一种三相无刷励磁机旋转整流器二极管开路故障检测方法

本发明涉及无刷励磁机技术领域，尤其是一种三相无刷励磁机旋转整流器二极管开路故障检测方法。

背景技术：

与传统有刷励磁方式相比，无刷励磁方式具有输出励磁电流大、噪音低、污染小、故障率较低、维护简单等优点，是目前1000mw级大型发电机组首选的励磁方式。旋转整流器是无刷励磁系统中关键且薄弱的环节，整流二极管长时间随发电机高转速、高负荷工作，承受巨大的离心力和电磁作用，由此导致的整流二极管开路故障屡屡发生。旋转整流器二极管开路故障一般故障初期为单管故障，如果预警和处理不及时，可能会演化至多管故障的恶性局面。2014年国内某核电站3号机主变c相高压侧发生故障，导致励磁系统通道切换，大约3s后1号机出现旋转二极管断一相故障报警，约9s后出现旋转二极管断两相故障跳闸信号。由于无刷励磁机正常运行时整流二极管承担的容量较大，当旋转整流器中个别二极管发生故障后，其他正常二极管将过负荷，这样将加速正常二极管的状态恶化速度，可能导致旋转整流器在较短时间内出现多管故障的恶性局面，严重影响机组的安全稳定运行。因此，对无刷励磁机旋转二极管开路故障开展实时监测十分必要，开发出一种灵敏度高，稳定性强的旋转二极管开路故障在线诊断方法对大型发电机组安全运行具有重要的现实意义。

无刷励磁系统由一台转枢式交流发电机和旋转整流器组成，转枢式交流发电机转子、旋转整流器及主发电机转子同轴组装，构成了目前核电站普遍使用的无刷励磁同步发电机组。由于机组在正常运行时旋转整流器随发电机同步旋转，整流器中二极管的故障信息无法直接获取，这给旋转整流器二极管故障在线诊断带来一定难度。针对旋转整流器二极管开路故障的诊断方法，国内外专家学者进行了大量研究，取得了一些成果，目前主要提出的检测方法有：dnc(二极管非导通检测系统)法、氖指示灯频率检测法、励磁机励磁电流谐波法、发电机端电压频谱分析法、u型探测线圈法。

dnc法是目前外转子式无刷励磁机广泛应用的二极管开路故障检测方法之一，该方法在励磁机定子侧固定霍尔探头(一般情况下固定三个)，探头靠近整流桥臂与电枢绕组引线，与正常二极管相连的电枢支路扫过霍尔探头时将在探头中感应出电压脉冲，与故障二极管相连的电枢支路扫过霍尔探头时不会在探头中感应出电压脉冲，根据霍尔探头的感应电压脉冲数量反推与各引线相连的桥臂上的二极管的通、断状态。dnc法的适用性较好且有故障定位功能，可以直观反映旋转整流器通断状态，但霍尔传感器稳定性较差，易出现受机组振动发生移位导致测量不准确、受油污或灰尘污染造成信号失真等问题。氖指示灯频率检测法通过给整流器二极管串联熔丝发光管，根据熔丝发光管的闪光频率识别二极管故障。该方法为人工检测方法，不能作为实时的监测手段，一般情况下只作为辅助监测手段。励磁机励磁电流谐波法检测原理为：在无刷励磁发电机组中，交流励磁机的电枢绕组、旋转整流桥、主发电机励磁绕组三者构成闭合回路，当旋转整流桥二极管发生开路故障后，与故障二极管相连的电枢支路电流为零，不对称的电枢电流将产生电枢谐波磁势，这些谐波磁势将在励磁机的励磁绕组中感应谐波电流，利用励磁电流中特定的谐波成分即可检测旋转二极管开路故障。2019年电力系统自动化期刊发表的《核电多相角型无刷励磁系统旋转二极管开路故障特征分析》基于上述方法，对核电11相角型无刷励磁机旋转二极管一管开路和一相开路时励磁电流谐波特征进行研究，研究得出旋转二极管一管开路时励磁电流中将出现基波和2、3、4……次谐波，旋转二极管一相开路时励磁电流中将出现2、4、6……偶数次谐波，并且幅值为旋转二极管一管开路时励磁电流偶数次谐波分量幅值的2倍。文《studyofbrushlessexcitationsystemparametersestimationbasedonimprovedgeneticalgorithm》利用励磁电流中基频分量与直流分量的比值r确定旋转二极管的故障类型，r<10％旋转二极管正常，10％<r<55％旋转二极管为开路故障，r>55％旋转二极管为短路故障。发电机端电压频谱分析法的检测原理是：旋转二极管发生故障后会在主发电机励磁电流中产生谐波电流，进而在主发电机气隙磁势中产生谐波磁势，该谐波磁势将在发电机定子电枢绕组中感应谐波电压，通过发电机端电压中特定频率谐波分量检测旋转二极管故障。文《detectionofbrushlessexciterrotatingdiodesfailuresbyspectralanalysisofmainoutputvoltage》分别研究了旋转二极管开路故障和短路故障情况的端电压特征谐波，研究发现二极管正常时发电机端电压中主要含有(2k+1)pω谐波分量(其中k为常数，p为发电机极对数，ω为发电机转子旋转频率)；二极管发生开路故障和短路故障后发电机端电压中都将出现[(2k+1)p±pex]ω谐波分量(其中pex为励磁机的极对数)，该故障频率结合端电压中6次谐波幅值区分二极管故障类型，6次谐波幅值小于20db为二极管开路故障，6次谐波幅值大于20db为二极管短路故障。文《excitationcontrolofabrushlesssynchronousmotor》根据旋转整流器输出电压中2次谐波和9次谐波的幅值比值r确定旋转二极管类型，20％<r<30％旋转二极管正常，30％<r<40％旋转二极管为短路故障，40％<r<50％旋转二极管为开路故障。发明专利cn107843805a《无刷励磁机旋转二极管开路故障在线诊断方法》提出在励磁机定子铁轭的磁极中分线位置处安装u型探测线圈，当旋转二极管发生开路故障后，故障二极管所连接的电枢支路附近出现电枢增量磁势，该磁势随电枢同步旋转，u型探测线圈中将感应出与转子旋转频率相同的谐波感应电势，用此谐波电势可以识别旋转二极管开路故障。文《researchonanonlinediagnosisforrotatingdiodefaultsinthree-phasebrushlessexciterwithtwocoils》进一步提出在励磁机定子铁轭上空间位置相差180°的位置处安装两个u型线圈，通过两个u型线圈感应电势的差值情况检测二极管开路故障。

