用于确定同步机故障状况的方法和系统与流程

本公开总体上涉及同步机。具体地，本公开涉及一种确定同步机中是否存在故障状况、以及在存在故障状况的情况下识别故障状况的类型的方法。此外，本公开还涉及实现该方法的计算机程序产品和同步机机电故障状况监测系统。
背景技术：
：同步机，即同步电动机和同步发电机，通常包括转子和定子。转子和定子电磁地相互作用，使得在同步机是电动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应出电流。在同步机中，在定子和转子中都可能发生多种故障状况。这种故障状况可能瞬间引入同步机的行为中的显著偏差，或者它们可能较长的时期被忽视，这些情况仅在数月或甚至数年后在灾难性的瘫痪中才表现出来。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况的存在的优选监测方法。然而，定子电流测量必须在定子的高电压条件下执行，因此除了用于进行这种测量的安全性考虑之外，还需要能够经受这种条件的昂贵的传感器设备。此外，已经表明，振动水平不以令人满意的方式反映同步机状况。CN102636751A公开了一种方法，其中测量使转子的电磁体磁化的电流。该电流由励磁器提供，该励磁器是将电流馈送到转子绕组以磁化在主机转子处测量的转子的电磁体的装置。在转子线圈处测量电流以确定定子绕组匝间短路和转子绕组匝间短路。该方法利用快速傅里叶变换来提取磁场电流的谐波。然而，CN102636751A中所需的测量可能难以实现，并且所使用的传感器必须能够承受相对高的电流。由PenmanJ等人在1996年3月18至20日于英国的达勒姆举行“国际发电机会和进展”国际会议(会议公开号419)中的论文“Thedetectionofstatorandrotorwindingshortcircuitsinsynchronousgeneratorsbyanalysingexcitationcurrentharmonics(通过分析励磁电流谐波检测同步发电机中定子和转子绕组短路)”公开了存在于发电机励磁电流中的谐波分量可用于检测定子和转子绕组短路。公开了被测试的机器具有旋转激励系统，并且推理了应该可以通过检查励磁器定子中的谐波分量来检测转子短路的存在。该公开的图8示出了在正常条件下和在定子匝间故障的情况下针对不同频率绘制的励磁器定子电流谐波分量，而从图中可以得出这样的结论，即能够看到，确实可以通过检查励磁器电流谐波来检测转子短路。技术实现要素：鉴于以上所述，本公开的目的是提供一种简化故障状况类型确定的方法和系统。发明人已经认识到，可以测量励磁器电流并利用该电流的频谱来确定同步机的各种不同故障。对于励磁器电流，在本文中是指流过励磁器的固定绕组的电流。因此，根据本公开的第一方面，提供了一种确定具有定子、转子和励磁器的同步机中的机电故障状况的方法，其中所述方法包括：a)获得励磁器电流信号，该励磁器电流信号是流过励磁器的固定绕组的励磁器电流的测量，b)变换励磁器电流信号以获得励磁器电流频谱，以及c)基于励磁器电流频谱的、与定子的定子频率相关的谐波含量，确定是否存在机电故障状况以及机电故障状况的类型。可以通过测量流过励磁器的固定绕组的励磁器电流并且从而获得励磁器电流信号，而获得的简化了谐波含量的获得的技术效果，从而简化了不同的同步机机电故障的特性特征谱(signaturespectra)的获得。这可以特别地被获得是因为测量点是固定的并且在机器旋转部件的外部。这是本发明人发现的令人惊讶的结果。特别地，令人惊讶的是，与主机相关的机电故障，例如，转子故障、定子故障和偏心故障，在旋转励磁器的情况下通过整流器传播并且感应地传播到励磁器定子，并且在静态励磁器的情况下感应地传播通过降压变压器的变压器芯。此外，在励磁器的固定绕组处的电流比在主机部件中的电流低，导致所使用的传感器的额定电流可以设定为比在同步机的转子或定子处测量电流时低，这进一步有助于符合机器侧测量的安全考虑。