用于确定同步机故障状态的方法和系统与流程

本公开一般地涉及同步机。具体地，涉及确定在同步机中是否存在故障状态、以及在存在故障状态的情况下识别故障状态的类型的方法。此外，本公开还涉及实现该方法的同步机故障状态监视系统。

背景技术：

同步机，即同步电机和同步发电机，包括转子和定子。转子和定子电磁地相互作用，使得在同步机是电机的情况下获得转子的旋转，并且使得在同步机是发电机的情况下，在定子线圈中感生电流。

很多故障状态可以在同步机中(在定子和转子二者中)出现。这样的故障状态可以瞬时引起同步机的性能中的显著偏差，或者其可能不被注意达较长时间段，这仅在数月或甚至数年之后表现为灾难性故障。

传统上，定子电流和同步机振动测量已经是用于确定故障状态的存在的优选的监测。然而，定子电流测量必须在定子的高电压状态下被执行，其因此需要能够经受这样的状态的昂贵的传感器设备。此外，已经显示，振动水平没有以令人满意的方式反映出同步机状态。

US20090091289公开了一种使用励磁电流(即转子电流)和转子探测线圈电压谐波的故障检测系统。该方法包括收集例如同步机励磁电流，并且基于励磁电流来预测谐波频率。监视所预测的谐波频率，以基于电流和电压来确定定子的状态。基于所预测的谐波频率的监视来检测定子匝间故障，其中谐波频率与线频率的比率等于特定等式。基于机器的基本磁极的数目来预测谐波频率。

US20090091289因此提供了利用励磁电流测量来监视和确定定子匝间故障。然而，存在可能在同步机中出现的多个可能的故障状态。

US4,492,999公开了一种监测单元，用于检测在诸如无刷同步电机的装置和旋转电机中的轴电压的异常。监测单元包括用于监测跨转子轴的至少两个点的电压的第一检测器、用于检测在转子轴和地之间的电压的第二检测器、以及用于检测AC励磁机的电气状态的第三检测器，AC励磁机构成该装置的励磁系统的一部分。第三检测器可以检测指示励磁系统电压或励磁系统电流的电气信号。监测单元包括：电压比较器和频率比较器，其接收来自三个检测器的检测信号，以提供指示在异常状态发生时的异常的信号，诸如接地刷的接触故障或线圈绝缘故障。

Wesley Doorsamy等人的论文“Multiple fault diagnosis on a synchronous 2pole generator using shaft and flux probe signals”，Industrial Technology(ICIT)，2013IEEE International Conference ON，IEEE，2013年2月25日，第362-367页公开了用于使用单匝铜导体和轴悬架刷的对同步发电机的故障诊断的方法。该刷提供了轴电压测量，并且单匝铜导体用作使用线圈导体模制的探测线圈/磁通探头，该线圈导体在定子齿周围沿着机器的长度行进并且在相反方向上沿着机器返回。

技术实现要素：

鉴于上述情况，本发明的目的在于提供一种方法和系统，该方法和系统提供了相对于先前可能的改进的故障状态监测和故障状态类型确定。

因此，根据本公开的第一方面，提供了一种确定同步机中的故障状态的方法，其中，该方法包括：

a)获得所述同步机的励磁电流信号和轴电压信号，

b)变换所述励磁电流信号和所述轴电压信号以获得励磁电流频谱和轴电压频谱，以及

c)确定故障状态是否存在，并且在故障状态存在的情况下识别所述故障状态的类型，其中，所述确定是基于所述励磁电流频谱的谐波量以及所述轴电压频谱的谐波量。

可以通过利用不同的故障状态指标(即，励磁电流和轴电压)获得的效果是，可以检测到和识别出多个故障状态。此外，可以确定无法通过对仅励磁电流频谱和轴电压频谱中的一个的分析来识别的故障状态。具体地，对于一些故障，不存在用于励磁电流频谱或轴电压频谱的独特特征频谱。励磁电流频谱和轴电压频谱的评估因此可以协同地用于在不同的故障状态中更准确地进行辨别。

此外，利用不同的故障指标使得能够在同时存在若干故障状态的情况下检测同时故障检测。

根据一个实施例，步骤c)包括将所述励磁电流频谱的谐波量与健康状态励磁电流特征频谱作比较，并且将所述轴电压频谱的谐波量与健康状态轴电压特征频谱作比较。

在所述励磁电流频谱的谐波量与健康状态励磁电流特征频谱不匹配，或者所述轴电压频谱的谐波量与健康状态轴电压特征频谱不匹配的情况下，步骤c)包括将所述励磁电流频谱的谐波量与故障状态励磁电流特征频谱作比较，并且将所述轴电压频谱的谐波量与故障状态轴电压特征频谱作比较。

