多级式起动发电系统全阶段励磁机转子绕组故障诊断方法

1.本发明属于电机故障诊断技术领域，涉及一种多级式起动发电系统全阶段励磁机转子绕组故障诊断方法，具体涉及一种基于励磁机定子电流的多级式起动发电系统全阶段励磁机转子绕组故障诊断与定位的方法。


背景技术：

2.多级式起动发电系统能够在电动状态下带动航空发动机起动，在起动完成之后由发动机带动运行在发电状态为机载用电设备供电，由此实现多级式起动发电系统的起动发电一体化运行，这种方式能够省去发动机专用起动机，减小系统体积重量，提升集成度。同时，多级式起动发电系统工作在发电状态时，具有发电品质好、可靠性高的优势。因此多级式起动发电系统对航空飞机电源系统具有重要的意义。
3.多级式起动发电系统一般由同轴安装的永磁副励磁机、励磁机和主电机组成，其结构示意图如图1所示，即三级式起动发电系统。目前同时存在有省去永磁副励磁机的两级式起动发电系统，上述两者统称为多级式起动发电系统。
4.多级式起动发电系统中，主电机的励磁电流由励磁机通过旋转整流器传递至主电机励磁绕组。当多级式起动发电系统工作于发电状态时，主电机不仅需要在空载与额定负载范围内保持输出电压为额定值，同时需要具备5分钟内过载50％和5秒内过载100％时维持额定输出电压的能力，此时励磁机转子绕组需要承受极大的电流变化。
5.由上述分析可知，多级式起动发电系统具有优良的电气特性，但由于其复杂的转子结构，导致励磁机转子绕组及其他部件长时间承受较大的机械、电气和热应力，易发生故障。为了提高多级式起动发电系统的可靠性与可维护性，有必要开展励磁机转子绕组的故障诊断研究。
6.传统的励磁机转子绕组故障诊断多基于励磁机转子电流估算与谐波分析，这些方法较为复杂且计算量较大，受限于控制器运算能力而难以应用。因此有必要提出一种计算量小且准确的励磁机转子绕组故障诊断方法，实现励磁机转子绕组的故障类型区分以及故障定位。


