CZ202437A3 - Způsob detekce poruchy rotačního usměrňovače bezkroužkových synchronních strojů s rotačními budiči asynchronního typu - Google Patents
Způsob detekce poruchy rotačního usměrňovače bezkroužkových synchronních strojů s rotačními budiči asynchronního typu Download PDFInfo
- Publication number
- CZ202437A3 CZ202437A3 CZ2024-37A CZ202437A CZ202437A3 CZ 202437 A3 CZ202437 A3 CZ 202437A3 CZ 202437 A CZ202437 A CZ 202437A CZ 202437 A3 CZ202437 A3 CZ 202437A3
- Authority
- CZ
- Czechia
- Prior art keywords
- frequency
- fault
- synchronous machine
- rotary
- magnetic coupling
- Prior art date
Links
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
- G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
- G01R31/12—Testing dielectric strength or breakdown voltage ; Testing or monitoring effectiveness or level of insulation, e.g. of a cable or of an apparatus, for example using partial discharge measurements; Electrostatic testing
- G01R31/14—Circuits therefor, e.g. for generating test voltages, sensing circuits
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
- G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
- G01R31/40—Testing power supplies
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
- G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
- H02K19/00—Synchronous motors or generators
- H02K19/16—Synchronous generators
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
- G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
- G01R31/34—Testing dynamo-electric machines
- G01R31/343—Testing dynamo-electric machines in operation
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
- G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
- G01R31/50—Testing of electric apparatus, lines, cables or components for short-circuits, continuity, leakage current or incorrect line connections
- G01R31/52—Testing for short-circuits, leakage current or ground faults
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
- G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
- G01R31/50—Testing of electric apparatus, lines, cables or components for short-circuits, continuity, leakage current or incorrect line connections
- G01R31/54—Testing for continuity
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Control Of Eletrric Generators (AREA)
- Tests Of Circuit Breakers, Generators, And Electric Motors (AREA)
Abstract
Při způsobu detekce poruchy rotačního usměrňovače (4) bezkroužkového synchronního stroje (6) se měří fázový budicí proud (3) na stacionární straně zdroje (2) buzení. Dále se frekvenční analýzou (12) ze změřeného signálu vyhodnotí amplituda základní harmonické a amplitudy všech nenulových celistvých násobků základní harmonické frekvence. Vypočte se bezrozměrný faktor Xi poruchy, změří se bezporuchový referenční bezrozměrný faktor Xi_ref, a stanoví se poruchový referenční bezrozměrný faktor Xi_err a určí se bezrozměrná mez Xi_treshold detekce poruchy. Porucha se signalizuje v případě, že jsou překročeny stanovené hodnoty bezrozměrného faktoru Xi poruchy a/nebo efektivní hodnota změřeného fázového budicího proudu (3) je mimo povolený provozní rozsah a/nebo efektivní hodnota indukovaného napětí synchronního stroje (1) je menší než údaj odpovídající minimální povolené provozní efektivní hodnotě fázového budícího proudu (3).
Description
Způsob detekce poruchy rotačního usměrňovače bezkroužkových synchronních strojů s rotačními budiči asynchronního typu
Oblast techniky
Technické řešení se týká detekce a případně i určení typu poruchy u polovodičových součástek rotačního usměrňovače bezkroužkových synchronních strojů, zejména pak pracujících ve funkci kompenzátoru jalového výkonu v elektrické síti. Navržené řešení je určeno pro bezkroužkové synchronní stroje mající rotační budiče asynchronního typu. Tento typ rotačního budiče se u synchronních kompenzátorů používá téměř výhradně, neboť je pro jejich rozběh zcela nepostradatelné, aby došlo k nabuzení stroje i při nulových otáčkách, což z podstaty věci u rotačních budičů inverzního synchronního typu není možné.
Dosavadní stav techniky
Konvenční metoda diagnostikování poruch stacionárních usměrňovačů, jež je založena na kontinuálním vyhodnocování úbytků napětí na jednotlivých polovodičových součástkách, či publikovaný způsob detekce poruch vycházející z měření a vzájemném porovnání střední či efektivní hodnoty jednotlivých fázových proudů na střídavé straně stacionárních usměrňovačů (viz např. článek: N. M. A. Freire, J. O. Estima and A. J. Marques Cardoso, Open-Circuit Fault Diagnosis in PMSG Drives for Wind Turbine Applications, in IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 60, no. 9, pp. 3957-3967, Sept. 2013, doi: 10.1109/TIE.2012.2207655), nejsou z konstrukční podstaty aplikovatelné u usměrňovačů rotačních, které se nachází na rotorech bezkroužkových synchronních strojů. Při některých známých metodách diagnostiky poruchy usměrňovačů se využívá pulznosti diagnostikovaného usměrňovače. Pulznost je definována jako poměr mezi frekvencí první harmonické střídavé složky usměrněného napětí a první harmonické napětí na střídavé straně usměrňovače.
Pokud nejsou poruchy polovodičových součástek rotačních usměrňovačů bezkroužkových synchronních kompenzátorů spolehlivě diagnostikovány, dochází při jejich provozu k proudovému přetěžování rotačních budičů, a tedy i k jejich enormnímu tepelnému ohřevu. To má za následek rychlejší stárnutí izolace rotačních budičů a může to znamenat potencionální vznik velkých hospodářských škod.
