与电机联接的机械传动系的状况监测的制作方法
【专利摘要】提供了一种监测机械传动系的健康的方法。该方法包括：从与机械传动系联接的电机的至少一个相获取电压和电流信号。该方法还包括：基于所获得的电压和电流信号，将具有非正弦磁通分布的电机表示为多个谐波阶次正弦分布虚拟电机的组合。该方法还包括：确定与正弦分布虚拟电机的一个或多个组合相关联的转矩曲线。最后，该方法包括：基于转矩曲线或频谱，检测机械传动系中异常的存在。
【专利说明】与电机联接的机械传动系的状况监测
【技术领域】
[0001]本发明大体上涉及状况监测，且更特定地涉及检测与电机联接的机械传动系中的异常的方法和系统。
【背景技术】
[0002]通常，功率产生单元包括机械传动系和电机。这种电机通常包括发电机或马达，其可为同步型或异步型的。另外，机械传动系包括往复式发动机、燃气涡轮、风力涡轮或压缩机。通常，机械传动系在操作过程中被认为带有问题或异常。这种异常的非限制性示例包括多缸往复式发动机中的死缸或故障缸，其导致大量燃料损失。因此，这种功率产生单元的健康主要使用安装在机械传动系中的多个传感器系统来监测。目前，传感器系统包括专用传感器，其用于测量振动、温度和压力以用于确定机械传动系中的任何异常。这种传感器系统易于失效且需要频繁维护。该传感器还需要频繁校准以用于感测准确的测量，并且进一步增加复杂性以用于进行用来检测异常的测量。此外，这种传感器系统涉及功率产生单元的额外费用。
[0003]因此，存在持续的需要以用于对准确检测功率产生单元的机械传动系中的异常进行改进。
【发明内容】
[0004]根据本发明的实施例，提供了一种监测机械传动系的健康的方法。该方法包括:从与机械传动系联接的电机的至少一个相获取电压和电流信号。该方法还包括:基于所获得的电压和电流信号，将具有非正弦磁通分布的电机表示为多个谐波阶次(harmonic order)正弦分布虚拟电机的组合。该方法还包括:确定与正弦分布虚拟电机的一个或多个组合相关联的转矩曲线。最后，该方法包括:基于转矩曲线，检测机械传动系中异常的存在。
[0005]根据本发明的实施例，提供了一种用于监测机械传动系的健康的系统。该系统包括与联接至机械传动系的电机通信的装置模块。装置模块被配置为测量机器的特性并且包括存储器，其中存储器包括指令以用于:从与机械传动系联接的电机的至少一个相获得电压和电流信号；基于所获得的电压和电流信号，将具有非正弦磁通分布的电机表示为多个谐波阶次正弦分布虚拟电机的组合；确定与正弦分布虚拟电机的一个或多个组合相关联的转矩曲线；以及基于转矩曲线检测机械传动系中异常的存在。
[0006]根据本发明的实施例，提供了一种用于监测机械传动系的健康的方法。该方法包括:从与机械传动系联接的电机的至少一个相获得电压和电流信号；以及基于所获得的电压和电流信号的代数运算而检测机械传动系中异常的存在。
【专利附图】
【附图说明】
[0007]当参考附图阅读下面的详细描述时，本发明的这些和其它特征、方面和优点将变得更好理解，在所有附图中相似标号表示相似部件，其中: 图1是根据本发明的实施例的用于确定功率转换单元的机械传动系中的异常的系统的框图。
[0008]图2示出根据本发明的实施例的通过非正弦分布电机设定的n阶谐波磁链(fluxlinkage)矢量。
[0009]图3是根据本发明的实施例的连接在相同轴上的具有各种瞬时速度的多个虚拟电机的表不。
[0010]图4示出根据本发明的实施例的以不同电角速度(electrical angular speed)旋转的不同谐波磁链矢量。
[0011]图5示出根据本发明的实施例的归因于负载转矩脉动的幅度调制，其导致非正弦分布电机中的定子磁链矢量的电角速度的振荡。
[0012]图6示出根据本发明的实施例的从所估计转矩的频谱识别的基本谐波，以进一步估计准确的电角速度Wej*。
[0013]图7示出根据本发明的实施例的转矩曲线的非限制性示例，其针对连接至电机的单缸往复式发动机产生。
[0014]图8示出根据本发明的实施例的多缸转矩曲线的叠加表示的非限制性示例。
[0015]图9示出根据本发明的实施例的根据给定点火顺序运行的非故障多缸往复式发动机的所得转矩曲线的非限制性示例。
[0016]图10示出根据给定点火顺序运行的故障多缸往复式发动机的转矩曲线的另一非限制性示例。
[0017]图11示出经滤波的转矩曲线的非限制性示例，其绘出故障缸的驱动端和非驱动端的相位信息。
[0018]图12是根据本发明的实施例的监测功率产生单元中的机械传动系的健康的方法400的流程图。
