CN107843805A - 无刷励磁机旋转二极管开路故障在线诊断方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无刷励磁机旋转二极管开路故障在线诊断方法，该方法在无刷励磁机定子相邻磁极间的铁轭上沿轴向打2个径向贯通孔，通过这两个孔在定子铁轭上安装有绝缘层的磁场测量线圈，线圈输出端连接数据采集仪，在无刷励磁机运行过程中，利用数据采集仪实时采集该线圈的输出电压，并对输出电压进行实时的傅里叶变换，得到与电枢旋转频率相同的谐波电压幅值，当该值超过故障阈值时，判定无刷励磁机旋转二极管出现开路故障。本发明能够改进现有技术的不足，提高无刷励磁机旋转二极管开路故障的诊断水平。

Description

无刷励磁机旋转二极管开路故障在线诊断方法

技术领域

本发明涉及发电机技术领域，尤其是一种无刷励磁机旋转二极管开路故障在线诊断方法。

背景技术

近些年无刷励磁技术在大容量汽轮发电机组上得到了广泛应用，无刷励磁机的磁极部分保持静止，电枢随发电机以同步速旋转，电枢绕组切割静止的磁场并感应电动势，将电枢绕组通过旋转整流桥连接发电机的励磁绕组，即可为发电机提供励磁电流，调节无刷励磁机的励磁电流即可实现对发电机的励磁电流的调节。与静止励磁方式相比，无刷励磁方式具有噪音小、故障率较低等优点，但旋转整流桥上的二极管在高速、高负荷情况下，损坏时有发生。当旋转二极管损坏数量较多时可能导致发电机无法正常励磁，后果十分严重。因此，对旋转整流器的故障进行准确检测是十分必要的。