Jsou známa technická řešení, jejichž základem je vyhodnocování poruchy systému buzení na základě měření rozptylového magnetického pole bezkroužkových synchronních strojů, jako například v dokumentu ES 2738649 A1 a ES 2738649 B2. Tento způsob řešení však vyžaduje montáž speciálních senzorů na měření rozptylového magnetického pole, což není vždy možné, a navíc je to finančně nákladné.
Níže uvedený vynález umožňuje spolehlivou detekci poruch polovodičových součástek rotačních usměrňovačů u bezkroužkových synchronních strojů majících rotační budič asynchronního typu, a to bez nutnosti montáže dodatečných speciálních senzorů a jiné měřící instrumentace. Vynález využívá pouze měřicí instrumentaci, která je již v předmětných strojích běžně zahrnuta pro zajištění jejich provozu.
Podstata vynálezu
Podstatou vynálezu je způsob diagnostikování poruch rotačních usměrňovačů u bezkroužkových synchronních strojů mající rotační budiče asynchronního typu. Správná funkce diagnostického algoritmu předpokládá, že poměry v bezkroužkovém synchronním stroji jsou navrženy tak, že v bezporuchovém stavu stroje pracuje rotační usměrňovač v oblasti nepřerušovaných proudů.
- 1 CZ 2024 - 37 A3
Dále musí platit, že směr otáčení prostorového vektoru 1. harmonické napájecího napětí u zařízení s rotační magnetickou vazbou je opačný oproti rotaci prostorového vektoru napětí sítě, na níž je bezkroužkový synchronní stroj přifázován. Rovněž musí být splněna i podmínka, že velikost frekvence 1. harmonické napájecího napětí zařízení s rotační magnetickou vazbou je totožná s velikostí frekvence napětí sítě, na níž je bezkroužkový synchronní stroj přifázován. Za poruchu je u diagnostikovaného rotačního usměrňovače považována situace, kdy v místě vadné polovodičové součástky dochází ke zkratu či trvalému rozpojení obvodu. Způsob detekce je založen na vyhodnocení míry zastoupení podílu vyšších harmonických ve frekvenčním spektru jednoho z měřených fázových proudů, který vstupuje do zařízení s rotační magnetickou vazbou.
Frekvenční analýzou z měřeného fázového budícího proudu vstupujícího do zařízení s rotační magnetickou vazbou je získána amplituda základní harmonické, jejíž frekvence je rovna frekvenci napájecí sítě, k níž je bezkroužkový synchronní stroj přifázován. Dále je získána amplituda všech nenulových celistvých násobků základní harmonické až do součtu hodnoty frekvence napájecí sítě a hodnoty dané součinem frekvence střídavého napájecího napětí diagnostikovaného rotačního usměrňovače a jeho pulznosti p. Získané hodnoty amplitud frekvenčního spektra měřeného fázového budícího proudu vstupujícího do zařízení s rotační magnetickou vazbou se použijí pro výpočet bezrozměrného faktoru Xi poruchy podílem.
Čitatel je součet hodnot amplitud vyhodnocených frekvenčních složek měřeného fázového budícího proudu zdroje buzení majících frekvenci vyšší, než je frekvence základní harmonické, avšak s vyloučením dvou frekvenčních složek. Hodnota frekvence první vyloučené frekvenční složky je rovna součinu frekvence střídavého napájecího napětí diagnostikovaného rotačního usměrňovače a jeho pulznosti p, který se zvýší o hodnotu frekvence napájecí sítě, k níž je bezkroužkový synchronní stroj přifázován. Hodnota frekvence druhé vyloučené frekvenční složky je rovna součinu frekvence střídavého napájecího napětí diagnostikovaného rotačního usměrňovače a jeho pulznosti p, který se sníží o hodnotu frekvence napájecí sítě, k níž je bezkroužkový synchronní stroj přifázován.
Jmenovatel je součet hodnot amplitud řečených dvou vyloučených frekvenčních složek fázového budícího proudu vstupujícího do statoru zařízení s rotační magnetickou vazbou.
V bezporuchovém stavu se změří bezporuchový referenční bezrozměrný faktor Xt_ref. Poté se provede elektrické odpojení alespoň jedné výkonové polovodičové součástky rotačního usměrňovače a vyhodnotí se poruchový referenční- bezrozměrný faktor Xi-err. Aritmetickým průměrem hodnot bezporuchového referenčního bezrozměrného faktoru Xi-ref a poruchového referenčního bezrozměrného faktoru Xi-err se určí bezrozměrná mez Xi-treshold detekce poruchy.
Následně se při provozu rotačního usměrňovače kontinuálně vypočítává bezrozměrný faktor Xi poruchy. V dalším kroku se zkoumá odstup aktuální hodnoty bezrozměrného faktoru Xi poruchy od bezporuchového stavu reprezentovaného bezporuchovým referenčním bezrozměrným faktorem Xi - ref.
K spolehlivé detekci mezních poruchových stavů se u rotačního usměrňovače navíc snímá svorkové napětí synchronního stroje. Za mezní poruchový stav je u diagnostikovaného rotačního usměrňovače, a tedy zdroje buzení, považován případ, kdy na jeho výstupních stejnosměrných svorkách dochází k trvalému zkratu, nebo když je minimálně jeden z jeho stejnosměrných pólů trvale odpojen od budícího vinutí synchronního stroje, který tvoří společně s rotačním budičem a rotačním usměrňovačem bezkroužkový synchronní stroj. Trvalé odpojení jednoho ze stejnosměrných pólů rotačního usměrňovače nastává tehdy, když u všech polovodičových součástek náležících do jeho katodové nebo anodové skupiny dojde při poruše k trvalému rozpojení obvodu.