上述方法均建立在励磁机的电磁特征之上，为提高励磁机旋转二极管故障的振动信息利用水平和诊断可靠性，由二极管故障引起的转子振动频率特征也需受到重视，全面考虑这些故障特征可以进一步提高此类故障的诊断水平。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种三相无刷励磁机旋转整流器二极管开路故障检测方法，能够解决现有技术的不足，提升无刷励磁机旋转整流器二极管开路故障的诊断可靠性。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案如下。

一种三相无刷励磁机旋转整流器二极管开路故障检测方法，包括以下步骤：

a、在励磁机两端轴的水平方向和垂直方向分别安装振动传感器，通过数据采集分析系统接收振动传感器输出端信号；

b、确定旋转整流器二极管开路故障后的气隙磁通密度表达式；

c、确定旋转整流器二极管开路故障引起的转子受力及振动特征频率；

d、确定转子振动特征谐波幅值的故障阈值；

e、若转子振动特征谐波幅值大于故障阈值，则判定旋转整流器二极管存在开路故障，否则判定旋转整流器二极管正常。

作为优选，步骤b中，

旋转二极管正常时，励磁机的气隙磁势由励磁磁势和电枢磁势合成，得到励磁磁势在转子坐标系中的傅里叶级数表达式：

设励磁机正常运行时电枢绕组导通后电流保持不变，任意时刻电枢绕组只有两相导通，则电枢磁势在转子坐标系中的傅里叶级数表达式为：

根据式(2)和式(3)可得二极管正常时励磁机气隙磁势为：

电枢磁势增量δf在转子坐标系中的傅里叶级数表达式：

将上式中的θr′用θr+θ0代替，使式(4)与式(3)位于同一坐标系中，经坐标转换后的δf(θr′)的函数表达式为：

将二极管故障后励磁机的气隙磁势等效为二极管正常时的气隙磁势与二极管故障后产生的电枢增量磁势之和，则二极管故障后励磁机气隙磁势为：

fδ(θr)＝ff1cosp(θr+γ)+fa1cosp(θr-α)+δfmcosm(θr+θ0)(6)，

气隙磁导λδ(θr)表示为：

二极管故障后励磁机气隙磁通密度为：

二极管故障后转子不平衡磁拉力在转子坐标系下的x轴分量和y轴分量为：

由上式可得，只有当m＝p-1、p+1、3p-1、3p+1、5p-1和5p+1时fx和fy不等于零，即当二极管故障后只有电枢磁势增量的p-1、p+1、3p-1、3p+1、5p-1、5p+1次谐波会在转子上产生不平衡磁拉力；将m＝p-1、p+1、3p-1、3p+1、5p-1和5p+1带入上面两式中，得到转子不平衡磁拉力的x轴分量和y轴分量分别为：

