用于檢測運轉的電機中的絕緣狀態劣化的方法和裝置制造方法
【專利摘要】本發明涉及一種用于在線檢測電機（2）的絕緣狀態劣化的方法和裝置（1）。借助于轉換器（41）向電機（2）的繞組（3）施加階梯電壓，并借助于至少一個傳感器（6，7，8）獲取以這種方式感應出的電流（i）和/或該電流（i）的時間導數（di/dt）作為測量信號，然后以比穩定特征頻率高的頻率對該測量信號進行過采樣。然后針對該穩定過程的參數對通過所述過采樣獲得的信號進行評估，以便檢測絕緣中的任何劣化，所述穩定過程的參數例如是超調量（Ah）和/或自然頻率（1/ΔT）和/或衰減常數。
【專利說明】用于檢測運轉的電機中的絕緣狀態劣化的方法和裝置
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種用于在線檢測檢測電機中或電機處的絕緣狀態劣化的方法和裝置。
【背景技術】
[0002]逆變器控制的電機越來越多地應用在非常廣闊的領域范圍。具體地說，這種驅動系統不僅用作工業中的標準，而且用在牽引系統中，特別用在安全關鍵系統中。在這方面，針對這些系統的條件對這些系統進行預防性監測并維持這些條件變得越來越重要。這種電機反復發生故障的一個主要原因是由于絕緣劣化，特別是由于定子繞組上的絕緣劣化。研究表明，全部故障中的大約30%到40%的故障與定子相關，在這些與定子相關的故障中，又有大約70%的故障由于繞組絕緣或到地絕緣中發生劣化或故障引起的。
[0003]當利用逆變器進行操作時，定子繞組的絕緣受到特別高的應力。在這方面，重要的是熱應力、電應力、機械應力和環境應力。隨著時間的推移，這些應力導致絕緣劣化，并且會導致電機本身或具有該電機的整個驅動系統發生嚴重故障。
[0004]然而，絕緣狀態劣化不僅會發生在繞組內，而且還會發生在電源導體或電氣布線處。這里，絕緣劣化或缺陷也是電機發生故障的原因。因此，在這里，絕緣狀態變化也應該被盡可能快地檢測到。
[0005]在現有技術中，已經提出了用于檢測絕緣缺陷的各種在線和離線方法，例如在 Grubic S.等人的文章“A survey on Testing and Monitoring Methods forStator Insulation Systems of Low-Voltage Induction Machines Focusing on TurnInsulation Problems，，( IEEE Transactions on Industrial Electronics,第 55 卷第 12期，第4127 - 4136頁，2008)中公開了對各種技術的調查和評估。具體位于線圈的各個繞組之間的絕緣劣化的檢測被主要描述為“可使用離線測試”，用于這種類型電機的在線測試的示例是所謂的ro方法(ro—部分放電)，其缺點在于，其應用必須附加的昂貴設備。然而，從該文獻獲得的主要結論是如下事實:諸如特別是所謂的浪涌測試之類的離線方法是極其有效的。這種離線測試的缺點是這些檢查或測試不能連續地進行，而是只能以相對長的時間間隔進行。然而，重要的是提供一種大致連續的監測，即在線監測，來檢測絕緣狀態中的任何劣化。
[0006]從Grubic S.等人的 “A New Concept for Online Surge Testing for thedetection of Winding Insulation Deterioration，，(Energy Conversion Congress andExposition (ECCE),第2747-2754頁，2010)已知一種關于繞組絕緣劣化檢測的在線測試的概念。在該技術中，提出了電壓供應電路(供電電路)中的電氣元件特別是感應器的不同形式的斷開和連接，并且例如還將馬達與電源隔離。在這種情況下，也必須向馬達供應電壓水平增加的多個脈沖。該技術相對復雜并且耗時。
