用于監(jiān)測去磁的方法
【專利摘要】一種用于發(fā)現(xiàn)諸如風(fēng)力發(fā)電機之類的永磁同步發(fā)電機的去磁故障的方法。在同步發(fā)電機工作期間執(zhí)行該方法，并且包括測量定子（11）的振動，對振動（12）執(zhí)行頻率分析，并且從振動分析推斷出該發(fā)電器是否遭受永磁體（13）去磁。另外，幾何偏心度故障和短路故障也可以從振動（12）中檢測出。
【專利說明】用于監(jiān)測去磁的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及用于監(jiān)測諸如發(fā)電機之類的永磁同步電機的系統(tǒng)。尤其是涉及例如在用于風(fēng)力發(fā)電的永磁同步發(fā)電機中監(jiān)測同步發(fā)電機的永磁體的磁性故障。
【背景技術(shù)】
[0002]在發(fā)電廠實現(xiàn)高可靠性的一個重要因素是提供具有狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的諸如風(fēng)力發(fā)電機的發(fā)電機，以便于檢測早期階段的故障。本發(fā)明的目的是提供一種用于檢測和識別永磁同步發(fā)電機(PMSG)、尤其用于風(fēng)力永磁同步發(fā)電機的磁性故障的改進的診斷方法。永磁同步發(fā)電機是風(fēng)力發(fā)電工業(yè)中一種常見的機器。對去磁進行檢測是重要的，因為去磁導(dǎo)致機器性能的降低。已經(jīng)存在基于監(jiān)測發(fā)電機的反EMF (電動勢)和定子電流的用于檢測去磁的方法。
[0003]然而，當對那些指標進行檢測時，存在可能給出錯誤信息的風(fēng)險，因為其它故障條件產(chǎn)生與去磁相似的特征。
[0004]US7, 324, 008 (Dl)描述了使用有限元方法(FEM)分析來分析電機，其中分析至少一個故障狀態(tài)，從而能夠預(yù)測故障狀態(tài)的影響。FEM分析的結(jié)果可以被用于通過機器的帶電測量結(jié)果來識別所分析的故障(參見D1，摘要)。Dl描述了一種橫向磁通電機，但也建議了，可以將對故障的類似FEM分析用于其他電機(參見D1，第7欄，第26-50行)。Dl建議模擬磁性故障和磁性故障對磁通的影響，使得通過“探測線圈”，磁通的測量可以被用作磁性故障的標志(參見D1，第I欄，第46-51行)。Dl所描述的方法提供了用于檢測故障的手段，該故障由于過熱和/或去磁而降低磁體的磁場強度(參見Dl,第6欄,第15-16行)。
[0005]在該【技術(shù)領(lǐng)域】中，監(jiān)測轉(zhuǎn)子軸承也是重要的。風(fēng)力渦輪發(fā)電機的轉(zhuǎn)子軸承的狀態(tài)通常通過測量軸承附近的振動而被監(jiān)測。
[0006]Dl建議分析其它故障狀態(tài)，諸如機械和電氣失調(diào)，而且還建議除了用于感應(yīng)磁通量的線圈(參見Dl，第7欄，第27-31行)，還使用諸如溫度、振動和電流傳感器之類的其他傳感器用來檢測該機器。
[0007]本發(fā)明涉及永磁同步電機的診斷，尤其是檢測發(fā)電機的磁性故障，并且提供了使用探測線圈的可替代方案。
[0008]文 章“Static-, Dynamic-, and Mixed-Eccentricity Fault Diagnoses inPermanent-Magnet Synchronous Motors，，，Ebrahimi et al, IEEE 工業(yè)電子學(xué)匯干丨J (IEEETRANSACTIONS ON INDUSTRIAL ELECTRONICS)，第 56 卷，第 11 期，2009 年 11 月 4727，(D4)指出了靜態(tài)、動態(tài)和混合偏心率如何影響當前頻譜，該頻譜具有定子電流頻率的邊帶分量上的振幅。而且，D4描述了電流頻譜如何受到去磁、短路故障和斷路故障的影響，并能夠通過不產(chǎn)生邊帶分量而區(qū)別于偏心故障。本發(fā)明提供一種用于發(fā)現(xiàn)去磁的電流頻譜分析的替換方案，如D4所述，但也可以與這種定子電流分析一起使用。
