and a load disconnect coil, the proposed device is characterized in that the cost of implementation is reduced monitoring the technical condition of the machine, increasing the reliability and speed of the protection circuit is achieved by introducing three sensors of electromagnetic induction, mounted on the outer surface of the machine body, along the axis of symmetry of the stator windings, shifted relative to each other by 120 o , the sensitivity axis of which are directed along the radial component of the induction of the external magnetic field and whose outputs are connected to the inputs of the amplifier, the output of which is connected to the input of the filter of high-frequency components and the input of the fundamental harmonic filter, and the output of the high-frequency component filter is connected to the input of the amplitude comparator, the output of which is connected to the first input of the fix block emergency operation modes, and the main harmonic filter output is connected to the input of the high-level comparator and to the input of the low-level comparator, the outputs of which are connected respectively to the second and third inputs of the emergency operation fixing unit, the output of which is connected to the input of the protection signal generating device, one of the outputs of which are connected to the input of the load shedding coil, and the second to the input of the controlled excitation system.
Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором представлена структурная схема предлагаемого устройства. The invention is illustrated in the drawing, which shows a structural diagram of the proposed device.
Устройство контроля витковых замыканий в обмотке якоря и индуктора синхронной машины содержит три электромагнитных датчика 1, 2, 3, размещенных на внешней поверхности корпуса машины, сдвинутых относительно друг друга на 120o, по оси симметрии обмоток статора и оси чувствительности которых ориентированы вдоль радиальной составляющей индукции внешнего магнитного поля машины, а их выходы подключены ко входу усилителя 4. Выход усилителя 4 подключен ко входу фильтра высокочастотных составляющих 5 и ко входу фильтра основной гармоники 6. Выход фильтра высокочастотных составляющих 5 связан через амплитудный компаратор 7 с первым входом блока фиксации аварийных режимов работы 8, а выход фильтра основной гармоники 6 подключен ко входу компаратора высокого уровня 9 и ко входу компаратора низкого уровня 10, выходы которых подключены соответственно ко второму и третьему входам блока фиксации аварийных режимов работы 8. Выход блока фиксации аварийных режимов работы 8 подключен к входу устройства формирования сигнала защиты 11, выдающим сигнал на отключение нагрузки в катушку отключения нагрузки 12 и в управляемую систему возбуждения 13 синхронного генератора 14.The control device for winding circuits in the winding of the armature and inductor of a synchronous machine contains three electromagnetic sensors 1, 2, 3, located on the outer surface of the machine body, 120 o offset from each other, along the axis of symmetry of the stator windings and the sensitivity axis of which are oriented along the radial component of the induction external magnetic field of the machine, and their outputs are connected to the input of the amplifier 4. The output of the amplifier 4 is connected to the input of the filter of high-frequency components 5 and to the input of the filter of the fundamental harmonic 6. Output f liter of high-frequency components 5 is connected through an amplitude comparator 7 to the first input of the emergency operation fixing unit 8, and the output of the fundamental harmonic filter 6 is connected to the input of the high level comparator 9 and to the input of the low level comparator 10, the outputs of which are connected respectively to the second and third inputs of the block recording emergency operation 8. The output of the recording unit for emergency operation 8 is connected to the input of the device forming the signal of protection 11, which gives a signal to disconnect the load to the trip coil load 12 and into a controlled excitation system 13 of a synchronous generator 14.
Работа устройства заключается в следующем. The operation of the device is as follows.