Porucha zdroje buzení se signalizuje v případě, že po dokončení procedury nabuzení synchronního stroje indikované signálem nastane alespoň jedna z těchto situací:
- 2 CZ 2024 - 37 A3
- bezrozměrný faktor Xi poruchy je větší než bezrozměrná mez Xitreshoid detekce poruchy po dobu delší než jedna perioda základní harmonické frekvence;
- efektivní hodnota změřeného fázového budicího proudu je mimo povolený provozní rozsah;
- efektivní hodnota indukovaného napětí synchronního stroje je při fázovém budicím proudu, jehož velikost efektivní hodnoty se nachází v povoleném provozním rozsahu definovaném pro daný synchronní stroj, menší než efektivní hodnota indukovaného napětí synchronního stroje určená pro minimální povolenou provozní efektivní hodnotu fázového budícího proudu, přičemž indukované napětí synchronního stroje je určeno z měřeného svorkového napětí.
Pro určení polovodičových součástek, u nichž došlo u rotačního usměrňovače k poruše, je nutné stanovit jeho elektrický úhel. Ten lze vyhodnotit z matematického modelu asynchronního stroje, který popisuje chování zařízení s rotační magnetickou vazbou. Pro nalezení elektrického úhlu rotačního usměrňovače je možné použít napěťový nebo proudový model asynchronního motoru, do nichž vstupují prostorový vektor střídavého napájecího napětí, prostorový vektor budícího proudu vypočtený ze změřených fázových budících proudů, poloha nebo otáčivá rychlost rotoru synchronního stroje a parametry náhradního schématu zařízení s rotační magnetickou vazbou. Prostorový vektor rotorového napětí je vypočítán jako součet derivace prostorového vektoru rotorového toku zařízení s rotační magnetickou vazbou a úbytku napětí na rotorovém odporu. Přičemž úbytek napětí na rotorovém odporu lze obvykle zanedbat. Rovnice pro výpočet napětí rotoru musí být vypočítána v souřadném systému rotoru. Elektrický úhel rotačního usměrňovače je pak roven poloze vypočteného vektoru rotorového napětí v souřadném systému rotoru.
Zjednodušeně lze elektrický úhel rotačního usměrňovače určit pomocí polohy rotoru zařízení s rotační magnetickou vazbou a polohy vektoru střídavého napájecího napětí ve stojícím souřadném systému. Algoritmus zde vychází z předpokladu, že rotor zařízení s rotační magnetickou vazbou se otáčí opačným směrem než vektor střídavého napájecího napětí.
Ve všech výše uvedených výpočtech jsou prostorové vektory veličin typicky stanovovány prostřednictvím Clarkové transformace. Vyhodnocování elektrického úhlu rotačního usměrňovače může být prováděno průběžně po celou dobu provozu nebo jednorázově po detekci poruchy. Na základě takto stanoveného elektrického úhlu diagnostikovaného rotačního usměrňovače lze určit takt vedení součástek, při nichž dochází k anomálnímu tvaru v časovém průběhu měřeného fázového budícího proudu vstupujícího do zařízení s rotační magnetickou vazbou.
Zdroje buzení, jejichž součástí jsou rotační usměrňovače, které lze diagnostikovat na základě navrženého bezrozměrného faktoru Xi poruchy, mají typicky, nikoliv však výlučně, níže uvedenou topologii:
Součástí zdroje buzení je rotační usměrňovač, jehož stejnosměrné svorky jsou galvanicky spojeny s budícím vinutím synchronního stroje. Střídavé svorky rotačního usměrňovače jsou připojeny k zařízení s rotační magnetickou vazbou (typicky jde o rotační budič asynchronního typu nacházející se na společné hřídeli se synchronním strojem). Zařízení s rotační magnetickou vazbou je napájeno z třífázového střídavého zdroje s proměnou velikostí amplitudy první harmonické svorkového napětí (typicky se jedná buď o nepřímý měnič kmitočtu realizovaný třífázovým napěťovým střídačem, nebo o třífázový plně řízený střídavý měnič napětí). První harmonická napájecího napětí zařízení s rotační magnetickou vazbou má co do velikosti frekvenci totožnou s frekvencí napětí sítě, na níž je bezkroužkový synchronní stroj přifázován. Sled fází třífázového zdroje s proměnou velikostí amplitudy první harmonické, jenž napájí zařízení s rotační magnetickou vazbou, je však opačný oproti napětí sítě, na níž je bezkroužkový synchronní stroj přifázován.
- 3 CZ 2024 - 37 A3
Popsaným způsobem lze detekovat poruchu u jedné či více polovodičových součástek diagnostikovaného rotačního usměrňovače. Typ poruchy je vyhodnocován na základě velikosti efektivní hodnoty indukovaného napětí hlavního synchronního stroje a z porovnání bezrozměrného faktoru X poruchy s předem vypočtenými nebo experimentálně určenými hodnotami pro jednotlivé typy poruch, které jsou uloženy v řídícím počítači.