[0009]Dl和D4被認為是最相關(guān)的現(xiàn)有技術(shù)文獻，但是下面將參考一些文獻，它們涉及解決除了發(fā)現(xiàn)同步電機中永磁體去磁之外的其它技術(shù)問題。[0010]US2011/0018727 (D2)描述了一種用于執(zhí)行風(fēng)力渦輪發(fā)電機故障診斷的方法和設(shè)備，其中傳感器監(jiān)測風(fēng)力發(fā)電機，并且分析來自傳感器的信號以檢測指示故障的異常現(xiàn)象。D2中描述的方法評估了(參見D2，圖1)電信號(電壓、電流)、振動信號和溫度信號。對該電信號和振動信號分別進行頻譜分析(參見D2，附圖標記110和120)(諸如FFT或快速傅立葉變換)。對該頻譜進行特征分析(參見D2，附圖標記140和142)和異常檢測(參見D2，附圖標記150和154)。溫度瞬變被檢測，并且溫度異常被識別(參見D2，附圖標記156)。根據(jù)分別檢測電的和振動頻譜以及溫度的異常，可以斷定該發(fā)電機系統(tǒng)具有電氣或者機械故障(參見D2，第[0009]段)。來自加速計的振動信號以及由發(fā)電機電壓信號確定的電壓特征可以被用于檢測潛在的偏心故障(參見D2，第[0010]段)。該文獻以一般方式描述了發(fā)電機，并且沒有描述磁性故障的檢測，尤其是沒有檢測永磁同步發(fā)電機中的磁性故障。
[0011 ] 振動信號的分析已經(jīng)被用于診斷電機的故障，參見Jover Rodriguez, P.V.，2007，"Current-, Force-, and Vibration-Based Techniques for Induction MotorCondition Monitoring",博士論文,赫爾辛基工業(yè)大學(xué)，芬蘭(D3)，其可在如下地址查詢到 http://lib.tkk.fi/Diss/2007/isbn9789512289387/isbn9789512289387.pdf D3 描述了分析異步電機中的定子振動頻譜。該研究的目的是為了發(fā)現(xiàn)感應(yīng)電機故障的最好指標，以及用于監(jiān)測感應(yīng)電機的狀態(tài)的合適的技術(shù)。D3描述了當電機在故障狀態(tài)下工作時，電磁力對振型的影響。另外，D3描述了一種方法，該方法允許預(yù)測機電故障在感應(yīng)電機的應(yīng)力分布以及振型中的影響。在D3中，利用FEM計算，其示出了當工作在電氣故障下時作用在電機定子上的應(yīng)力分布。示出的這些應(yīng)力分量能夠產(chǎn)生電機定子中的強制振動。其結(jié)果由振動測量所支持。低頻分量能構(gòu)成狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)中的主要指標。D3使用振動分析來檢測感應(yīng)電機的故障，其中故障是損壞的轉(zhuǎn)子條、損壞的端環(huán)、匝間短路、軸承和偏心故障。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]本發(fā)明的目的是提供一種用于檢測磁性問題的方法，其易于使用，而且是可靠的。本發(fā)明提供了一種用于檢測永磁同步電機磁性故障的方法，該永磁同步電機包括具有繞組以及用于電機電流的端子的定子、和設(shè)置有永磁體的轉(zhuǎn)子，該轉(zhuǎn)子被可轉(zhuǎn)動地布置在該定子內(nèi)。