CN102232267B - 用于监视和/或分析运行中的电机的转子的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于监视和/或分析运行中的电机的方法，其中，电机具有至少一个带有轴的发电机、一个励磁系统以及具有用于驱动所述轴的驱动装置。在此，同时测量描述转子绕组上的电压的第一信号和描述流过转子绕组的电流的第二信号。将两个信号输送给分析单元。在所述分析单元中将所述信号划分为各个频率分量。随后确定转子绕组的阻抗以识别电机中的故障状态。

Description

用于监视和/或分析运行中的电机的转子的装置和方法

技术领域

本发明涉及用于监视和/或分析运行中的电机的故障状态的装置和方法。在此，电机包括至少一个具有轴的发电机、励磁系统以及用于驱动所述轴的驱动装置。在此尤其涉及用于发电厂中的装置。

背景技术

为了确保顺利运行，应当对电机、尤其是用在发电厂中的大电机进行连续监视和/或随时分析，以便及时地识别故障状态和避免失控的运转停止。

WO 00/69062公开了一种用于监视机器的系统，其中，所述系统在故障状态时发出警告信号。在此，所述系统包括多个传感器，这些传感器检测不同的参数。这样测量轴地电流(Wellenerdungsstrom)、轴电压、轴地电流的变化率和轴电压的变化率。

分析处理系统根据轴地电流的变化、轴电压的变化和平均轴地电流建立警告。此外，所述文献还公开，可以按时间相关性记录这些不同的测量值。

EP 0 391 181公开了一种用于探测电机转子绕组中的线圈短路的装置。通过所述装置可以在较长的时间段上记录电机的状态，但也可以实施单独测量。在此，检测机器轴和地之间的轴电压。出现的轴电压的谐波作为分析处理标准。在无线圈短路的转子中，安培绕组在转子圆周上的分布是对称的并且机器的转子场仅仅具有奇数谐波。如果现在出现线圈短路，则转子场也包含偶数谐波，因为在安培绕组的圆周分布中出现非对称性。

本领域技术人员已知的另一方法是测量运行中的转子绕组的直流电压电阻。借助于所述方法例如可以测量转子绕组中的温度。但是，在此仅仅求得直流电压下的有效电阻。

发明内容

从所述现有技术出发，本发明的任务在于，实现一种装置以及一种方法，其探测转子中的故障状态、尤其是转子的绕组中的故障状态。此外基于所述确定例如也可以判断转子的阻尼棒或阻尼笼的状态。本发明的另一任务是，可以检测转子阻抗的突然变化。此外，应当使阻抗的突然变化与其他事件相关联。

所述任务由具有权利要求1的特征的方法解决。所建议的方法用于监视和/或分析运行中的电机，其中，电机具有至少一个具有轴的发电机、一个励磁系统(用于励磁随着转子旋转的励磁磁场，所述励磁磁场通过至少一个转子绕组生成)以及具有用于驱动所述轴的驱动装置。在此，同时测量至少间接地描述转子绕组上的电压的第一信号和至少间接地描述流过转子绕组的电流的第二信号。将这两个信号输送给分析单元。在分析单元中，优选地将所述信号划分成各个频率分量。由所述信号求得的转子绕组阻抗随后用于识别电机中的故障状态。以上所述的步骤的顺序也可以进行改变。

相对于现有技术，这是有利的，因为例如在转子中及时地出现与结果相关的交流电流损耗。此外，可以提供例如关于阻尼笼状态的重要扩展信息。另一优点是，与转子绕组的在线圈短路时变化较小的直流电压电阻相比，阻抗在线圈短路时在较大程度上变化。

优选地，通过使转子上的励磁系统的滑动接触部与励磁机连接的电导体测量第一信号和第二信号。这针对以下情形：为了产生旋转场，转子绕组的电流供给或者电压供给通过接触部(例如，接触电刷)由外部的、不旋转的供电单元、励磁机传输到旋转部件(轴)上并且随后通过设置在轴上或者设置在轴中的导体与转子绕组连接。

本发明的另一任务是，在阻抗方面监视具有旋转的励磁装置的发电机。换句话说，以上建议的方法也可以用于无刷励磁，其中，在转子上旋转的绕组远离真正电机地设置在轴上，并且由提供静态场的装置包围。在随着轴旋转的绕组中产生的交流电压和交流电流通过设置在轴上(并且随其旋转的)整流器进行整流并且随后传输到真正的转子绕组上以产生旋转场。