由上式可知，改变转子振动状态的电枢增量磁势谐波次数为p-1、p+1、3p-1、3p+1、5p-1、5p+1，p为无刷励磁机的极对数。

作为优选，步骤c中，旋转整流器二极管开路故障后的故障特征频率为ωr/2π、(p±1)ωr/2π、(2p±1)ωr/2π、(3p±1)ωr/2π，其中，ωr为转子的机械角速度，ωr的单位为rad/s。

作为优选，步骤d中，故障判定阈值设定为：

其中，a、b、c、d分别为旋转整流器二极管正常状态下ωr/2πhz、(p±1)ωr/2πhz、(2p±1)ωr/2πhz和(3p±1)ωr/2πhz谐波振动幅值，δa、δb、δc、δd分别表示旋转整流器二极管故障后ωr/2πhz、(p±1)ωr/2πhz、(2p±1)ωr/2πhz和(3p±1)ωr/2πhz谐波振动幅值的增量，当增量为零或为负值时，将其视为零。

采用上述技术方案所带来的有益效果在于：

1、本发明所提诊断方法的故障特征谐波频率只与机组的机械角速度和励磁机的极对数有关，本发明对转速不同、极对数不同的内转子式三相无刷励磁机均适用，具有良好的适用性。

2、本发明基于无刷励磁机的机械特征，只需要在励磁机外部轴的水平方向和垂直方向安装振动传感器及配套的数据在线采集和实时分析系统即可完成对旋转整流器二极管运行状态的在线诊断。该方法操作简单、灵活方便，不影响机组的正常运行，可以配合其他诊断方法同时对二极管状态进行诊断，提高诊断的可靠性。

附图说明

图1是三相无刷励磁系统结构示意图；

图2是无刷励磁机电枢绕组联结图；

图3是定子坐标系下的励磁磁势波形图；

图4是电枢绕组ab导通时段电枢a、b相磁势波形图；

图5是旋转二极管正常时电枢绕组换相过程电流分布及磁势波形图，其中图5a是0(-)时刻ab导通状态，图5b是0(+)时刻ac导通状态；

图6是旋转二极管故障时电枢绕组换相过程电流分布及磁势波形图，其中图6a是0(-)时刻ab导通状态，图6b是0(+)时刻ac导通状态；

图7是旋转二极管故障后ab/ac导通时段电枢磁势增量图；

图8是电枢磁势增量在转子坐标系下的分布图；

图9是矢量表示的转子不平衡磁拉力示意图；

图10是旋转二极管正常及故障情况下不平衡磁拉力合力f；

图11是旋转二极管正常及故障情况下不平衡磁拉力x轴分量；

图12是旋转二极管正常及故障情况下不平衡磁拉力y轴分量；

图13是旋转二极管正常时不平衡磁拉力合力f频谱图；

图14是旋转二极管正常时不平衡磁拉力x轴分量频谱图；

图15是旋转二极管正常时不平衡磁拉力y轴分量频谱图；

图16是旋转二极管故障时不平衡磁拉力合力f频谱图；

图17是旋转二极管故障时不平衡磁拉力x轴分量频谱图；

图18是旋转二极管故障时不平衡磁拉力y轴分量频谱图。

具体实施方式

符号清单：p、无刷励磁机的极对数；η、缠绕在单个磁极上的线圈的距离角；ωr、电枢旋转的机械角速度；γ、定、转子轴线的夹角；θr、转子空间机械角度；θs、定子空间机械角度；nf、每极励磁绕组匝数；if、励磁机励磁电流；na、电枢每槽绕组总匝数；ia、相电流有效值；α、电枢槽间角(机械角度)；λ0、气隙磁导的常数项；λ2n、气隙磁导的各次谐波幅值；ff1、励磁磁势基波幅值；fa1、电枢磁势基波幅值；bn(θr)、径向磁通密度；bt(θr)、切向磁通密度；μ0、真空磁导率；r、转子外径；l、转子轴向有效长度；σ、不平衡磁拉力的方向；θ0、式(5)与式(4)所在坐标系的纵轴相差的位置角；δfm、电枢磁势增量的m次谐波幅值，其中m分别等于1，2，3，…。

