本发明涉及电机监测领域，尤其涉及一种风力发电机组变频器在线监测及故障诊断装置。
背景技术
现有风力发电机的变频器、发电机的早期电器故障，电网的次谐波会进行早期预警。变频器、发电机发生早期故障时，不影响风机的正常运行，因此现在的电网系统中，往往不对变频器、发电机的早期故障进行监测预警。但是这些故障长期累积，会对发电机的寿命，变频器的效率产生影响，甚至容易造成重大事故。
技术实现要素：
本发明的目的在于避免现有技术的不足之处而提供一种风力发电机组变频器在线监测及故障诊断装置。
本发明的目的可以通过采用如下的技术措施来实现，设计一种风力发电机组变频器在线监测及故障诊断装置，包括：采集模块，连接风电电机，用于实时采集风电电机变频器的三相电压电流；传输模块，用于实时将采集的三相电压电流传输到监测分析模块；监测分析模块，用于获取风电机组的定子和转子电流频谱图，根据频谱图判断定子和、或转子的故障情况；同时将接收到的三相电流值转换为park矢量，根据park矢量判断三相绕组匝间短路故障。
其中，采集模块包括：感应单元，连接风电机组变频器，以感应风电机组变频器的三相电压电流值；采集单元，用于将感应单元感应的三相电压电流值采集；转换单元，用于将三相电压电流信号转换为差分信号后进行模数转换，模数转换的结果传输给传输模块进行传输。
其中，感应单元为连接风电机组变频器的电压互感器和电流互感器。
其中，转换单元和所述传输模块之间设置一数据调理模块，包括依序连接的分压电路、巴特沃斯滤波器电路和积分电路；其中，分压电路采用精密电阻网络进行分压，保证输入信号的合理范围；巴特沃斯滤波器电路采用的是二阶有源低通巴特沃斯滤波器，上限截止频率为30khz，为电压互感器和电流互感器的信号滤除杂波；积分电路用于实现波形变换、放大电路失调电压的消除及反馈控制中的积分补偿。
其中，监测装置连接一电源电路以进行供电，电源电路包括开关电源和线性稳压电源。
其中，电源电路连接一电源滤波电路，电源滤波电路包括π型滤波电路和lc滤波电路；π型滤波电路为电容-电感-电容方式，设置于开关电源和线性稳压电源之间，以降低开关电源的纹波；lc滤波电路为磁珠-电容方式，设置于线性稳压电源之后，进一步滤除杂波，使电源电路满足使用需求。
其中，监测分析模块包括：定子转子故障判断单元和park矢量轨迹判断分析单元；定子转子故障判断单元，用于根据定子和转子的频谱图判断定子和、或转子的故障情况；park矢量轨迹判断分析单元，用于将三相电流值转换为park矢量，绘制park矢量轨迹，根据绘制的park矢量轨迹判断三相绕组匝间短路故障。
其中，park矢量的计算公式为：
且以park矢量的两个分量分别作横、纵坐标，随着时间t的变化，其轨迹为一个圆，圆心为坐标系原点。
区别于现有技术，本发明的风力发电机组变频器在线监测及故障诊断装置包括：采集模块，连接风电电机，用于实时采集风电电机变频器的三相电压电流；传输模块，用于实时将采集的三相电压电流通过无线通信的方式传输到监测分析模块；监测分析模块，用于获取风电机组的定子和转子电流频谱图，根据频谱图判断定子和、或转子的故障情况；同时将接收到的三相电流值转换为park矢量，根据park矢量判断三相绕组匝间短路故障。通过本发明，能够监测风力发电机的变频器、发电机的早期故障，及时进行修整，延长发电机寿命，避免因变频器、发电机的早期故障而造成的重大事故。
附图说明
图1是本发明提供的一种风力发电机组变频器在线监测及故障诊断装置的结构示意图；
图2是本发明提供的一种风力发电机组变频器在线监测及故障诊断装置中风力发电机运行的原理示意图；
图3是本发明提供的一种风力发电机组变频器在线监测及故障诊断装置中转子绕组故障频率的扩散规律的示意图。
图4是本发明提供的一种风力发电机组变频器在线监测及故障诊断装置中定子绕组故障频率的扩散规律的示意图；
图5是本发明提供的一种风力发电机组变频器在线监测及故障诊断装置中定子三相电流时域波形图；
图6是本发明提供的一种风力发电机组变频器在线监测及故障诊断装置的park矢量轨迹判断分析单元无故障时park矢量轨迹的形状示意图；
图7是本发明提供的一种风力发电机组变频器在线监测及故障诊断装置的park矢量轨迹判断分析单元无故障时park矢量轨迹的极坐标的形状示意图；
图8是本发明提供的一种风力发电机组变频器在线监测及故障诊断装置的park矢量轨迹判断分析单元分析得到匝间短路故障相为c相时，park矢量轨迹的形状示意图；
图9是本发明提供的一种风力发电机组变频器在线监测及故障诊断装置的park矢量轨迹判断分析单元分析得到匝间短路故障相为c相时，park矢量轨迹的极坐标的形状示意图；
