基于电机定子电流和转子电流融合的轴系扭振监测方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于电机定子电流和转子电流融合的轴系扭振监测方法，利用电机定转子电流和电机定转子电感计算出电机的输出电磁扭矩，通过电磁扭矩计算轴系扭振响应，并对轴系受力分析计算，避免轴系在运行过程中出现扭振后损坏轴系，实现对轴系的保护。本发明可以在振动出现的早期能够及时进行处理，避免轴系在运行过程中出现扭振后损坏轴系。
【专利说明】
基于电机定子电流和转子电流融合的轴系扭振监测方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种通过对电机定子电流和转子电流的计算分析来监测轴系扭振的 方法，具体涉及一种基于电机定子电流和转子电流融合的轴系扭振监测方法。
【背景技术】
[0002] 在发电、冶金、石化等大型企业中，存在大量发电设备和由电机拖动的负载设备。 由于存在许多干扰，如电网频率波动，转子短路、断路气隙偏心、负载波动等等，使得这些设 备在旋转工作中常常会出现轴系扭振的现象，甚至导致轴系的损坏。另外，电机变频运行是 节能减排的重要手段，随着电机经过变频改造的广泛运用，轴系扭振的问题更加突出。
[0003] 采用变频器对电动机供电时，脉宽调制(Pulse Width Modulation)逆变器是变频 调速电机最广泛使用的器件，其输出电压是脉冲宽度可变的电压脉冲波形，这个非正弦电 压可分解为一系列谐波，在脉冲序列电压作用下，将产生大量谐波电流、电压成分，感应电 动机将会产生谐波脉动转矩。当某个机械部件的固有振动频率和脉动转矩的频率一致时， 该部件将会产生机电耦合谐振，使电机转速和转矩产生脉动，影响系统稳定性，引发转动轴 系产生扭转振动，从而导致电动机和轴系永久损坏。
[0004] 在日常的巡检中，人们比较容易感觉到常规弯曲振动的大小。但是，和常规弯曲振 动不同，扭转振动所诱发的故障具有很强的潜伏性和隐蔽性，具有以下两个典型特点：（1) 故障初期很难发现；（2)故障一旦进入中晚期，往往会导致大轴和叶片断裂等恶性事故的发 生，故障危害和所造成的损失较大，所以及时发现轴系出现扭振的现象并采取相应的措施 就显得尤为重要。
[0005] 现在对扭振的监测方法主要有三种：
[0006] 第一、有通过在轴系表面贴应变片，然后通过无线装置采集扭应变的变化情况。这 种方法的无线发射装置需要充电使用，随轴系转动而转动，难以实现长时间的监测。
[0007] 第二、通过在轴系表面增加刻度盘，测量轴系扭振。这种方法简单易行，但是由于 刻度盘的加工精度会对测试结果有很大影响，难以得到精确的结果。
[0008] 第三、采用监测定子电流的方法监测轴系扭振。其原理主要是将定子电流提取出 来进行频谱分析后，观察分析其中是否含有特定频率分量，来判断是否发生了扭振。但是 由于很多原因都会造成定子电流基频中含有杂频，如气隙偏心、转子断条等等。另外，定子 电流经过变频改造后，成分十分丰富，各种频率成分都存在，其中各种频率成分不能和轴系 扭振一一对应，难以直接用分析定子电流的方法进行判断轴系扭振情况，也不能分析轴系 的受力情况。
【发明内容】
[0009] 发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提出综合利用电机定子和转 子电流来进行对轴系的监测的方法。监测的主要原理是根据变频改造后的定转子电流的特 性，经过计算得到轴系的电磁扭矩，综合判断轴系是否发生了扭振，然后根据电磁扭矩进一 步计算轴系受力情况，避免轴系在运行过程中出现扭振后损坏轴系，在振动出现的早期能 够及时进行处理。
[0010] 技术方案:为解决上述技术问题，本发明提供的基于电机定子电流和转子电流融 合的轴系扭振监测方法，利用电机定转子电流和电机定转子电感计算出电机的输出电磁扭 矩，通过电磁扭矩计算轴系扭振响应，并对轴系受力分析计算，在振动出现的早期能够及时 进行处理。避免轴系在运行过程中出现扭振后损坏轴系。