Известно, что пространственный гармонический анализ внешнего магнитного поля (ВМП) электрических машин является надежной основой для выявления многих отклонений от нормального или "идеального" их состояния (Волохов С.А., Добродеев П.Н., Кильдишев А.В. Диагностирование обрыва стержня клетки ротора асинхронного электродвигателя. //Электротехника, 1998, N2, с. 13-15). Поэтому в качестве диагностического признака витковых замыканий в обмотке якоря и индуктора синхронной машины используются появляющиеся изменения в ее ВМП, а именно изменения в спектральном составе индукции. По закону электромагнитной индукции на выходе датчиков 1-3, в качестве которых используются преобразователи индукционного типа, появляется переменный электрический сигнал, спектральный состав которого полностью соответствует спектру индукции ВМП. Сигналы с датчиков поступают на вход усилителя 4, с выхода которого усредненный и усиленный до уровня, необходимого для устойчивой работы фильтров сигнал поступает на входы фильтров высших гармоник 5 и основной гармоники 6. Фильтр высокочастотных составляющих настроен на граничную частоту, при которой гарантируется подавление основной гармоники, и выпрямленный сигнал с его выхода, соответствующий значению высших гармоник, поступает на вход амплитудного компаратора 7, порог срабатывания которого соответствует напряжению с датчика, при котором уровень высших гармоник индукции ВМП является предельно допустимым. Фильтр основной гармоники 6 представляет собой узкополосный фильтр с полосой пропускания 50 Гц, с выхода которого выпрямленный сигнал поступает на вход компаратора высокого уровня 9 и на вход компаратора низкого уровня 10. Необходимо заметить, что уровень основной гармоники индукции ВМП будет определяться характером нагрузки. It is known that spatial harmonic analysis of the external magnetic field (VMP) of electric machines is a reliable basis for identifying many deviations from their normal or "ideal" state (Volokhov S.A., Dobrodeev P.N., Kildishev A.V. Diagnosis of rod breakage rotor cells of an asynchronous electric motor. // Electrical Engineering, 1998, N2, p. 13-15). Therefore, as a diagnostic sign of winding circuits in the winding of the armature and inductor of a synchronous machine, the appearing changes in its VMP are used, namely, changes in the spectral composition of induction. According to the law of electromagnetic induction, at the output of sensors 1-3, which are used as induction-type converters, an alternating electrical signal appears, the spectral composition of which completely corresponds to the induction spectrum of the electromagnetic field. The signals from the sensors are fed to the input of the amplifier 4, the output of which is averaged and amplified to the level necessary for stable operation of the filters, the signal is fed to the inputs of the filters of the highest harmonics 5 and fundamental harmonic 6. The filter of the high-frequency components is tuned to the cut-off frequency at which the suppression of the fundamental harmonic is guaranteed , and the rectified signal from its output, corresponding to the value of higher harmonics, is fed to the input of the amplitude comparator 7, the response threshold of which corresponds to the voltage from the sensor, at torus VMP level of higher harmonics of induction is the maximum permissible. The fundamental harmonic filter 6 is a narrow-band filter with a passband of 50 Hz, from the output of which the rectified signal is fed to the input of a high level comparator 9 and to the input of a low level comparator 10. It should be noted that the fundamental level of the HFM induction will be determined by the nature of the load.
В первом случае, при активно-индуктивном характере нагрузки, уровень основной гармоники поля будет уменьшаться вследствие размагничивающего действия реакции якоря. Во втором случае, при активно-емкостном характере нагрузки, уровень основной гармоники поля будет увеличиваться вследствие намагничивающего действия реакции якоря. Поэтому при увеличении тока нагрузки до некоторого максимального допустимого значения, в первом случае, уровень основной гармоники будет уменьшаться до некоторого минимального допустимого значения, а во втором случае - увеличиваться до некоторого максимального допустимого значения. При максимальном допустимом значении тока нагрузки техническое состояние конкретного типа машины идентифицируется еще как исправное. In the first case, with the active-inductive nature of the load, the level of the fundamental harmonic of the field will decrease due to the demagnetizing effect of the armature reaction. In the second case, with the active-capacitive nature of the load, the level of the fundamental harmonic of the field will increase due to the magnetizing effect of the armature reaction. Therefore, if the load current increases to a certain maximum permissible value, in the first case, the level of the fundamental harmonic will decrease to a certain minimum permissible value, and in the second case, it will increase to a certain maximum permissible value. At the maximum permissible value of the load current, the technical condition of a particular type of machine is also identified as good.