【具体实施方式】
[0019]当介绍本发明的各种实施例的元件时，用词“一”、“一个”、“该”和“所述”意图表示存在一个或多个该元件。用语“包含”、“包括”和“具有”意图为包含性的，并且意味着可存在除所列元件之外的额外元件。操作参数的任何示例并不排除所公开实施例的其他参数。
[0020]图1是根据本发明的实施例的用于确定功率产生单元的机械传动系12中的异常的系统10的框图。系统10包括通过轴16联接至机械传动系12的电机14。一般而言，电机14包括发电机或马达，其可为同步型或异步型的。在一个实施例中，机械传动系12包括带有一个或多个气缸的往复式发动机，该一个或多个气缸使用指定点火顺序点火。在另一实施例中，机械传动系12还可包括压缩机、泵或由马达驱动的任何其它机械系统。在非限制性示例中，这种功率产生单元被用于柴油机车中，其中机械传动系是通过轴联接至发电机的十二缸往复式柴油发动机。在另一实施例中，机械传动系12包括泵。发电机将电功率发送至位于每个车轴处的牵引马达并给柴油机车的车轮提供功率。
[0021]此外，为了控制和监测电机14，诸如继电器(relay)、仪表或任何其它合适装置的装置模块18连接至电机14。应当理解，装置模块18可包括计算机的构件，或者可为计算机。例如，如所描绘的，装置模块18包括处理器20、存储器22和显示器24。显示器24包括视频和/或音频显示能力。存储器22包括任何合适的易失性存储器、非易失性存储器或者其组合。存储器22存储任何参数、算法或者用于监测和控制功率产生单元的其它数据，并且进一步允许由处理器24读取该数据。应当注意，本发明的实施例不限于用于执行本发明的处理任务的任何特定处理器。术语“处理器”(如该术语在文中所用)旨在表示能够执行需要用来执行本发明的任务的计算或运算的任何机器。术语“处理器”旨在表示能够接受结构化输入并按照规定规则处理该输入以产生输出的任何机器。还应注意，处理器可配备有用于执行本发明的任务的硬件和软件的组合，如本领域技术人员将理解的。
[0022]装置模块18监测电机14的各种参数。在非限制性示例中，装置模块18连接至电机14中的各种监测构件，例如传感器、变压器等。监测构件用以监测电流、电压或任何其他参数。如由线26所示，装置模块18从连接至机械传动系12的电机14接收三相定子电流(Ia, Ib, I。)。此外，如由线28所示，装置18从连接至机械传动系12的电机14接收三相定子电压(Va，Vb, V。)。应当理解，各种信号处理构件可被包括在装置模块18中或在电机14与装置模块18之间，例如信号调节器、放大器、滤波器等。装置模块18还包括开关机构以控制功率产生单元的操作。如下面进一步说明的，装置模块18可响应于异常而经由开关关闭机械传动系12。
[0023]此外，装置模块18的存储器22包括用以执行转矩估计算法的多个指令，以用于确定机械传动系12中的转矩的准确值及随后的异常。在一个实施例中，存储器24中的指令包括:从电机14获得或接收三相定子电流信号26 (Ia, Ib和I。)和三相定子电压28 (Va, Vb和V。)，电机14通过轴16连接至机械传动系12。在另一实施例中，指令包括:基于所获得的电压和电流信号，将具有非正弦磁通分布的电机14表示为多个较高谐波阶次正弦分布虚拟电机的组合。应当注意，电机14中的非正弦磁通分布是由于插槽和齿部中的非理想绕组分布、凸极、连接至电机的定子终端的不平衡功率供应或负载阻抗、或者电机14中的任何几何不规则引起的。一般而言，转矩估计方程式由下式给出:
【权利要求】
1.一种监测机械传动系的健康的方法，所述方法包括: 从与所述机械传动系联接的电机的至少一个相获得电压和电流信号； 基于所获得的电压和电流信号，将具有非正弦磁通分布的所述电机表示为多个谐波阶次正弦分布虚拟电机的组合； 确定与所述正弦分布虚拟电机的一个或多个组合相关联的转矩曲线或频谱； 基于所述转矩曲线或频谱，检测所述机械传动系中异常的存在。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过将所述转矩曲线与基于所述机械传动系的一个或多个构件中的故障的一组预期转矩曲线进行比较，从而检测所述异常。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括: 确定与基本正弦分布虚拟电机相关联的第一转矩曲线； 确定与二阶谐波正弦分布虚拟电机相关联的第二转矩曲线； 确定与后续谐波阶次正弦分布虚拟电机相关联的多个后续转矩曲线；以及将所述第一转矩曲线、所述第二转矩曲线以及所述后续转矩曲线组合，以准确地产生所述转矩曲线。