通過檢測和識別磁性故障，尤其是永磁體的去磁，促進了機器的修復(fù)，因為更換該轉(zhuǎn)子的永磁體將除去該故障并且提高性能?；谶@些目的，本發(fā)明提供了一種根據(jù)權(quán)利要求1的用于監(jiān)測同步電機中永磁體去磁的方法。同步電機操作期間執(zhí)行該方法。根據(jù)權(quán)利要求I的該方法包括測量該定子的振動，對該振動執(zhí)行頻率分析，基于定子供電頻率(fs)下的振動幅值是否超過閾值，確定該機器是否遭受永磁體去磁。
[0013]雖然，此申請主要描述了永磁同步發(fā)電機的監(jiān)測和故障分析，本發(fā)明對于永磁同步電機的監(jiān)測和故障分析也是有益的。
[0014]根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，該方法進一步包括基于旋轉(zhuǎn)頻率(fK)下的振動幅值是否超過閾值來確定該機器是否遭受永磁體去磁的步驟。
[0015]同步電機中永磁體的去磁影響了該定子供電頻率(fs)和該轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)頻率(fK)下的振動頻譜。監(jiān)測該定子供電頻率(fs)下的振動可以被用于發(fā)現(xiàn)磁性故障，并將該磁性故障與諸如電動和幾何故障之類的其它故障區(qū)分開。而且，監(jiān)測旋轉(zhuǎn)頻率下的振動幅值使得磁性故障的演繹更清晰。[0016]對該振動的測量提供了簡單的方式來監(jiān)測去磁。本發(fā)明使得推斷出永磁同步電機遭受僅來自振動的永磁體去磁的影響成為可能。該振動測量可以包括通過振動傳感器檢測振動，該振動傳感器被固定到該定子的框架或者被固定到該定子。例如，本發(fā)明方法可以通過以下步驟被實現(xiàn)；將諸如加速度計或者多個加速度計之類的振動傳感器定位及固定到該定子框架；測量該定子框架的振動；分析來自該加速度計的振動信號頻率，識別指示去磁的頻率幅值，并且確定該發(fā)電機是否遭受永磁體去磁。
[0017]不需要探測線圈或者其它的電氣測量。去磁故障可以從該定子的供電頻率下或該轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)頻率下的振動幅值識別出。
[0018]該方法可被實施于能夠連接到永磁同步發(fā)電機的監(jiān)測裝備，例如將加速度計附接到該定子框架，或者將已經(jīng)安裝的加速度計連接到監(jiān)測裝備的設(shè)置有該診斷裝置的計算設(shè)備。
[0019]或者，該方法可被實施于例如具有風(fēng)力渦輪機的風(fēng)力發(fā)電站的控制系統(tǒng)中，風(fēng)力渦輪機包括永磁同步發(fā)電機，該控制系統(tǒng)接收來自振動傳感器的振動信號，該振動傳感器被固定在該發(fā)電機的各自定子框架上，通過分析該振動信號和從這些振動信號的頻譜中檢測磁性故障，該方法被實施于這種控制系統(tǒng)中。
[0020]本發(fā)明提供了一種方法，其可被用于識別僅來自振動的去磁。除了對該振動的感測，也可進行電流的測量。在一個實施例中，該方法包括測量該定子的至少一個電流，優(yōu)選為每個支路電流，并且執(zhí)行針對電流的頻率分析，諸如針對每個支路電流的頻率分析。優(yōu)選地，該方法包括監(jiān)測該電流頻譜的頻率，以便在電流或者多個電流中找到這種故障的標示，該電流頻譜指示電氣故障、磁性故障和/或幾何故障。在一個實施例中，該系統(tǒng)包括用于定子電流的頻率分析的裝置，以及基于該頻率分析確定故障的裝置。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的用于檢測去磁故障的方法。