根据一个实施例，在步骤c)中，识别故障状态的类型进一步基于所述轴电压频谱和所述励磁电流频谱的谐波量的频率分量的幅度。

一个实施例包括不论在2n*f_s处的频率分量是否存在都评估所述励磁电流频谱，其中，n是整数并且fs是电源频率。

一个实施例包括：确定是否存在超过6次谐波的2n*f_s处的频率分量，以确定转子具有短路线匝故障状态。

一个实施例包括不论在(2n+1)*f_s±f_r处的频率分量是否存在都评估所述轴电压频谱，其中，f_r是所述同步机的转子的旋转频率。

一个实施例包括在所述励磁电流频谱的频率分量2n*f_s在整个频谱中分布的情况下，并且如果存在轴电压频谱中的(2n+1)*f_s±f_r处的频率分量，则确定定子具有短路线匝。

一个实施例包括在所述励磁电流频谱的频率分量2n*f_s限制为6次谐波的情况下，并且如果存在轴电压频谱中的(2n+1)*f_s±f_r处的频率分量，则确定定子具有短路线匝。

一个实施例包括不论是否存在n*f_r处的频率分量都评估所述励磁电流频谱，以确定是否存在静态和动态偏心故障状态，其中，n是整数，并且f_r是所述同步机的转子的旋转频率。

一个实施例包括不论是否存在n*f_r处的频率分量都评估所述励磁电流频谱，并且不论是否存在n*f_r处的频率分量都评估所述轴电压频谱，以确定转子是否具有短路线匝故障状态或者存在动态偏心故障状态，其中，n是整数并且fs是电源频率。

一个实施例包括从励磁电流传感器获得所述励磁电流信号，并且从轴电压传感器获得所述轴电压信号。

一个实施例包括获得同步机的转子的温度，并且基于励磁电流频谱的谐波量、轴电压频谱和温度来估计转子的寿命。

根据本公开的第二方面，提供了一种包括计算机可执行组件的计算机程序产品，所述计算机可执行组件用于当在所述同步机故障状态监视系统的处理器电路上运行所述计算机可执行组件时，使得同步机故障状态监视系统执行根据本文呈现的第一方面的方法。

根据本公开的第三方面，提供了一种同步机故障状态监视系统，包括：被布置为测量同步机的励磁电流的励磁电流传感器；被配置为测量同步机的轴电压的轴电压传感器；被布置为从所述励磁电流传感器接收所述励磁电流信号，以及从所述轴电压传感器接收所述轴电压信号的处理器电路；以及存储指令的存储单元，当由所述处理器电路执行所述指令时，使得所述同步机故障状态监视系统执行根据本文的第一方面的方法。

通常，权利要求中使用的所有术语将根据其在本技术领域中的普通含义来解释，除非本文另有明确定义。对“一/一个/该元件、装置、组件、部件等的所有引用被开放地解释为指元件、装置、组件、部件等中的至少一个实例，除非另有明确说明。此外，本文所呈现的方法的任何步骤不必一定以所描述的顺序来执行，除非明确如此声明。

附图说明

现在将参考附图通过示例的方式来描述本发明原理的具体实施例，在附图中：

图1示意性地描绘了同步机故障状态监视系统的示例；

图2描绘了用于健康状态和各种故障情况的励磁电流频谱；

图3描绘了用于健康状态和各种故障情况的轴电压频谱；和

图4是确定同步机中的故障状态的方法的流程图，其可以通过例如图1中的同步机故障状态监视系统来执行。

具体实施方式

下文中将参考附图来更全面地描述本发明的原理，在附图中示出了示例性实施例。然而，本发明的原理可以以很多不同的形式来实现，并且不应当被解释为限制为本文阐述的实施例；相反，这些实施例通过示例的方式来提供，使得本公开将是全面和完整的，并且将向本领域技术人员充分传达本发明原理的范围。在说明书中，相同的附图标记指代相同的描述的元件。

图1描绘了同步机故障状态监视系统1的示例。同步机故障状态监视系统1被布置为检测和识别同步机，即电动机或发电机的故障状态。

同步电机包括轴3、布置在轴3周围的转子5以及定子(未示出)、用于经由旋转运动与定子电磁交互的转子5。同步机可以是低电压机器、中电压机器或高电压机器。

同步机故障状态监视系统1被布置为获得与转子和轴相关联的电气参数，以执行对电气参数的频谱的谐波分量的频率分析，并且基于谐波分量来确定在同步机中是否存在故障状态，并且识别故障状态的类型。