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，组合还包括:将适当的增益和相位因子乘以与所述基本、二阶和后续更高阶谐波正弦分布虚拟电机对应的所述第一转矩曲线、所述第二转矩曲线和所述后续转矩曲线。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电机中的非正弦磁通分布是由于插槽、齿部中的非理想绕组分布、凸极、连接至所述电机的定子终端的不平衡功率供应或负载阻抗、或者所述电机中的任何几何不规则引起的。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电机中的非正弦磁通分布是由于由连接至所述电机的所述机械传动系施加的脉动而引起的。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述机械传动系包括与所述机械传动系的一个或多个构件中的故障相关联的多个频率分量和多个周期。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，还包括:基于所述多个周期和所述多个频率分量，检测所述机械传动系中的异常。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述频率分量使用所述机械传动系的一个或多个构件中的故障的所述多个周期的信息来计算。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，检测所述机械传动系中异常的存在的方法还包括: 从所述转矩曲线估计频谱； 确定所述转矩频谱中的所述多个频率分量的幅度和相位；以及 将所述频谱与健康传动系的预期频谱相比较，以确定所述异常。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述转矩频谱中的所述多个频率分量的幅度指示所述机械传动系的异常的严重程度。
12.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述转矩频谱中的所述多个频率分量的相位指示所述机械传动系的异常的位置。
13.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，检测所述异常还包括通过所述转矩频谱的适当滤波而及时获取频率分量。
14.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括确定所述谐波阶次正弦分布虚拟电机中的每一个的对应角速度。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，还包括:基于输入功率和所述谐波阶次正弦分布虚拟电机的对应角速度，确定所述机械传动系中的异常。
16.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括测量所述电机的多个机器参数，其中所述机器参数包括定子电感、定子电阻和漏电感。
17.一种用于监测机械传动系的健康的系统，所述系统包括: 与联接至所述机械传动系的电机通信的装置模块，且所述装置模块被配置为测量所述电机的特性，所述装置包括存储器，其中所述存储器包括指令以用于: 从与所述机械传动系联接的所述电机的至少一个相获得电压和电流信号； 基于所获得的电压和电流信号，将具有非正弦磁通分布的所述电机表示为多个谐波阶次正弦分布虚拟电机的组合； 确定与所述正弦分布虚拟电机的一个或多个组合相关联的转矩曲线或频谱； 基于所述转矩曲线或频谱，检测所述机械传动系中异常的存在。
18.—种监测机械传动系的健康的方法，所述方法包括: 从与所述机械传动系联接的电机的至少一个相获得电压和电流信号；以及 基于所获得的电压和电 流信号的代数运算，检测所述机械传动系中异常的存在。
【文档编号】G01M15/14GK103429876SQ201280013258
【公开日】2013年12月4日 申请日期:2012年2月24日 优先权日:2011年3月14日
【发明者】A.K.蒂瓦里, R.穆克杰, S.拉马钱德拉帕尼克, A.K.库马尔, P.L.弗利恩, A.巴纳杰, S.博亚纳帕利 申请人:通用电气公司