本發(fā)明屬于風(fēng)電機(jī)組的在線故障診斷技術(shù)領(lǐng)域，涉及雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)碳刷和滑環(huán)火花監(jiān)測(cè)方法。

背景技術(shù)：

對(duì)于MW級(jí)的雙饋風(fēng)電機(jī)組，勵(lì)磁電流較大，通常同一相分布著多個(gè)碳刷，也使相互之間的均流效果難以得到保證。實(shí)際運(yùn)行中，碳刷和滑環(huán)間電阻的變化，極易導(dǎo)致電刷電流的二次分配，使部分碳刷和滑環(huán)高溫過(guò)熱，再加上周?chē)諝鉂穸却螅瑑烧咧g發(fā)生打火的幾率會(huì)顯著增加，輕則損壞碳刷，重則造成發(fā)電機(jī)滑環(huán)及轉(zhuǎn)軸的損壞，影響發(fā)電機(jī)的正常運(yùn)行。

實(shí)際中導(dǎo)致碳刷與滑環(huán)間出現(xiàn)電火花的原因很多，比如：整機(jī)的振動(dòng)過(guò)大，引起電刷振動(dòng)過(guò)大；滑環(huán)表面有灼傷或表面粗糙使兩者接觸不良；碳刷運(yùn)行過(guò)熱和周?chē)h(huán)境濕度大；恒壓彈簧壓力不夠?qū)е绿妓⒃谒⑽諆?nèi)搖擺等。若能夠?qū)鸹ㄟM(jìn)行診斷，及時(shí)更換碳刷，將有非常重要的過(guò)程意義。

目前雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組碳刷和滑環(huán)火花的監(jiān)測(cè)可通過(guò)光電管監(jiān)測(cè)法、電刷電流、接觸電壓的峰值等手段，但是這些方法大都需要增加設(shè)備，不僅成本大，而且可靠性不高、適應(yīng)性較差。近來(lái)各研究機(jī)構(gòu)及風(fēng)機(jī)制造商也對(duì)兩者間的火花監(jiān)測(cè)進(jìn)行了相關(guān)研究，以及公布了一些文章和專(zhuān)利，但大都從電刷電流的角度出發(fā)。如“雙饋異步發(fā)電機(jī)電刷滑環(huán)電阻變化理論與仿真研究”，該方法通過(guò)對(duì)電刷與滑環(huán)的等效電阻進(jìn)行分析，測(cè)量每個(gè)碳刷的電流并進(jìn)行傅里葉變換，提取特征分量。該方法需要對(duì)電刷電流進(jìn)行處理，在現(xiàn)有風(fēng)機(jī)硬件基礎(chǔ)上難以實(shí)現(xiàn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有的雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)碳刷和滑環(huán)火花監(jiān)測(cè)方式的成本大、可靠性較差、適應(yīng)性較差的不足，本發(fā)明提供一種簡(jiǎn)單易行、準(zhǔn)確性良好、適用性較好的基于雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)電量信息的碳刷和滑環(huán)火花監(jiān)測(cè)方法。

本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是：

一種基于雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)電量信息的碳刷和滑環(huán)火花監(jiān)測(cè)方法，所述監(jiān)測(cè)方法包括如下步驟：

1)機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，實(shí)時(shí)采集發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子三相電流i_A、i_B、i_C。利用Morlet小波，分別對(duì)其進(jìn)行變換；

2)提取小波脊線；

3)根據(jù)小波脊線得出瞬時(shí)頻率信息，檢測(cè)瞬時(shí)頻率中是否存在特征頻率，即50Hz；

4)對(duì)轉(zhuǎn)子三相電流信號(hào)進(jìn)行濾波、加窗、插值之后，進(jìn)行FFT變換，分別比較當(dāng)前在轉(zhuǎn)子基頻和50Hz處頻譜幅值與正常工況下在轉(zhuǎn)子基頻和50Hz處頻譜幅值的差異，如果兩處幅值都有減小的趨勢(shì)，判定為發(fā)生打火。

進(jìn)一步，所述步驟1)中，需實(shí)時(shí)采集發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)的電流，實(shí)際中可采用變流器采集的三相轉(zhuǎn)子電流。