При исправном состоянии генератора и работе его на максимально допустимую нагрузку на выходе фильтров 5, 6 образуются сигналы, недостаточные для срабатывания компараторов 7, 9, 10, и на выходе блока фиксации аварийных режимов работы 8 устанавливается сигнал низкого уровня. При появлении витковых замыканий в обмотке индуктора в спектре индукции ВМП значительно увеличивается амплитуда и состав высокочастотных гармоник, что приводит к превышению сигналом на выходе фильтра 5 порога срабатывания компаратора 7, в результате чего компаратор 7 срабатывает, и на его выходе образуется сигнал высокого уровня. When the generator is in good condition and operating at its maximum permissible load, the signals generated by the filters 5, 6 are insufficient to trigger the comparators 7, 9, 10, and a low level signal is established at the output of the emergency operation fixing unit 8. When coil faults appear in the inductor winding in the induction spectrum of the HFM, the amplitude and composition of high-frequency harmonics increase significantly, which leads to the signal at the filter output 5 exceeding the threshold of the comparator 7, as a result of which the comparator 7 is triggered, and a high level signal is generated at its output.
При появлении витковых замыканий в якорной обмотке, когда генератор работает на активно-емкостную нагрузку, амплитуда основной гармоники, выделенная фильтром 6, увеличится, в результате чего сигнал на входе компаратора высокого уровня 9 превысит порог его срабатывания, соответствующего максимальному допустимому значению тока при таком характере нагрузки. В этом случае превышение амплитуды основной гармоники выше максимального допустимого значения, рассчитанного для конкретного типа машины, вызывает срабатывание компаратора максимального значения 9, на выходе которого образуется сигнал высокого уровня. When there are coil faults in the armature winding, when the generator is operating on an active capacitive load, the amplitude of the fundamental harmonic allocated by the filter 6 will increase, as a result of which the signal at the input of the high level comparator 9 will exceed its operation threshold corresponding to the maximum allowable current value with this nature load. In this case, the excess of the amplitude of the fundamental harmonic above the maximum allowable value calculated for a particular type of machine causes the comparator to operate at a maximum value of 9, at the output of which a high level signal is generated.
В том случае, когда генератор работает на активно-индуктивную нагрузку, появление витковых замыканий в обмотке якоря приведет к уменьшению основной гармоники, выделенной фильтром 6 ниже минимального допустимого значения, соответствующего максимальному допустимому значению тока при таком характере нагрузки, что вызовет срабатывание компаратора минимального значения 10 и образование на его выходе сигнала высокого уровня. In the case when the generator is operating on an active-inductive load, the appearance of coil faults in the armature winding will lead to a decrease in the fundamental harmonic selected by filter 6 below the minimum allowable value corresponding to the maximum allowable current value with such a load nature that it will cause the minimum value comparator to trip 10 and the formation of a high level signal at its output.
В случае наличия хотя бы одного сигнала высокого уровня на входах блока фиксации аварийных режимов работы 8, который представляет собой логическую схему ИЛИ, на его выходе также образуется сигнал высокого уровня, что является для устройства формирования сигнала защиты 11 командой для формирования сигнала на гашение поля в систему возбуждения 13 и на катушку отключения нагрузки 12, после чего происходит полный останов машины. If there is at least one high-level signal at the inputs of the emergency operation lock unit 8, which is an OR logic circuit, a high-level signal is also generated at its output, which is a protection signal generating device 11 command for generating a field blanking signal the excitation system 13 and the load disconnect coil 12, after which the machine stops completely.
Для настройки порогов срабатывания компараторов 7, 9, 10, соответствующих максимальному и минимальному допустимому значению основной гармоники индукции ВМП при различных характерах нагрузки для конкретного типа машины, используется известная математическая модель (Романов В.В., Смирнов В.А. Расчет индукции на внешней поверхности корпуса турбогенератора // Электричество, 1984, N8, с. 8-13). To set the thresholds for the operation of comparators 7, 9, 10, corresponding to the maximum and minimum permissible values of the main harmonic of the induction of the magnetic field for various types of load for a particular type of machine, a well-known mathematical model is used (Romanov V.V., Smirnov V.A. the surface of the turbine generator housing // Electricity, 1984, N8, p. 8-13).
