CN103620354B - 用于监测去磁的方法 - Google Patents

Abstract

一种用于发现诸如风力发电机之类的永磁同步发电机的去磁故障的方法。在同步发电机工作期间执行该方法，并且包括测量定子（11）的振动，对振动（12）执行频率分析，并且从振动分析推断出该发电器是否遭受永磁体（13）去磁。另外，几何偏心度故障和短路故障也可以从振动（12）中检测出。

Description

用于监测去磁的方法

技术领域

本发明涉及用于监测诸如发电机之类的永磁同步电机的***。尤其是涉及例如在用于风力发电的永磁同步发电机中监测同步发电机的永磁体的磁性故障。

背景技术

在发电厂实现高可靠性的一个重要因素是提供具有状态监测***的诸如风力发电机的发电机，以便于检测早期阶段的故障。本发明的目的是提供一种用于检测和识别永磁同步发电机（PMSG）、尤其用于风力永磁同步发电机的磁性故障的改进的诊断方法。永磁同步发电机是风力发电工业中一种常见的机器。对去磁进行检测是重要的，因为去磁导致机器性能的降低。已经存在基于监测发电机的反EMF（电动势）和定子电流的用于检测去磁的方法。

然而，当对那些指标进行检测时，存在可能给出错误信息的风险，因为其它故障条件产生与去磁相似的特征。

US7,324,008（D1）描述了使用有限元方法（FEM）分析来分析电机，其中分析至少一个故障状态，从而能够预测故障状态的影响。FEM分析的结果可以被用于通过机器的带电测量结果来识别所分析的故障（参见D1，摘要）。D1描述了一种横向磁通电机，但也建议了，可以将对故障的类似FEM分析用于其他电机（参见D1，第7栏，第26-50行）。D1建议模拟磁性故障和磁性故障对磁通的影响，使得通过“探测线圈”，磁通的测量可以被用作磁性故障的标志（参见D1，第1栏，第46-51行）。D1所描述的方法提供了用于检测故障的手段，该故障由于过热和/或去磁而降低磁体的磁场强度（参见D1，第6栏，第15-16行）。

在该技术领域中，监测转子轴承也是重要的。风力涡轮发电机的转子轴承的状态通常通过测量轴承附近的振动而被监测。

D1建议分析其它故障状态，诸如机械和电气失调，而且还建议除了用于感应磁通量的线圈（参见D1，第7栏，第27-31行），还使用诸如温度、振动和电流传感器之类的其他传感器用来检测该机器。

本发明涉及永磁同步电机的诊断，尤其是检测发电机的磁性故障，并且提供了使用探测线圈的可替代方案。

文章“Static-,Dynamic-,andMixed-EccentricityFaultDiagnosesinPermanent-MagnetSynchronousMotors”，Ebrahimietal，IEEE工业电子学汇刊（IEEETRANSACTIONSONINDUSTRIALELECTRONICS），第56卷，第11期，2009年11月4727，（D4）指出了静态、动态和混合偏心率如何影响当前频谱，该频谱具有定子电流频率的边带分量上的振幅。而且，D4描述了电流频谱如何受到去磁、短路故障和断路故障的影响，并能够通过不产生边带分量而区别于偏心故障。本发明提供一种用于发现去磁的电流频谱分析的替换方案，如D4所述，但也可以与这种定子电流分析一起使用。

D1和D4被认为是最相关的现有技术文献，但是下面将参考一些文献，它们涉及解决除了发现同步电机中永磁体去磁之外的其它技术问题。

US2011/0018727（D2）描述了一种用于执行风力涡轮发电机故障诊断的方法和设备，其中传感器监测风力发电机，并且分析来自传感器的信号以检测指示故障的异常现象。D2中描述的方法评估了（参见D2，图1）电信号（电压、电流）、振动信号和温度信号。对该电信号和振动信号分别进行频谱分析（参见D2，附图标记110和120）（诸如FFT或快速傅立叶变换）。对该频谱进行特征分析（参见D2，附图标记140和142）和异常检测（参见D2，附图标记150和154）。温度瞬变被检测，并且温度异常被识别（参见D2，附图标记156）。根据分别检测电的和振动频谱以及温度的异常，可以断定该发电机***具有电气或者机械故障（参见D2，第[0009]段）。来自加速计的振动信号以及由发电机电压信号确定的电压特征可以被用于检测潜在的偏心故障（参见D2，第[0010]段）。该文献以一般方式描述了发电机，并且没有描述磁性故障的检测，尤其是没有检测永磁同步发电机中的磁性故障。