因此，可以使用更便宜的传感器用于励磁器电流测量。机电故障是指由于机械损坏而出现的电气故障。根据一个实施方式，用于确定机电故障状况的类型的谐波含量包括是定子频率的有理数倍的分量。根据一个实施方式，励磁器是具有励磁器定子和励磁器转子的旋转励磁器，其中励磁器的固定绕组是励磁器定子绕组，并且其中励磁器电流信号是励磁器定子电流。根据一个实施方式，旋转励磁器具有DC/AC类型的定子-转子布置。根据一个实施方式，在励磁器电流频谱的谐波含量包括为电源频率的六倍的主频率分量的情况下，在步骤c)中确定存在转子短路故障。根据一个实施方式，在励磁器电流频谱的谐波含量包括为电源频率的两倍的主频率分量的情况下，在步骤c)中确定存在定子短路故障。根据一个实施方式，与健康状况期间存在的转子的旋转频率处的频率分量相比，励磁器电流频谱的谐波含量包括为转子的旋转频率的主频率分量的情况下，以及在励磁器电流信号的直流(DC)分量大于健康状况期间的情况下，在步骤c)中确定存在静态偏心故障。根据一个实施方式，旋转励磁器具有AC/AC类型的定子-转子布置。根据一个实施方式，在励磁器电流频谱的谐波含量包括为电源频率与转子的旋转频率的差的第一主频率分量以及为电源频率与转子的旋转频率的总和的第二主频率分量的情况下，在步骤c)中确定存在转子短路故障。根据一个实施方式，在励磁器电流频谱的谐波含量包括在3ⅹfs(1-2s)的主频率分量(其中fs是电源频率，s是转子转差率)的情况下，则在步骤c中确定)存在定子短路故障。根据一个实施方式，励磁器是包括变压器的静态励磁器，其中励磁器的固定绕组是变压器的初级绕组，并且其中励磁器电流信号是整流器输出电流。根据一个实施方式，故障状况是同步机的定子故障、转子故障或这两者的组合。根据本公开的第二方面，提供了一种包括计算机可执行部件的计算机程序产品，计算机可执行部件用于在计算机可执行部件运行于同步机机电故障状况监测系统的处理器电路上时使同步机机电故障状况监测系统执行根据第一方面的方法。根据本公开的第二方面，提供了一种同步机机电故障状况监测系统，其包括：励磁器电流传感器，其布置成测量流过励磁器的固定绕组的励磁器电流；处理器电路，其布置成接收来自励磁器电流传感器的测量的励磁器电流的励磁器电流信号；以及存储指令的存储单元，所述指令在由处理器电路执行时使同步机机电故障状况监测系统执行根据第一方面的方法。一般来说，权利要求中使用的所有术语应根据其在
技术领域：
中的普通含义来解释，除非本文另有明确定义。除非另有明确说明，否则，对“一个元件、设备、部件、装置”等的所有描述应被开放地解释为指代所述元件、设备、部件、装置等的至少一个实例。另外，除非明确地指出，否则本文呈现的方法的任何步骤都不必一定以所描述的顺序执行。附图说明现在将参考附图通过示例来描述本发明构思的具体实施方式，其中：图1a示意性地描绘了一般的三相同步机配置的示例；图1b示意性地描绘了具有旋转励磁器的三相同步机配置的示例；图1c示意性地描绘了具有静态励磁器的一般三相同步机配置的示例；图2示意性地描绘了同步机机电故障状况监测系统的示例；图3是确定同步机中的故障状况的方法的流程图，该方法可由图2中的同步机机电故障状况监测系统执行。具体实施方式现在将在下文中参考附图更全面地描述本发明的构思，在附图中示出了示例性实施方式。然而，本发明的构思可以以许多不同的形式实施，并且不应被解释为限于本文所阐述的实施方式；相反，这些实施方式是作为示例提供的，使得本公开将是彻底而完整的，并且将向本领域技术人员充分地传达本发明构思的范围。在通篇的描述中，相同的数字指代相同的元件。参考图1a，示出了同步机10的示例。示例性同步机包括转子组件14和设置在转子组件14的外周以外的定子16，转子组件14用于通过旋转运动与定子16进行电磁相互作用。尽管在图1a-1c中例示了三相同步机10，但是应当注意，用于本公开目的的同步机可以具有任何数量的电气相。