基于電機(jī)定子電流和轉(zhuǎn)子電流融合的軸系扭振監(jiān)測方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于電機(jī)定子電流和轉(zhuǎn)子電流融合的軸系扭振監(jiān)測方法，利用電機(jī)定轉(zhuǎn)子電流和電機(jī)定轉(zhuǎn)子電感計(jì)算出電機(jī)的輸出電磁扭矩，通過電磁扭矩計(jì)算軸系扭振響應(yīng)，并對軸系受力分析計(jì)算，避免軸系在運(yùn)行過程中出現(xiàn)扭振后損壞軸系，實(shí)現(xiàn)對軸系的保護(hù)。本發(fā)明可以在振動(dòng)出現(xiàn)的早期能夠及時(shí)進(jìn)行處理，避免軸系在運(yùn)行過程中出現(xiàn)扭振后損壞軸系。
【專利說明】
基于電機(jī)定子電流和轉(zhuǎn)子電流融合的軸系扭振監(jiān)測方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種通過對電機(jī)定子電流和轉(zhuǎn)子電流的計(jì)算分析來監(jiān)測軸系扭振的 方法，具體涉及一種基于電機(jī)定子電流和轉(zhuǎn)子電流融合的軸系扭振監(jiān)測方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 在發(fā)電、冶金、石化等大型企業(yè)中，存在大量發(fā)電設(shè)備和由電機(jī)拖動(dòng)的負(fù)載設(shè)備。 由于存在許多干擾，如電網(wǎng)頻率波動(dòng)，轉(zhuǎn)子短路、斷路氣隙偏心、負(fù)載波動(dòng)等等，使得這些設(shè) 備在旋轉(zhuǎn)工作中常常會(huì)出現(xiàn)軸系扭振的現(xiàn)象，甚至導(dǎo)致軸系的損壞。另外，電機(jī)變頻運(yùn)行是 節(jié)能減排的重要手段，隨著電機(jī)經(jīng)過變頻改造的廣泛運(yùn)用，軸系扭振的問題更加突出。
[0003] 采用變頻器對電動(dòng)機(jī)供電時(shí)，脈寬調(diào)制(Pulse Width Modulation)逆變器是變頻 調(diào)速電機(jī)最廣泛使用的器件，其輸出電壓是脈沖寬度可變的電壓脈沖波形，這個(gè)非正弦電 壓可分解為一系列諧波，在脈沖序列電壓作用下，將產(chǎn)生大量諧波電流、電壓成分，感應(yīng)電 動(dòng)機(jī)將會(huì)產(chǎn)生諧波脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩。當(dāng)某個(gè)機(jī)械部件的固有振動(dòng)頻率和脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩的頻率一致時(shí)， 該部件將會(huì)產(chǎn)生機(jī)電耦合諧振，使電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生脈動(dòng)，影響系統(tǒng)穩(wěn)定性，引發(fā)轉(zhuǎn)動(dòng)軸 系產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，從而導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)和軸系永久損壞。
[0004] 在日常的巡檢中，人們比較容易感覺到常規(guī)彎曲振動(dòng)的大小。但是，和常規(guī)彎曲振 動(dòng)不同，扭轉(zhuǎn)振動(dòng)所誘發(fā)的故障具有很強(qiáng)的潛伏性和隱蔽性，具有以下兩個(gè)典型特點(diǎn)：（1) 故障初期很難發(fā)現(xiàn)；（2)故障一旦進(jìn)入中晚期，往往會(huì)導(dǎo)致大軸和葉片斷裂等惡性事故的發(fā) 生，故障危害和所造成的損失較大，所以及時(shí)發(fā)現(xiàn)軸系出現(xiàn)扭振的現(xiàn)象并采取相應(yīng)的措施 就顯得尤為重要。
