用於檢測匝間短路的方法與流程
2023-10-04 02:37:14
本發明涉及一種用於檢測電機中的轉子匝間短路的方法。
背景技術：
如發電機或馬達的電機具有定子和轉子。為了產生磁場，轉子具有電導體的繞組。絕緣體包覆電導體，以使電導體相對於繞組的相鄰設置的線匝電絕緣且相對於環境電絕緣。
轉子的絕緣體中的缺陷能夠引起匝間短路，即引起繞組的相鄰設置的線匝之間的短路。這引起：繞組的短路的線匝相較於繞組的未短路的線匝被更小的勵磁電流穿流，由此短路的線匝具有比未短路的線匝更低的溫度。這能夠引起轉子的工作溫度不均勻。不均勻的工作溫度能夠引起轉子內的機械應力，其中所述應力能夠導致質量分布與旋轉對稱性的偏差。不對稱的質量分布能夠引起轉子在電機運行時的振動。此外，匝間短路導致磁場減弱，這必須通過更高的勵磁電流來補償。更高的勵磁電流不利地導致電機效率的降低。
在電機運行中，藉助於氣隙線圈測量方法確定匝間短路，其中藉助於線圈測量在轉子和定子之間的位置處的磁通量。為此，需要在藉助於線圈產生的信號曲線中識別轉子的轉半圈。因為信號曲線可以被噪聲信號疊加，所以轉子的轉半圈的識別可能會出現誤差，使得氣隙線圈測量方法的評估可能導致不明確的結果。
技術實現要素：
本發明的目的是，提供一種用於檢測電機的繞組中的匝間短路的方法，其中信號曲線的記錄和評估是簡單的，並且能夠以高的精度檢測匝間短路。
根據本發明的用於檢測電機中的匝間短路的方法具有如下步驟：a)將線圈設置在氣隙中，所述氣隙位於電機的轉子和定子之間；b)利用電機的轉動頻率和極對數計算兩個時間上直接彼此相繼的過零點的最小持續時間，這兩個過零點是藉助於線圈產生的信號曲線u(t)的過零點；c)記錄在電機運行時藉助於線圈產生的信號曲線u(t)，所述信號曲線至少具有轉子轉一圈的持續時間；d)確定信號曲線u(t)的過零點，並且存儲所述過零點的時間點；e)確定藉助偏移量c校正的信號曲線u(t)-c的過零點，並且識別至少一對的直接彼此相繼的過零點，所述過零點的時間間隔比最小持續時間更長，其中c不等於零；f)在步驟e)中未識別出對的情況下，重複步驟e)直至識別出對，其中偏移量c在從信號曲線u(t)的零點至全局極值的方向上變化；g)識別出所存儲的時間點中的兩個時間點的至少之一，所述兩個時間點在時間上位於所述對之間並且在時間上距所述對最近；h)利用在步驟g)中識別出的時間點從信號曲線u(t)中提取兩個半波，其中每個半波對應於轉子的轉半圈；i)將兩個半波進行比較。
在步驟i)中，能夠通過比較兩個半波來檢測磁場中的非對稱性。這例如能夠通過如下方式進行：使兩個半波在時間上重合，並且隨後將兩個半波彼此相加。如果兩個半波的相加的時間曲線偏離數值零，那麼能夠推導出非對稱性。從非對稱性中於是能夠推導出存在匝間短路。
在信號曲線u(t)中並非所有過零點限界一個半波。通過該方法，識別信號曲線u(t)中的如下過零點的時間點，所述過零點實際上限界半波中的一個半波。根據本發明的方法基於如下認知：兩個直接彼此相繼的過零點的時間間隔越大，偏移量c就選擇為越大，藉助所述偏移量校正信號曲線u(t)。術語直接彼此相繼的過零點表示：在這兩個過零點之間不存在另一過零點。偏移量c以遞增的方式從最小值變化至最大值，所述最大值都小於信號曲線u(t)的極值，直至在校正的信號曲線u(t)-c中發現一對直接彼此相繼的過零點，其中該對具有比所計算的最小持續時間更大的間隔。實際上限界一個半波的過零點在時間上位於該對之內並且是位於該對之內的過零點的在時間上距該對最近的過零點。在此，對於每個對存在兩個過零點，所述過零點實際上限界一個半波，其中在步驟g)中可以識別這些過零點中的一個過零點或兩個過零點。
因為在步驟e)中尋找如下過零點，所述過零點的時間間隔長於在步驟b)中計算出的最小持續時間，而不是如下過零點，所述過零點精確地對應於所計算出的最小持續時間，即使實際的轉動頻率與為了計算而在步驟b)中假設的轉動頻率略有偏差時，該方法也毫無疑問地且有利地起作用。該方法也可有利地起作用，而無需使用測量轉子的精確轉速的轉速計的信息，而是粗略估計步驟b)中的最小持續時間就足夠。