[0011] 具体地，该方法包括以下步骤：
[0012] 步骤1，通过电流感应装置，提取出定子电流和转子电流；
[0013] 步骤2,给定电机定子绕组的自感系数和互感系数，转子绕组的自感系数和互感系 数，以及定转子互感系数；
[0014] 步骤3，建立电机电感矩阵，计算得到电机的电磁扭矩；
[0015] 步骤4,根据具体轴系参数，建立轴系机械模型；
[0016] 步骤5,由机械模型建立扭转刚度矩阵，转动惯量矩阵，金属阻尼矩阵；
[0017] 步骤6，根据轴系电磁扭矩计算轴系扭振响应；
[0018] 步骤7，根据轴系扭振响应，计算轴系扭矩；
[0019] 步骤8,根据传递扭矩，计算轴系最大截面扭应力；
[0020] 步骤9，对轴系扭振响应进行频谱分析；
[0021] 步骤10,根据轴系截面扭应力综合分析轴系安全状态。
[0022] 具体地，所沭步骤3中，电机电感矩阵为L，电机的电磁相 1矩为Te(t)，
[0024]式中，iT=[iA(t) iB(t) ic(t) ia(t) ib(t) ic(t)]T，np 是电机极对数，久转子位 置角，iA(t)，iB(t)，ic(t)是三相定子电流，ia(t)，ib(t)，ic(t)是三相转子电流，Lm，Lbb，Lcc 电机定子绕组的自感系数，Mab，Mac，Mbc是定子互感系数Mab，Mac，Mbc，Laa，Lbb，L。。是转子绕组的 自感系数Laa，Lbb，L。。，Lab，La。，Lb。是转子互感系数，
[0025] MAa，MAb，Mac，MBa，MBb，M Bc，MCa，Mcb，MCc是定转子互感系数
[0026] 具体地，所述步骤6中轴系扭振的计算公式如下：
[0027] ,/ ,9?i)+ (T 19(1) = 7X1)
[0028] 式中T(t) = [Te(t) 0 …0]T，>9⑴=[4⑴爲(t) . . , 乂⑴]'，n为机械
[0029]模型节点数，将二阶微分问题化为一阶微分问题，先令| 二
[0030]上述状态方程可用龙格-库塔方法求解，有：
[0032] 式中得到扭振响应，>92(t)..,久(t)f;K为扭转刚度矩阵，J为转 动惯量矩阵，C为金属阻尼矩阵。
[0033] 具体地，所述步骤7中轴系扭矩的计算公式如下：
[0034] Ti:: (/) =iTs/i -&llt (t)). i = 0 - n-1 ；
[0035]具体地，所述轴系最大截面扭应力Tmax的计算如下：
[0036]
'扭转截面系数，(1和0分别代表空心轴的内 外径。
[0037] 有益效果:本发明通可以通过直接从电机定转子电流观测整个轴系的转动情况， 能够准确地分辨轴系是否存在扭振，并且能计算轴系受扭应力的情况。根据变频改造后的 定转子电流的特性，经过计算得到轴系的电磁扭矩，综合判断轴系是否发生了扭振，然后根 据电磁扭矩进一步计算轴系受力情况，避免轴系在运行过程中出现扭振后损坏轴系，在振 动出现的早期能够及时进行处理。
[0038] 除了上面所述的本发明解决的技术问题、构成技术方案的技术特征以及由这些技 术方案的技术特征所带来的优点外，本发明的通过对电机定子电流和转子电流的计算分析 来监测轴系扭振的方法所能解决的其他技术问题、技术方案中包含的其他技术特征以及这 些技术特征带来的优点，将结合附图做出进一步详细的说明。
【附图说明】
[0039]图1是变频控制框图；
[0040] 图2定子电流；
[0041] 图3转子电流；
[0042]
[0043]
[0044] 图4为得到的电磁扭矩；
[0045] 图5为电机拖动负载简化为双质量块模型；
[0046] 图6为扭振响应0: (t)随时间变化情况；
[0047] 图7为扭振响应02 (t)随时间变化情况；
[0048] 图8为轴系传递扭矩；
[0049] 图9为扭振响应9i(t)在400r/min以下的频谱；