目前，无刷励磁机组的旋转二极管开路故障检测方法主要有DNC法、谐波感应线圈法、励磁电流谐波法和闪频仪法等。DNC法在励磁机定子上安装霍尔传感器(一般为三个通道)，旋转整流器随转子转动，若扫过霍尔传感器的二极管处于导通状态，将在传感器中感应电压脉冲信号。在转子一个旋转周期内，如果电压脉冲信号与旋转整流器中二极管的数目相同，则说明二极管工作正常；如果电压脉冲数目少于二极管数量，则说明出现二极管故障，丢失的感应电压脉冲数量即为故障二极管的数量。该方法的优点是具有故障定位功能，适用于不同整流结构的旋转整流器，霍尔传感器的感应电压直接反映旋转整流器各相各分支的通断状态。DNC方法的缺点也十分明显：在实际运行过程中，霍尔传感器稳定性较差，经常出现工作性能下降、受碰撞移位导致测量不准确、受油污或灰尘污染造成信号失真等问题，还出现过传输电缆、航空插头接线虚接引起的误报警，误动率或拒动率都比较高。谐波感应线圈法在1995年《东方电机》发表的“无刷同步电机转子电流测量及旋转整流器故障检测”被报道，该方法提出在用励磁机的磁极中部或磁极间安装测量线圈(通常选择在磁极间安装测量线圈，测量线圈套在磁极间新增的小磁极上)，通过测量线圈感应电压中特定的谐波成分诊断旋转整流器故障。2000年《自动化与仪表》发表的“无刷同步电机转子电流测量及旋转整流器故障检测装置的研究”、2005年《电机电器技术》发表的“基于DSP的无刷同步电机励磁电流测量及旋转整流器故障检测研究”讨论了该方法的具体实现方式。该方法的不足之处是无刷励磁机相邻磁极间的空间有限，安装小磁极及测量线圈甚至需对励磁机进行改造，测量线圈安装时比较困难，工艺要求较高，并且小磁极及测量线圈易出现错位松动和损坏，故在实际应用中较少采用。励磁电流谐波法的基本原理是：旋转整流二极管发生故障后，励磁机电枢绕组不能按正常规律导通，导致气隙磁场的谐波成分及比例改变，励磁绕组中感应出特定频率的谐波电流，通过励磁电流谐波成分变化诊断旋转二极管开路故障。2008年《四川电力技术》发表的“基于小波神经网络的无刷同步发电机旋转整流器故障诊断研究”、2003年《继电器》发表的“无刷励磁同步发电机旋转整流器故障的模糊神经网络诊断”、2003年《中国测量技术》发表的“无刷同步发电机旋转整流器故障的实时监测”对励磁电流法进行了进一步发展和应用。励磁电流法只需要采集无刷励磁机的励磁电流，实施起来较为简单，缺点是信号处理较为复杂，励磁电流中直流分量大、谐波含量相对较小，必须经过隔直、放大等信号处理。此外，该方法针对每台特定无刷励磁机都需要计算其故障特征谐波，因此该方法缺乏普遍适应性。频闪仪法的基本原理是：无刷励磁机旋转整流器的各二极管均配有串联的熔丝及发光管，二极管正常导通时发光管能够发光，故障后则无法发光，通过人工监测发光管的发光情况可以确定二极管的通断。无刷励磁机转子高速旋转，无法直接观察到发光管发光情况，需要借助频闪仪实现。频闪仪可以发出短暂又频密的闪光，当闪光频率与被测物体的转动速度接近或同步时，利用眼睛的视觉暂留能观测到发光管的发光情况。该方法在各种类型的无刷励磁机中均有使用，其缺点是属于离线检测方法，只能进行定期检查，不能作为实时监测手段。1996年《电工技术学报》发表的“旋转整流器故障检测的一种方法”提出利用装设在转子上的单片机***对旋转整流器的各特征点的电压进行检测和判断，依靠一对红外发射/接收对管通过特殊编码的红外光脉冲列把转子上的信息传送到静止侧，实现了对旋转二极管故障的实时监测。无刷励磁机通常为汽轮发电机提供励磁，汽轮发电机的转速极高，且轴系的空间有限，该单片机***的安装、高转速下的供电、转子动平衡、运行可靠性、多通道信号传输等都存在问题，因此该方法目前仅在低转速的水轮发电机组上获得应用，未见在汽轮发电机组上获得应用。文“M.Salah,K.Bacha,A.Chaari.Brushless three-phase synchronous generator under rotating diodefailure conditions.IEEE Transactions on Energy Conversion,Vol.29,No.3,pp.594-601,2014”在同步发电机空载状态下分析了三相无刷整流***的输出电压与二极管故障的联系，提出在励磁机的机壳外部安装探测线圈，利用杂散磁通中的6次谐波变化诊断二极管故障。文“Batzel T D,Swanson D C,Defenbaugh J F.Predictive Diagnostics for theMain Field Winding and Rotating Rectifier Assembly in the BrushlessSynchronous Generator.4th IEEE International Symposium on Diagnostics forElectric Machines,Power Electronics and Drives.Atlanta,2003”分析了三相整流励磁机二极管开路故障对发电机磁场的影响及发电机的励磁需求，认为二极管开路故障将导致无刷励磁机的励磁电流增大。无刷励磁机的极数和相数较多，一个桥壁的单个二极管开路故障对励磁机励磁电流的影响是微乎其微的。此外，考虑磁滞、饱和等因素的影响，励磁机励磁电流与发电机工况非一一对应关系，因此，很难区分励磁机励磁电流增大是正常的励磁调节还是二极管开路故障导致的，该方法的实用性不高。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种无刷励磁机旋转二极管开路故障在线诊断方法，能够解决现有技术的不足，提高无刷励磁机旋转二极管开路故障的诊断水平。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案如下。

一种无刷励磁机旋转二极管开路故障在线诊断方法，在无刷励磁机定子相邻磁极间的铁轭上沿轴向打2个径向贯通孔，通过这两个孔在定子铁轭上安装磁场测量线圈，在无刷励磁机运行过程中，利用数据采集仪采集该线圈的感应电压，并对该电压进行实时的傅里叶变换，得到与电枢旋转频率相同的谐波电压幅值，将该值与故障阈值比较，当该值超过故障阈值时，判定无刷励磁机旋转二极管出现开路故障。

作为优选，当无刷励磁机的额定转速为1500转/分，故障特征频率为25Hz；当无刷励磁机的额定转速为3000转/分，故障特征频率为50Hz。

作为优选，故障阈值设定为0.02V。

采用上述技术方案所带来的有益效果在于：本发明所提诊断方法能够检测出不同相数和极对数的无刷励磁机的旋转二极管开路故障，具有良好的适用性，磁场测量线圈的安装简单、方便，运行安全、可靠，故障率低，并且不干扰无刷励磁机的正常运行，对旋转二极管的开路故障有灵敏的反映，可广泛应用于无刷励磁机旋转二极管开路故障的在线监测。本发明的诊断方法不需要复杂的信号处理环节，针对不同型号的无刷励磁机的故障特征频率是已知的，因此其通用性更好。