同步机故障状态监视系统1包括被布置为测量与轴3相关联的轴电压的轴电压传感器7a，以及被布置为测量转子5的励磁电流的励磁电流传感器7b。励磁电流是流过转子线圈的电流。

同步机故障状态监视系统1进一步包括发射器9a、接收器9b、处理器电路11和存储单元13。发射器9a被配置为分别从轴电压传感器7a和励磁电流传感器7b接收电气参数信号，即轴电压信号和励磁电流信号。发射器9a进一步被配置为将电气参数信号传送到接收器9b。在发射器9a和接收器9b之间的信号传输可以是无线或有线的或其组合。

处理器电路11被布置为从接收器9b获得电气参数信号。存储单元13存储指令或计算机可执行组件，当由处理器电路11执行时，使得同步机故障状态监视系统1以执行本文中所提出的方法。因此，处理器电路11被布置为变换励磁电流信号和轴电压信号以获得励磁电流频谱和轴电压频谱。变换可以例如是傅立叶变换或允许时间频率分析的任何其他信号处理工具。此外，处理器电路11被布置为基于励磁电流频谱的谐波量和轴电压频谱的谐波量来确定故障状态是否存在，并且识别故障状态的类型。

同步机故障状态监视系统1可以可选地包括被布置为测量转子5的励磁电压的励磁电压传感器7c，和/或被布置为感测转子5的温度的温度传感器7d。温度传感器7d可以例如被布置在同步机的励磁机上。在该情况下，发射器9a被布置为接收由励磁电压传感器测量的励磁电压信号和/或由温度传感器7d测量的温度信号，并且将这些信号传送到接收器9b。励磁电压信号可以例如与励磁电流信号一起使用，以确定该励磁阻抗，这可以是另一故障状态指标。温度信号可以结合轴电压频谱和励磁电流频谱的谐波量来使用，以确定转子5的估计的寿命。

本发明人已经推断出用于励磁电流以及轴电压的多个频谱、用于在同步机中的特定故障状态的特性。这些频谱中的一些对于特定故障状态来说是独特的，而对于一些故障状态，所获得的轴电压频谱和所获得的励磁电流频谱必须组合地被评估，以能够确定存在何种类型的故障状态。

出于示例的目的，图2描绘了很多励磁电流特征频谱15a-15g。最上方的频谱是健康状态励磁电流特征频谱15a，其对应于在同步机健康时的励磁电流频谱的谐波量。其余励磁电流特征频谱谱15b-15g包括作为各种故障状态的特征的谐波量或频率分量，但不必是独特的。因此，在特定情况下，关于励磁电流频谱的谐波量和轴电压谐波频谱的谐波量必须被组合地评估，以能够确定故障状态的类型。为了确定静态偏心故障状态，例如，有利的是还利用结合获得励磁电流频谱获得的轴电压频谱，以便于得出静态偏心故障状态存在的结论，如以下更具体描述的。

图3描绘了多个轴电压特征频谱l7a-17g。最上方的频谱是健康状态轴电压特征频谱15a，其对应于在同步机健康时的轴电压频谱的谐波量。其余轴电压特征频谱17b-17g包括作为各种故障状态的特征的谐波量或频率分量，但是不必是独特的。

以下表1提供了励磁电流频谱和轴电压频谱的区分频率分量以及相应故障状态的列表。在表1以及本公开的术语中，n是等于或大于0的整数，具体地是谐波次数，f_s是电源频率，例如50Hz，并且f_r是同步机的转子的旋转频率。

表1

现在将参考图4来描述如有同步机故障状态监视系统1执行的确定同步机的故障状态的方法。

在步骤a)中，同步机的励磁电流信号和轴电压信号由处理电路11来获得。

在步骤b)中，变换励磁电流信号以获得励磁电流频谱。此外，轴电压信号被变换以获得轴电压频谱。在由处理器电路获得的通常处于时域时的励磁电流信号和轴电压信号通过例如傅里叶变换器或允许时间频率分析的另一信号处理技术被变换为频域。