为此，优选在无刷的励磁系统的静止部件中(也就是说，在提供静态场的装置中或者在提供静态场的装置上)测量第一信号和第二信号。

优选地，也可以在无刷的励磁系统的旋转部件中测量第一信号和第二信号，并且借助于设置在转子上的遥测单元将第一信号和第二信号由测量位置无线地传输到与相应的接收单元一起构造的分析单元。通过这样的方式简化了对旋转系统中关系的监视，因为在传输单元被构造为无线时它相应地如同无刷励磁那样无接触地进行构造并且因此在安装、维护以及运行方面更简单。

可以在电机运行期间检测信号。在运行期间，转速可以是恒定的或者可变的。

图形化地、尤其是借助于显著单元显示电阻。通过所述显示使阻抗的变化变得直观可见。这样可以识别和分析故障状态。

此外，可以自动地监视和分析处理阻抗，从而可以自动地识别故障状态。

根据时间和/或频率进行阻抗的显示或者分析。

借助于根据本发明的方法可以识别不同的故障状态。在此，所述故障状态例如涉及以下至少一个故障状态：转子绕组中的线圈短路；阻尼棒的状态；阻尼笼的状态；扭转摆动；扭转震动和/或定子的状态。

优选借助于根据权利要求11的装置实施所述方法。

附图说明

以下根据附图更详细地描述本发明。附图示出：

图1：根据第一实施方式用于测量电机的转子绕组阻抗的装置的示意图；

图2：根据第二实施方式用于测量电机的转子绕组阻抗的装置的示意图；

图3：根据第三实施方式用于测量电机的转子绕组阻抗的装置的示意图；

图4：励磁电压和励磁电流的示例性变化曲线的示图。

具体实施方式

参照附图示出了一个可能的实施例。附图仅仅用于说明优选的实施例并且不对其或者权利要求进行限制。

附图示意性地示出一个电机，在所述电机中作为驱动装置在发电机4的一侧上设置有透平1，其中，透平1和发电机4借助于轴2或者轴系连接。轴2支承在至少两个轴承3上，其中，第一轴承3a设置在透平1和发电机4之间并且第二轴承3b设置在发电机4的另一侧上。所描述的装置应理解为示例性的。显然，透平可以设置在例如两个轴端部上，并且发电机也可以用作电动机。

具有励磁机的励磁系统7通过转子上的电刷接触部激励发电机4中的转子绕组。励磁系统7优选是可调节的整流器，其将交流电流转换为直流电流。随后，将直流电流(也称作励磁电流)通过电缆11、12和滑动环接触部5、6施加给转子绕组。励磁电压和励磁电流以脉冲形式存在。所述脉冲信号可以用于确定阻抗。

滑动环接触部5、6设置在轴2上。在优选的实施例中，第一滑动环接触部5和第二滑动环接触部6设置在轴承3b的区域中。滑动环接触部5是正极而滑动环接触部6是负极。

根据本发明的方法用于确定转子绕组的阻抗Z。为此，在第一步骤中检测信号S1和信号S2。

信号S1是在转子绕组上测量到的电压U。尤其是，测量所述转子绕组电压的交流电压分量。信号S2是流过转子绕组的电流I。尤其是，测量所述转子电流I的交流电流分量。同时进行S1和S2的测量。

图4根据时间t示出励磁电流I(S2)和励磁电压U(S1)的示例。

随后将两个信号S1和S2输送给分析单元13，并且借助于所述分析单元13将所述两个信号S1和S2划分为各个频率分量。优选地，通过傅里叶变换。随后通过本身已知的方式使各个频率分量彼此关联，其中，尤其是确定阻抗Z。

随后，可以借助于显示单元15在不同的频率下按照大小和相位或者在复数表达中通过电抗和电阻表示阻抗Z。即，根据大小和相位求得频率特性。通过所述显示，阻抗Z的变化变得直观可见。这允许：可以识别或者分析故障状态。优选地，根据时间t和/或频率ν显示阻抗Z。

此外，可以系统地并且自动地监视和分析处理阻抗Z的信号，从而可以快速地识别故障状态。

既可以在静态运行中进行所述测量，即在电机具有恒定的转速时，但或者也可以在可变运行中进行所述测量，即在电机具有可变的转速时。特别地，可以在起动和停止电机时实施测量。

转子绕组电压以强脉冲形式施加，尤其是以静态励磁装置施加时。脉冲的励磁电压的较大更高频信号成分允许在宽的频率范围内——典型地在从1Hz到200kHz的范围内测量电压分量U(例如，DC＝400V；AC＝4000V)和电流分量I(例如，DC＝2000A；AC＝500mA)。