再進(jìn)一步，在步驟1)中，對(duì)轉(zhuǎn)子三相電流進(jìn)行處理的過(guò)程如下：

1.1)設(shè)ψ(t)為平方可積函數(shù)，即ψ(t)∈L²(R)，如果Fourier變換滿足容許性條件：

則ψ(t)為母小波，將其按照尺度參數(shù)a和平移參數(shù)b進(jìn)行伸縮和平移，生成的函數(shù)族{ψ_a,b(t)}為分析小波。

1.2)變換中所用的Morlet小波時(shí)域形式如下。

1.3)根據(jù)步驟1.1)、1.2)中，可以得到信號(hào)各個(gè)頻率的相位和幅值信息，對(duì)任意的(a,b)，相位可表示為：

對(duì)于式(4)，任意的(a,b)，其在t上只有一個(gè)駐點(diǎn)，滿足：

φ'_a,b(t_s)＝0&φ”_a，b(t_s)≠0(5)。

在步驟3)中，由駐點(diǎn)的性質(zhì)知φ'_a，b(t_s)＝0，而小波脊線是由相平面上滿足t_s(a,b)＝b的點(diǎn)，兩者結(jié)合即可得到脊線。

因此知道小波脊線a_r(b)，即可求出瞬時(shí)頻率其中小波脊線的提取可借助小波曲線。

在步驟3)中，小波脊線與瞬時(shí)頻率的關(guān)系如下：

式(2)中，a_r(b)為小波脊線，為瞬時(shí)頻率。

在步驟4)中，對(duì)轉(zhuǎn)子三相電流進(jìn)行如下處理：

4.1)對(duì)轉(zhuǎn)子相電流進(jìn)行低通濾波、加窗函數(shù)，Hanning窗的時(shí)域形式如下：

4.2)進(jìn)行分段線性插值，各插值點(diǎn)用折線連接，再將插值之后的信號(hào)做FFT變換；

4.3)將打火和正常運(yùn)行時(shí)的處理結(jié)果作比較，觀測(cè)兩者在轉(zhuǎn)子基頻和50Hz處頻譜的差異。

本發(fā)明的有益效果主要表現(xiàn)在：1)本發(fā)明涉及的信息的提取無(wú)需增加新的設(shè)備，硬件成本較低；

2)通過(guò)發(fā)明所述的方法可以有效的提取特征量，且與正常運(yùn)行時(shí)的數(shù)據(jù)對(duì)比，可以明顯觀察到打火時(shí)的區(qū)別。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明流程圖。

圖2為滑環(huán)和碳刷電阻理論示意圖，其中，(a)是等效電路，(b)是碳刷與滑環(huán)滑動(dòng)接觸示意圖。

圖3為實(shí)驗(yàn)機(jī)組滑環(huán)電阻周期性變化圖。

圖4為打火時(shí)轉(zhuǎn)子A相和B相電流。

圖5打火相瞬時(shí)頻率信息。

圖6為打火時(shí)轉(zhuǎn)子A相電流FFT分析。

圖7為正常運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)子A相電流FFT分析。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述。

參照?qǐng)D1～圖7，一種基于雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)電量信息的碳刷和滑環(huán)火花監(jiān)測(cè)方法，包括如下步驟：

1)機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，實(shí)時(shí)采集發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子三相電流i_A、i_B、i_C。碳刷和滑環(huán)之間發(fā)生打火時(shí)，會(huì)在轉(zhuǎn)子電流中有所體現(xiàn)，現(xiàn)從兩者間的電阻理論出發(fā)具體介紹，主要考慮接觸電阻和滑環(huán)的周期性電阻。

碳刷和滑環(huán)的接觸面存在附件電阻，表達(dá)式如下：

式中，ρ_l、ρ_r為碳刷、滑環(huán)的電阻率；ε為材料的變形系數(shù)；H_l、H_r為碳刷、滑環(huán)接觸材料的布氏硬度；n、F分別是接觸點(diǎn)數(shù)和接觸壓力；ρ_a膜層的電阻率。

滑環(huán)的引線觸頭與碳刷接觸部分時(shí)刻變化，故滑環(huán)電阻也做周期性變化，分析原理如圖2所示。從圖中可以看到電刷電流經(jīng)2路流向滑環(huán)，一路是L1，另一路是L2，兩段電阻可表示如下：