該方法有利地可簡單執行，使得其也能夠自動地執行。此外，能夠無誤差地識別實際限界半波的零位，由此能夠以高的精度執行該方法。
該方法優選地具有如下步驟：e1)確定藉助偏移量d校正的信號曲線u(t)-d的過零點，並且識別至少一對的直接彼此相繼的過零點，所述過零點的時間間隔長於最小持續時間，其中d不等於零並且具有與c相反的符號；f1)在步驟e1)中未識別出對的情況下，重複步驟e1)直至識別出對，其中偏移量d在從信號曲線u(t)的零點至另一全局極值的方向上變化；並且其中在步驟h中利用在步驟e1)中識別出的時間點來提取兩個半波中的一個。如果將正偏移量用於校正信號曲線u(t)，那麼能夠識別出上半波，並且如果將負偏移量用於校正信號曲線u(t)，那麼能夠識別出下半波，通過應用正偏移量和負偏移量，能夠有利地識別上半波和下半波。此外可行的是：通過將上半波的積分與下半波的積分進行比較來確定：信號曲線u(t)是否整體上具有偏移。
電機的極對數優選為一，並且兩個半波中的每個半波分別由兩個在步驟g)和/或g1)中識別出的時間點限界，所述時間點直接彼此相繼。替選地，電機的極對數大於一，並且每個半波由與電機的極對數相同數量的部分波(teilwelle)中的一個形成，其中每個部分波分別由兩個在步驟g)和/或g1)中識別出的且直接彼此相繼的時間點限界。因此，在具有任意數量的極對數的電機中能夠有利地執行該方法。
優選的是：在步驟d)、e)和/或e1)中，藉助於對於信號曲線u(t)的和校正的信號曲線u(t)-c的所有點形成y0＝ut＝α*ut＝α+1來確定過零點(6至9)，其中ut＝α是在u(t)或u(t)-c中的信號值，並且ut＝α+1是直接緊隨其後的信號值。如果y0＝0，那麼兩個信號值中的至少一個信號值是過零點。如果y0>0，那麼不存在過零點。如果y00，
圖3示出具有基波ug(t)的信號曲線u(t)，
圖4示出具有函數f1(t)＝c1的信號曲線，其中c1>0，
圖5示出具有函數f2(t)＝c2的信號曲線，其中c2>c1>0，
圖6示出圖5的細節，
圖7、8示出對兩個半波進行比較的示意圖，
圖9示出具有兩個缺陷位置的信號曲線，
圖10示出貫穿電機的橫截面圖。
具體實施方式
圖10示出貫穿電機24的橫截面圖。電機24具有徑向外置的定子20和徑向內置的轉子21。定子20具有多個沿環周方向並排設置的定子槽23，電導體引入到所述定子槽中。定子槽23中的每個定子槽沿環周方向分別由兩個定子齒27限界。轉子21具有多個沿環周方向並排設置的轉子槽22，為了產生磁場將電導體引入到所述轉子槽中。在每個轉子槽22中引入多個電的部分導體，所述部分導體分別由電絕緣體包圍，以便將部分導體相對於彼此電絕緣。絕緣體的損壞能夠引起匝間短路。轉子槽22中的每個轉子槽沿環周方向分別由兩個轉子齒28限界。圖10中的電機24的極對數是一。在定子20和轉子21之間設置有氣隙26。在氣隙26中為了測量磁通量變化而引入線圈25。圖10中的線圈25安置在定子齒27中的一個的徑向內置的面上。
圖1示出藉助於線圈25記錄的信號曲線u(t)的繪圖。在橫坐標4上繪製時間，並且在縱坐標5上繪製電壓或電流強度。同樣地，在繪圖中，繪出形式為的基波1，其中ω是轉子21的旋轉的角頻率，並且是幅度。因為電機24的極對數是一，所以基波1的每個振動周期由第一半波2和第二半波3構成，所述第一半波特徵在於ug(t)的正號，並且所述第二半波的特徵在於ug(t)的負號。兩個半波2、3中的每個對應於轉子21的轉半圈。在根據本發明的方法中，識別出信號曲線u(t)的如下部段，所述部段屬於第一部分波2或第二部分波3。隨後，執行兩個部段的比較。如從圖1可見，並非信號曲線u(t)的全部過零點6都對應於基波1的過零點11。過零點表示信號曲線u(t)中的u(t)＝0的點。
在圖2中示出基波1與其過零點11。過零點11在圖2中作為基波1與函數f0＝0的交點示出。如果藉助偏移量c校正信號曲線ug(t)，使得校正的信號曲線具有ug(t)-c的形式，那麼與信號曲線ug(t)的過零點11相比，兩個直接彼此相繼的過零點7的時間間隔變化。校正的信號曲線u(t)-c的過零點7在圖2中作為與函數fc(t)＝c的交點示出，其中c>0。在此，兩個直接彼此相繼的過零點7的時間間隔交替地短於和長於信號曲線ug(t)的兩個直接彼此相繼的過零點11的時間間隔。