Popsaný vynález překonává existující řešení ochran rotačních usměrňovačů pracujících při nepřerušovaném proudu u bezkroužkových synchronních strojů majících rotační budič asynchronního typu tím, že je schopen spolehlivě detekovat poruchu a určit i její typ. Navržené řešení vystačí s běžným HW vybavením řídících počítačů (typicky regulátorů buzení). Nevyžaduje žádné dodatečné prvky a je velmi jednoduché a robustní z hlediska jeho ladění. Ladění spočívá v nastavení pouze jednoho parametru, kterým je bezrozměrná mez Xiphoid detekce poruchy.
Objasnění výkresů
Příkladné provedení navrhovaného řešení, jehož účelem je diagnostikovat poruchy polovodičových součástek u rotačních usměrňovačů, které pracující při nepřerušovaném proudu u bezkroužkových synchronních kompenzátorů mající rotační budič asynchronního typu, je popsáno s odkazem na výkresy, kde je na:
obr. 1 - topologie zapojení synchronního stroje se zdrojem buzení tvořeným zařízením s rotační magnetickou vazbou, na jehož výstupu je připojen rotační usměrňovač; člen s rotační magnetickou vazbou je napájen z třífázového střídavého zdroje s proměnou velikostí amplitudy první harmonické svorkového napětí, který je typicky realizován nepřímým měničem frekvence s napěťovým střídačem, nebo se jedná o třífázový plně řízený střídavý měnič napětí;
obr. 2 - principiální blokové schéma algoritmu na detekci poruch polovodičových součástek u rotačních usměrňovačů, jež jsou provozovány při nepřerušovaném proudu u bezkroužkových synchronních strojů mající rotační budič asynchronního typu.
Příklady uskutečnění vynálezu
V příkladném provedení na obr. 1 je popisována aplikace, u které typicky pracuje rotační usměrňovač 4 při nepřerušovaném proudu. Tím je u něj splněna jedna ze základních podmínek pro diagnostikování poruch jeho polovodičových součástek na základě metody uvedené v tomto vynálezu. Jedná se o topologii obvodu buzení bezkroužkových synchronních strojů 6 majících rotační budiče asynchronního typu. U nich je nedílnou součástí zdroje 2 buzení synchronního stroje 1 rotační usměrňovač 4. Bezkroužkový synchronní stroj 6 je tvořen uskupením, jenž obsahuje zařízení 5 s rotační magnetickou vazbou (typicky jde o rotační budič asynchronního typu nacházející se na společné hřídeli se synchronním strojem 1), rotační usměrňovač 4 a synchronní stroj 1. Zařízení 5 s rotační magnetickou vazbou je napájeno z třífázového střídavého zdroje 7 buzení s proměnou velikostí amplitudy první harmonické svorkového napětí (typicky se jedná buď o nepřímý měnič frekvence s napěťovým střídačem, nebo o třífázový plně řízený střídavý měnič napětí). První harmonická střídavého napájecího napětí 11 zařízení 5 s rotační magnetickou vazbou má co do velikosti frekvenci totožnou s frekvencí napětí sítě, na níž je bezkroužkový synchronní stroj 6 přifázován. Sled fází třífázového střídavého zdroje 7 buzení s proměnou velikostí amplitudy první harmonické, jenž napájí zařízení 5 s rotační magnetickou vazbou, je však opačný oproti napětí sítě, na níž je bezkroužkový synchronní stroj 6 přifázován.
Princip detekce poruch rotačních usměrňovačů 4 je založen u bezkroužkových synchronních strojů 6 s rotačním budičem asynchronního typu na frekvenční (Fourierově) analýze jednoho z měřených fázových budících proudů 3 vstupujících do zařízení 5 s rotační magnetickou vazbou.
- 4 CZ 2024 - 37 A3
Za tím účelem jsou v bloku 12 výpočtu získány z harmonické analýzy amplitudy všech nenulových celistvých násobků základní harmonické frekvence až do harmonické rovnající se součtu hodnoty frekvence napájecí sítě a hodnoty dané součinem frekvence střídavého napájecího napětí rotačního usměrňovače 4 a jeho pulznosti p. Hodnota základní harmonické frekvence je přitom rovna frekvenci napájecí sítě, k níž je bezkroužkový synchronní stroj 6 přifázován. Řečená frekvence se co do velikosti shoduje i s frekvencí 1. harmonické střídavého napájecího napětí 11 zařízení 5 s rotační magnetickou vazbou. Diagnostikování poruchy polovodičových součástek rotačního usměrňovače 4 se provádí pomocí bezrozměrného faktoru Xi poruchy vypočteným v bloku 13 výpočtu faktoru poruchy. Překročí-li kontinuálně vyhodnocovaný bezrozměrný faktor Xi poruchy definovanou bezrozměrnou mez Xitreshold detekce poruchy (viz blok 14) po dobu delší než jedna perioda základní harmonické frekvence, je signálem 20 indikována porucha rotačního usměrňovače 4. Vzhledem k tomu, že příčinou poruchy zdroje 2 buzení může být rotační usměrňovač 4 nebo mezní poruchový stav, je výsledný signál 22 poruchy zdroje 2 buzení určen logickým součtem signálu 20 poruchy rotačního usměrňovače 4 a výstupu z logiky sloužící k detekci mezního poruchového stavu, do které vstupuje signál 21 dokončení nabuzovací procedury, viz obr. 2.
