CN111650510A - 无刷励磁电机的故障判断方法、装置、计算机设备及介质 - Google Patents

无刷励磁电机的故障判断方法、装置、计算机设备及介质 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种无刷励磁电机的故障判断方法、装置、计算机设备及介质，该方法包括：获取无刷励磁电机定子励磁绕组的正、负极两端对地电压数据；对所述电压数据进行傅里叶分析，以及计算预设谐波频率下的正极有效值U+和负极有效值U‑；基于所述正极有效值U+和所述负极有效值U‑判断无刷励磁电机的定子励磁绕组接地处是否发生故障。本发明实施例通过对正、负极两端对地电压数据进行傅里叶分析，确定预设谐波频率下的正极有效值U+和负极有效值U‑，并基于两个有效值进行定子励磁绕组接地处是否发生故障的判断。本发明实施例的具有运算简单、判断直观的特点，保证无刷励磁电机的安全性。

Description

无刷励磁电机的故障判断方法、装置、计算机设备及介质
技术领域
本发明涉及电力***主设备继电保护技术领域。更具体地，涉及一种无刷励磁电机的故障判断方法、装置、计算机设备及介质。
背景技术
励磁***是大型发电机的重要组成部分，性能优良、可靠性高的励磁***是保证发电机安全及电力***稳定运行的基础。相比于静止励磁，无刷励磁***取消了发电机的碳刷和滑环，显著提高了励磁***的可靠性，是大容量核电机组的首选励磁方式。
以电厂常用的11相环形无刷励磁电机为例，11相环形无刷励磁电机的定子绕组经常出现发两点接地故障，因此给机组设备运行带来了严重的安全隐患，极大地影响了电力生产。
然而现有技术中，对于无刷励磁电机的定子励磁绕组两点接地处均未设置相应的故障判断方式，目前公开的资料上也未见针对励磁机绕组短路故障保护的相关研究。相关规程标准也未对无刷励磁电机的定、转子绕组内部故障判断提出明确方法。
因此，需要提出一种新的无刷励磁电机的故障判断方法、装置、计算机设备及介质。
发明内容
本发明的目的在于提供一种无刷励磁电机的故障判断方法、装置、计算机设备及介质，以解决现有技术中存在的问题中的至少一个；
为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：
本发明第一方面提供一种无刷励磁电机的故障判断方法，包括：
获取无刷励磁电机定子励磁绕组的正、负极两端对地电压数据；
对所述电压数据进行傅里叶分析，以及计算预设谐波频率下的正极有效值U+和负极有效值U-；
基于所述正极有效值U+和所述负极有效值U-判断无刷励磁电机的定子励磁绕组接地处是否发生故障。
可选地，所述基于所述正极有效值U+和所述负极有效值U-判断无刷励磁电机的定子励磁绕组接地处是否发生故障一步包括：
基于所述正极有效值U+和所述负极有效值U-确定总有效值U；
设置预设谐波频率下的对地电压数据阈值ξ；
比较所述总有效值U与所述对地电压数据阈值ξ，当U≥ξ时，判断所述无刷励磁电机定子励磁绕组接地处是否发生故障。
可选地，所述无刷励磁电机为11相无刷励磁电机，所述预设谐波频率为550Hz。
可选地，所述总有效值U为所述正极有效值U+和所述负极有效值U-之和。
可选地，所述对地电压数据阈值ξ为预设谐波频率下正极和负极对地谐波电压值之和。
本发明第二方面提供一种用于上述方法的故障判断装置，包括：
对地电压数据获取单元，用于获取无刷励磁电机定子励磁绕组的正、负极两端对地电压数据；
分析计算单元，用于对所述电压数据进行傅里叶分析，以及计算预设谐波频率下的正极有效值U+和负极有效值U-；
故障判断单元，用于基于所述正极有效值U+和所述负极有效值U-判断无刷励磁电机的定子励磁绕组接地处是否发生故障。
本发明第三方面提供一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现上述方法。
本发明第四方面提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现上述方法。
本发明的有益效果如下：