通过确定转子绕组阻抗Z，可以检测转子的电特性变化。尤其是，所述方法具有以下优点：可以用于更高频的信号，因为恰恰在更高频的信号时励磁绕组的线圈短路和阻尼笼中的断路更显著。更高频的信号应理解为优选具有ν＝150Hz至ν＝3000Hz的频率的信号。

基于所测量的阻抗Z，可以识别转子绕组中的线圈短路(电抗变得明显更小)、阻尼棒的状态、阻尼笼的状态、扭转摆动或者扭转振动。

在线圈短路时，励磁绕组的电感比线圈的直流电阻变化大得多。这是本发明的一个优点，因为这样可以更准确和更可靠地确定故障状态。

由于短路电流的退磁效应，短路回路具有削弱磁场的作用。因此，与少具有仅仅一匝的线圈相比，电感减小得更加显著。即阻抗变得更具电阻性。

由于转子绕组的阻抗特性的反电动势，机器转子的扭转摆动和扭转振动影响所求得的阻抗。因为所述影响，同样可以检测这样的摆动和振动。

此外，基于磁链，可以推断出定子或者总磁路的磁状态。

也可以在一个确定的时间段上记录根据本发明的方法所测量或所确定的测量值。为此必须设有相应的装置。记录可以允许随后的分析处理并且还可以提供关于刚刚出现的故障状态的指示。

优选地，借助根据本发明的装置实施所述方法。

根据本发明的测量装置优选包括第一探测器、第二探测器、分析单元13(也称作测量数据处理装置)和显示装置15。

第一探测器与电机电流分离地设置并且测量第一信号S1，其中，第一信号S1描述转子绕组上的电压U。优选地，所述探测器包括两个耦合电容器9、10。

第二探测器与电机电流分离地设置并且测量第二信号S2，其中，第二信号S2描述流过转子绕组的电流I。优选地，所述探测器包括线圈8。

通过电缆11、12将励磁电流从励磁机7导引到滑动接触部5、6。

此外，两个电缆11、12通过耦合电容器9、10与测量数据处理装置13连接。电容器9、10用于测量交流电压分量并且具有1μF至0.01μF的电容。以下将电压分量表示为U。将所测量的电压分量U作为信号S1导引到测量数据处理装置13中。

使电缆11穿过线圈8。线圈8优选是测量线圈，特别优选地使用罗戈夫斯基线圈。但是也可以使电缆12穿过线圈8。以下将电流分量表示作I。将所测量的电流分量I作为信号S2导引到测量数据处理装置13中。

测量数据处理装置13用于处理所测量的电流分量I和所测量的电压分量U。优选地，此外设有模拟/数字转换器，其将信号S1和S2由模拟信号转换成数字信号。测量数据处理装置13可以是测量计算机，但或者也可以是为此设计的电装置或电子装置。随后，经处理的数据通过显示单元15显示给电设备的操作人员。优选地，根据时间t或频率ν显示数据。在此，显示单元15可以是市场上常见的屏幕。同样可以使用本领域技术人员已知的其他显示装置。

有利地，电流分离地进行测量值接收。通过耦合电容器9、10电容式地截取电压U，并且通过线圈8电感式地截取电流I。这允许使用耐高压的部件。

优选地，耦合电容器具有1nF至10nF的电容。

在另一未示出的实施方式中提供用于在较长时间段上存储测量数据和/或经处理的数据的装置，其中，较长时间段应理解为几天、几个月或者甚至几年。

在图2中示出的另一实施方式中，在无刷的励磁系统16的静止部件上测量信号S1和S2。第一信号S1描述励磁系统16的静止部件中的电压U，而第二信号S2描述励磁系统16的静止部件中的电流I。借助于所述两个信号又可以计算出阻抗值，所述阻抗值在此可以推断出所述的故障状态。在所示实施方式中，通过电导体11、12测量所述两个信号，所述电导体连接励磁系统的静止部件与励磁机17。

在图3中示出的另一实施方式中，在励磁系统或整流器18的旋转部件的区域中检测信号S1和S2。在此，在所述区域中设置相应的传感器，从而可以检测电压U和电流I。随后，借助于固定地设置在转子2上并且随着所述转子2旋转的遥测单元将信号S1和S2传输给与分析单元13连接的接收单元。例如可以考虑，通过无线电网络或者无线LAN传输信号S1和S2。此实施方式具有以下优点：也可以探测旋转的励磁装置中的干扰，并且无需设置滑动接触部以将信号从转子2发送出。在此，例如旋转的二极管、保险装置或者绕组部件上的故障导致电压U和/或电流I的变化，这导致阻抗的变化。