Tato logika zajišťuje detekci poruchy u topologie na obr. 1 během řádného provozu bezkroužkového synchronního stroje 6 (tj. byla ukončena procedura nabuzení synchronního stroje 1, což je indikováno signálem 21 dokončení)) i v případě, že efektivní hodnota indukovaného napětí synchronního stroje 1 při fázovém budicím proudu 3, jehož velikost efektivní hodnoty se nachází v povoleném provozním rozsahu definovaném pro daný bezkroužkový synchronní stroj 6, je menší, než efektivní hodnota indukovaného napětí synchronního stroje 1 určená pro minimální povolenou provozní efektivní hodnotu fázového budicího proudu 3. Pro určení výše popsaného indukovaného napětí synchronního stroje 1 je použito měřené svorkové napětí 9. Procedurou nabuzení se myslí stav, kdy synchronní stroj 1 vyjede na provozní otáčky a požadovaná efektivní hodnota fázového budicího proudu 3 se zvýší z 0 na požadovanou hodnotu odvozenou od síťového napětí.
Ladění navržené metody spočívá v nastavení bezrozměrné meze Xitreshold detekce poruchy, viz blok 14. Ladění je provedeno tak, že bezrozměrný faktor Xi poruchy je změřen v bezporuchovém stavu stroje a tím se určí bezporuchový referenční bezrozměrný faktor Xt_ref.
Dále je bezrozměrný faktor Xi poruchy měřen při umělé poruše, kdy v rotačním usměrňovači 4 nevede jedna výkonová polovodičová součástka. Tím se určí poruchový referenční bezrozměrný faktor Xi err. Bezrozměrná mez Xi treshold detekce poruchy (viz blok 14) je určena aritmetickým průměrem hodnot bezporuchového referenčního bezrozměrného faktoru Xiref a poruchového referenčního bezrozměrného faktoru Xierr.
Navržená metoda je schopna vyhodnotit i typ poruchy daný zkratem nebo rozpojením jedné nebo více výkonových polovodičových součástek rotačního usměrňovače 4. Typ poruchy je vyhodnocen z velikosti efektivní hodnoty 19 svorkového napětí 9 synchronního stroje 1 a z porovnání bezrozměrného faktoru Xi poruchy (z bloku 13 výpočtu faktoru poruchy) s předem vypočtenými nebo experimentálně určenými hodnotami pro jednotlivé typy poruch rotačního usměrňovače 4, které jsou uloženy v řídicím počítači 8 (typicky v regulátoru buzení). Algoritmus detekování poruchy polovodičových součástek rotačního usměrňovače 4 a zdroje 2 buzení je patrný z blokového schéma na obr. 2. Základním diagnostickým signálem, jak popsáno výše, je fázový budicí proud 3.
Pro určení polovodičových součástek, u nichž došlo u rotačního usměrňovače 4 k poruše, je nutné stanovit jeho elektrický úhel. Ten lze vyhodnotit z matematického modelu asynchronního stroje, který popisuje chování zařízení 5 s rotační magnetickou vazbou. Pro nalezení elektrického úhlu rotačního usměrňovače 4 je možné použít napěťový nebo proudový model asynchronního motoru, do nichž vstupují prostorový vektor střídavého napájecího napětí 11, prostorový vektor budícího proudu vypočítaný ze změřených fázových budících proudů 3, poloha nebo otáčivá
- 5 CZ 2024 - 37 A3 rychlost rotoru synchronního stroje 1 vynásobená počtem pólpárů 17 zařízení 5 s rotační magnetickou vazbou a parametry náhradního schématu zařízení 5 s rotační magnetickou vazbou. Prostorový vektor rotorového napětí je vypočítán jako součet derivace prostorového vektoru rotorového toku zařízení 5 s rotační magnetickou vazbou a úbytku napětí na rotorovém odporu. Přičemž úbytek na rotorovém odporu lze obvykle zanedbat. Rovnice pro výpočet napětí rotoru musí být vypočítána v souřadném systému rotoru. Elektrický úhel rotačního usměrňovače 4 je pak roven poloze vypočteného vektoru rotorového napětí v souřadném systému rotoru.
Zjednodušeně lze elektrický úhel rotačního usměrňovače 4 určit pomocí polohy rotoru zařízení 5 s rotační magnetickou vazbou a polohy vektoru střídavého napájecího napětí 11 ve stojícím souřadném systému. Algoritmus zde vychází z předpokladu, že rotor zařízení 5 s rotační magnetickou vazbou se otáčí opačným směrem než vektor střídavého napájecího napětí 11.
Polohu rotoru zařízení 5 s rotační magnetickou vazbou lze získat například z informace o úhlu 10 natočení rotoru synchronního stroje 1 určeného z mechanického čidla.
Ve všech výše uvedených výpočtech jsou prostorové vektory veličin typicky stanovovány prostřednictvím Clarkové transformace 18. Vyhodnocování elektrického úhlu rotačního usměrňovače 4 může být prováděno průběžně po celou dobu provozu nebo jednorázově po detekci poruchy. Na základě takto stanoveného elektrického úhlu diagnostikovaného rotačního usměrňovače 4 lze vyhodnotit takt vedení součástek (viz blok 16), při nichž dochází k anomálnímu tvaru (viz blok 15) v časovém průběhu měřeného fázového budicího proudu 3 vstupujícího do zařízení 5 s rotační magnetickou vazbou.