[0005] 現(xiàn)在對扭振的監(jiān)測方法主要有三種：
[0006] 第一、有通過在軸系表面貼應(yīng)變片，然后通過無線裝置采集扭應(yīng)變的變化情況。這 種方法的無線發(fā)射裝置需要充電使用，隨軸系轉(zhuǎn)動(dòng)而轉(zhuǎn)動(dòng)，難以實(shí)現(xiàn)長時(shí)間的監(jiān)測。
[0007] 第二、通過在軸系表面增加刻度盤，測量軸系扭振。這種方法簡單易行，但是由于 刻度盤的加工精度會(huì)對測試結(jié)果有很大影響，難以得到精確的結(jié)果。
[0008] 第三、采用監(jiān)測定子電流的方法監(jiān)測軸系扭振。其原理主要是將定子電流提取出 來進(jìn)行頻譜分析后，觀察分析其中是否含有特定頻率分量，來判斷是否發(fā)生了扭振。但是 由于很多原因都會(huì)造成定子電流基頻中含有雜頻，如氣隙偏心、轉(zhuǎn)子斷條等等。另外，定子 電流經(jīng)過變頻改造后，成分十分豐富，各種頻率成分都存在，其中各種頻率成分不能和軸系 扭振一一對應(yīng)，難以直接用分析定子電流的方法進(jìn)行判斷軸系扭振情況，也不能分析軸系 的受力情況。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 發(fā)明目的：為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提出綜合利用電機(jī)定子和轉(zhuǎn) 子電流來進(jìn)行對軸系的監(jiān)測的方法。監(jiān)測的主要原理是根據(jù)變頻改造后的定轉(zhuǎn)子電流的特 性，經(jīng)過計(jì)算得到軸系的電磁扭矩，綜合判斷軸系是否發(fā)生了扭振，然后根據(jù)電磁扭矩進(jìn)一 步計(jì)算軸系受力情況，避免軸系在運(yùn)行過程中出現(xiàn)扭振后損壞軸系，在振動(dòng)出現(xiàn)的早期能 夠及時(shí)進(jìn)行處理。
[0010] 技術(shù)方案:為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供的基于電機(jī)定子電流和轉(zhuǎn)子電流融 合的軸系扭振監(jiān)測方法，利用電機(jī)定轉(zhuǎn)子電流和電機(jī)定轉(zhuǎn)子電感計(jì)算出電機(jī)的輸出電磁扭 矩，通過電磁扭矩計(jì)算軸系扭振響應(yīng)，并對軸系受力分析計(jì)算，在振動(dòng)出現(xiàn)的早期能夠及時(shí) 進(jìn)行處理。避免軸系在運(yùn)行過程中出現(xiàn)扭振后損壞軸系。
[0011] 具體地，該方法包括以下步驟：
[0012] 步驟1，通過電流感應(yīng)裝置，提取出定子電流和轉(zhuǎn)子電流；
[0013] 步驟2,給定電機(jī)定子繞組的自感系數(shù)和互感系數(shù)，轉(zhuǎn)子繞組的自感系數(shù)和互感系 數(shù)，以及定轉(zhuǎn)子互感系數(shù)；
[0014] 步驟3，建立電機(jī)電感矩陣，計(jì)算得到電機(jī)的電磁扭矩；
[0015] 步驟4,根據(jù)具體軸系參數(shù)，建立軸系機(jī)械模型；
[0016] 步驟5,由機(jī)械模型建立扭轉(zhuǎn)剛度矩陣，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量矩陣，金屬阻尼矩陣；
[0017] 步驟6，根據(jù)軸系電磁扭矩計(jì)算軸系扭振響應(yīng)；
[0018] 步驟7，根據(jù)軸系扭振響應(yīng)，計(jì)算軸系扭矩；
[0019] 步驟8,根據(jù)傳遞扭矩，計(jì)算軸系最大截面扭應(yīng)力；