图10是本发明提供的一种风力发电机组变频器在线监测及故障诊断装置的park矢量轨迹判断分析单元分析得到匝间短路故障相为a相时，park矢量轨迹的形状示意图；
图11是本发明提供的一种风力发电机组变频器在线监测及故障诊断装置的park矢量轨迹判断分析单元分析得到匝间短路故障相为a相时，park矢量轨迹的极坐标的形状示意图；
图12是发明提供的一种风力发电机组变频器在线监测及故障诊断装置中数据调理模块的结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明的技术方案作进一步更详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
参阅图1，图1是本发明提供的一种风力发电机组变频器在线监测及故障诊断装置的结构示意图。该装置包括：
采集模块110，连接风电电机，用于实时采集风电电机变频器的三相电压电流；
传输模块120，用于实时将采集的三相电压电流传输到监测分析模块；在实际传输过程中，是通过有线以太网通信或者光纤通信的方式进行传输。
监测分析模块130，用于获取风电机组的定子和转子电流频谱图，根据频谱图判断定子和、或转子的故障情况；同时将接收到的三相电流值转换为park矢量，根据park矢量判断三相绕组匝间短路故障。
其中，采集模块110包括：感应单元111，连接风电机组变频器101，以感应风电机组变频器的三相电压电流值；采集单元112，用于将感应单元感应的三相电压电流值采集；转换单元113，用于将三相电压电流信号转换为差分信号后进行模数转换，模数转换的结果传输给传输模块进行传输。
其中，感应单元111为连接风电机组变频器的电压互感器和电流互感器。
其中，转换单元113和所述传输模块120之间设置一数据调理模块（图未示），包括依序连接的分压电路、巴特沃斯滤波器电路和积分电路；其中，分压电路采用精密电阻网络进行分压，保证输入信号的合理范围；巴特沃斯滤波器电路采用的是二阶有源低通巴特沃斯滤波器，上限截止频率为30khz，为电压互感器和电流互感器的信号滤除杂波；积分电路用于实现波形变换、放大电路失调电压的消除及反馈控制中的积分补偿。数据调理模块的结构如图12所示。
数据调理模块把信号转换成-5v~5v之间并传输到转换单元113。
其中，监测装置连接一电源电路以进行供电，电源电路包括开关电源和线性稳压电源。开关电源使用的是隔离电源模块，宽压输入、隔离等级为3kv，具体有：24v转5v，24v转12v，12v转±9v，24v转24v。其中24v转5v为数据采集模块的感应单元和采集单元供电，剩下的为转换单元、传输模块、监测分析模块和数据调理模块供电。线性稳压电源采用lp2985。线性稳压电源为装置工作提供稳定低纹波的电源，配合相应的滤波电路保证供电纹波小于30uv，为系统的高精度信号传输实现提供了保证。
电源电路连接一电源滤波电路，电源滤波电路包括π型滤波电路和lc滤波电路；π型滤波电路为电容-电感-电容方式，设置于开关电源和线性稳压电源之间，以降低开关电源的纹波；lc滤波电路为磁珠-电容方式，设置于线性稳压电源之后，进一步滤除杂波，使电源电路满足使用需求。
其中，监测分析模块130包括：定子转子故障判断单元131和park矢量轨迹判断分析单元132；定子转子故障判断单元131用于根据定子和转子的频谱图判断定子和、或转子的故障情况；park矢量轨迹判断分析单元132用于将三相电流值转换为park矢量，绘制park矢量轨迹，根据绘制的park矢量轨迹判断三相绕组匝间短路故障。
其中，park矢量的计算公式为：
且以park矢量的两个分量分别作横、纵坐标，随着时间t的变化，其轨迹为一个圆，圆心为坐标系原点。
示例的，本发明的风电电机尤其指双馈异步风力发电机。双馈风力发电机实质上是一种绕线式异步发电机，如图2所示，其定子直接接入三相交流电网，而转子通过双馈变流器从电网得到所需的低频电流。由于定转子都可以向电网馈电，所以称其为双馈发电机。
在双馈异步风力发电机转速发生持续变化的情况下，只要向发电机转子绕组中通入频率为sf_1的励磁电流，就可以保证定子侧绕组产生频率f_1=50hz的恒频电动势。也就是说，控制好通入转子绕组电流的频率，就可以实现机组变速恒频发电。
根据旋转磁场理论，定子三相对称绕组通以频率为f_1的三相对称流后，会在电机气隙中形成一个旋转磁场，这个旋转磁场的转速为n_1，称为同步转速。转子三相绕组通过双馈变流器通以频率为f_2的三相对称交流电，其产生的旋转磁场相对于转子本身而言的转速为n_2。n为电机转子的机械转动速度。
但是该类型发电机在发生故障时，50%以上的故障是定子和转子的故障。