本发明实施例通过对正、负极两端对地电压数据进行傅里叶分析，确定预设谐波频率下的正极有效值U+和负极有效值U-，并基于两个有效值进行定子励磁绕组接地处是否发生故障的判断。本发明实施例的具有运算简单、判断直观的特点，保证无刷励磁电机的安全性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出本发明一个实施例的判断方法的流程图；
图2示出本发明另一实施例的判断方法的流程图；
图3示出本发明实施例的无刷励磁电机的定子坐标示意图；
图4示出本发明实施例的无刷励磁电机定子两点接地时，定子励磁电流谐波电流特征的分析过程示意图；
图5示出本发明实施例的计算机设备的结构图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。
如图1所示，本发明的一个实施例公开了一种无刷励磁电机的故障判断方法，具体包括：
S1、获取无刷励磁电机定子励磁绕组的正、负极两端对地电压数据；
S2、对所述电压数据进行傅里叶分析，以及计算预设谐波频率下的正极有效值U+和负极有效值U-；
S3、基于所述正极有效值U+和所述负极有效值U-判断无刷励磁电机的定子励磁绕组接地处是否发生故障。
本发明实施例通过对正、负极两端对地电压数据进行傅里叶分析，确定预设谐波频率下的正极有效值U+和负极有效值U-，并基于两个有效值判断定子励磁绕组接地处是否发生故障。本发明实施例的具有运算简单、判断直观的特点，保证无刷励磁电机的安全性。
在一个具体示例中，利用电压互感器或者霍尔元件可以获取本实施例中的对地电压数据；
在本实施例的一些可选地实现方式中，S3进一步包括：
S31、基于所述正极有效值U+和所述负极有效值U-确定总有效值U；
S32、设置预设谐波频率下的对地电压数据阈值ξ；
S33、比较所述总有效值U与所述对地电压数据阈值ξ，当U≥ξ时，判断所述无刷励磁电机定子励磁绕组接地处是否发生故障。
在本实施例的一些可选地实现方式中，所述无刷励磁电机为11相无刷励磁电机，所述预设谐波频率为550Hz。
在本实施例的一些可选地实现方式中，总有效值U为所述正极有效值U+和所述负极有效值U-之和。
在本实施例的一些可选地实现方式中，所述对地电压数据阈值ξ为预设谐波频率下正极和负极对地谐波电压值之和。
在本发明的可选实施方式中，将发生故障的情况设置为：当所述总有效值U大于所述预设谐波频率下的对地电压数据阈值ξ时，即当U≥ξ时，判断该无刷励磁电机发生了定子两点接地故障；其中ξ为预设的正、负极550Hz对地谐波电压之和的阈值，该阈值应能可靠躲过正常运行时各种工况下550Hz正、负极对地谐波电压之和。
图2示出了本发明另一个实施例无刷励磁电机的故障判断方法，以11相无刷励磁机为例，所述方法是在计算机中依次按以下步骤进行的：
步骤(1)，测量11相无刷励磁机定子绕组的正、负极两端对地电压，并将采样数据送入计算机；
步骤(2)，对采样的正、负极对地电压数据进行傅里叶分析，取其中550Hz的谐波，并分别计算其有效值为U+和U-；
步骤(3)，求得两者有效值之和为U：
U＝U++U-；
步骤(4)，故障判断：
当U≥ξ时，则判断该11相无刷励磁机发生了定子两点接地故障；其中ξ为预设的正、负极550Hz对地谐波电压之和的阈值。
在本实施例中，11相无刷励磁机发生定子两点接地故障时，定子绕组正、负极会出现很大的对地550Hz高频谐波电压，该谐波电压是故障时电枢反应磁场引起的励磁机定子绕组高频内电势的体现，该电势作用于励磁绕组大电感形成故障时励磁电流的谐波分量。因此，本发明实施例利用11相无刷励磁机发生定子两点接地故障时的特性，只需从无刷励磁电机端采集定子励磁绕组的正、负极两端对地电压数据，对电压数据进行傅里叶分析后得到预设谐波频率下的正极有效值U+和负极有效值U-，即可实现定子两点接地故障的简单、有效判断，且比基于励磁电流检测的方案要更为灵敏。
本发明的原理如下，仍以11相环形无刷励磁电机为例：
如图3所示，假设第1极下的w匝励磁绕组被大地短接，这w匝励磁绕组流过直流电流I时，将产生矩形波磁动势，对其进行谐波分析，在整个电机圆周[-5π,5π]区间，矩形波磁动势F(x)为：
Figure BDA0002487980780000041