振动信号的分析已经被用于诊断电机的故障，参见JoverRodriguez,P.V.,2007,"Current-,Force-,andVibration-BasedTechniquesforInductionMotorConditionMonitoring",博士论文，赫尔辛基工业大学，芬兰(D3),其可在如下地址查询到http://lib.tkk.fi/Diss/2007/isbn9789512289387/isbn9789512289387.pdfD3描述了分析异步电机中的定子振动频谱。该研究的目的是为了发现感应电机故障的最好指标，以及用于监测感应电机的状态的合适的技术。D3描述了当电机在故障状态下工作时，电磁力对振型的影响。另外，D3描述了一种方法，该方法允许预测机电故障在感应电机的应力分布以及振型中的影响。在D3中，利用FEM计算，其示出了当工作在电气故障下时作用在电机定子上的应力分布。示出的这些应力分量能够产生电机定子中的强制振动。其结果由振动测量所支持。低频分量能构成状态监测***中的主要指标。D3使用振动分析来检测感应电机的故障，其中故障是损坏的转子条、损坏的端环、匝间短路、轴承和偏心故障。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于检测磁性问题的方法，其易于使用，而且是可靠的。本发明提供了一种用于检测永磁同步电机磁性故障的方法，该永磁同步电机包括具有绕组以及用于电机电流的端子的定子、和设置有永磁体的转子，该转子被可转动地布置在该定子内。通过检测和识别磁性故障，尤其是永磁体的去磁，促进了机器的修复，因为更换该转子的永磁体将除去该故障并且提高性能。基于这些目的，本发明提供了一种根据权利要求1的用于监测同步电机中永磁体去磁的方法。同步电机操作期间执行该方法。根据权利要求1的该方法包括测量该定子的振动，对该振动执行频率分析，基于定子供电频率（f_S）下的振动幅值是否超过阈值，确定该机器是否遭受永磁体去磁。

虽然，此申请主要描述了永磁同步发电机的监测和故障分析，本发明对于永磁同步电机的监测和故障分析也是有益的。

根据本发明的一个实施例，该方法进一步包括基于旋转频率（f_R）下的振动幅值是否超过阈值来确定该机器是否遭受永磁体去磁的步骤。

同步电机中永磁体的去磁影响了该定子供电频率（f_S）和该转子旋转频率（f_R）下的振动频谱。监测该定子供电频率（f_S）下的振动可以被用于发现磁性故障，并将该磁性故障与诸如电动和几何故障之类的其它故障区分开。而且，监测旋转频率下的振动幅值使得磁性故障的演绎更清晰。

对该振动的测量提供了简单的方式来监测去磁。本发明使得推断出永磁同步电机遭受仅来自振动的永磁体去磁的影响成为可能。该振动测量可以包括通过振动传感器检测振动，该振动传感器被固定到该定子的框架或者被固定到该定子。例如，本发明方法可以通过以下步骤被实现；将诸如加速度计或者多个加速度计之类的振动传感器定位及固定到该定子框架；测量该定子框架的振动；分析来自该加速度计的振动信号频率，识别指示去磁的频率幅值，并且确定该发电机是否遭受永磁体去磁。

不需要探测线圈或者其它的电气测量。去磁故障可以从该定子的供电频率下或该转子的旋转频率下的振动幅值识别出。

该方法可被实施于能够连接到永磁同步发电机的监测装备，例如将加速度计附接到该定子框架，或者将已经安装的加速度计连接到监测装备的设置有该诊断装置的计算设备。

或者，该方法可被实施于例如具有风力涡轮机的风力发电站的控制***中，风力涡轮机包括永磁同步发电机，该控制***接收来自振动传感器的振动信号，该振动传感器被固定在该发电机的各自定子框架上，通过分析该振动信号和从这些振动信号的频谱中检测磁性故障，该方法被实施于这种控制***中。

本发明提供了一种方法，其可被用于识别仅来自振动的去磁。除了对该振动的感测，也可进行电流的测量。在一个实施例中，该方法包括测量该定子的至少一个电流，优选为每个支路电流，并且执行针对电流的频率分析，诸如针对每个支路电流的频率分析。优选地，该方法包括监测该电流频谱的频率，以便在电流或者多个电流中找到这种故障的标示，该电流频谱指示电气故障、磁性故障和/或几何故障。在一个实施例中，该***包括用于定子电流的频率分析的装置，以及基于该频率分析确定故障的装置。

