CN113092119A - 一种整流发电机组故障模拟装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种整流发电机组故障模拟装置。该装置包括：十二相整流发电机组和故障模拟控制***。十二相整流发电机组包括原动机和故障模拟发电机，故障模拟发电机包括AVR、磁励机、旋转整流器、主发电机；故障模拟控制***包括整机控制装置、故障模拟控制装置和故障模拟整流装置，通过控制故障模拟发电机和故障模拟整流装置预设端子间的短接或断开实现十二相整流发电机组的故障发生和故障恢复，并采集故障信息。本发明通过对现有的十二相整流发电机组进行故障模拟，经分析所得的故障信息应用价值高，可以较好地应用于整流发电机故障诊断研究、发电机测试性设计改进等方面。

Description

一种整流发电机组故障模拟装置

技术领域

本发明属于测试技术领域，更具体地，涉及一种整流发电机组故障模拟装置。

背景技术

测试性是装备的可靠性设计与维修性、保障性设计之间的重要纽带。具有良好测试性的***和设备，在发现故障时能够及时提示操作者中断任务，提高装备的可靠性与安全性；同时在维修保障过程中能够快速地检测与隔离故障，缩短故障检测与隔离时间，进而减少维修时间，提高***可用性、持续性和快速反应能力，降低使用维护费用。

而测试性必须要建立在故障诊断技术之上，故障模拟整流发电机组的故障注入设计应运而生，该发明能在实物设备上注入故障，所获得的故障信息具有很高的研究价值，并对设备的设计和改进具有指导意义。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：

现有设备测试性水平较低、测试性技术应用不够深入的主要原因是测试性验证试验结果可信度不高，通过外场验证试验自然产生故障往往需要较长时间，并且产生的故障类型较少，故障产生不可控。目前，测试性验证的主要手段是故障注入，而整流发电机缺乏有效的故障注入手段。

发明内容

针对现有技术的缺陷或改进需求，本发明提供了一种整流发电机组故障模拟装置，通过对现有的十二相整流发电机组进行故障模拟，经分析所得的故障信息应用价值高，可以较好地应用于整流发电机故障诊断研究、发电机测试性设计改进等方面。

为实现上述目的，本发明提供了一种整流发电机组故障模拟装置，包括：十二相整流发电机组和故障模拟控制***；

在所述十二相整流发电机组的预设位置布设有端子；

所述故障模拟控制***，用于通过控制所述端子的短接和断开，来实现故障发生、故障信息采集和故障恢复。

优选的，所述十二相整流发电机组包括原动机和故障模拟发电机：

所述原动机，用于拖动所述故障模拟发电机；

所述故障模拟发电机，用于产生故障。

优选的，所述故障模拟控制***包括：

整机控制装置，用于控制所述原动机的启动、停止和调速；

故障模拟控制装置，用于控制所述故障模拟发电机的故障发生、故障信息采集、故障恢复；

故障模拟整流装置，用于将所述故障模拟发电机输出的交流电变换为直流电，模拟整流装置的相关故障。

优选的，所述故障模拟发电机包括：

自动电压调节器，用于自动控制所述故障模拟发电机的输出电压；

励磁机和旋转整流器，用于产生主发电机励磁电流相关故障；

主发电机，用于产生主发电机定转子相关故障。

优选的，所述故障模拟控制装置包括：原动机启动按钮、原动机停止按钮、原动机调速电位器、故障控制按钮、故障模拟状态显示单元、报警单元和信号采集显示单元，通过控制所述原动机启动按钮、所述原动机停止按钮、所述原动机调速电位器、所述故障控制按钮、所述故障模拟状态显示单元、所述报警单元和所述信号采集显示单元来实现以下故障发生、恢复和信息采集：主发电机定子绕组相间短路、主发电机定子绕组相间断路、主发电机定子绕组接头故障、主发电机定子绕组对地绝缘受污染、主发电机定子绕组匝间短路、主发电机转子绕组接地、主发电机转子绕组匝间短路、主发电机转子绕组开焊、主发电机转子绕组、励磁机过励、励磁机欠励、励磁机过励失效、主发电机定子绕组输出电压过压、主发电机定子绕组输出电压欠压。

优选的，所述主发电机包括主发电机定子和主发电机转子；所述主发电机定子，包括定子铁芯和定子绕组，所述定子绕组采用中心点引出的4个独立Y接绕组作为十二相交流输出，分别在每个所述Y接绕组的中间位置断开，并将断开位置、中心点和输出端分别连接至预设端子；所述主发电机转子，包括转子铁芯和转子绕组，将所述转子绕组的两端以及中间分别连接至预设端子。