在圖3至6中示出：如何找出信號曲線u(t)的如下零位6，所述零位對應於基波1的零位11。對此，如在圖3中示出的，確定信號曲線u(t)的全部零位6。在圖3中同樣繪製基波1和最小持續時間tmin，所述最小持續時間是基波1的兩個直接相鄰的過零點11的時間間隔。最小持續時間tmin通過公式tmin＝1/(f*2*n)估算，其中f是轉子21的轉動頻率，並且n是電機24的極對數。
如從圖4中可見：在確定信號曲線u(t)的過零點6之後，確定藉助偏移量c1校正的信號曲線u(t)-c1中的過零點8。信號曲線u(t)-c1中的過零點8在圖4中作為信號曲線u(t)與函數f1(t)＝c1的交點示出。為了確定偏移量c1，首先確定信號曲線u(t)中的全局最大值，並且隨後將c1選擇為正的，並且選擇為全局最大值的一小部分，例如選擇為全局最大值的十分之一。現在，在信號曲線u(t)-c1中尋找如下直接彼此相繼的過零點8，所述過零點的間隔比最小持續時間tmin更長。如從圖4中可見，藉助偏移量c1在信號曲線u(t)-c1中不能夠發現這種直接彼此相繼的過零點8的對。
出於該原因，隨後確定藉助偏移量c2校正的信號曲線u(t)-c2中的過零點9。信號曲線u(t)-c2中的過零點9在圖5中作為信號曲線u(t)與函數f2(t)＝c2的交點示出。在此，偏移量c2相對於c1提高一小部分。現在，在信號曲線u(t)-c2中尋找如下直接彼此相繼的過零點9，所述過零點的間隔比最小持續時間tmin更長。如從圖5中可見，在信號曲線u(t)-c2中能夠發現直接彼此相繼的過零點9的兩個這種對。這兩個對中的每個對具有第一過零點12和第二過零點13，其中第一過零點12在時間上位於第二過零點13之前。信號曲線u(t)的過零點6中的對應於基波1的過零點11的過零點識別為如下過零點，所述過零點在時間上位於第一過零點12和第二過零點13之間並且在時間上距第一過零點12和第二過零點13最近。圖5示出圖4中的細節，即示出第二過零點13連同基波1的過零點11。
圖7和8示意性地示出如何將第一半波2與第二半波3進行比較。對此，從信號曲線u(t)中根據過零點11對於第一半波2和第二半波3提取各自的起點和終點。例如，這能夠通過如下方式進行：根據基波1的直接彼此相繼的過零點11的所找到的對，首先提取兩個半波2、3中的一個半波作為信號曲線u(t)的部段，該部段由所述對限界。兩個半波2、3中的第二半波例如能夠作為信號曲線u(t)的部段來提取，該部段位於所述對的第一過零點12之前或者位於所述對的第二過零點13之後一定持續時間，所述持續時間對應於所述對的時間間隔。同樣能夠考慮的是：找到基波1的另外的過零點11，其中負偏移量d朝信號曲線u(t)的全局最大值的方向變化。通過改變正偏移量c和負偏移量d能夠總計找到基波1的三個直接彼此相繼的過零點11，其中三個過零點11中的時間上的前兩個過零點限界第一半波2，並且三個過零點的時間上的第二和第三過零點限界第二半波3。
如從圖7和8中可見，通過兩個半波2、3中的一個半波沿橫軸4的方向移動將兩個半波2、3重合，如這通過箭頭14表明。兩個半波2、3彼此相加，這通過箭頭15在圖8中表明。在無誤差的情況下，彼此相加的半波2、3的時間上的信號曲線為零。如果彼此相加的半波2、3的信號曲線不等於零，那麼必須分析該信號曲線：是否實際上存在匝間短路或者外部影響是否在信號曲線u(t)中引起扭曲。
在圖9中示出典型的故障情況，第一故障信號16位於第一半波2中並且第二故障信號17位於第二半波3中。故障信號16、17在零點11的時間間隔是相同的，所述零點將兩個半波2、3彼此分開。故障信號16、17能夠與轉子槽23中的一個相關聯，因為信號曲線u(t)中的局部最小值18對應於轉子齒28，並且信號曲線u(t)中的局部最大值19對應於轉子槽23。
雖然通過優選的實施例詳細地闡述和描述本發明的細節，然而本發明不受到所公開的實例的局限，並且能夠由本領域技術人員從中導出其他的變型形式，而不會脫離本發明的保護範圍。