[0050] 图10为扭振响应9i(t)在400r/min附近的频谱；
[0051 ] 图11为扭振响应9i(t)在440r/min至额定转速之间的频谱；
[0052] 图12为扭振响应0Kt)在额定转速596r/min下的频谱；
[0053] 图13为扭振响应02(t))在400r/min以下的频谱；
[0054] 图14为扭振响应02(t)在400r/min附近的频谱；
[0055] 图15为扭振响应02(t)在440r/min至额定转速之间的频谱；
[0056]图16为扭振响应02(t)在额定转速596r/min下的频谱；
[0057]图17为本发明实施例的方法流程图。
【具体实施方式】 [0058] 实施例：
[0059] 为更好地说明本专利的思想，以下结合附图对本专利进行更详细的说明。本实验 以经过变频改造后的电机拖动风机为例，通过在MatLab中建立整个机电模型进行分析，运 用定转子电流对轴系的振动进行监测。该电机拖动负载经过变频改造风机框图如图1所示。 风机磁极对数为5对，额定转速596r/min，额定电压6000V，额定频率50Hz，转子电阻为 0.03650hm，定子电阻为0.03650hm，转子漏感为1.8e_3H，定子漏感为1.8e_3H，定转子互感 为46.5e-3H，电机转子转动惯量1519kg*nT2,风机转动惯量为12300kg*nT2,轴系刚度为 1.6e7N.m/rad，轴系金属阻尼为0.025，轴系外径0.55m，内径0.45m，轴系采用20#锻钢，许用 扭转强度25MPa。以上选择参数是说明性的而非限制性的，不应以此来限制发明的保护范 围。执行过程如图17所示。
[0060] A、通过电流互感装置，测量出随时间变化的三相定子电流iA(t)，iB(t)，ic(t)，= 相转子电流ia(t)，ib(t)丄⑴，图2和图3分别是其中一相定子电流和转子电流；
[0061] B、给定电机定子绕组的自感系数Lm，Lbb，Uc和互感系数148，]\^，]^，转子绕组的自 感系数L aa，Lbb，和互感系数Lab，Lac，Lb。，以及定转子互感系数MA a，MAb，Mac，MBa，MBb，Mb。，MCa， Mcb，Mcc〇 hu MAC MAh M金 M m LBB M BC M Ba M如 M Bc Mrj MrR Ltr Mr Mrh M',
[0062] C、建立电机电感矩阵^ ，由电感矩阵 MdA MdB MuC Laa Mab Mac MhB Mhc M、ba L6b M':bc Ma McB MlC Mca Mcb Lce_
[0063] 和定转子电流计算得到电机的电磁扭矩Te(t)，公式如下：
[0065]式中iT=[iA(t) iB(t) ic(t) ia(t) ib(t) ic(t)]T，np是电机极对数，劣为转子位 置角，得到的电磁扭矩如图4所示；
[0066] D、根据具体轴系参数，建立轴系机械模型，并将其简化为双质量块模型，如图5所 示； ' K,
[0067] E、由机械模型建立扭转刚度矩阵尤=，转动惯量矩阵 〇]，金属阻尼矩阵。 _0 J/」 L-Q Q」
[0068] F、运用电磁扭矩Te (t)计算轴系扭振，公式如下：
[0069] C 5(t)+ K&(t) = T(t)
[0070] 式中T(t) = [Te(t) 0]^9(1.)=[印1) t9⑴]、将二阶微分问题化为一阶微分问题， 先 4 "Xt) = Z(t)
[0071 ]上述状态方程可用经典龙格-库塔方法求解：
[0073] 式中得到扭振响应，6?(t) =[久(t) >92Wf，如图6和图7所示；
[0074] G、根据轴系扭振响应计算轴系扭矩，公式如下所示：
[0075] ^⑴^人：叫⑴-七⑴)」=0，】，得到轴系传递扭矩如图8所示；
[0076] H、据轴系传递扭矩，计算轴系最大截面扭应力
_，代入轴系内径d = 0.45m和外径D = 0.55m得到截面扭转系数为WP = 0.018m-3,在升速过程中，在400r/min附近出现了扭矩最大值为1. le6N.m，截面最大扭应力 为