[0020] 步驟9，對軸系扭振響應(yīng)進(jìn)行頻譜分析；
[0021] 步驟10,根據(jù)軸系截面扭應(yīng)力綜合分析軸系安全狀態(tài)。
[0022] 具體地，所沭步驟3中，電機(jī)電感矩陣為L，電機(jī)的電磁相 1矩為Te(t)，
[0024]式中，iT=[iA(t) iB(t) ic(t) ia(t) ib(t) ic(t)]T，np 是電機(jī)極對數(shù)，久轉(zhuǎn)子位 置角，iA(t)，iB(t)，ic(t)是三相定子電流，ia(t)，ib(t)，ic(t)是三相轉(zhuǎn)子電流，Lm，Lbb，Lcc 電機(jī)定子繞組的自感系數(shù)，Mab，Mac，Mbc是定子互感系數(shù)Mab，Mac，Mbc，Laa，Lbb，L。。是轉(zhuǎn)子繞組的 自感系數(shù)Laa，Lbb，L。。，Lab，La。，Lb。是轉(zhuǎn)子互感系數(shù)，
[0025] MAa，MAb，Mac，MBa，MBb，M Bc，MCa，Mcb，MCc是定轉(zhuǎn)子互感系數(shù)
[0026] 具體地，所述步驟6中軸系扭振的計(jì)算公式如下：
[0027] ,/ ,9?i)+ (T 19(1) = 7X1)
[0028] 式中T(t) = [Te(t) 0 …0]T，>9⑴=[4⑴爲(wèi)(t) . . , 乂⑴]'，n為機(jī)械
[0029]模型節(jié)點(diǎn)數(shù)，將二階微分問題化為一階微分問題，先令| 二
[0030]上述狀態(tài)方程可用龍格-庫塔方法求解，有：
[0032] 式中得到扭振響應(yīng)，>92(t)..,久(t)f;K為扭轉(zhuǎn)剛度矩陣，J為轉(zhuǎn) 動(dòng)慣量矩陣，C為金屬阻尼矩陣。
[0033] 具體地，所述步驟7中軸系扭矩的計(jì)算公式如下：
[0034] Ti:: (/) =iTs/i -&llt (t)). i = 0 - n-1 ；
[0035]具體地，所述軸系最大截面扭應(yīng)力Tmax的計(jì)算如下：
[0036]
'扭轉(zhuǎn)截面系數(shù)，(1和0分別代表空心軸的內(nèi) 外徑。
[0037] 有益效果:本發(fā)明通可以通過直接從電機(jī)定轉(zhuǎn)子電流觀測整個(gè)軸系的轉(zhuǎn)動(dòng)情況， 能夠準(zhǔn)確地分辨軸系是否存在扭振，并且能計(jì)算軸系受扭應(yīng)力的情況。根據(jù)變頻改造后的 定轉(zhuǎn)子電流的特性，經(jīng)過計(jì)算得到軸系的電磁扭矩，綜合判斷軸系是否發(fā)生了扭振，然后根 據(jù)電磁扭矩進(jìn)一步計(jì)算軸系受力情況，避免軸系在運(yùn)行過程中出現(xiàn)扭振后損壞軸系，在振 動(dòng)出現(xiàn)的早期能夠及時(shí)進(jìn)行處理。
[0038] 除了上面所述的本發(fā)明解決的技術(shù)問題、構(gòu)成技術(shù)方案的技術(shù)特征以及由這些技 術(shù)方案的技術(shù)特征所帶來的優(yōu)點(diǎn)外，本發(fā)明的通過對電機(jī)定子電流和轉(zhuǎn)子電流的計(jì)算分析 來監(jiān)測軸系扭振的方法所能解決的其他技術(shù)問題、技術(shù)方案中包含的其他技術(shù)特征以及這 些技術(shù)特征帶來的優(yōu)點(diǎn)，將結(jié)合附圖做出進(jìn)一步詳細(xì)的說明。
【附圖說明】
[0039]圖1是變頻控制框圖；
[0040] 圖2定子電流；
[0041] 圖3轉(zhuǎn)子電流；
[0042]
[0043]
[0044] 圖4為得到的電磁扭矩；
[0045] 圖5為電機(jī)拖動(dòng)負(fù)載簡化為雙質(zhì)量塊模型；
[0046] 圖6為扭振響應(yīng)0: (t)隨時(shí)間變化情況；