本发明独创性的提出了在无刷励磁机定子铁轭上打2个径向贯通孔安装磁场检测线圈，测量流过定子铁轭的交变磁场的方法，能更有效地检测流过定子铁轭的局部交变磁通，进一步获取故障特征。在定子铁轭上打2个径向贯通孔容易实现，基本上不影响无刷励磁机的主磁场分布。

附图说明

图1是励磁机电枢绕组及发电机励磁绕组所构成的电路示意图；

图2是二极管正常时第1相电枢电流波形；

图3是二极管正常时第2相电枢电流波形；

图4是第1桥上半桥臂二极管开路时第1相电枢电流波形；

图5是第1桥上半桥臂二极管开路时第2相电枢电流波形；

图6是第1桥上半桥臂二极管开路时第1相电枢电流相对正常值的差值波形；

图7是第1桥上半桥臂二极管开路时第2相电枢电流相对正常值的差值波形；

图8是二极管正常情况下A时段转子各槽电流分布图；

图9是二极管正常情况下B时段转子各槽电流分布图；

图10是第1桥上半桥臂二极管开路后A时段转子各槽电流分布图；

图11是第1桥上半桥臂二极管开路后B时段转子各槽电流分布图；

图12是二极管全部正常情况下A时段电枢磁势分布图；

图13是第1桥上半桥臂二极管开路时A时段电枢磁势分布图；

图14是A时段电枢磁势增量；

图15是二极管全部正常情况下B时段电枢磁势分布图；

图16是第1桥上半桥臂二极管开路时B时段电枢磁势分布图；

图17是B时段电枢磁势增量；

图18是无刷励磁机旋转二极管开路故障检测原理图；

图19是旋转二极管正常时第1、2相电枢电流波形；

图20是第1桥上半桥臂二极管开路时第1、2相电枢电流波形；

图21是旋转二极管正常时磁场测量线圈感应电压波形；

图22是第1桥上半桥臂二极管开路时磁场测量线圈感应电压波形；

图23是旋转二极管全部正常时磁场测量线圈感应电压频谱全局图；

图24是旋转二极管全部正常时磁场测量线圈感应电压频谱局部图；

图25是第1桥上半桥臂二极管开路时磁场测量线圈感应电压频谱全局图；

图26是第1桥上半桥臂二极管开路时磁场测量线圈感应电压频谱局部图。

图中：1、磁场测量线圈，2、电枢绕组，3、电枢铁心，4、定子铁轭，5、定子绕组，6、数据采集仪

具体实施方式

文中各符号清单为：

v₁，v₂…v₃₉分别为第1相，第2相，…，第39相电枢绕组感应的基波电压；V为电枢绕组感应的基波电压有效值；ω＝2πf，f为电压频率；E₁，E₂为电枢绕组各条支路的感应基波电压之和；p＝d/dt；i₁和i₂分别为第1相和第2相电枢电流；i_f为发电机励磁电流；R_r为每相电枢绕组电阻；R_f为发电机励磁绕组电阻；L_f为发电机励磁绕组电感；i_F为励磁机励磁电流；L_f,1为励磁机励磁回路与第1相电枢绕组互感；L_f,2为励磁回路与第2相电枢绕组互感；L_1,1为第1相电枢绕组自感；L_2,2为第2相电枢绕组自感；L_2,1，L_3,1…L_39,1分别为第2相，第3相…第39相电枢绕组与第1相电枢绕组互感；L_1,2，L_3,2…L_39,2分别为第1相，第3相，…，第39相电枢绕组与第2相电枢绕组互感；L_E1，L_E2为电感矩阵；Δi₁，Δi₂分别为故障情况下第1、2相电枢绕组电流相对于正常情况下的差值；二极管k为整数。

无刷励磁机一般为旋转电枢式，即主极磁场静止，电枢以同步速旋转。无刷励磁机的极对数较多，相数有三相和多相之分，以中国辽宁红沿河核电站的Alstom 11对极39相无刷励磁机为例，参数见表1。

表1Alstom的11对极39相无刷励磁机参数

Alstom 11对极39相无刷励磁机中每相电枢绕组连接一个整流桥壁，共39个桥臂。电枢绕组采用波绕组的形式，各相绕组的连接如下所示：

第1相：1-6'-12-17'-23-28'

第2相：34-39'-45-50'-56-61'

第3相：67-72'-78-83'-89-94'