附图说明

图1示出了根据本发明的用于检测去磁故障的方法。

图2示出了根据本发明的用于检测故障的***。

图3图示了指示去磁故障的振动频谱。

具体实施方式

图1图示了一种用于检测永磁同步发电机上的磁性故障的方法。该方法开始于从永磁同步发电机获取11振动信号。对所获得的信号进行频率分析12，其中振动信号被分解到频率频谱中，并计算出每个频率的幅值。对于静止的情况，频率分析12适于通过FFT分析（快速傅里叶变换）等来执行，或者，例如由于风速的变化，在瞬变期间使用离散小波变换。故障发电机振动频率的频谱中的幅值可能与那些正常工作的发电机不同。频谱被因此接受故障分析（步骤13），其监测振动频率的幅值以发现发电机中的故障，尤其是发电机永磁体的去磁。更详细地，该故障分析步骤监测定子供电频率（f_S）下和转子旋转频率（f_R）下的振动幅值。在振动频谱中这两种频率的增加的水平表示转子中永磁体磁性水平的偏差。获取步骤11可以包括多个子步骤，例如，将振动或诸如一个或多个加速器计之类的运动传感器以及可能作为替代或附加的电子陀螺仪定位及固定到定子或定子紧固至的框架上。获取步骤11还可以包括以下子步骤，通过传感器测量振动，以及把振动信号传递给故障分析装备，其包括接收故障分析装备中的振动信号。

本发明的优选实施例包括检测除了去磁故障之外的其它故障，其它故障是诸如静态或动态偏心度或混合偏心率之类的几何故障，以及诸如定子绕组的短路之类的电气故障。D3中使用的类似的FEM建模技术可以被用于提供用于所讨论的永磁同步发电机的故障检测的可靠的诊断方法。

图1的方法图示了获取14和分析15每个定子支路电流的频率作为可选的步骤（如虚线所示）以提供用于故障分析13的增强的基础。在这样的实施例中，故障分析器适于从定子电流和定子振动推断磁性、电气和几何故障。

故障分析13之后可以是随后校正检测到的故障（步骤16），诸如替换故障的永磁体，和/或调节发电机的其它检测到的故障。

图2图示了振动传感器5，其以通信方式连接到故障分析器21，故障分析器21具有用于分析振动信号以检测永磁同步发电机的磁性故障的装置。振动传感器被紧固到永磁同步发电机1以感测发电机1的定子2的振动，并且被布置成根据同步发电机1的转子3的旋转获取用于分析的振动信号。故障分析器21包括振动信号接口22，其示例为传感器接口22、频谱分析器23、故障识别器24和以显示器25形式的针对操作员的输出，该传感器接口22用于接收与诸如加速度计之类的振动传感器的有线或无线连接，并且接收振动信号。频谱分析器23适于分析由故障分析器21接收到的振动信号的频谱。为此目的，频谱分析器23对所接收的信号应用傅立叶变换或者时频分解，例如使用FFT（快速傅立叶变换）或小波变换，并产生构成振动信号的频率的幅值水平，从而该振动的频率分量的特征可被识别。故障识别器24从频谱分析器23接收包括每个相应频率的幅值的频谱。故障识别器24适于识别振动信号的频率特征，并且将这些特征关联到特定的故障状态，尤其是识别具有不同于正常发电机幅度的频率，并推断发电机遭受什么类型的故障。故障识别器24尤其适于通过监测指示去磁故障的振动频谱的频率和监测该频谱的这些频率分量的幅值，识别发电机永磁体的去磁。为了能够估计指示去磁故障的振动频率的严重程度，故障识别器适当地包括、或能访问存储器，得到诸如对应于去磁水平的幅值水平之类的参考数据。该参考数据可以通过在操作期间测量具有故障永磁体的发电机或电动机而得出，例如永磁体比电机中正常使用的永磁体的标称磁性强度更弱。例如，使用具有正常操作期间发电机永磁体强度的80%的永磁体，并且测量振动给出了去磁故障大小的测量。去磁故障时的指示频率的振动幅值可以适当地从模拟结果内插和外推，而且也近似地与去磁水平成比例。获取参考数据至故障分析器21的故障识别器24的替换方法是执行发电机的FEM-建模，发电机具有不同水平的永磁体去磁。

去磁的特征由振动频谱所见，尤其是在转子的旋转频率（f_R）和定子的供电频率（f_S）下（参见图3）。给出去磁故障的最佳标识的频率分量是定子的供电频率（f_S）。在正常的机器中，在该频率下基本没有振动，即定子的供电频率（f_S）下的振动幅值接近零。因此，故障识别器24适于将定子的供电频率（f_S）下的振动幅值与参考数据比较。基于参考数据，故障状态的阈值可以被确定。如果定子的供电频率（f_S）下的振动幅值超过阈值，故障识别器24确定机器遭受永磁体去磁。否则故障识别器24确定机器没遭受永磁体去磁。