[0047] 圖7為扭振響應(yīng)02 (t)隨時(shí)間變化情況；
[0048] 圖8為軸系傳遞扭矩；
[0049] 圖9為扭振響應(yīng)9i(t)在400r/min以下的頻譜；
[0050] 圖10為扭振響應(yīng)9i(t)在400r/min附近的頻譜；
[0051 ] 圖11為扭振響應(yīng)9i(t)在440r/min至額定轉(zhuǎn)速之間的頻譜；
[0052] 圖12為扭振響應(yīng)0Kt)在額定轉(zhuǎn)速596r/min下的頻譜；
[0053] 圖13為扭振響應(yīng)02(t))在400r/min以下的頻譜；
[0054] 圖14為扭振響應(yīng)02(t)在400r/min附近的頻譜；
[0055] 圖15為扭振響應(yīng)02(t)在440r/min至額定轉(zhuǎn)速之間的頻譜；
[0056]圖16為扭振響應(yīng)02(t)在額定轉(zhuǎn)速596r/min下的頻譜；
[0057]圖17為本發(fā)明實(shí)施例的方法流程圖。
【具體實(shí)施方式】 [0058] 實(shí)施例：
[0059] 為更好地說明本專利的思想，以下結(jié)合附圖對本專利進(jìn)行更詳細(xì)的說明。本實(shí)驗(yàn) 以經(jīng)過變頻改造后的電機(jī)拖動(dòng)風(fēng)機(jī)為例，通過在MatLab中建立整個(gè)機(jī)電模型進(jìn)行分析，運(yùn) 用定轉(zhuǎn)子電流對軸系的振動(dòng)進(jìn)行監(jiān)測。該電機(jī)拖動(dòng)負(fù)載經(jīng)過變頻改造風(fēng)機(jī)框圖如圖1所示。 風(fēng)機(jī)磁極對數(shù)為5對，額定轉(zhuǎn)速596r/min，額定電壓6000V，額定頻率50Hz，轉(zhuǎn)子電阻為 0.03650hm，定子電阻為0.03650hm，轉(zhuǎn)子漏感為1.8e_3H，定子漏感為1.8e_3H，定轉(zhuǎn)子互感 為46.5e-3H，電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量1519kg*nT2,風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為12300kg*nT2,軸系剛度為 1.6e7N.m/rad，軸系金屬阻尼為0.025，軸系外徑0.55m，內(nèi)徑0.45m，軸系采用20#鍛鋼，許用 扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度25MPa。以上選擇參數(shù)是說明性的而非限制性的，不應(yīng)以此來限制發(fā)明的保護(hù)范 圍。執(zhí)行過程如圖17所示。
[0060] A、通過電流互感裝置，測量出隨時(shí)間變化的三相定子電流iA(t)，iB(t)，ic(t)，= 相轉(zhuǎn)子電流ia(t)，ib(t)丄⑴，圖2和圖3分別是其中一相定子電流和轉(zhuǎn)子電流；
[0061] B、給定電機(jī)定子繞組的自感系數(shù)Lm，Lbb，Uc和互感系數(shù)148，]\^，]^，轉(zhuǎn)子繞組的自 感系數(shù)L aa，Lbb，和互感系數(shù)Lab，Lac，Lb。，以及定轉(zhuǎn)子互感系數(shù)MA a，MAb，Mac，MBa，MBb，Mb。，MCa， Mcb，Mcc〇 hu MAC MAh M金 M m LBB M BC M Ba M如 M Bc Mrj MrR Ltr Mr Mrh M',
[0062] C、建立電機(jī)電感矩陣^ ，由電感矩陣 MdA MdB MuC Laa Mab Mac MhB Mhc M、ba L6b M':bc Ma McB MlC Mca Mcb Lce_
[0063] 和定轉(zhuǎn)子電流計(jì)算得到電機(jī)的電磁扭矩Te(t)，公式如下：