[0022]圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的用于檢測故障的系統(tǒng)。
[0023]圖3圖示了指示去磁故障的振動頻譜。
【具體實施方式】
[0024]圖1圖示了一種用于檢測永磁同步發(fā)電機上的磁性故障的方法。該方法開始于從永磁同步發(fā)電機獲取11振動信號。對所獲得的信號進行頻率分析12，其中振動信號被分解到頻率頻譜中，并計算出每個頻率的幅值。對于靜止的情況，頻率分析12適于通過FFT分析(快速傅里葉變換)等來執(zhí)行，或者，例如由于風(fēng)速的變化，在瞬變期間使用離散小波變換。故障發(fā)電機振動頻率的頻譜中的幅值可能與那些正常工作的發(fā)電機不同。頻譜被因此接受故障分析(步驟13)，其監(jiān)測振動頻率的幅值以發(fā)現(xiàn)發(fā)電機中的故障，尤其是發(fā)電機永磁體的去磁。更詳細地，該故障分析步驟監(jiān)測定子供電頻率(fs)下和轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)頻率(fK)下的振動幅值。在振動頻譜中這兩種頻率的增加的水平表示轉(zhuǎn)子中永磁體磁性水平的偏差。獲取步驟11可以包括多個子步驟，例如，將振動或諸如一個或多個加速器計之類的運動傳感器以及可能作為替代或附加的電子陀螺儀定位及固定到定子或定子緊固至的框架上。獲取步驟11還可以包括以下子步驟，通過傳感器測量振動，以及把振動信號傳遞給故障分析裝備，其包括接收故障分析裝備中的振動信號。
[0025]本發(fā)明的優(yōu)選實施例包括檢測除了去磁故障之外的其它故障，其它故障是諸如靜態(tài)或動態(tài)偏心度或混合偏心率之類的幾何故障，以及諸如定子繞組的短路之類的電氣故障。D3中使用的類似的FEM建模技術(shù)可以被用于提供用于所討論的永磁同步發(fā)電機的故障檢測的可靠的診斷方法。
[0026]圖1的方法圖示了獲取14和分析15每個定子支路電流的頻率作為可選的步驟(如虛線所示)以提供用于故障分析13的增強的基礎(chǔ)。在這樣的實施例中，故障分析器適于從定子電流和定子振動推斷磁性、電氣和幾何故障。
[0027]故障分析13之后可以是隨后校正檢測到的故障(步驟16)，諸如替換故障的永磁體，和/或調(diào)節(jié)發(fā)電機的其它檢測到的故障。
[0028]圖2圖示了振動傳感器5，其以通信方式連接到故障分析器21，故障分析器21具有用于分析振動信號以檢測永磁同步發(fā)電機的磁性故障的裝置。振動傳感器被緊固到永磁同步發(fā)電機I以感測發(fā)電機I的定子2的振動，并且被布置成根據(jù)同步發(fā)電機I的轉(zhuǎn)子3的旋轉(zhuǎn)獲取用于分析的振動信號。故障分析器21包括振動信號接口 22，其示例為傳感器接口 22、頻譜分析器23、故障識別器24和以顯示器25形式的針對操作員的輸出，該傳感器接口 22用于接收與諸如加速度計之類的振動傳感器的有線或無線連接，并且接收振動信號。頻譜分析器23適于分析由故障分析器21接收到的振動信號的頻譜。為此目的，頻譜分析器23對所接收的信號應(yīng)用傅立葉變換或者時頻分解，例如使用FFT (快速傅立葉變換)或小波變換，并產(chǎn)生構(gòu)成振動信號的頻率的幅值水平，從而該振動的頻率分量的特征可被識別。故障識別器24從頻譜分析器23接收包括每個相應(yīng)頻率的幅值的頻譜。故障識別器24適于識別振動信號的頻率特征，并且將這些特征關(guān)聯(lián)到特定的故障狀態(tài)，尤其是識別具有不同于正常發(fā)電機幅度的頻率，并推斷發(fā)電機遭受什么類型的故障。