由于矩形波磁动势对转子坐标d轴对称，所以上式中只有余弦项。式中：
Figure BDA0002487980780000042
式中，Fk是k次谐波的磁动势，β为励磁线圈短距比，由于凸极机的励磁绕组可看作集中的整距绕组，因此β＝1。
因此：
Figure BDA0002487980780000043
从上式可以看出，当k为偶数时，Fk等于零。因此，励磁故障附加回路产生的磁动势不含偶数次谐波，含基波、奇数次谐波及1/5、2/5等分数次谐波。这些磁动势作用于不均匀气隙中将产生一系列谐波磁场，以k＝ν/5(ν＝1,2…)次磁动势为例：
B(x)＝Fk(x)·λδ(x) (4)
与隐极发电机不同，不考虑齿、槽影响时的气隙磁导系数：
Figure BDA0002487980780000051
因此：
Figure BDA0002487980780000052
从上式可知，励磁故障附加回路直流分量电流产生磁场含基波、奇数次及分数次谐波。其中，含λ0的项表示与励磁磁动势同次的空间磁场，而由于气隙磁导谐波的影响，气隙磁场还含有(ν/5±2l)次谐波(l＝0,1,2…)，这些磁场都随转子同步旋转。
定子两点接地故障时电枢绕组中的分数次电动势将会叠加到正常运行时的基波及奇数次电动势中，引起负载旋转整流器换相模式的改变。但无论旋转整流器换相模式如何改变，因为各分数次电动势都将各自在电枢相电流中引起相应频率的谐波电流。
第k相电枢绕组的μ1/5次谐波电流可以表示为：
Figure BDA0002487980780000053
式中：μ1，n为常数；t为时间；
谐波电流将产生各次谐波磁动势，对一相绕组产生的空间磁动势进行傅里叶分解，谐波磁动势次数为v1/5，第k相电枢绕组的μ1/5次谐波电流产生的ν1/5次空间谐波磁势可以表示为：
Figure BDA0002487980780000054
可得第k相绕组产生的磁势表达式为
Figure BDA0002487980780000055
式中；α为电角度；
各相绕组产生的磁势均为脉振磁势，可分解为正、反转磁势，把相同转向的磁势分别合成。正、反转磁势分别为：
Figure BDA0002487980780000061
Figure BDA0002487980780000062
经进一步数学推导(复杂过程从略)，正、反转磁势的幅值可以表示为：
Figure BDA0002487980780000063
Figure BDA0002487980780000064
由式(12)和(13)可知：当且仅当ν1＝11n2+μ1(n2∈N)时fv∑才不为零，电枢反应中只存在11n2+μ1次正转分量。同理，当且仅当ν1＝11n2-μ1(n2∈N)时fv∑才不为零，电枢反应中只存在11n2-μ1次反转分量。
定子两点接地故障时，定子励磁电流谐波电流特征的分析过程如图4所示。电枢绕组中的μ1/11次谐波电流产生的v1/11次谐波磁动势，极对数是v1/11，其正转分量转速是同步转速的μ1/v1倍，相对定子转速为|μ1/v1-1|倍，在定子中感应的电动势频率为基波的|μ1-v1|/11倍，即550倍数次谐波电势。
通过上面的计算与分析，说明了定子绕组对地电压的特定谐波能够反映励磁机定子励磁绕组两点接地故障，本发明实施例利用该特性，通过对正、负极两端对地电压数据进行傅里叶分析，确定预设谐波频率下的正极有效值U+和负极有效值U-，并基于两个有效值判断定子励磁绕组接地处是否发生故障。本发明实施例的具有运算简单、判断直观的特点，保证无刷励磁电机的安全性。
本发明的另一个实施例公开了一种无刷励磁电机的故障判断装置，该装置包括：
对地电压数据获取单元，用于获取无刷励磁电机定子励磁绕组的正、负极两端对地电压数据；
分析计算单元，用于对所述电压数据进行傅里叶分析，以及计算预设谐波频率下的正极有效值U+和负极有效值U-；
故障判断单元，用于基于所述正极有效值U+和所述负极有效值U-判断无刷励磁电机的定子励磁绕组接地处是否发生故障。
需要说明的是，本实施例提供的无刷励磁电机的故障判断装置原理及工作流程与上述基于无刷励磁电机的故障判断方法相似，相关之处可以参照上述说明，在此不再赘述。