[0065]式中iT=[iA(t) iB(t) ic(t) ia(t) ib(t) ic(t)]T，np是電機(jī)極對數(shù)，劣為轉(zhuǎn)子位 置角，得到的電磁扭矩如圖4所示；
[0066] D、根據(jù)具體軸系參數(shù)，建立軸系機(jī)械模型，并將其簡化為雙質(zhì)量塊模型，如圖5所 示； ' K,
[0067] E、由機(jī)械模型建立扭轉(zhuǎn)剛度矩陣尤=，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量矩陣 〇]，金屬阻尼矩陣。 _0 J/」 L-Q Q」
[0068] F、運(yùn)用電磁扭矩Te (t)計(jì)算軸系扭振，公式如下：
[0069] C 5(t)+ K&(t) = T(t)
[0070] 式中T(t) = [Te(t) 0]^9(1.)=[印1) t9⑴]、將二階微分問題化為一階微分問題， 先 4 "Xt) = Z(t)
[0071 ]上述狀態(tài)方程可用經(jīng)典龍格-庫塔方法求解：
[0073] 式中得到扭振響應(yīng)，6?(t) =[久(t) >92Wf，如圖6和圖7所示；
[0074] G、根據(jù)軸系扭振響應(yīng)計(jì)算軸系扭矩，公式如下所示：
[0075] ^⑴^人：叫⑴-七⑴)」=0，】，得到軸系傳遞扭矩如圖8所示；
[0076] H、據(jù)軸系傳遞扭矩，計(jì)算軸系最大截面扭應(yīng)力

_，代入軸系內(nèi)徑d = 0.45m和外徑D = 0.55m得到截面扭轉(zhuǎn)系數(shù)為WP = 0.018m-3,在升速過程中，在400r/min附近出現(xiàn)了扭矩最大值為1. le6N.m，截面最大扭應(yīng)力 為
[0077] I、對得到的扭振響應(yīng)進(jìn)行頻譜分析，得到他們的主要頻率成分如圖9至圖16所示；
[0078] J、從軸系的扭振響應(yīng)頻譜可以知道，這臺風(fēng)機(jī)在400r/min以下時(shí)，扭振響應(yīng)沒有 非直流分量，軸系未發(fā)生扭振;轉(zhuǎn)速升至440r/min到596r/min額定轉(zhuǎn)速之間，扭振響應(yīng)頻譜 中含有少量非直流分量，軸系扭振較小;轉(zhuǎn)速在升速至400r/min和額定轉(zhuǎn)速附近時(shí)，扭振響 應(yīng)頻譜中含有大量非直流分量，軸系出現(xiàn)大幅扭振。
[0079] 從軸系傳遞扭矩可以知道在400r/min和額定轉(zhuǎn)速附近有很大的扭矩脈動(dòng)。由于所 選實(shí)驗(yàn)方式是簡化為雙質(zhì)量塊模型，軸系扭轉(zhuǎn)截面系數(shù)相同，最大軸系扭矩處即是最大截 面扭應(yīng)力處。在升速過程中，在400r/min附近出現(xiàn)了截面最大扭應(yīng)力為
'大于材料許用扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度25MPa，軸系處于很危險(xiǎn)的運(yùn)行工況。
[0080] 以上結(jié)合附圖對本發(fā)明的實(shí)施方式做出詳細(xì)說明，但本發(fā)明不局限于所描述的實(shí) 施方式。對本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，在本發(fā)明的原理和技術(shù)思想的范圍內(nèi)，對這些實(shí) 施方式進(jìn)行多種變化、修改、替換和變形仍落入本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于電機(jī)定子電流和轉(zhuǎn)子電流融合的軸系扭振監(jiān)測方法，其特征在于：利用電 機(jī)定轉(zhuǎn)子電流和電機(jī)定轉(zhuǎn)子電感計(jì)算出電機(jī)的輸出電磁扭矩，通過電磁扭矩計(jì)算軸系扭振 響應(yīng)，并對軸系受力分析計(jì)算，在振動(dòng)出現(xiàn)的早期能夠及時(shí)進(jìn)行處理。