本发明一个具体实施方式包括以下步骤：

a、在励磁机两端轴的水平方向和垂直方向分别安装振动传感器，通过数据采集分析系统接收振动传感器输出端信号；

b、确定旋转整流器二极管开路故障后的气隙磁通密度表达式；

c、确定旋转整流器二极管开路故障引起的转子受力及振动特征频率；

d、确定转子振动特征谐波幅值的故障阈值；

e、若转子振动特征谐波幅值大于故障阈值，则判定旋转整流器二极管存在开路故障，否则判定旋转整流器二极管正常。

本实施例以国内某电机厂5.8mw内转子式三相无刷励磁机作为算例，该励磁机励磁系统结构图见图1，电枢绕组接线图见图2，机组参数见表1。

表15.8mw内转子式三相无刷励磁机参数

无刷励磁机的旋转二极管与电枢绕组直接相连，当二极管正常时，励磁机的气隙磁场对称，理论上转子承受的电磁力合力为零；当二极管故障后，在故障二极管应导通时刻，由于其无法导通导致电枢电路不对称，进一步诱发气隙磁场不对称，不对称的气隙磁通密度将使转子承受不平衡的电磁力作用并引起转子铁心振动规律的改变。

从图1可以看到，无刷励磁机电枢绕组的每条支路与一个整流桥臂相连，根据整流电路特征，任意时刻，当某两相电枢绕组感应电势差值达到最大时，与这两相电枢绕组支路相连的桥臂上的对应二极管将处于导通状态，使得这两相电枢绕组处于导通状态，流过相同电流，另一相绕组则处于关断状态。励磁机电枢绕组的导通时序为：ab→ac→bc→ba→ca→cb，每一个导通60°电角度。根据电枢绕组的导通规律和电枢磁场的移位特征，电枢绕组各个导通时段内励磁机的气隙磁势均相同，下面以ab导通时段为例分析励磁机的气隙磁势及转子受力情况。

旋转二极管正常时，励磁机的气隙磁势由励磁磁势和电枢磁势合成，根据图3，得到励磁磁势在转子坐标系中的傅里叶级数表达式：

忽略换相过程，假设励磁机正常运行时电枢绕组导通后电流保持不变，任意时刻电枢绕组只有两相导通，作出二极管正常时电枢绕组ab导通时段a、b相电枢磁势波形图，见图4(图中a相磁势用虚线表示，b相磁势用实线表示)。根据图4，认为电枢磁势为导通相绕组磁势的合成，则二极管正常时ab导通时段电枢磁势在转子坐标系中的傅里叶级数表达式为：

根据式(2)和式(3)可得二极管正常时励磁机气隙磁势为：

根据电枢绕组的空间对称性及导通规律相似性，可以以任意一相、任意支路所连接的桥臂上的二极管为代表，下面以a相第5条支路(a5)正半桥臂二极管为例，研究其故障后励磁机的气隙磁势及转子受力情况。

图5和图6分别为二极管正常及a5支路正半桥臂二极管故障情况下ab→ac换相过程中电枢绕组的电流分布及电枢磁势图，对比两图可以发现，二极管故障后故障二极管支路附近出现电枢磁势增量，如图7。根据图8，得到电枢磁势增量δf在转子坐标系中的傅里叶级数表达式：

将上式中的θr′用θr+θ0代替，使式(4)与式(3)位于同一坐标系中，经坐标转换后的δf(θr′)的函数表达式为：

只考虑励磁磁势和电枢磁势的基波，认为二极管故障后励磁机的气隙磁势可以等效为二极管正常时的气隙磁势与二极管故障后产生的电枢增量磁势之和，则二极管故障后励磁机气隙磁势为：

fδ(θr)＝ff1cosp(θr+γ)+fa1cosp(θr-α)+δfmcosm(θr+θ0)(6)

无刷励磁机的磁极通常为凸极结构，气隙不均匀，气隙磁导λδ(θr)可以表示为：

只考虑气隙磁导的常数项和二次谐波，根据气隙磁导法，二极管故障后励磁机气隙磁通密度为：

根据麦克斯韦应力张量法，得到二极管故障后转子不平衡磁拉力在转子坐标系下的x轴分量和y轴分量为：

从上面两式可以看出，只有当m＝p-1、p+1、3p-1、3p+1、5p-1和5p+1时fx和fy不等于零，即当二极管故障后只有电枢磁势增量的p-1、p+1、3p-1、3p+1、5p-1、5p+1次谐波会在转子上产生不平衡磁拉力。将m＝p-1、p+1、3p-1、3p+1、5p-1和5p+1带入上面两式中，得到转子不平衡磁拉力的x轴分量和y轴分量分别为：