所述励磁机，包括励磁机定子和励磁机转子；所述励磁机定子包括励磁机定子铁芯和励磁机定子绕组，将所述励磁机定子绕组的两端以及中间连接至预设端子；所述励磁机转子包括励磁机转子铁芯和励磁机转子绕组，所述励磁机转子绕组采用中心点不引出的星型连接，在所述励磁机转子绕组的中间位置断开，并将断开位置和每一相输出端连接至预设端子；

所述旋转整流器，由二极管组成，将所述旋转整流器两个输出端连接至预设端子。

总体而言，本发明与现有技术相比，具有有益效果：

(1)通过故障模拟得到的数据应用价值高。正是因为基于实物进行模拟，该发明能很好地模拟设备在实际工况下的故障状态，其结果的准确性远高于虚拟仿真所得到的数据，所得到的数据对于测试性研究具有指导意义。

(2)具有针对性。在实际故障发生时，往往很难确认故障现象是否为某单一故障造成，故障数据分析难度大。使用该发明后，由于是预设的故障注入，产生的数据能直接作为故障特征进行分析；并且数据样本量大，便于分析处理。

(3)风险可控。故障在实际发生时，可能会对设备造成严重损害，造成不可挽回的后果；而利用该发明的故障模拟控制***，能很好地规避该问题。

附图说明

图1是本发明实施例的整流发电机组故障模拟装置的示意图；

图2是本发明实施例的原动机装置的示意图；

图3是本发明实施例的故障模拟发电机装置的示意图；

图4是本发明实施例的故障模拟整流装置的示意图；

图5是本发明实施例的各类型故障示意图；

图6至图23是本发明实施例的各类型故障模拟电路示意图；

图24为本发明实施例的正常工况下的探测线圈中的感应电势；

图25为本发明实施例的故障工况下的探测线圈中的感应电势。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，本发明实施例的一种整流发电机组故障模拟装置，包括：十二相整流发电机组和故障模拟控制***。十二相整流发电机组包括原动机和故障模拟发电机，故障模拟发电机包括自动电压调节器(automatic voltage regulator，AVR)、磁励机、旋转整流器、主发电机以及预设的多个接线端子；故障模拟控制***包括故障模拟控制装置和故障模拟整流装置，通过控制故障模拟发电机和故障模拟整流装置中预设接线端子间的短接或断开实现十二相整流发电机组故障模拟装置的故障发生、故障信息采集和故障恢复。

原动机用于给故障模拟发电机提供必要的机械功率和满足发电要求的稳定转速。如图2所示，原动机包括原动机和风机，原动机采用变频调速三相异步电动机。故障模拟控制***被设置在控制箱内，控制箱包括原动机启动按钮、停止按钮、调速电位器(即调速旋钮)。启动时先按下风机启动按钮，再启动原动机；观察原动机转速表，通过电控箱面板上的调速旋钮，控制变频器，调控原动机的转速。停止时则先按下原动机停止按钮后，再停止风机运行。

本发明实施例的故障模拟发电机如图3所示。磁励机用于输出三相交流电；旋转整流器用于对磁励机输出的三相交流电整流，从而为主发电机提供励磁电流；主发电机用于输出十二相交流电。

主发电机包括主发电机定子和主发电机转子；

主发电机定子，包括定子铁芯和定子绕组，定子绕组采用中心点引出的4个独立Y接绕组作为十二相交流电源输出，4个独立Y接绕组优选设计为相互间偏转15°。分别在每个Y接绕组的中间位置断开，并从断开位置、中心点和每一相输出端分别引出引接线至预设接线端子。十二相每一相都引出一个接线端，记为U1、V1、W1…U4、V4、W4，各中心点也接出共计四个接线端，记为N1、N2、N3、N4。以Y1绕组为例，在三个相绕组的1/4和1/2处断开，将断开的部分分别引出引接线，如图6所示，记为U14、U41、U12、U21、V14、V41、V12、V21、W14、W41、W12、W21。但是，并非必须在绕组的1/4和1/2处断开，可以根据设计需要灵活调整。主发电机定子绕组中嵌有温度传感器，输出端引至接线端子f1、f2。