故障識別器24尤其適于通過監(jiān)測指示去磁故障的振動頻譜的頻率和監(jiān)測該頻譜的這些頻率分量的幅值，識別發(fā)電機永磁體的去磁。為了能夠估計指示去磁故障的振動頻率的嚴重程度，故障識別器適當?shù)匕?、或能訪問存儲器，得到諸如對應(yīng)于去磁水平的幅值水平之類的參考數(shù)據(jù)。該參考數(shù)據(jù)可以通過在操作期間測量具有故障永磁體的發(fā)電機或電動機而得出，例如永磁體比電機中正常使用的永磁體的標稱磁性強度更弱。例如，使用具有正常操作期間發(fā)電機永磁體強度的80%的永磁體，并且測量振動給出了去磁故障大小的測量。去磁故障時的指示頻率的振動幅值可以適當?shù)貜哪M結(jié)果內(nèi)插和外推，而且也近似地與去磁水平成比例。獲取參考數(shù)據(jù)至故障分析器21的故障識別器24的替換方法是執(zhí)行發(fā)電機的FEM-建模，發(fā)電機具有不同水平的永磁體去磁。
[0029]去磁的特征由振動頻譜所見，尤其是在轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)頻率(fK)和定子的供電頻率(fs)下(參見圖3)。給出去磁故障的最佳標識的頻率分量是定子的供電頻率(fs)。在正常的機器中，在該頻率下基本沒有振動，即定子的供電頻率(fs)下的振動幅值接近零。因此，故障識別器24適于將定子的供電頻率(fs)下的振動幅值與參考數(shù)據(jù)比較?；趨⒖紨?shù)據(jù)，故障狀態(tài)的閾值可以被確定。如果定子的供電頻率(fs)下的振動幅值超過閾值，故障識別器24確定機器遭受永磁體去磁。否則故障識別器24確定機器沒遭受永磁體去磁。
[0030]即使正常機器中典型地存在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)頻率(fK)下的振動，并因此在該頻率下的振動不是去磁故障的最佳標識。然而，旋轉(zhuǎn)頻率(fK)下的振動可以被用于確認故障識別結(jié)果，該結(jié)果由定子的供電頻率(fs)下的分析所獲取。從參考數(shù)據(jù)可以確定對應(yīng)故障狀態(tài)的旋轉(zhuǎn)頻率(fK)下的振動幅值的閾值，并且故障識別器24適于將旋轉(zhuǎn)頻率(fK)下的振動幅值與閾值比較。以對當使用定子供電頻率(fs)下的振動作為故障標識時的相應(yīng)的方式完成機器是否遭受永磁體去磁的確定。
[0031]故障分析器21被適當?shù)靥峁樵谝燥@示器25形式的用戶界面上呈現(xiàn)分析的結(jié)果，尤其是所識別的去磁故障。另外，或者可替代的，一種聲音警報或者其它故障標識可以經(jīng)由揚聲器(未圖示)被呈現(xiàn)。
[0032]除了針對可以經(jīng)由計算機網(wǎng)絡(luò)到達的振動信號的傳感器接口 22，故障分析器21被適當?shù)卦O(shè)有其它傳感器接口用于連接其它傳感器，諸如用于接收來自附加傳感器的測量信號的接頭26。或者，相同的接口可以被布置為用于接收來自不同測量單元的測量結(jié)果。在圖2所示例的故障分析器21包括接頭26，用于從另一個傳感器接入和接收信號，特別是電流計，其中該電流計(未示出)應(yīng)該布置為用于測量發(fā)電機I的支路電流。電流信號被饋送給電流分析器27，電流分析器27被提供以執(zhí)行諸如FFT分析之類的頻譜分析，并且電流分析器27隨后將頻譜幅值傳送到故障識別器24。故障識別器適于識別由該或每個定子支路電流頻譜中的幅值標識的故障，比如電氣故障，比如定子繞組的匝間短路。