技术实现要素：

7.要解决的技术问题
8.为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种多级式起动发电系统全阶段励磁机转子绕组故障诊断方法，克服现有励磁机转子绕组故障诊断技术复杂且计算量大的问题。该方法适用于多级式起动发电系统的全部工作阶段，且计算量小，便于实际应用。
9.技术方案
10.一种多级式起动发电系统全阶段励磁机转子绕组故障诊断方法，其特征在于根据励磁机定子电流的诊断步骤如下：
11.步骤1、利用故障信息量i
es2
判断励磁机转子绕组是否发生故障：
12.1.1连续计算故障信息量i
es2
的极大值，所述表征励磁机转子绕组状态的故障信息量i
es2
,即励磁机定子侧电流平方和：
[0013][0014]
其中：i
ea
,i
eb
为a,b两相定子电流，i
ec
为c相定子电流；
[0015]
1.2将相邻两次获取的故障信息量极大值作比，得到的比值
[0016]
1.3将比值r与设定阈值r1，r2进行比较：
[0017]
情况1：若r《r1，则励磁机转子绕组处于正常状态；
[0018]
情况2：若r1《r《r2，则励磁机转子绕组一相发生开路故障；
[0019]
情况3：若r2《r，则励磁机转子绕组发生相间短路故障；
[0020]
所述r1《r2；
[0021]
步骤2：当出现情况2和情况3的励磁机转子绕组发生故障且确定故障类型后，对故障位置进行定位：
[0022]
起动阶段：
[0023]
起动阶段θd开路绕组短路绕组60
°
～100
°
，230
°
～280
°
aab0
°
～40
°
，180
°
～220
°
bbc120
°
～160
°
，300
°
～340
°
cac
[0024]
发电阶段：
[0025]
发电阶段θd开路绕组短路绕组150
°
～190
°
，330
°
～370
°
abc30
°
～70
°
，210
°
～250
°
bac90
°
～130
°
，270
°
～310
°
cab
[0026]
其中：a、b和c表示励磁机转子的三相绕组。
[0027]
所述a,b两相定子电流采用电流传感器采集励磁机获得。
[0028]
所述c相电流计算得到：i
ec
＝-i
ea-i
eb
。
[0029]
所述阈值r1为1.2～1.5。
[0030]
所述阈值r2为2～5。
[0031]
有益效果
[0032]
本发明提出的一种多级式起动发电系统全阶段励磁机转子绕组故障诊断方法，获取励磁机定子电流平方和与励磁机转子相对于磁场的相对角度，励磁机转子位置。计算励磁机定子电流平方和作为故障信息量。在起动阶段时依据此时对应的励磁机转子相对于磁场的相对角度值，发电阶段时依据励磁机转子位置对故障信息量进行励磁机转子位置信息获取。通过相邻两个故障信息量极大值的比值，确定励磁机转子绕组的工作状态。最后利用此时对应的位置判断故障所处位置。所提方法适用于多级式起动发电系统全阶段过程中的励磁机转子绕组故障诊断，能够在在线实时判断励磁机转子是否发生一相开路或相间短路故障的基础上判断故障所处位置，该方法实现简单，在静止、起动阶段和发电阶段之间算法不需要进行复杂的切换。
[0033]
所提方法适用于多级式起动发电系统全阶段过程中的励磁机转子绕组故障诊断，能够在在线实时判断励磁机转子是否发生一相开路或相间短路故障的基础上判断故障所处位置。由于利用励磁机定子电流进行励磁机转子绕组故障诊断，因此不需要额外增加传感器，并且不需要对励磁机转子电流进行估算，计算量小。该方法实现简单，在静止、起动阶段和发电阶段之间算法不需要进行复杂的切换。所提方法有助于提高多级式起动发电系统整体运行的可靠性与可维护性。
附图说明
[0034]
图1为多级式起动发电系统结构示意图；
[0035]
图2为励磁机转子绕组故障诊断及定位方法思路；
[0036]
图3为励磁机转子绕组故障诊断及定位方法框图；
[0037]
图4为故障信息量；
[0038]
图5为故障类型；
[0039]
图6为故障位置。
具体实施方式
[0040]
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
[0041]
图2所示为本发明所提多级式起动发电系统励磁机励磁绕组故障诊断及定位方法的思路；图3所示为本发明所提励磁机励磁绕组故障诊断及定位方法的框图。下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。
[0042]
实施例中所用多级式起动发电系统为采用三相励磁机的三级式起动发电系统结构示意图如图1所示，其中励磁机定子励磁绕组为三相绕组。该实施例中系统运行于发电状态，系统运行过程中，电机转速为200r/min。以系统励磁机转子a相绕组发生开路故障为例进行所提故障诊断及定位方法的说明，实施例包含的具体步骤如下：
[0043]
1：电机运行时获取励磁机定子侧电流平方和，具体如下：
[0044]
(1.1)利用电流传感器采集励磁机a,b两相定子电流，记为i
ea
,i
eb
，c相电流利用下式计算得到。
[0045]iec
＝-i
ea-i
eb
[0046]
(1.2)计算表征励磁机转子绕组状态的故障信息量i
es2
,即励磁机定子侧电流平方和。如下式所示。
[0047][0048]
结果如图4所示。
[0049]
(1.3)通过旋转变压器直接测量得到励磁机实际转子位置θr，记为θ。
[0050]
2.利用故障信息量i
es2
判断励磁机转子绕组是否发生故障，具体如下：
[0051]
(2.1)连续获取故障信息量i
es2
的极大值。
[0052]
(2.2)将相邻两次获取的故障信息量极大值作比，得到的比值(2.3)将(2.2)中得到的比值r与设定阈值r1，r2进行比较(其中r1《r2)。若r《r1，则励磁机转子
绕组处于正常状态；若r1《r《r2，则励磁机转子绕组一相发生开路故障；若r2《r，则励磁机转子绕组发生相间短路故障。
[0053]
本实施例中设定的开路故障阈值r1为1.5，短路故障阈值r2为2。经比较判断2＝r2》r》r1＝1.5，因此判断此时励磁机转子绕组发生了一相开路故障，其中开路和短路故障分别由1,2表示，如图5所示，即当故障发生时，立即判断出故障为开路故障，输出值为1。
[0054]
3：当步骤2判断出励磁机转子绕组发生故障且确定故障类型后，对故障绕组进行定位。具体如下：
[0055]
(3.1)当判断发生故障后，记录此时采样范围对应的θ，记为θd[0056]
(3.2)本实施例中，依据得到的θf在60
°
与100
°
之间，可以判断出故障发生在励磁机转子a相绕组，其中励磁机转子绕组a,b,c相分别由1,2,3表示，如图6所示，即判断为开路故障后，判断出故障转子绕组为a相绕组，输出值为1。
[0057]
可以看出当故障发生后，该方法能够迅速同时判断出故障类型与故障位置，有良好的应用效果。