转子组件14可以包括电磁体和场绕组18，当电流流过它们时，电磁体被磁化。同步机10还包括励磁器20。励磁器20是设置成向转子组件14的场绕组18提供直流电以为电磁铁供电的装置。励磁器20可以从同步机10的定子绕组22被馈送电流，如图1a-1c所示，或者由外部辅助电源馈送电流。励磁器20可以是旋转励磁器20-1，如图1b所示，其包括励磁器定子20-1a和励磁器转子20-1b，励磁器转子20-1b例如由同步机10的转子组件14的轴12形成。励磁器定子20-1a的绕组24在本文中定义为旋转励磁器20-1的固定绕组。在励磁器是旋转励磁器的情况下，定子可以具有DC/AC型定子-转子布置，在这种情况下，励磁器定子被馈送直流电，如图1b所示；在这种情况下，整流器32被布置成向励磁器定子20-1a提供直流电。可替代地，励磁器可以具有AC/AC型定子-转子布置，在这种情况下，励磁器定子被馈送交流电。在这两种情况下，从励磁器输出的电流被馈送通过整流器25，整流器25向转子的场绕组提供直流电。作为旋转励磁器的替代，励磁器可以是静态励磁器20-2，如图1c所示，静态励磁器20-2包括变压器26，通常是降压变压器。变压器26的初级绕组28通过辅助电源或通过定子绕组22连接，并且次级绕组30连接到整流器32，整流器32将从变压器26的次级绕组30输出的交流电整流为直流电流，以利用电刷馈送到转子组件14的场绕组18。当在下文中在静态励磁器的语境中述及固定绕组时，指的是连接到次级绕组30的整流器32的输出。同步机10可以是低压机、中压机或高压机，并且可以具有任何数量的电气相。本公开提供了同步机机电故障状况监测系统以及机电故障状况检测和确定方法，所述方法通过跨励磁器的固定绕组的电流测量、通过将测量的电流变换到其频谱以获得其谐波含量、以及通过分析谐波含量而进行。图2描绘了同步机机电故障状况监测系统1的示例。可以注意到，同步机机电故障状况监测系统1也在图1a-1c中示出，在图1a-1c它被联接到相应的励磁器20、20-1、20-2。同步机机电故障状况监测系统1包括励磁器电流传感器3，励磁器电流传感器3布置成测量流过励磁器的固定绕组的励磁器电流。同步机机电故障状况监测系统1还包括处理器电路5和存储单元7。处理器电路5被配置为从励磁器电流传感器3获得励磁器电流信号，即励磁器电流测量。存储单元7存储指令或计算机可执行部件，所述指令或计算机可执行部件在由处理器电路5执行时使同步机机电故障状况检测系统1执行本文提供的方法。因此，处理器电路5被布置成变换励磁器电流信号以获得包含励磁器电流信号的谐波含量的励磁器电流频谱。该变换可以例如是傅里叶变换或其任何变型，或是允许励磁器电流信号的频率分析的任何其他数学变换。此外，处理器电路5被布置为基于励磁器电流频谱的谐波含量来确定是否存在机电故障状况，并且识别机电故障状况的类型。本发明人已经推导出了表征同步机中的某些机电故障状况的励磁器电流信号的多个频谱。这些频谱中的每一个对于特定故障状况是唯一的。下面的表I示出了具有DC/AC型的定子-转子布置的旋转励磁器的故障类型，以及变换的励磁器电流信号的励磁器电流频谱的谐波含量中的相应的特征。fs是电源频率，即流过同步机的定子绕组的电流的频率。机电故障类型励磁器电流的谐波含量中的特征转子短路6ⅹfs定子短路2ⅹfs表I因此，在由处理电路5确定出励磁器电流频谱的谐波含量包含电源频率的六倍的主频率分量的情况下，可以得出结论：在同步机的转子上发生了转子短路故障。在由处理电路5确定出励磁器电流频率的谐波含量包含电源频率的两倍的主频率分量的情况下，可以得出结论，在同步机的定子上发生了定子短路故障。下面的表II示出了具有AC/AC型定子-转子布置的旋转励磁器的故障类型，以及变换的励磁器电流信号的励磁器电流频谱的谐波含量中的相应的特征。fr是同步机的转子的旋转频率，“s”是旋转励磁器的转子转差率(slip)，同步机此时用作感应发电机。