式中，ρ為電阻率，A為滑環(huán)徑向截面積。

式中ω可由頻率f來(lái)表示，即ω(t)＝f×t×360。再有R1和R2的并聯(lián)關(guān)系可得總的滑動(dòng)電阻，其周期性變化如圖3所示。

R_tot(t)＝R_ring×f×(t-f×t²)R_ring＝2×π×r×ρ/A(13)

進(jìn)一步設(shè)轉(zhuǎn)子A相電壓u(t)＝cos(ωt)，對(duì)(4)式按泰勒變換轉(zhuǎn)化成正余弦形式，可求出轉(zhuǎn)子A相電流與碳刷和滑環(huán)電阻的關(guān)系，兩者電阻的變化會(huì)引起轉(zhuǎn)子電流在ω₀、ω₀+ω_m頻率處的變化。

利用Morlet小波對(duì)其變換；

2)提取小波脊線；

3)根據(jù)小波脊線得出瞬時(shí)頻率的變化，檢測(cè)瞬時(shí)頻率圖中是否存在特征頻率，即50Hz。

4)為進(jìn)一步區(qū)分，打火與正常運(yùn)行時(shí)，兩者在特征頻率及基波頻率處的區(qū)別，對(duì)轉(zhuǎn)子三相電流信號(hào)進(jìn)行濾波、加窗、插值之后，進(jìn)行FFT變換，分別比較當(dāng)前在轉(zhuǎn)子基頻和50Hz處頻譜幅值與正常工況下在轉(zhuǎn)子基頻和50Hz處頻譜幅值的差異，如果兩處幅值都有減小的趨勢(shì)，判定為發(fā)生打火。

即當(dāng)前轉(zhuǎn)子基頻和50Hz處頻譜處的幅值，與正常工況時(shí)轉(zhuǎn)子基頻和50Hz處頻譜處的幅值相比較，如果同時(shí)滿足當(dāng)前轉(zhuǎn)子基頻的幅值都比正常工況時(shí)基頻的幅值小，當(dāng)前轉(zhuǎn)子50Hz的幅值都比正常工況時(shí)50Hz的幅值小，判定為發(fā)生打火。

進(jìn)一步，在步驟1)中，對(duì)轉(zhuǎn)子三相電流進(jìn)行處理的過(guò)程如下：

1.1)設(shè)ψ(t)為平方可積函數(shù)，即ψ(t)∈L²(R)，如果Fourier變換滿足容許性條件：

則ψ(t)為母小波，將其按照尺度參數(shù)a和平移參數(shù)b進(jìn)行伸縮和平移，生成的函數(shù)族{ψ_a,b(t)}為分析小波。

1.2)變換中所用的Morlet小波時(shí)域形式如下。

1.3)根據(jù)步驟1.1)、1.2)中，可以得到信號(hào)各個(gè)頻率的相位和幅值信息，對(duì)任意的(a,b)，相位可表示為：

對(duì)于式(9)，任意的(a,b)，其在t上只有一個(gè)駐點(diǎn)，滿足：

φ'_a，b(t_s)＝0&φ”_a，b(t_s)≠0(5)

1.4)由駐點(diǎn)的性質(zhì)知φ'_a，b(t_s)＝0，而小波脊線是由相平面上滿足t_s(a,b)＝b的點(diǎn)。兩者結(jié)合即可得到脊線。

因此知道小波脊線a_r(b)，即可求出瞬時(shí)頻率其中小波脊線的提取可借助小波曲線。

在步驟3)中，小波脊線與瞬時(shí)頻率的關(guān)系如下：

式(2)中，a_r(b)為小波脊線，為瞬時(shí)頻率。

再進(jìn)一步，在步驟4)中，對(duì)轉(zhuǎn)子三相電流進(jìn)行如下處理：

4.1)對(duì)轉(zhuǎn)子相電流進(jìn)行低通濾波、加窗函數(shù)，Hanning窗的時(shí)域形式如下：

4.2)進(jìn)行分段線性插值，各插值點(diǎn)用折線連接，再將插值之后的信號(hào)做FFT變換；

4.3)將打火和正常運(yùn)行時(shí)的處理結(jié)果作比較，觀測(cè)兩者在轉(zhuǎn)子基頻和50Hz處頻譜的差異。

本發(fā)明涉及的信息的提取無(wú)需增加新的設(shè)備，硬件成本較低；

因故障特征量本身很小，提取困難。文中采用瞬時(shí)頻率的方法進(jìn)行提取。并且通過(guò)分析及實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以明顯看到打火時(shí)，轉(zhuǎn)子電流基波幅值及特征頻率處的幅值較正常運(yùn)行時(shí)偏小。