技术特征：
1.一种多级式起动发电系统全阶段励磁机转子绕组故障诊断方法，其特征在于根据励磁机定子电流的诊断步骤如下：步骤1、利用故障信息量i
es2
判断励磁机转子绕组是否发生故障：1.1连续计算故障信息量i
es2
的极大值，所述表征励磁机转子绕组状态的故障信息量i
es2
,即励磁机定子侧电流平方和：其中：i
ea
,i
eb
为a,b两相定子电流，i
ec
为c相定子电流；1.2将相邻两次获取的故障信息量极大值作比，得到的比值1.3将比值r与设定阈值r1，r2进行比较：情况1：若r<r1，则励磁机转子绕组处于正常状态；情况2：若r1<r<r2，则励磁机转子绕组一相发生开路故障；情况3：若r2<r，则励磁机转子绕组发生相间短路故障；所述r1<r2；步骤2：当出现情况2和情况3的励磁机转子绕组发生故障且确定故障类型后，对故障位置进行定位：起动阶段：起动阶段θ
d
开路绕组短路绕组60
°
～100
°
，230
°
～280
°
aab 0
°
～40
°
，180
°
～220
°
bbc 120
°
～160
°
，300
°
～340
°
cac发电阶段：发电阶段θ
d
开路绕组短路绕组150
°
～190
°
，330
°
～370
°
abc 30
°
～70
°
，210
°
～250
°
bac 90
°
～130
°
，270
°
～310
°
cab其中：a、b和c表示励磁机转子的三相绕组。2.根据权利要求1所述多级式起动发电系统全阶段励磁机转子绕组故障诊断方法，其特征在于：所述a,b两相定子电流采用电流传感器采集励磁机获得。3.根据权利要求1所述多级式起动发电系统全阶段励磁机转子绕组故障诊断方法，其特征在于：所述c相电流计算得到：i
ec
＝-i
ea-i
eb
。4.根据权利要求1所述多级式起动发电系统全阶段励磁机转子绕组故障诊断方法，其特征在于：所述阈值r1为1.2～1.5。5.根据权利要求1所述多级式起动发电系统全阶段励磁机转子绕组故障诊断方法，其特征在于：所述阈值r2为2～5。

技术总结
本发明涉及一种多级式起动发电系统全阶段励磁机转子绕组故障诊断方法，计算励磁机定子电流平方和作为故障信息量。在起动阶段时依据此时对应的励磁机转子相对于磁场的相对角度值，发电阶段时依据励磁机转子位置对故障信息量进行励磁机转子位置信息获取。通过相邻两个故障信息量极大值的比值，确定励磁机转子绕组的工作状态。最后利用此时对应的位置判断故障所处位置。所提方法适用于多级式起动发电系统全阶段过程中的励磁机转子绕组故障诊断，能够在在线实时判断励磁机转子是否发生一相开路或相间短路故障的基础上判断故障所处位置，该方法实现简单，在静止、起动阶段和发电阶段之间算法不需要进行复杂的切换。之间算法不需要进行复杂的切换。之间算法不需要进行复杂的切换。


技术研发人员：李欣昱 刘卫国 焦宁飞 孙承浩 毛帅
受保护的技术使用者：西北工业大学
技术研发日：2023.05.23
技术公布日：2023/9/12