[0077] I、对得到的扭振响应进行频谱分析，得到他们的主要频率成分如图9至图16所示；
[0078] J、从轴系的扭振响应频谱可以知道，这台风机在400r/min以下时，扭振响应没有 非直流分量，轴系未发生扭振;转速升至440r/min到596r/min额定转速之间，扭振响应频谱 中含有少量非直流分量，轴系扭振较小;转速在升速至400r/min和额定转速附近时，扭振响 应频谱中含有大量非直流分量，轴系出现大幅扭振。
[0079] 从轴系传递扭矩可以知道在400r/min和额定转速附近有很大的扭矩脉动。由于所 选实验方式是简化为双质量块模型，轴系扭转截面系数相同，最大轴系扭矩处即是最大截 面扭应力处。在升速过程中，在400r/min附近出现了截面最大扭应力为
'大于材料许用扭转强度25MPa，轴系处于很危险的运行工况。
[0080] 以上结合附图对本发明的实施方式做出详细说明，但本发明不局限于所描述的实 施方式。对本领域的普通技术人员而言，在本发明的原理和技术思想的范围内，对这些实 施方式进行多种变化、修改、替换和变形仍落入本发明的保护范围内。
【主权项】
1. 一种基于电机定子电流和转子电流融合的轴系扭振监测方法，其特征在于：利用电 机定转子电流和电机定转子电感计算出电机的输出电磁扭矩，通过电磁扭矩计算轴系扭振 响应，并对轴系受力分析计算，在振动出现的早期能够及时进行处理。2. 根据权利要求1所述的基于电机定子电流和转子电流融合的轴系扭振监测方法，其 特征在于包括以下步骤： 步骤1，通过电流感应装置，提取出定子电流和转子电流； 步骤2，给定电机定子绕组的自感系数和互感系数，转子绕组的自感系数和互感系数， 以及定转子互感系数； 步骤3，建立电机电感矩阵，计算得到电机的电磁扭矩； 步骤4，根据具体轴系参数，建立轴系机械模型； 步骤5，由机械模型建立扭转刚度矩阵，转动惯量矩阵，金属阻尼矩阵； 步骤6，根据轴系电磁扭矩计算轴系扭振响应； 步骤7，根据轴系扭振响应，计算轴系扭矩； 步骤8，根据传递扭矩，计算轴系最大截面扭应力； 步骤9，对轴系扭振响应进行频谱分析； 步骤10，根据轴系截面扭应力综合分析轴系安全状态。3. 根据权利要求2所述的基于电机定子电流和转子电流融合的轴系扭振监测方法，其 特征在于:所述步骤3中，电机电感矩阵为L，电机的电磁扭矩为Tjt)，式中，iT=[iA(t) iB(t) ic(t) ia(t) ib(t)ic(t)]T，nP 是电机极对数，4 转子位置角，iA (t)，iB(t)，ic(t)是三相定子电流，ia(t)，ib(t)，ic(t)是三相转子电流。4. 根据权利要求2所述的基于电机定子电流和转子电流融合的轴系扭振监测方法，其 特征在于:所述步骤6中轴系扭振的计算公式如下：式中T(t) = [Te(t) 0 · . . 0]τ，3⑴<9,⑴· · ·式⑴]' ，η为机械模型节点 数，将二阶微分问题化为一阶微分问题 上述状态方程可用龙 格-库塔方法求解，有：式中得到扭振响应，(9:U) . , . 4⑴f;K为扭转刚度矩阵，J为转动惯量 矩阵，C为金属阻尼矩阵。5. 根据权利要求2所述的基于电机定子电流和转子电流融合的轴系扭振监测方法，其 特征在于:所述步骤7中轴系扭矩的计算公式如下： 乃A，(0 =人丨9,⑴-丨丨⑴).i. = .0 ~η-1 .〇6. 根据权利要求2所述的基于电机定子电流和转子电流融合的轴系扭振监测方法，其 特征在于:所述轴系最大截面扭应力Tmax的计算如下：'扭转截面系数_，d和D分别代表空心轴的内外径。
【文档编号】G01H11/06GK105928607SQ201610466710
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2016年6月23日
【发明人】张礼亮, 杨建刚
【申请人】东南大学