以某2.0MW雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組為研究對(duì)象，轉(zhuǎn)子每相6個(gè)碳刷，為使打火易于發(fā)生使轉(zhuǎn)子K相2個(gè)碳刷運(yùn)行，實(shí)驗(yàn)時(shí)轉(zhuǎn)速為1750rpm附近，輸出有功1.5MW，轉(zhuǎn)子相電流有效值410A。圖2和圖3分別是滑環(huán)和碳刷間電阻理論的等效示意圖和實(shí)驗(yàn)機(jī)組的滑環(huán)周期性電阻，實(shí)驗(yàn)時(shí)在滑環(huán)室觀察到的火花現(xiàn)象以及實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，轉(zhuǎn)子K相碳刷表面留下的電蝕現(xiàn)象。

需要說(shuō)明的是，實(shí)際實(shí)驗(yàn)時(shí)打火一般難以實(shí)現(xiàn)，故將轉(zhuǎn)子K相2個(gè)碳刷運(yùn)行，以增加電刷電流密度，增大打火的幾率。

記錄打火前后轉(zhuǎn)子電流數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)包時(shí)間長(zhǎng)度為10s，圖4記錄的是該時(shí)間段內(nèi)轉(zhuǎn)子A和B相的電流，其中A相對(duì)應(yīng)K相，B相對(duì)應(yīng)L相，期間A相發(fā)生打火。采用Morlet小波分析，其瞬時(shí)頻率如圖5所示，圖中平均頻率對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)子基頻8.3Hz附近，在6.3s左右出現(xiàn)50Hz分量。

為進(jìn)一步分析，A相打火與正常運(yùn)行時(shí)的區(qū)別，分別記錄兩種工況的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。圖6和圖7分別對(duì)應(yīng)打火時(shí)和正常運(yùn)行時(shí)A相電流的FFT分析結(jié)果，所用方法如上述所述。打火期間，對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)子基頻8.3Hz頻譜幅值523.3，特征頻率50Hz處幅值8.014；而正常工況時(shí)，轉(zhuǎn)子基頻處幅值532.6，50Hz處幅值8.394。從結(jié)果看出不管是轉(zhuǎn)子基頻還是50Hz處，在打火發(fā)生時(shí)兩者幅值明顯減小，與根據(jù)滑環(huán)和碳刷電阻理論分析的結(jié)果相一致。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以根據(jù)50Hz處幅值和轉(zhuǎn)子基頻幅值的變化判斷碳刷和滑環(huán)輕微打火的發(fā)生，并且本發(fā)明的判定條件是基于大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的，并不局限于該實(shí)例。

本發(fā)明通過(guò)雙饋風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)子電流來(lái)判斷碳刷和滑環(huán)之間的打火，簡(jiǎn)單有效，成本相對(duì)較低，是一種有效可靠的判斷方法。

最后需要說(shuō)明的是，以上實(shí)施例僅用以說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以在形式上和細(xì)節(jié)上對(duì)本發(fā)明做出改變，而不偏離發(fā)明權(quán)利要求書(shū)所限定的范圍。

還需要說(shuō)明的是，本文中所公開(kāi)的實(shí)例描述的各參數(shù)，僅是為了更好的描述本發(fā)明，專(zhuān)業(yè)人員可以意識(shí)到，通過(guò)修改本發(fā)明的參數(shù)值可達(dá)到同樣的診斷效果，但是這種實(shí)現(xiàn)不應(yīng)認(rèn)為超出本發(fā)明的范圍。

對(duì)所公開(kāi)的實(shí)施例的上述說(shuō)明，使本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員能夠?qū)崿F(xiàn)或使用本發(fā)明。本文中所定義的一般原理可以在不脫離本發(fā)明的精神或范圍的情況下，在其它實(shí)施例中實(shí)現(xiàn)。因此，本發(fā)明將不會(huì)被限制于本文所示的這些實(shí)施例，而是要符合與本文所公開(kāi)的原理和新穎特點(diǎn)相一致的最寬的范圍。