主发电机转子，包括主发电机转子铁芯和主发电机转子绕组，在主发电机转子绕组的两端以及中间位置分别引出引接线。转子绕组是一个串联的直流绕组，为定子绕组提供励磁磁场，在转子两端的中间部分引出一个抽头，如图13所示，记为F1、F2、F12。主发电机转子绕组中嵌有温度传感器，输出端引出到接线端f3、f4。

励磁机，包括励磁机定子和励磁机转子。

励磁机定子包括定子铁芯和定子线圈，在定子绕组的两端以及中间预设位置分别引出引接线。具体的，励磁机定子与主发电机定子安装在一个机座内，由励磁机定子铁芯和励磁机定子线圈组成。励磁机定子绕组为一个串联的直流绕组，为励磁机转子绕组提供励磁磁场，在励磁机定子绕组的两端以及中间部分引出一个抽头，如图12所示，记为E1、E2、E12。励磁机定子绕组中嵌有温度传感器，输出端引出到接线端f5、f6。

励磁机转子包括转子铁芯和转子绕组组成，励磁机转子绕组采用中心点不引出的星型连接绕组，在励磁机转子绕组的中间预设位置断开，并从断开位置和每一相输出端分别引出引接线。具体的，励磁机转子与主发电机转子安装在同一个轴上，与主发电机转子同轴旋转，由励磁机转子铁芯和励磁机转子绕组组成，在励磁机转子绕组的每一相绕组在1/2处断开，并将两端及断开处分别引出引接线，如图16所示，记为S1、S2、S3、S11、S12、S21、S22、S31、S32。励磁机转子绕组中嵌有温度传感器，输出端引出到接线端f7、f8。

故障模拟发电机组还包括滑环碳刷组件。由于主发电机转子绕组的电源输入端及其中间抽头和励磁机转子绕组的三相输出端以及中间断开位置都需要引出到发电机外部，而且各转子绕组中嵌有的温度传感器的接线端也需要引出到发电机外部，因此，需要在发电机内部增加滑环和碳刷组件。其中在轴伸端安装一套滑环和碳刷组件将主发电机转子绕组各引出线和温度传感器信号引出到发电机外部接线端f9、f11，在非轴伸端安装一套滑环和碳刷组件将励磁机转子绕组的各引出线及其温度传感器信号引出到发电机外部接线端f10、f12。

旋转整流器用于对磁励机输出的三相交流电进行整流，从旋转整流器的两个输出端分别引出引接线。为了故障模拟的实施，将旋转整流器移至发电机外部。

电压调节器(AVR)，用于将外接交流电源整流后为励磁机定子绕组提供直流励磁电源，同时从主发电机定子绕组输出端采集电压信号与主发电机输出的电压设定值进行比较，根据比较结果调节输出电压大小，以保证主发电机定子绕组输出电压在设定值范围内。为了故障模拟的实施，方便调节励磁机定子绕组的励磁电流的大小，将电压调节器集成在控制箱内。

故障模拟发电机机座设置出风口，在出风口设置加热管，故障模拟控制***可控制加热管的加热温度来模拟冷却故障。进风口温度传感器，输出端引出到接线端f15、f16；出风口温度传感器，输出端引出到接线端f13、f14。

如图4所示，在图2的基础之上在U3、V3、W3三相接入故障模拟整流装置，对整流装置的故障进行模拟，比如熔断器故障。

故障模拟控制***被设置在控制箱内，控制箱包括原动机启动按钮、原动机停止按钮、原动机调速电位器、故障模拟控制按钮、故障模拟状态显示单元、报警单元和信号显示单元。通过操作控制箱面板上的相应按钮，来控制原动机的输出、电压调节器的输出，或控制相应的继电器动作，使得相应的端子间断开或短接，进而模拟故障发生；其结果可显示在触摸屏上。

具体的，

1)原动机为变频电机，控制其运行的变频器布置在控制柜内，通过面板上按钮对原动机实现启动、停机操作，通过面板上电位器实现调速，可通过变频器设定原动机的最低、最高转速；