从不平衡磁拉力解析表达式可以看出，理论上，二极管故障后，励磁机转子所受不平衡磁拉力包含两个分量，一个是与电枢电势同频的200hz分量，另一个是随转子同步旋转的常数分量。这两个分量的大小主要取决于励磁磁势基波幅值、电枢磁势基波幅值和电枢磁势增量的p-1、p+1、3p-1、3p+1、5p-1、5p+1次谐波幅值。

无刷励磁机电枢每转过一对磁极，三相电枢绕组共发生6次换相。当a5支路正半桥臂二极管发生开路故障后，在电枢绕组的ab相、ac相导通时段(这两个时段是连续的，在一个电气周期内占据120°电角度)，a5支路因阳极二极管断开而无法导通，致使励磁机电枢电流分布及主磁场不对称，转子承受不平衡磁拉力；在电枢绕组bc相、ba相、ca相、cb相导通时段内电枢绕组正常导通，励磁机主磁场对称，转子不承受不平衡磁拉力。由此可见，不平衡磁拉力只在电枢绕组的ab、ac导通时段存在。本实施例研究的5.8mw内转子式三相无刷励磁机共有8对极，在每个电周期360°内(360°/8个机械周期)，a5支路正半桥臂二极管应导通但无法导通时段占据120°电角度，此时产生脉冲电磁力，而其它240°电角度则励磁机恢复正常，无脉冲电磁力，故在一个旋转周期内转子将先后受到8次不平衡磁拉力的作用。从图9可以看到，在单旋转周期内，不同时间点不平衡磁拉力脉冲的方向是变化的，每当故障二极管支路转过一对磁极，转子承受一次不平衡磁拉力脉冲，故共产生了8个脉冲性质的不平衡磁拉力簇，这8个脉冲磁拉力簇均匀地沿圆周分布。从图9中还可以看到，有脉冲磁拉力簇区域大致占据了1/3空间，这与故障二极管应导通的120°电角度相对应，无脉冲磁拉力簇区域则占据了2/3空间，对应故障支路应关断阶段(240°电角度)。

从图10可以看到，二极管正常时励磁机转子所受不平衡磁拉力基本为零，本实施例研究的5.8mw内转子式三相无刷励磁机转子的机械角速度为25rad/s，二极管故障后转子一个旋转周期内承受8次不平衡磁拉力脉冲作用，电磁力脉冲的频率为200hz。受故障二极管对各分支电流分布的影响，在故障二极管应关断阶段，实际上励磁机还是存在轻微的磁场不平衡，并产生小幅的不平衡磁拉力。由于该脉冲电磁力的方向随着电枢旋转而旋转，故其在x轴和y轴方向的分量呈现正弦波性质，从图11和图12可以明显看到，不平衡力脉冲的包络线呈现出显著的正弦波性质。

从图13、14、15可以看到，二极管正常时转子不平衡磁拉力合力、x轴分量和y轴分量频谱中各次谐波幅值均很低，均小于50n。

从图16可以看到，二极管故障后不平衡磁拉力合力频谱中包含显著的直流分量和200hz分量，这与解析计算结果相吻合。与此同时，不平衡磁拉力频谱中也含了400hz、600hz等谐波，这些谐波分别是200hz成分的2倍、3倍倍频，这是脉冲型不平衡磁拉力进行傅里叶分解必然含有的。从图17和图18可以看到，二极管故障后不平衡磁拉力x轴分量和y轴分量频谱图中含有明显的25hz、175hz、225hz、375hz、425hz、575hz、625hz等频率分量，其中25hz与不平衡磁拉力合力中的直流分量相对应，而175hz和225hz谐波与不平衡磁拉力合力中的200hz相对应，375hz和425hz谐波与不平衡磁拉力合力中的400hz相对应，575hz和625hz谐波与不平衡磁拉力合力中的600hz相对应，这些都是由旋转的不平衡磁拉力向静止坐标系下分解的结果。本实例所用无刷励磁机转子的机械角速度为25rad/s，根据上述分析，当旋转整流器二极管发生开路故障后，转子不平衡磁拉力的x轴分量和y轴分量频谱中将出现幅值较大的ωr/2πhz、(p±1)ωr/2πhz、(2p±1)ωr/2πhz和(3p±1)ωr/2πhz谐波分量，根据激励-响应之间的关联关系，这些谐波分量将激发出转子同频率的振动，因此，在励磁机两端轴的水平方向和垂直方向分别安装振动传感器，即可获取这些振动特征，进而判断无刷励磁机发生了二极管开路故障。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。