Claims (22)
1 synchronní stroj
1. Způsob detekce poruchy rotačního usměrňovače (4) bezkroužkových synchronních strojů (6) s rotačními budiči asynchronního typu, kde rotační usměrňovač (4) propojuje rotorové budící vinutí synchronního stroje (1) se zařízením (5) s rotační magnetickou vazbou, které je připojeno na střídavý zdroj buzení (7), vyznačující se tím, že na výstupní straně střídavého zdroje buzení (7), která je připojena k zařízení (5) s rotační magnetickou vazbou, se měří fázový budicí proud (3), dále se frekvenční analýzou (12) ze změřeného fázového budicího proudu (3) vyhodnotí amplituda základní harmonické, jejíž frekvence je rovna frekvenci napájecí sítě, k níž je bezkroužkový synchronní stroj (6) přifázován, a amplitudy všech nenulových celistvých násobků základní harmonické frekvence až do součtu hodnoty frekvence napájecí sítě a hodnoty dané součinem frekvence střídavého napájecího napětí diagnostikovaného rotačního usměrňovače (4) a jeho pulznosti p, dále se podílem vypočte bezrozměrný faktor Xi poruchy, kde čitatel je součet hodnot amplitud vyhodnocených frekvenčních složek měřeného fázového budícího proudu (3) zdroje (2) buzení majících frekvenci vyšší, než je frekvence základní harmonické, avšak s vyloučením dvou frekvenčních složek o frekvencích stanovených tak, že hodnota frekvence první vyloučené frekvenční složky je rovna součinu frekvence střídavého napájecího napětí diagnostikovaného rotačního usměrňovače (4) a jeho pulznosti p zvýšeného o hodnotu frekvence napájecí sítě, k níž je bezkroužkový synchronní stroj (6) přifázován a hodnota frekvence druhé vyloučené frekvenční složky je rovna součinu frekvence střídavého napájecího napětí diagnostikovaného rotačního usměrňovače (4) a jeho pulznosti p sníženého o hodnotu frekvence napájecí sítě, k níž je bezkroužkový synchronní stroj (6) přifázován a jmenovatel je součet hodnot amplitud řečených dvou vyloučených frekvenčních složek fázového budícího proudu (3) vstupujícího do statoru zařízení (5) s rotační magnetickou vazbou, v bezporuchovém stavu se vypočte bezporuchový referenční bezrozměrný faktor X_ref, dále se provede elektrické odpojení alespoň jedné výkonové polovodičové součástky rotačního usměrňovače (4), a vyhodnotí se poruchový referenční bezrozměrný faktor Xi_en·, aritmetickým průměrem hodnot bezporuchového referenčního bezrozměrného faktoru Xiref a poruchového referenčního bezrozměrného faktoru Xi_en· se určí bezrozměrná mez Xiphoid detekce poruchy, a při provozu rotačního usměrňovače (4) se kontinuálně vypočítává bezrozměrný faktor Xi poruchy, přičemž porucha zdroje (2) buzení se signalizuje v případě, že po dokončení procedury nabuzení synchronního stroje (1) indikovaném signálem (21)
- je bezrozměrný faktor Xi poruchy větší než bezrozměrná mez Xiphoid detekce poruchy po dobu delší než jedna perioda základní harmonické frekvence, a/nebo
- je efektivní hodnota změřeného fázového budicího proudu (3) mimo povolený provozní rozsah, a/nebo
- je efektivní hodnota indukovaného napětí synchronního stroje (1) při fázovém budicím proudu (3), jehož velikost efektivní hodnoty se nachází v povoleném provozním rozsahu definovaném pro daný synchronní stroj (1), menší než efektivní hodnota indukovaného napětí synchronního stroje
2 zdroj buzení
2 výkresy
Seznam vztahových značek:
2. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že se dále určí typ poruchy zdroje (2) buzení způsobený zkratem nebo rozpojením jedné nebo více výkonových polovodičových součástek rotačního usměrňovače (4) tak, že se při velikosti efektivní hodnoty fázového budicího proudu (3) a efektivní hodnotě indukovaného napětí synchronního stroje (1) v povolených provozních mezích provede porovnání kontinuálně vyhodnocovaného bezrozměrného faktoruXi poruchy s jeho předem vypočtenými nebo experimentálně určenými hodnotami, jež jsou pro jednotlivé typy poruch rotačního usměrňovače (4) uloženy v řídicím počítači (8).
3 fázový budící proud měřený na výstupu střídavého zdroje buzení 7, tj. fázové proudy, které vstupují do statoru zařízení 5 s rotační magnetickou vazbou
3. Způsob podle kteréhokoliv z předešlých nároků 1 nebo 2, vyznačující se tím, že se ve výpočtu (13) bezrozměrného faktoru Xi poruchy v součtu v čitateli vynechá alespoň jedna harmonická frekvence.
4 rotační usměrňovač
4. Způsob podle kteréhokoliv z předešlých nároků 1 až 3, vyznačující se tím, že do dynamického matematického modelu zařízení (5) s rotační magnetickou vazbou se dosadí parametry náhradního schématu zařízení (5) s rotační magnetickou vazbou, prostorový vektor budícího proudu vypočtený ze změřených fázových budících proudů (3) pomocí Clarkové transformace (18) a změřená poloha nebo rychlost rotoru synchronního stroje (1), která je vynásobena počtem pólpárů (17) zařízení (5) s rotační magnetickou vazbou, čímž je vypočtena elektrická poloha nebo elektrická rychlost rotoru zařízení (5) s rotační magnetickou vazbou, matematickým modelem se vypočítá prostorový vektor rotorového napětí v souřadném systému rotoru jako součet časové derivace prostorového vektoru rotorového toku zařízení (5) s rotační magnetickou vazbou a úbytku napětí na rotorovém odporu, elektrický úhel rotačního usměrňovače (4) je pak roven poloze vypočteného prostorového vektoru rotorového napětí v souřadném systému rotoru, přičemž z hodnoty elektrického úhlu rotačního usměrňovače (4) odečtené v okamžiku, kdy došlo u fázového budícího proudu (3) vůči bezporuchovému stavu k anomálii ve tvaru jeho měřeného průběhu, se určí fáze a/nebo konkrétní polovodičová součástka rotačního usměrňovače (4), u které došlo k poruše.