………………

第39相：85-90'-96-101'-107-112'

39相电枢绕组在主磁场中的位置各不相同，因此各相绕组的感应电动势相位也不相同，相邻两相间相差8π/39电角度。

根据电枢绕组的空间位置关系，忽略谐波磁场，第1-39相电枢绕组感应的基波电压可以用下式表示：

无刷励磁机的电枢绕组与直流电机的电枢绕组类似，为闭合的环形结构。与无刷励磁机电枢绕组相连的二极管的导通规律为：任一时刻，当某几相电枢绕组串联的感应电动势向量和在整个电枢闭合回路中为最大时，与这些电枢绕组两端相连的2个二极管处于导通状态，整个电枢环路变为两条电枢支路并联结构。例如，某一时刻，2-3-4-5-6相电枢绕组串联电动势达到最大值，励磁机的电枢绕组及发电机励磁绕组所构成的电路见图1。

忽略二极管的内阻，图1中并联的2条电枢回路的电压方程可以表示为：

其中：L_E1＝(L_f,1,L_1,1,L_2,1,L_3,1…L_39,1)；L_E2＝(L_f,2,L_1,2,L_2,2,L_3,2…L_39,2)；i_E＝(i_F,i₁,i₂…i₃₉)；

无刷励磁机的39相电枢绕组在空间上是对称分布的，其它时刻电枢绕组的导通情况与此类似。

为了简化分析和便于比较，假设各相电枢电流接近于矩形波，仅在换相时电枢电流有轻微的波动，二极管正常情况下，第1相和第2相电枢电流见图2和图3。

第1相和第2相电枢电流可以近似表示为(其它各相依次错开8π/39电角度)：

假定第1桥上半桥臂的旋转二极管发生开路故障，故障二极管只影响与之相连的第1相和第2相电枢绕组的电流，这两相电流的波形见图4和图5。

与二极管正常状态下的电枢电流波形相比：第1相电枢电流正半周期的导通时间减少4π/39电角度，负半周期的导通时间增加4π/39电角度；第2相电枢电流正半周期的导通时间增加4π/39电角度，负半周期的导通时间减少4π/39电角度。第1相和第2相电枢绕组的电流可以表示为：

其余37相电枢电流在正常和故障状态没有明显区别。

第1、2相电枢绕组电流相对于正常情况下的差值波形见图6和图7。

该差值波形可以近似表示为：

Δi₁＝-2I 2kπ≤ωt＜2kπ+4/39π (7)

Δi₂＝2I 2kπ+4/39π≤ωt＜2kπ+8/39π (8)

电枢电流的异常将进一步引起电枢磁势的改变。在(0+kπ,4π/39+kπ)故障时段，电枢绕组磁势变化主要是由第1相电枢电流变化引起的；在(4π/39+kπ,8π/39+kπ)故障时段，电枢绕组磁势变化主要是由第2相电枢电流变化引起的。

将电枢绕组沿圆周展开，在二极管正常情况下，A、B时段内各槽电流分布如图8、图9所示。第1桥上半桥臂二极管开路情况下，A、B时段内各槽电流分布如图10、图11所示。

在A时段：

根据图8二极管正常情况下的各槽电流得到电枢磁势，如图12所示；根据图10第1桥上半桥臂二极管开路故障情况下的各槽电流得到电枢磁势，如图13所示。故障电枢磁势相对于正常电枢磁势的增量见图14，从图14可以看到，受第1桥上半桥臂二极管开路影响，电枢磁势增量波形中存在局部偏低区。

在B时段：

根据图9二极管正常时的各槽电流得到电枢磁势，如图15所示；根据图11第1桥上半桥臂二极管开路故障时的各槽电流得到电枢磁势，如图16所示。故障电枢磁势相对于正常电枢磁势的增量见图17，可以看到，受第1桥上半桥臂二极管开路影响，电枢磁势增量波形中存在局部偏高区。