替代地，分析单元也可以设置在传感器的区域中或者整流器的区域中，从而无线电连接直接向分析处理单元传输阻抗的值。

参考标号列表

1     透平，驱动装置

2     轴

3     轴承

4     发电机

5     滑动环(正极)

6     滑动环(负极)

7     具有电刷的励磁系统

8     线圈，罗戈夫斯基线圈

9     电容器

10    电容器

11    电缆

12    电缆

13    分析单元

14    用于结果的信号传输电缆

15    显示单元，趋势系统

16    无刷励磁系统

17    整流器

18    传感器

19    无线电连接

Claims (17)

1.用于监视和/或分析电机的方法，其中，所述电机具有至少一个带有轴（2）的发电机（4）、一个励磁机（7）以及具有用于驱动所述轴（2）的驱动装置（1），其特征在于，在运行时同时测量至少间接地描述转子绕组上在运行中的工作电压（U）的第一信号（S1）和至少间接地描述流过所述转子绕组的工作电流（I）的第二信号（S2），将所述第一信号和所述第二信号输送给分析单元（13），以及在所述分析单元（13）中将所述第一信号和所述第二信号划分为各个频率分量，以及确定所述转子绕组的阻抗（Z）以识别所述电机中的故障状态。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过电导体（11，12）测量所述第一信号（S1）和所述第二信号（S2），所述电导体（11，12）连接转子上励磁系统的滑动接触部（5，6）与励磁机（7）。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在无刷的励磁系统（16）的静止部件中测量所述第一信号（S1）和所述第二信号（S2）。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在无刷的励磁系统（16）的旋转部件中测量所述第一信号（S1）和所述第二信号（S2），并且借助于设置在转子上的遥感单元将所述第一信号和所述第二信号从测量位置无线地传输到与相应的接收单元一起构造的分析单元。

5.根据以上权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在所述电机运行期间检测所述第一信号（S1）和所述第二信号（S2），其中，转速在所述电机运行期间是恒定的或可变的。

6.根据以上权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，图形地显示所述阻抗（Z），其中，所述阻抗（Z）的变化通过所述显示变得直观可见，从而可以识别和/或分析故障状态。

7.根据以上权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，自动地监视和分析处理所述阻抗（Z），从而可以自动地识别故障状态。

8.根据以上权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，根据时间（t）和/或频率（ν）显示或者分析所述阻抗（Z）。

9.根据以上权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，所述故障状态涉及以下一组中的至少一个故障状态：

所述转子绕组中的线圈短路；阻尼棒的状态；阻尼笼的状态；扭转摆动，扭转振动和/或定子的状态。

10.根据以上权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，仅仅检测所述电压（U）的和所述电流（I）的交流分量。

11.用于监视和/或分析运行中的电机的装置，其中，所述电机具有至少一个带有轴（2）的发电机（4）、一个励磁机（7）以及具有用于驱动所述轴（2）的驱动装置（1），其特征在于，设置有与所述电机电流分离的第一探测器，所述第一探测器测量至少间接地描述转子绕组上在运行中的工作电压（U）的第一信号（S1），设置有与所述电机电流分离的第二探测器，所述第二探测器测量至少间接地描述流过所述转子绕组的工作电流（I）的第二信号（S2），设置有分析单元（13），所述分析单元将所述信号（S1，S2）划分成各个频率分量并且确定所述转子绕组的阻抗（Z）。

12.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，所述第一信号（S1）和所述第二信号（S2）可通过电导体（11，12）进行测量，所述电导体（11，12）连接转子上的滑动接触部（5，6）与励磁机（7）。

13.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，所述第一信号（S1）和所述第二信号（S2）可在无刷的励磁系统（16）的静止部件中进行测量。

14.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，所述第一信号（S1）和所述第二信号（S2）可在无刷的励磁系统（16）的旋转部件中进行测量并且可借助于设置在转子上的遥感单元从测量位置无线地传输到与相应的接收单元一起构造的分析单元。

15.根据权利要求11至14中任一项所述的装置，其特征在于，设有显示单元（15），所述阻抗（Z）可通过所述显示单元图形化地进行显示，其中，所述阻抗（Z）的变化通过所述显示变得直观可见，从而可分析故障状态。

16.根据权利要求11至14中任一项所述的装置，其特征在于，所述探测器仅仅检测所述电压（U）的和所述电流（I）的交流分量。

17.根据权利要求11至14中任一项所述的装置，其特征在于，用于测量所述电压（U）的所述第一探测器包括耦合电容器（9，10），所述耦合电容器电容式地截取所述电压（U），并且用于测量所述电流（I）的所述第二探测器包括罗戈夫斯基线圈（8），所述罗戈夫斯基线圈电感式地截取所述电流（I）。