5 zařízení s rotační magnetickou vazbou (typicky rotační budič asynchronního typu nacházející se na společné hřídeli se synchronním strojem 1)
6 bezkroužkový synchronní stroj s rotačním budičem asynchronního typu
7 střídavý zdroj buzení s proměnou velikostí amplitudy první harmonické svorkového napětí (typicky se jedná buď o třífázový nepřímý frekvenční měnič s napěťovým střídačem, nebo o třífázový plně řízený střídavý měnič napětí), jenž napájí zařízení 5 s rotační magnetickou vazbou
- 7 CZ 2024 - 37 A3 (1 ) určená pro minimální povolenou provozní efektivní hodnotu fázového budícího proudu (3), přičemž indukované napětí synchronního stroje (1) je určeno z měřeného svorkového napětí (9).
- 8 CZ 2024 - 37 A3
8 řídicí počítač, typicky regulátor buzení, v němž jsou implementovány algoritmy pro diagnostikování poruch rotačního usměrňovače 4
9 svorkové napětí synchronního stroje 1
10 úhel natočení rotoru synchronního stroje 1 určený z mechanického čidla
11 střídavé napájecí napětí zařízení 5 s rotační magnetickou vazbou
12 blok výpočtu amplitudy základní harmonické (FFT), jejíž frekvence je rovna frekvenci napájecí sítě, k níž je bezkroužkový synchronní stroj 6 přifázován, a amplitudy všech nenulových celistvých násobků základní harmonické frekvence až do harmonické rovnající se součtu hodnoty frekvence napájecí sítě a hodnoty dané součinem frekvence střídavého napájecího napětí diagnostikovaného rotačního usměrňovače 4 a jeho pulznosti p
13 blok výpočtu bezrozměrného faktoru Xi poruchy, který je vypočten podílem, kdy čitatel je součet hodnot amplitud vyhodnocených frekvenčních složek měřeného fázového budícího proudu 3 zdroje 2 buzení majících frekvenci vyšší, než je frekvence základní harmonické, avšak s vyloučením dvou frekvenčních složek. Hodnota frekvence první vyloučené frekvenční složky je rovna součinu frekvence střídavého napájecího napětí diagnostikovaného rotačního usměrňovače 4 a jeho pulznosti p povýšeného o hodnotu frekvence napájecí sítě, k níž je bezkroužkový synchronní stroj 6 přifázován. Hodnota frekvence druhé vyloučené frekvenční složky je rovna součinu frekvence střídavého napájecího napětí diagnostikovaného rotačního usměrňovače 4 a jeho pulznosti p poníženého o hodnotu frekvence napájecí sítě, k níž je bezkroužkový synchronní stroj 6 přifázován. Jmenovatel je součet hodnot amplitud řečených dvou vyloučených frekvenčních složek fázového budicího proudu 3 vstupujícího do statoru zařízení 5 s rotační magnetickou vazbou
14 bezrozměrná mez Xi_treshold detekce poruchy, která je stanovena jako aritmetický průměr bezporuchového referenčního bezrozměrného faktoru Xi_ref vyhodnoceného v bezporuchovém stavu diagnostikovaného rotačního usměrňovače 4 a poruchového referenčního bezrozměrného faktoru Xi_err při uměle vyvolané poruše, kdy v rotačním usměrňovači 4 nevede jedna výkonová polovodičová součástka
15 blok detekující anomálie v časovém průběhu měřeného fázového budicího proudu 3 vstupujícího do statoru zařízení 5 s rotační magnetickou vazbou
16 blok vyhodnocující takt, v němž by v bezporuchovém stavu byla v činnosti vadná polovodičová součástka rotačního usměrňovače 4, na základě stanovené velikosti elektrického úhlu diagnostikovaného rotačního usměrňovače 4, při němž dochází k anomální deformaci v časovém průběhu měřeného fázového budícího proudu 3 vstupujícího do statoru zařízení 5 s rotační magnetickou vazbou
17 počet pólpárů pp zařízení 5 s rotační magnetickou vazbou
18 transformace na prostorový vektor (typicky využívající Clarkové transformaci)
19 výpočet efektivní hodnoty z časového průběhu měřené veličiny
20 signál poruchy rotačního usměrňovače 4
21 signál dokončení nabuzovací procedury, režim provozu synchronního stroje 1
22 signál poruchy zdroje 2 buzení
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CZ2024-37A CZ202437A3 (cs) | 2024-01-31 | 2024-01-31 | Způsob detekce poruchy rotačního usměrňovače bezkroužkových synchronních strojů s rotačními budiči asynchronního typu |
| EP25710722.7A EP4677377B1 (en) | 2024-01-31 | 2025-01-28 | Method of fault detection of a rotary rectifier of brushless synchronous machines with induction motor type exciters |
| PCT/CZ2025/050010 WO2025162514A1 (en) | 2024-01-31 | 2025-01-28 | Method of fault detection of a rotary rectifier of brushless synchronous machines with induction motor type exciters |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CZ2024-37A CZ202437A3 (cs) | 2024-01-31 | 2024-01-31 | Způsob detekce poruchy rotačního usměrňovače bezkroužkových synchronních strojů s rotačními budiči asynchronního typu |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CZ310253B6 CZ310253B6 (cs) | 2025-01-01 |