[0033]故障分析器21可以被集成在便攜式服務(wù)和控制裝備中，其可以備連接至振動傳感器，該振動傳感器固定到定子框架并且被布置為獲取定子振動。故障分析器21可以代替地被集成在控制和監(jiān)測裝備中，該監(jiān)測設(shè)備永久地被布置在用于監(jiān)測及控制發(fā)電機的控制室中，諸如風(fēng)力發(fā)電站的控制室中。
[0034]頻譜分析器23和故障識別器24被圖示為分離的實體，但可以適當?shù)靥峁橛嬎銠C中軟件與硬件實體的結(jié)合，例如共享處理器和存儲器。在同一計算機中，電流分析器27可以適當?shù)乇患伞?br> [0035]磁性故障監(jiān)測方法可以被實施為計算機程序產(chǎn)品，并且包括程序步驟以推斷出機器是否具有去磁故障。當在計算機上執(zhí)行計算機程序時，計算機程序應(yīng)當適于發(fā)現(xiàn)永磁同步電機是否遭受去磁故障的影響，該計算機從永磁同步電機接收振動信號作為輸入。程序應(yīng)當適于基于永磁同步電機的振動做出技術(shù)考慮，諸如發(fā)現(xiàn)磁性故障。特別地，程序適于將去磁故障關(guān)聯(lián)到永磁同步電機的操作參數(shù)，諸如旋轉(zhuǎn)頻率&和/或定子供電頻率fs。通過這么做，程序解決了推斷出永磁同步電機是否遭受去磁故障的影響的技術(shù)問題，當分析以物理方式獲取的機器振動時，將機器的技術(shù)特性列入考慮，即機器的操作頻率。程序還應(yīng)當適當?shù)剡m于提供推斷結(jié)果輸出給操作者。
[0036]圖3圖示了具有去磁化永磁體的永磁同步發(fā)電機的振動頻譜。定子供電頻率&下的振動幅值，以及轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)頻率下的振動幅值被影響，而且兩種幅值都高于正常值，尤其是定子供電頻率&下的振動幅值。類似地，在振動信號的頻譜中，幾何和電氣故障的特征應(yīng)當適當?shù)乇蛔R別。
[0037]已經(jīng)描述了一種系統(tǒng)、方法和程序產(chǎn)品用于發(fā)現(xiàn)諸如風(fēng)力發(fā)電機之類的永磁同步發(fā)電機的去磁故障。在同步發(fā)電機操作期間執(zhí)行該方法，并包括測量定子的振動，執(zhí)行振動的頻率分析，并從振動分析推斷出發(fā)電機是否遭受永磁體去磁。
【權(quán)利要求】
1.一種用于監(jiān)測諸如風(fēng)力發(fā)電機之類的同步機器中永磁體去磁的方法，所述同步機器具有定子和轉(zhuǎn)子，所述定子具有繞組，所述轉(zhuǎn)子具有被布置成相對于所述定子旋轉(zhuǎn)的永磁體，在所述同步機器的操作期間執(zhí)行所述方法，并且所述方法包括步驟: 測量所述定子的振動， 執(zhí)行對所述振動的頻率分析， 基于所述定子在供電頻率(fs)下的所述振動的幅值是否超過閾值，確定所述機器是否遭受永磁體去磁。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述方法進一步包括步驟: 基于旋轉(zhuǎn)頻率(fK)下的所述振動的幅值是否超過閾值，確定所述機器是否遭受永磁體去磁。
3.根據(jù)權(quán)利要求1至2中任意一項所述的方法，其中所述振動的測量包括通過振動傳感器檢測振動，所述振動傳感器被固定到所述定子的框架或者被固定到所述定子。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任意一項所述的方法，其中所述機器是永磁同步發(fā)電機。
【文檔編號】G01H1/00GK103620354SQ201280020709
【公開日】2014年3月5日 申請日期:2012年4月25日 優(yōu)先權(quán)日:2011年4月29日
【發(fā)明者】P·羅德里格斯 申請人:Abb技術(shù)有限公司