在步骤c)中，由处理器电路11来确定故障状态是否存在和故障状态的类型。在步骤c)中的确定基于励磁电流频谱的谐波量和轴电压频谱的谐波量。

根据一个变体，在步骤c)中，将在步骤b)中获得的励磁电流频谱与健康状态励磁电流特征频谱作比较，以确定是否存在故障状态。类似地，将在步骤b)中获得的轴电压频谱与健康状态轴电压特征频谱作比较。在励磁电流频谱和轴电压频谱中的任何一个与相应的健康状态特征频率偏离的情况下，确定存在故障状态。

在确定了存在故障状态的情况下，即，如果励磁电流频谱的谐波量不匹配健康状态励磁电流特征频谱或轴电压频谱的谐波量不匹配健康状态轴电压特征频谱，则确定存在何种类型的故障状态。为了该目的，将励磁电流频谱的谐波量与故障状态励磁电流特征频谱相比较，并且将轴电压频谱的谐波量与故障状态轴电压特征频谱相比较。因此，故障状态的类型可以通过匹配的故障状态励磁电流特征频率和/或匹配的故障状态轴电压特征频谱来确定。

根据故障的类型，可能需要组合从励磁电流频谱与故障状态励磁电流特征频谱的比较，以及轴电压频谱与故障状态轴电压特征频谱的比较获得的信息

通常，当评估励磁电流频谱的谐波量和轴电压频谱的谐波量时，频率分量的幅度是下述参数，步骤c)基于该参数来确定故障状态是否存在并且识别故障状态的类型。因此，频率分量的幅度取决于故障状态的类型。

当在步骤c)确定了故障状态存在并且其身份已经被确立时，同步机故障状态监视系统1可以例如通过在显示屏幕上显示信息或者通过向操作者的诸如智能电话的移动设备传送信息来指示故障状态存在。

现在将描述确定故障情况的特定类型的示例。具体地，将描述可能需要来自励磁电流频谱和轴电压频谱二者的信息的组合的单个故障状态。

第一示例涉及确定故障状态是定子短路线匝故障状态还是静态偏心故障状态。

不论在2n*f_s处的频率分量是否存在，处理电路11评估励磁电流频谱。此外，不论(2n+1)*f_s±f_r处的频率分量是否存在，处理电路11都评估轴电压频谱。在励磁电流频谱的频率分量2n*f_s在整个频谱上分布的情况下，并且如果在轴电压频谱中的(2n+1)*f_s±f_r处的频率分量存在，则确定定子具有短路线匝，即定子短路线匝故障状态。

在励磁电流频谱的频率分量2n*f_s被限制为在六次谐波附近的情况下，并且如果轴电压频谱中的(2n+1)*f_s±f_r处的频率分量存在，则确定静态偏心故障状态存在。

其中在单独考虑时所评估的励磁电流频谱可能类似于其他故障状态，并且其中在单独考虑时轴电压频谱可能类似于其他故障状态的另一示例是在确定转子是否具有短路线匝故障状态或者动态偏心故障状态是否存在时的示例。因此，不论n*fs处的频率分量是否存在，处理电路11可以评估励磁电流频谱，并且不论n*fs处的频率分量是否存在，可以评估轴电压频谱，以由此确定转子是否具有短路线匝故障状态，即，转子短路线匝故障，或者是否存在动态偏心故障状态。当一起考虑两个频谱时，可以确定存在何种类型的故障状态。

因此，在上述情况下，来自励磁电流频谱和轴电压频谱二者的谐波量用于确定故障状态的类型。

作为确定转子具有短路线匝故障状态的替代，可以评估2n*f_s处的超过励磁电流频谱的六次谐波的频率分量是否存在。如果是这种情况，则可以确定转子具有短路线匝故障状态。

静态和动态偏心故障状态的存在，即混合故障状态可以通过处理电路11来确定，不论n*fr处的频率分量是否存在，评估励磁电流频谱。如果是这样，则处理电路11能够得出混合故障状态存在的结论。

故障状态的其他类型以及这些故障状态的特性或特征在以上表1中被总结，并且在图2和图3中示出了相应的故障状态频谱。

可以设想，本文提出的系统和方法可以在智能同步机环境中用于诊断同步机的故障状态，并且估计同步机的寿命。通过该系统和方法，能够确定同步机的故障情况，并且如果故障状态没有被适当处理则估计同步机的完全崩溃何时发生。同步机故障状态监视系统和方法可以结合同步发电机和同步电机来使用，涉及由这样的机器利用的任何电压电平。

以上参考一些示例来描述本发明原理。然而，如本领域技术人员容易理解的，除了以上公开的其他实施例在如所附权利要求限定的本发明原理的范围内是等同可能的。