| CZ202437A3 true CZ202437A3 (cs) | 2025-01-01 |
Family
ID=93934617
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CZ2024-37A CZ202437A3 (cs) | 2024-01-31 | 2024-01-31 | Způsob detekce poruchy rotačního usměrňovače bezkroužkových synchronních strojů s rotačními budiči asynchronního typu |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
| EP (1) | EP4677377B1 (cs) |
| CZ (1) | CZ202437A3 (cs) |
| WO (1) | WO2025162514A1 (cs) |
Family Cites Families (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH11215899A (ja) * | 1998-01-30 | 1999-08-06 | Nishishiba Electric Co Ltd | 回転整流装置の自動故障検出装置 |
| JP2008295252A (ja) * | 2007-05-28 | 2008-12-04 | Mitsubishi Electric Corp | ブラシレス同期機の回転整流器故障検出装置及び保護装置 |
| US9160164B2 (en) * | 2010-03-02 | 2015-10-13 | Accumetrics, Inc. | Method and apparatus for fault detection of series diodes in rectifiers |
| US9594112B2 (en) * | 2014-09-16 | 2017-03-14 | Schweitzer Engineering Laboratories, Inc. | Fault detection in electric power delivery systems using underreach, directional, and traveling wave elements |
| GB201521408D0 (en) * | 2015-12-04 | 2016-01-20 | Rolls Royce Plc | Electrical machine component failure detection apparatus and method |
| JP7616148B2 (ja) * | 2022-04-28 | 2025-01-17 | 株式会社Tmeic | ブラシレス同期機の保護装置 |
-
2024
- 2024-01-31 CZ CZ2024-37A patent/CZ202437A3/cs unknown
-
2025
- 2025-01-28 EP EP25710722.7A patent/EP4677377B1/en active Active
- 2025-01-28 WO PCT/CZ2025/050010 patent/WO2025162514A1/en active Pending
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| EP4677377B1 (en) | 2026-02-18 |
| CZ310253B6 (cs) | 2025-01-01 |
| EP4677377A1 (en) | 2026-01-14 |
| EP4677377C0 (en) | 2026-02-18 |
| WO2025162514A1 (en) | 2025-08-07 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Riera-Guasp et al. | Influence of nonconsecutive bar breakages in motor current signature analysis for the diagnosis of rotor faults in induction motors | |
| US10782351B2 (en) | Diagnosing a winding set of a stator | |
| Kim et al. | Online fault-detecting scheme of an inverter-fed permanent magnet synchronous motor under stator winding shorted turn and inverter switch open | |
| US12140637B2 (en) | Motor winding fault diagnosis | |
| CN111226389B (zh) | 监测多绕组组定子 | |
| Kral et al. | A comparison of rotor fault detection techniques with respect to the assessment of fault severity | |
| Kral et al. | Model-based detection of rotor faults without rotor position sensor-the sensorless Vienna monitoring method | |
| El Sayed et al. | Comparative analysis between unscented and extended kalman filters for PMSG inter-turn fault detection | |
| Shaeboub et al. | Detection and diagnosis of compound faults in induction motors using electric signals from variable speed drives | |
| Wolkiewicz et al. | Stator windings condition diagnosis of voltage inverter-fed induction motor in open and closed-loop control structures | |
| Attaianese et al. | Diagnostics and compensation of phase current sensor faults in PMSM: a review | |
| Dybkowski et al. | Speed sensor fault tolerant direct torque control of induction motor drive | |
| CZ202437A3 (cs) | Způsob detekce poruchy rotačního usměrňovače bezkroužkových synchronních strojů s rotačními budiči asynchronního typu | |
| EP4199346B1 (en) | Motor winding fault diagnosis | |
| Postal et al. | Locus-based fault indicators and a cumulative sum algorithm to detect induction machine stator interturn short-circuit faults | |
| EP4677375B1 (en) | Method of detecting fault in excitation rectifier of synchronous generator | |
| Tarchała et al. | Diagnosis of Short-circuits in Induction Motor Stator Winding Using a Modified Park Transformation | |
| Pires et al. | Stator winding fault diagnosis in induction motors using the dq current trajectory mass center | |
| Zaparoli et al. | Reliability of Industrial Drive Systems: A Review on Inter‑Turn Short‑Circuit Detection in DTC Driven Motors | |
| Wei et al. | Open circuit fault diagnosis of rotating rectifier based on the polarity and symmetry of armature current | |
| Upadhyay et al. | A Stator Flux Linkage DC Offset Based Stator Fault Detection For PMSM Drive Systems | |
| de la Barrera et al. | On-line diagnosis of high-resistance connection for inverter fed induction motors | |
| Song et al. | A Comparative Investigation of Stator Fault Diagnostics in Induction Motors by Multivariable Monitoring and Finite Element Simulations | |
| Dhivar et al. | A Novel Interturn Fault Identification Solution for BLDC Motor Based Ev System | |
| Antunes et al. | Stator Fault Diagnostics in Asymmetrical Six-phase Induction Motor Drives With Model Predictive Control under Transient Regimes |