Учет характера нагрузки осуществляется при расчете порогов срабатывания компараторов 7, 9, 10, путем ввода в формулу для расчета амплитудного значения радиальной составляющей основной гармоники индукции на поверхности корпуса машины уравнения, связывающего величину индукции в воздушном зазоре и линейную тоновую нагрузку (Рябуха В.И. Оптимизация проектирования электрических машин. - Л.: Изд-во Ленингр. ун-та, 1984, с.15). The nature of the load is taken into account when calculating the response thresholds of the comparators 7, 9, 10, by entering into the formula for calculating the amplitude value of the radial component of the fundamental harmonic of the induction on the surface of the machine body an equation relating the magnitude of the induction in the air gap and the linear tone load (Ryabukha V.I. Optimization of the design of electrical machines. - L.: Publishing House of Leningrad University, 1984, p.15).
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU99108173A RU2150711C1 (en) | 1999-04-16 | 1999-04-16 | Device for detection of short-circuited turns in armature winding and inductor of synchronous machine |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU99108173A RU2150711C1 (en) | 1999-04-16 | 1999-04-16 | Device for detection of short-circuited turns in armature winding and inductor of synchronous machine |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2150711C1 true RU2150711C1 (en) | 2000-06-10 |
Family
ID=20218787
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU99108173A RU2150711C1 (en) | 1999-04-16 | 1999-04-16 | Device for detection of short-circuited turns in armature winding and inductor of synchronous machine |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2150711C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2629708C1 (en) * | 2016-09-19 | 2017-08-31 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет" | Method for diagnosing turn faults in rotor winding of synchronous generator |
-
1999
- 1999-04-16 RU RU99108173A patent/RU2150711C1/en active
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2629708C1 (en) * | 2016-09-19 | 2017-08-31 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет" | Method for diagnosing turn faults in rotor winding of synchronous generator |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Faiz et al. | Comprehensive review on inter‐turn fault indexes in permanent magnet motors | |
| US8373952B2 (en) | Integrated DC link inductor and common mode current sensor winding | |
| CN105891652B (en) | Method and apparatus for detecting short circuit fault of rectifier diode of alternator | |
| US4136312A (en) | Method and apparatus for detection of rotor faults in dynamoelectric machines | |
| Irhoumah et al. | Detection of the stator winding inter-turn faults in asynchronous and synchronous machines through the correlation between harmonics of the voltage of two magnetic flux sensors | |
| US20130235618A1 (en) | Frequency converter and method for identifying and blocking a fault current in a frequency converter | |
| Cuevas et al. | Noninvasive detection of winding short-circuit faults in salient pole synchronous machine with squirrel-cage damper | |
| CA2313180C (en) | Motor winding contamination detector and detection | |
| US20110084671A1 (en) | Method for monitoring an electrodynamic machine | |
| WO2013136098A1 (en) | Method for rotor winding damage detection in rotating alternating machines by differential measurement of magnetic field by using two measuring coils | |
| Liang et al. | Asymmetrical stator and rotor faulty detection using vibration, phase current and transient speed analysis | |
| WO2020128058A1 (en) | Method for determination of a location of a short circuit fault in a generator arrangement, generator arrangement, wind turbine, computer program and electronically readable medium | |
| US20120229144A1 (en) | Electric rotating machine | |
| Cash et al. | Insulation failure prediction in induction machines using line-neutral voltages | |
| Irhoumah et al. | Diagnosis of induction machines using external magnetic field and correlation coefficient | |
| RU2150711C1 (en) | Device for detection of short-circuited turns in armature winding and inductor of synchronous machine | |
| US5532574A (en) | Brushless exciter protection circuit | |
| GB2038119A (en) | Protecting against subsynchronous oscillations | |
| US8305021B2 (en) | Dual purpose permanent magnet speed sensor and generator | |
| Wieser et al. | The integration of machine fault detection into an indirect field oriented induction machine drive control scheme-the Vienna Monitoring Method | |
| JPH07312823A (en) | Dc leak detection and protective device | |
| CN104483612A (en) | Harmonic analysis anti-interference method | |
| Sabir et al. | Detection and localization of electrical faults in a three phase synchronous generator with rectifier | |
| US4331882A (en) | Method and means for detecting spurious electrical signals in an electrical power system | |
| CN113678007B (en) | Short circuit detection device and short circuit detection method |