本发明的另一个实施例提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现：获取无刷励磁电机定子励磁绕组的正、负极两端对地电压数据；对所述电压数据进行傅里叶分析，以及计算预设谐波频率下的正极有效值U+和负极有效值U-；基于所述正极有效值U+和所述负极有效值U-判断无刷励磁电机的定子励磁绕组接地处是否发生故障。在实际应用中，所述计算机可读存储介质可以采用一个或多个计算机可读的介质的任意组合。计算机可读介质可以是计算机可读信号介质或者计算机可读存储介质。计算机可读存储介质例如可以是但不限于电、磁、光、电磁、红外线、或半导体的***、装置或器件，或者任意以上的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子(非穷举的列表)包括：具有一个或多个导线的电连接、便携式计算机磁盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、光纤、便携式紧凑磁盘只读存储器(CD-ROM)、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。在本实施例中，计算机可读存储介质可以是任何包含或存储程序的有形介质，该程序可以被指令执行***、装置或者器件使用或者与其结合使用。
计算机可读的信号介质可以包括在基带中或者作为载波一部分传播的数据信号，其中承载了计算机可读的程序代码。这种传播的数据信号可以采用多种形式，包括但不限于电磁信号、光信号或上述的任意合适的组合。计算机可读的信号介质还可以是计算机可读存储介质以外的任何计算机可读介质，该计算机可读介质可以发送、传播或者传输用于由指令执行***、装置或者器件使用或者与其结合使用的程序。
计算机可读介质上包含的程序代码可以用任何适当的介质传输，包括但不限于无线、电线、光缆、RF等等，或者上述的任意合适的组合。
可以以一种或多种程序设计语言或其组合来编写用于执行本发明操作的计算机程序代码，所述程序设计语言包括面向对象的程序设计语言—诸如Java、Smalltalk、C++，还包括常规的过程式程序设计语言—诸如“C”语言或类似的程序设计语言。程序代码可以完全地在用户计算机上执行、部分地在用户计算机上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户计算机上部分在远程计算机上执行、或者完全在远程计算机或服务器上执行。在涉及远程计算机的情形中，远程计算机可以通过任意种类的网络——包括局域网(LAN)或广域网(WAN)—连接到用户计算机，或者，可以连接到外部计算机(例如利用因特网服务提供商来通过因特网连接)。
如图5所示，本发明的另一个实施例提供的一种计算机设备的结构示意图。图5显示的计算机设备12仅仅是一个示例，不应对本发明实施例的功能和使用范围带来任何限制。
如图5所示，计算机设备12以通用计算设备的形式表现。计算机设备12的组件可以包括但不限于：一个或者多个处理器或者处理单元16，***存储器28，连接不同***组件(包括***存储器28和处理单元16)的总线18。
总线18表示几类总线结构中的一种或多种，包括存储器总线或者存储器控制器，***总线，图形加速端口，处理器或者使用多种总线结构中的任意总线结构的局域总线。举例来说，这些体系结构包括但不限于工业标准体系结构(ISA)总线，微通道体系结构(MAC)总线，增强型ISA总线、视频电子标准协会(VESA)局域总线以及***组件互连(PCI)总线。
计算机设备12典型地包括多种计算机***可读介质。这些介质可以是任何能够被计算机设备12访问的可用介质，包括易失性和非易失性介质，可移动的和不可移动的介质。