即使正常机器中典型地存在转子旋转频率（f_R）下的振动，并因此在该频率下的振动不是去磁故障的最佳标识。然而，旋转频率（f_R）下的振动可以被用于确认故障识别结果，该结果由定子的供电频率（f_S）下的分析所获取。从参考数据可以确定对应故障状态的旋转频率（f_R）下的振动幅值的阈值，并且故障识别器24适于将旋转频率（f_R）下的振动幅值与阈值比较。以对当使用定子供电频率（f_S）下的振动作为故障标识时的相应的方式完成机器是否遭受永磁体去磁的确定。

故障分析器21被适当地提供为在以显示器25形式的用户界面上呈现分析的结果，尤其是所识别的去磁故障。另外，或者可替代的，一种声音警报或者其它故障标识可以经由扬声器（未图示）被呈现。

除了针对可以经由计算机网络到达的振动信号的传感器接口22，故障分析器21被适当地设有其它传感器接口用于连接其它传感器，诸如用于接收来自附加传感器的测量信号的接头26。或者，相同的接口可以被布置为用于接收来自不同测量单元的测量结果。在图2所示例的故障分析器21包括接头26，用于从另一个传感器接入和接收信号，特别是电流计，其中该电流计（未示出）应该布置为用于测量发电机1的支路电流。电流信号被馈送给电流分析器27，电流分析器27被提供以执行诸如FFT分析之类的频谱分析，并且电流分析器27随后将频谱幅值传送到故障识别器24。故障识别器适于识别由该或每个定子支路电流频谱中的幅值标识的故障，比如电气故障，比如定子绕组的匝间短路。

故障分析器21可以被集成在便携式服务和控制装备中，其可以备连接至振动传感器，该振动传感器固定到定子框架并且被布置为获取定子振动。故障分析器21可以代替地被集成在控制和监测装备中，该监测设备永久地被布置在用于监测及控制发电机的控制室中，诸如风力发电站的控制室中。

频谱分析器23和故障识别器24被图示为分离的实体，但可以适当地提供为计算机中软件与硬件实体的结合，例如共享处理器和存储器。在同一计算机中，电流分析器27可以适当地被集成。

磁性故障监测方法可以被实施为计算机程序产品，并且包括程序步骤以推断出机器是否具有去磁故障。当在计算机上执行计算机程序时，计算机程序应当适于发现永磁同步电机是否遭受去磁故障的影响，该计算机从永磁同步电机接收振动信号作为输入。程序应当适于基于永磁同步电机的振动做出技术考虑，诸如发现磁性故障。特别地，程序适于将去磁故障关联到永磁同步电机的操作参数，诸如旋转频率f_R和/或定子供电频率f_S。通过这么做，程序解决了推断出永磁同步电机是否遭受去磁故障的影响的技术问题，当分析以物理方式获取的机器振动时，将机器的技术特性列入考虑，即机器的操作频率。程序还应当适当地适于提供推断结果输出给操作者。

图3图示了具有去磁化永磁体的永磁同步发电机的振动频谱。定子供电频率f_S下的振动幅值，以及转子旋转频率f_R下的振动幅值被影响，而且两种幅值都高于正常值，尤其是定子供电频率f_S下的振动幅值。类似地，在振动信号的频谱中，几何和电气故障的特征应当适当地被识别。

已经描述了一种***、方法和程序产品用于发现诸如风力发电机之类的永磁同步发电机的去磁故障。在同步发电机操作期间执行该方法，并包括测量定子的振动，执行振动的频率分析，并从振动分析推断出发电机是否遭受永磁体去磁。

Claims (5)

1.一种用于监测同步机器中永磁体去磁的方法，所述同步机器具有定子和转子，所述定子具有绕组，所述转子具有被布置成相对于所述定子旋转的永磁体，在所述同步机器的操作期间执行所述方法，并且所述方法包括步骤：

测量所述定子的振动，

执行对所述振动的频率分析，

基于所述定子在供电频率(f_S)下的所述振动的幅值是否超过阈值，确定所述机器是否遭受永磁体去磁。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述方法进一步包括步骤：

基于旋转频率(f_R)下的所述振动的幅值是否超过阈值，确定所述机器是否遭受永磁体去磁。

3.根据权利要求1至2中任意一项所述的方法，其中所述振动的测量包括通过振动传感器检测振动，所述振动传感器被固定到所述定子的框架或者被固定到所述定子。

4.根据权利要求1至2中任意一项所述的方法，其中所述机器是永磁同步发电机。

5.根据权利要求1至2中任意一项所述的方法，其中所述同步机器是风力发电机。