电枢每转过一对磁极，电枢磁势增量出现1次局部偏低、1次局部偏高的异常情况。电枢旋转一周，电枢磁势将出现11次局部偏低和11次局部偏高的异常情况。

为检测无刷励磁机的旋转二极管开路故障，在无刷励磁机定子相邻磁极间的铁轭上沿轴向打2个径向贯通孔，穿过这两个孔在定子铁轭上安装磁场测量线圈，见图18。

受电枢磁场影响，穿过磁场测量线圈的磁通量也将周期性改变，在磁场测量线圈上感应电压，该电压反映了穿过磁场测量线圈的磁通量变化。

在第1桥上半桥壁旋转二极管开路情况下，电枢旋转一周，电枢磁势将出现11次局部凹陷和11次局部凸起的异常情况。磁势的局部凹陷和凸起区随着电枢绕组的旋转而移动，仅当其扫过固定在定子铁轭上的磁场测量线圈时，磁场测量线圈的感应电压才出现一次局部偏小和一次局部偏大的现象，即感应电压中出现了与旋转频率(25Hz)相同的谐波成分，这一频率的电压是二极管正常时所没有的，因此，磁场测量线圈感应的25Hz电压可以作为无刷励磁机旋转二极管开路故障的判据。

为了验证方法的有效性，采用电磁场数值仿真软件Maxwell建立表1中无刷励磁机的二维模型，将模型导入到Simplorer软件中，在Simplorer中搭建旋转整流器模型，得到场路耦合电磁仿真模型，磁场测量线圈沿无刷励磁机轴向长度设定为9.6cm，宽5cm。

分别设置旋转二极管正常和第1桥上半桥臂的旋转二极管开路，得到第1、2相电枢绕组电流，如图19和图20所示。

从图19和图20可以看到，电枢电流较为平滑，这源自于电枢绕组电感的平滑作用。在第1桥上半桥臂的旋转二极管开路状态下，第1相电枢电流的正半周期较二极管正常时有明显的缺失，而第1相电枢电流的负半周期较二极管正常时明显变宽；第2相电枢电流的正半周期较二极管正常时有明显的变宽，而第2相电枢电流的负半周期较二极管正常时明显缺失，这些特征与理论分析是吻合的。

根据励磁机主磁场得到穿过磁场测量线圈的磁通，经过微分得到磁场测量线圈的感应电压，如图21和图22所示。

图21和图22中，第1桥上半桥臂的旋转二极管开路时，磁场测量线圈的感应电压相对旋转二极管全部正常时有所变化，但从时域波形中无法有效区分。对磁场测量线圈的感应电压进行傅里叶变换，得到各次谐波电压幅值，见图23、图24、图25和图26。

旋转二极管正常时，磁场测量线圈感应的25Hz电压分量的幅值较小；当第1桥上半桥臂的旋转二极管开路时，磁场测量线圈感应的25Hz电压分量幅值显著增大，与理论分析吻合。

无刷励磁机其余38个桥壁的旋转二极管故障与第1桥的旋转二极管故障特征是完全相同的，而且上半桥臂的二极管开路故障与下半桥臂的二极管开路故障特征也是相同的，因此，本方法适用于任意一相、任意桥壁的二极管开路故障的诊断。故障特征频率与转子转速相关，当无刷励磁机的额定转速为1500转/分时，故障特征频率为25Hz；当无刷励磁机的额定转速为3000转/分时，故障判据的频率为50Hz。

本发明提出在无刷励磁机定子铁轭上打孔安装外表绝缘的磁场测量线圈，利用磁场测量线圈感应电压中特定频率的谐波幅值变化检测旋转二极管的开路故障，并通过有限元仿真验证了新型检测方法的有效性。本发明所用的磁场测量线圈安装简单、方便，且造价低，固定牢固可靠，运行过程中的振动小，线圈对无刷励磁机的正常运行没有干扰。本方法可广泛应用于无刷励磁机旋转二极管开路故障的在线检测。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (3)

1.一种无刷励磁机旋转二极管开路故障在线诊断方法，其特征在于：在无刷励磁机定子相邻磁极间的铁轭上沿轴向打2个径向贯通孔，通过这两个孔在定子铁轭上安装磁场测量线圈，在无刷励磁机运行过程中，利用数据采集仪采集该线圈的感应电压，并对该电压进行实时的傅里叶变换，得到与电枢旋转频率相同的谐波电压幅值，将该值与故障阈值比较，当该值超过故障阈值时，判定无刷励磁机旋转二极管出现开路故障。

2.根据权利要求1所述的无刷励磁机旋转二极管开路故障在线诊断方法，其特征在于：当无刷励磁机的额定转速为1500转/分，故障特征频率为25Hz；当无刷励磁机的额定转速为3000转/分，故障特征频率为50Hz。

3.根据权利要求1所述的无刷励磁机旋转二极管开路故障在线诊断方法，其特征在于：故障阈值设定为0.02V。