***存储器28可以包括易失性存储器形式的计算机***可读介质，例如随机存取存储器(RAM)30和/或高速缓存存储器32。计算机设备12可以进一步包括其它可移动/不可移动的、易失性/非易失性计算机***存储介质。仅作为举例，存储***34可以用于读写不可移动的、非易失性磁介质(图5未显示，通常称为“硬盘驱动器”)。尽管图5中未示出，可以提供用于对可移动非易失性磁盘(例如“软盘”)读写的磁盘驱动器，以及对可移动非易失性光盘(例如CD-ROM，DVD-ROM或者其它光介质)读写的光盘驱动器。在这些情况下，每个驱动器可以通过一个或者多个数据介质接口与总线18相连。存储器28可以包括至少一个程序产品，该程序产品具有一组(例如至少一个)程序模块，这些程序模块被配置以执行本发明各实施例的功能。
具有一组(至少一个)程序模块42的程序/实用工具40，可以存储在例如存储器28中，这样的程序模块42包括但不限于操作***、一个或者多个应用程序、其它程序模块以及程序数据，这些示例中的每一个或某种组合中可能包括网络环境的实现。程序模块42通常执行本发明所描述的实施例中的功能和/或方法。
计算机设备12也可以与一个或多个外部设备14(例如键盘、指向设备、显示器24等)通信，还可与一个或者多个使得用户能与该计算机设备12交互的设备通信，和/或与使得该计算机设备12能与一个或多个其它计算设备进行通信的任何设备(例如网卡，调制解调器等等)通信。这种通信可以通过输入/输出(I/O)接口22进行。并且，计算机设备12还可以通过网络适配器20与一个或者多个网络(例如局域网(LAN)，广域网(WAN)和/或公共网络，例如因特网)通信。如图5所示，网络适配器20通过总线18与计算机设备12的其它模块通信。应当明白，尽管图5中未示出，可以结合计算机设备12使用其它硬件和/或软件模块，包括但不限于：微代码、设备驱动器、冗余处理单元、外部磁盘驱动阵列、RAID***、磁带驱动器以及数据备份存储***等。
处理器单元16通过运行存储在***存储器28中的程序，从而执行各种功能应用以及数据处理，例如实现本发明实施例所提供的一种无刷励磁电机的故障判断方法。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (8)

1.一种无刷励磁电机的故障判断方法，其特征在于，
获取无刷励磁电机定子励磁绕组的正、负极两端对地电压数据；
对所述电压数据进行傅里叶分析，以及计算预设谐波频率下的正极有效值U+和负极有效值U-；
基于所述正极有效值U+和所述负极有效值U-判断无刷励磁电机的定子励磁绕组接地处是否发生故障。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于所述正极有效值U+和所述负极有效值U-判断无刷励磁电机的定子励磁绕组接地处是否发生故障一步包括：
基于所述正极有效值U+和所述负极有效值U-确定总有效值U；
设置预设谐波频率下的对地电压数据阈值ξ；
比较所述总有效值U与所述对地电压数据阈值ξ，当U≥ξ时，判断所述无刷励磁电机定子励磁绕组接地处是否发生故障。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述无刷励磁电机为11相无刷励磁电机，所述预设谐波频率为550Hz。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述总有效值U为所述正极有效值U+和所述负极有效值U-之和。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对地电压数据阈值ξ为预设谐波频率下正极和负极对地谐波电压值之和。
6.一种用于执行权利要求1-5中任一项所述方法的故障判断装置，其特征在于，
对地电压数据获取单元，用于获取无刷励磁电机定子励磁绕组的正、负极两端对地电压数据；
分析计算单元，用于对所述电压数据进行傅里叶分析，以及计算预设谐波频率下的正极有效值U+和负极有效值U-；
故障判断单元，用于基于所述正极有效值U+和所述负极有效值U-判断无刷励磁电机的定子励磁绕组接地处是否发生故障。
7.一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1-5中任一项所述的方法。
8.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现如权利要求1-5中任一项所述的方法。
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