机电故障类型励磁器电流的谐波含量中的特征转子短路fs+fr，fs-fr定子短路3ⅹfs(1-2s)表II因此，在由处理电路5确定出励磁器电流频谱的谐波含量包含围绕fs的对称边频带(sideband)的情况下——其中励磁器电流频谱的谐波含量的第一主频率分量是电源频率与转子的旋转频率的总和，并且第二主频率分量是电源频率与转子的旋转频率之间的差——，可以得出结论：在同步机的转子处已经发生了转子短路故障。在由处理电路5确定出励磁器电流频谱的谐波含量包含为电源频率与转子转差率的两倍之间的差的三倍(即3ⅹfs(1-2s))的主频率分量的情况下，可以得出结论：在同步机的定子处已发生了定子短路故障。主频率分量或峰值意味着与周围频率的振幅的显著振幅发散。通常，主频率分量的振幅是励磁器电流频谱中的主频率分量周围的频率的振幅的几倍。在由处理电路5确定出励磁器电流频谱的谐波含量包括为转子14的旋转频率fr的主频率分量(与为健康状况期间的转子14的旋转频率的频率分量相比)并且励磁器电流信号的DC分量大于健康状况期间的情况下，确定存在静态偏心故障。这适用于旋转励磁器，特别是DC/AC励磁器。因此，在静态偏心故障期间，即当转子在定子内部静态地偏离其中心旋转轴线时，为转子14的旋转频率fr的频率分量的振幅增加。在AC/AC励磁器的情况下，作为在这种情况下的静态偏心故障的特征的主频率分量是转子14的旋转频率fr和转差率s的函数。以类似的方式，静态励磁器的励磁器电流频谱包含对于同步机的转子和定子故障的励磁器电流频谱中的特征。理论上，特征应该类似于具有如上所述的AC/AC型定子-转子布置的旋转励磁器。参考图3，现在将描述通过同步机机电故障状况监测系统1确定同步机中的机电故障状况的方法。同步机机械故障状况监测系统1的励磁器电流传感器3联接到励磁器的固定绕组。在旋转励磁器的情况下，励磁器电流传感器3联接到励磁器定子绕组。在励磁器是静态励磁器的情况下，励磁器电流传感器3联接到励磁器的变压器的初级绕组。通过励磁器电流传感器3来测量流过固定绕组的励磁器电流。在步骤a)中，处理电路5从励磁器电流传感器3获得励磁器电流信号。励磁器电流信号可以是由励磁器电流传感器3发送的励磁器电流的模拟测量信号，或者它可以是测量的励磁器电流的数字表示，这取决于同步机机电故障状况监测系统1的具体实现方式。在前一种情况下，模拟测量信号在由处理电路5获得时被转换为数字信号，而在后一种情况下，模拟测量信号在由处理电路5获得时已经被转换。在步骤b)中，励磁器电流信号被处理电路变换以获得励磁器电流频谱。如前所述，这可以是傅立叶变换，例如快速傅里叶变换(FFT)或将时域信号变换到频域的任何其他数学变换。在步骤c)中，处理电路5基于励磁器电流频谱的谐波含量、特别是基于与定子16的定子频率相关的谐波含量(因为转子的旋转频率也与定子频率有关)来确定是否存在机电故障状况。转子的旋转频率通过同步机10的极对的数量而与定子频率相关联。通常，感兴趣的谐波含量包括是定子频率的有理数或整数倍的分量。此外，基于频谱的含量，还可以确定机电故障状况的类型。确定是否存在故障状况和机电故障类型的谐波含量的特定主频率分量已经在上面结合表I和II并且讨论静态偏心故障特征谱时给出。在静态励磁器的情况下，励磁电流信号是由向电刷供电的整流器输出的整流器输出电流。可以设想，本文提出的系统和方法可以用在智能同步机环境中，以诊断同步机的机电故障状况，并且估计同步机的寿命。通过该系统和方法，可以确定同步机的故障状况，并且可以在故障状况未被正确处理的情况下估计同步机的全面瘫痪将在何时发生。同步机机电故障状况监测系统和方法可以与同步发电机和同步电动机结合使用，涉及由这种机器使用的任何电压水平。上面主要参考少量示例描述了本发明的构思。然而，如本领域技术人员容易理解的，除了上面公开的实施方式以外的其他实施方式在由所附权利要求限定的本发明构思的范围内同样是可能的。当前第1页1 2 3