当转子绕组发生故障引起三相不平衡的转子谐波电流出现时，将产生一个反向旋转磁场，从而形成
转子绕组发生故障时，在定子和转子电流频谱图中将会分别出现如下式（1）和式（2）的频率，
当定子绕组产生故障时，定子电流负序谐波分量产生，产生一个反向旋转的磁场，这一负序谐波分量在转子绕组上产生一个(2-s)f_1谐波频率，转子绕组上的(2-s)f_1谐波频率反过来引起电磁和机械的相互作用从而产生2f_1的机械振动频率，如图4所示。
定子绕组发生故障时，在定子和转子频谱图中将会分别出现如式（3）（4）频率，
利用电机电流法对双馈异步风力发电机三个通道，即定子三相电流进行分析。风速为15.24513m/s、功率为1766.8w、转速为
因为，旋转磁场的转速为
因风机切出风速为13m/s，所以此时31号风机为满发，负载为100%额定负载，定子三相电流时域波形图如图5所示。
其中按颜色深浅自左向右分别表示a、b、c三相电流，将其放大后可以看出，abc三相电流幅值分别为1.503a，1.501a，1.441a。正常情况下，定子侧电流三相对称，幅值接近。当某相发生匝间短路时，定子三相电流出现了明显的不对称，三相电流均增大，并且故障相电流变化最大。所以由定子三相电流的时域波形图初步判断定子侧没有故障。
具体的，通过用matlab软件编程，将采集到的三相电流信号，画出其中a相电流波形图，然后通过傅里叶算法转换到频域上，画出其中a、b、c三相电流的频谱图，并根据其频谱图中是否含有故障频率分量定子上的谐波频率
转子绕组发生故障时，定子频谱的基频50hz两边会有
将风机的a相电流信号变换成包络信号，包络信号的频谱图中找不到与
在park矢量轨迹判断分析单元132根据park矢量轨迹进行判断时，通过识别park矢量轨迹的形状，来判断三相绕组匝间短路故障。判断三相绕组匝间短路故障时，设定风电电机三相绕组为三角形接法，当park矢量轨迹长轴指向150°时，匝间短路故障相为a相；当park矢量轨迹长轴指向90°时，匝间短路故障相为b相；当park矢量轨迹长轴指向30°时，匝间短路故障相为c相；设定风电电机三相绕组为星形接法，当park矢量轨迹长轴呈水平方向时，匝间短路故障相为a相；当park矢量轨迹长轴指向120°时，匝间短路故障相为b相；当park矢量轨迹长轴指向60°时，匝间短路故障相为c相。
在理想情况下，三相电流
若以park矢量的两个分量分别作横、纵坐标，随着时间t的变化，其轨迹为一个圆，圆心为坐标系原点。在此理想情况下，park矢量的模为常数（对应于常量或直流）。实际上，由于制作、安装、材料等方面的原因，正常的风电电机的电动机的park矢量轨迹也只能接近于圆。
当风电电机电机发生故障时，理想条件被破坏，三相电流不再平衡，同时可能会出现一些谐波或变频分量。这时park矢量的轨迹不再是一个圆，可能是不规则的闭合曲线。具体形状决定于故障性质及其严重程度。
可以通过识别park矢量轨迹的形状，来判断定子绕组匝间短路故障；并且随着故障严重程度的增加，不规则程度越大。
若park矢量轨迹接近为一圆形，且极坐标图形看出为近圆形，判断风电电机无故障。如图6和图7所示。
park矢量轨迹不规则，已不是一圆形，初步判断是否发生匝间短路，由其极坐标可以看出park矢量轨迹长轴指向30°时，匝间短路故障相为c相。如图8和图9所示。
park矢量轨迹不规则，已不是一圆形，初步判断风电电机绕组发生匝间短路，由其极坐标可以看出park矢量轨迹长轴指向150°时，匝间短路故障相为a相。如图10和图11所示。
此外，还包括警报显示模块140，用于提供显示界面显示故障分析结果。
警报显示模块140对采集到的数据和判断结果通过entityframework框架，将数据插入到数据库中。其中采集的数据为秒级存储。前台界面采用web方式，用户登录后可以查看每台实时的电压电流值，也可以实时弹出报警窗口。前台可以查看历史数据看是否有异常或者对比不同风机的故障情况。
区别于现有技术，本发明的风力发电机组变频器在线监测及故障诊断装置包括：采集模块，连接风电电机，用于实时采集风电电机变频器的三相电压电流；传输模块，用于实时将采集的三相电压电流通过无线通信的方式传输到监测分析模块；监测分析模块，用于获取风电机组的定子和转子电流频谱图，根据频谱图判断定子和、或转子的故障情况；同时将接收到的三相电流值转换为park矢量，根据park矢量判断三相绕组匝间短路故障。通过本发明，能够监测风力发电机的变频器、发电机的早期故障，及时进行修整，延长发电机寿命，避免因变频器、发电机的早期故障而造成的重大事故。
以上仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。