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于電機(jī)定子電流和轉(zhuǎn)子電流融合的軸系扭振監(jiān)測方法，其 特征在于包括以下步驟： 步驟1，通過電流感應(yīng)裝置，提取出定子電流和轉(zhuǎn)子電流； 步驟2，給定電機(jī)定子繞組的自感系數(shù)和互感系數(shù)，轉(zhuǎn)子繞組的自感系數(shù)和互感系數(shù)， 以及定轉(zhuǎn)子互感系數(shù)； 步驟3，建立電機(jī)電感矩陣，計(jì)算得到電機(jī)的電磁扭矩； 步驟4，根據(jù)具體軸系參數(shù)，建立軸系機(jī)械模型； 步驟5，由機(jī)械模型建立扭轉(zhuǎn)剛度矩陣，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量矩陣，金屬阻尼矩陣； 步驟6，根據(jù)軸系電磁扭矩計(jì)算軸系扭振響應(yīng)； 步驟7，根據(jù)軸系扭振響應(yīng)，計(jì)算軸系扭矩； 步驟8，根據(jù)傳遞扭矩，計(jì)算軸系最大截面扭應(yīng)力； 步驟9，對軸系扭振響應(yīng)進(jìn)行頻譜分析； 步驟10，根據(jù)軸系截面扭應(yīng)力綜合分析軸系安全狀態(tài)。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于電機(jī)定子電流和轉(zhuǎn)子電流融合的軸系扭振監(jiān)測方法，其 特征在于:所述步驟3中，電機(jī)電感矩陣為L，電機(jī)的電磁扭矩為Tjt)，式中，iT=[iA(t) iB(t) ic(t) ia(t) ib(t)ic(t)]T，nP 是電機(jī)極對數(shù)，4 轉(zhuǎn)子位置角，iA (t)，iB(t)，ic(t)是三相定子電流，ia(t)，ib(t)，ic(t)是三相轉(zhuǎn)子電流。4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于電機(jī)定子電流和轉(zhuǎn)子電流融合的軸系扭振監(jiān)測方法，其 特征在于:所述步驟6中軸系扭振的計(jì)算公式如下：式中T(t) = [Te(t) 0 · . . 0]τ，3⑴<9,⑴· · ·式⑴]' ，η為機(jī)械模型節(jié)點(diǎn) 數(shù)，將二階微分問題化為一階微分問題 上述狀態(tài)方程可用龍 格-庫塔方法求解，有：式中得到扭振響應(yīng)，(9:U) . , . 4⑴f;K為扭轉(zhuǎn)剛度矩陣，J為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 矩陣，C為金屬阻尼矩陣。5. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于電機(jī)定子電流和轉(zhuǎn)子電流融合的軸系扭振監(jiān)測方法，其 特征在于:所述步驟7中軸系扭矩的計(jì)算公式如下： 乃A，(0 =人丨9,⑴-丨丨⑴).i. = .0 ~η-1 .〇6. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于電機(jī)定子電流和轉(zhuǎn)子電流融合的軸系扭振監(jiān)測方法，其 特征在于:所述軸系最大截面扭應(yīng)力Tmax的計(jì)算如下：'扭轉(zhuǎn)截面系數(shù)_，d和D分別代表空心軸的內(nèi)外徑。
【文檔編號】G01H11/06GK105928607SQ201610466710
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年6月23日
【發(fā)明人】張禮亮, 楊建剛
【申請人】東南大學(xué)