2)控制箱面板上设有调节发动机励磁的电位器；

3)十二相整流装置布置在控制箱内，其输出的直流电压和电流通过面板上的仪表显示；

4)模拟故障所需的控制***的元件全部安装在控制箱内；

5)控制箱的面板上设有若干带灯自锁按钮，其标识和功能分别对应各模拟故障；

6)控制箱的面板上设有显示屏，用以显示报警状态和工作状态信息；

7)控制箱内设有欠压和过流保护装置。

如图5所示，对全部可注入的模拟故障都进行了分类，通过控制箱上的各个按钮操作，设置有故障恢复按钮用于停止故障模拟，并设置了紧急停机按钮在故障不可控时实现紧急停机操作。可以根据使用需要选取以下故障中一种进行模拟：主发电机定子绕组相间短路、主发电机定子绕组相间断路、主发电机定子绕组接头故障、主发电机定子绕组对地绝缘受污染、主发电机定子绕组匝间短路、主发电机转子绕组接地、主发电机转子绕组匝间短路、主发电机转子绕组开焊、主发电机转子绕组、励磁机过励、励磁机欠励、励磁机过励失效、主发电机定子绕组输出电压过压、主发电机定子绕组输出电压欠压、转轴故障、端盖轴承故障、机座故障。

各类故障模拟的具体实现方法如表1及图6至图23所示。

表1：故障模拟实施

通过故障模拟控制***模拟故障，使得故障模拟发电机处于相应的故障状态。同时在故障模拟发电机中，预先安装的传感器件会对相关参数进行状态监测，通过傅里叶变换等方式分析处理采集的故障信息，获取各种故障所对应的特征。

例如定子绕组相间短路故障，正常运行时，探测线圈感应电压波形，如图24所示，(a)为时域波形，(b)为傅里叶分解结果。图25为发电机发生定子绕组相间短路故障时探测线圈中的感应电压，(a)为时域波形，(b)为傅里叶分解结果。从图24和图25的实验结果可看出，当电机正常运行时，探测线圈的端口电压都为0；而在注入发电机定子绕组相间短路故障后，探测线圈端口出现了明显的基频开路电压，可以此作为是否发生定子绕组内部相间短路故障的依据。

必须说明的是，上述任一实施例中，方法并不必然按照序号顺序依次执行，只要从执行逻辑中不能推定必然按某一顺序执行，则意味着可以以其他任何可能的顺序执行。

本领域的技术人员容易理解，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种整流发电机组故障模拟装置，其特征在于，包括：十二相整流发电机组和故障模拟控制***；

在所述十二相整流发电机组的预设位置布设有端子；

所述故障模拟控制***，用于通过控制所述端子的短接和断开，来实现故障发生、故障信息采集和故障恢复。

2.如权利要求1所述的整流发电机组故障模拟装置，其特征在于，所述十二相整流发电机组包括原动机和故障模拟发电机：

所述原动机，用于拖动所述故障模拟发电机；

所述故障模拟发电机，用于产生故障。

3.如权利要求2所述的一种整流发电机组故障模拟装置，其特征在于，所述故障模拟控制***包括：

整机控制装置，用于控制所述原动机的启动、停止和调速；

故障模拟控制装置，用于控制所述故障模拟发电机的故障发生、故障信息采集、故障恢复；

故障模拟整流装置，用于将所述故障模拟发电机输出的交流电变换为直流电，模拟整流装置的相关故障。

4.如权利要求2所述的一种整流发电机组故障模拟装置，其特征在于，所述故障模拟发电机包括：

自动电压调节器，用于自动控制所述故障模拟发电机的输出电压；

励磁机和旋转整流器，用于产生主发电机励磁电流相关故障；

主发电机，用于产生主发电机定转子相关故障。

5.如权利要求4所述的一种整流发电机组故障模拟装置，其特征在于，

所述主发电机包括主发电机定子和主发电机转子；所述主发电机定子，包括定子铁芯和定子绕组，所述定子绕组采用中心点引出的4个独立Y接绕组作为十二相交流输出，分别在每个所述Y接绕组的中间位置断开，并将断开位置、中心点和输出端分别连接至预设端子；所述主发电机转子，包括转子铁芯和转子绕组，将所述转子绕组的两端以及中间分别连接至预设端子。

6.如权利要求4所述的一种整流发电机组故障模拟装置，其特征在于，

所述励磁机，包括励磁机定子和励磁机转子；所述励磁机定子包括励磁机定子铁芯和励磁机定子绕组，将所述励磁机定子绕组的两端以及中间连接至预设端子；所述励磁机转子包括励磁机转子铁芯和励磁机转子绕组，所述励磁机转子绕组采用中心点不引出的星型连接，在所述励磁机转子绕组的中间位置断开，并将断开位置和每一相输出端连接至预设端子。

7.如权利要求4所述的一种整流发电机组故障模拟装置，其特征在于，

所述旋转整流器，由二极管组成，将所述旋转整流器两个输出端连接至预设端子。

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