[0007]JP2010-268645A描述了 一種用于測試AC馬達的絕緣特別是機動車輛AC馬達的絕緣的技術。具體地說,這里檢測電機繞組相對于電機殼體即地的絕緣狀態,其中始終檢測中性點(零點)的電流，在這種情況下，還可以評價由于激勵而引起的該零點電流的瞬態。利用在每種情況下都必需的單獨附加傳感器來測量逆變器和電機之間的總電流或測量電機殼體和地之間的電流或測量逆變器殼體和地之間的電流來檢測所需的參數。只有通過比較來自至少兩個馬達的測量結果才可能檢測絕緣劣化。
[0008]從US6，483，319B1已知一種用于進行寬帶阻抗響應測試來檢測定子繞組的任何迫近故障的方法。該阻抗響應可以通過向定子繞組施加離散頻率而獲得，不過導致低分辨率。
[0009]在W003/087855A1中描述了馬達控制器中的電流的測量，其中為了降低信噪比，還公開了在測量信號中提供過采樣。在該文獻中沒有解決絕緣狀態的調查。
[0010]RU2208236C2描述了在電機繞組絕緣診斷情況下的陡峭電壓波的電壓信號的評估，該評估需要在馬達的端子處另外安裝電壓儀器。
[0011]這里還要提到的是更老的之前沒有公開的EP申請10450114.3或其對應的 PCT 申請 W0/EP2010/061502 (另參見 P.Nussbaumer 等人的 “Saliency TrackingBased Sensorless Control of AC Machines Exploiting Inverter SwitchingTransients' Proceedings of IEEE Symposium on Sensorless Control for ElectricalDrives, SLED, 2010,第238-242頁)，其中，與本發明的絕緣監測問題的情況不同，公開了使用電流的瞬態時間導數發現AC電流電機中的不對稱，該瞬態時間導數是由于向電機繞組施加電壓階躍而產生的。在這種情況下，利用相對高的采樣頻率對電流時間導數的瞬態特征進行采樣，以便獲得相對于短觀察窗口最有意義的時間電流變化的數字值。然而，通過該方法無法發現產生的絕緣缺陷。
【發明內容】
[0012]因而，本發明的目的是分別提出一種如剛開始限定的方法和裝置，通過所述方法和裝置，能夠對電機內的絕緣狀態劣化進行可靠的在線檢測，此外其中應該能夠將設計和結構復雜性保持得盡可能低。
[0013]本發明基于如下事實:通過電阻器、電感器和電容器的復雜網絡來表示具有逆變器和感應式電機的驅動系統的構建。這樣，逆變器的布局和設計例如對其聯接至地的寄生電容施加影響。電機的絕緣影響相與地、相與相和繞組與繞組的寄生電容(一般繞組絕緣或各個繞組彼此的絕緣，即所謂的“線匝間絕緣”)。當將逆變器連接至電機繞組時施加的電壓脈沖的極短上升時間導致反射并因而導致高頻振蕩，不僅在施加電壓時是這樣，而且同樣在相應繞組中感應的電流中也是這樣。如果上述復雜網絡中的一個元件特別是由于線匝之間絕緣劣化而隨后變化，則整個系統將變得“失諧”，在這種情況下，在上述電流的高頻、瞬態振蕩中產生變化。
[0014]另一方面，值得注意的是，大多數現代驅動系統都已經在電源電路中包括電流傳感器或檢測電流的時間導數的傳感器，其中這些傳感器也能夠被用在本發明的在線檢測絕緣狀態劣化的技術中。
[0015]為了實現給定目的，本發明提供了一種在獨立權利要求中詳細說明的方法和裝置。有利的實施方式是從屬權利要求的主題內容。
[0016]更詳細地說，本發明首先提供了 一種用于在線檢測電機的絕緣狀態劣化的方法，其中通過逆變器向所述電機的繞組施加階梯電壓，并且通過至少一個傳感器作為測量信號來檢測所發生的電流和/或該電流的時間導數，然后以與瞬態振蕩的特征頻率相比相對較高的頻率對該電流和/或該電流的時間導數進行過采樣，之后針對瞬態過程的特征參數對通過所述過采樣獲得的信號進行分析，以便檢測可能的絕緣劣化，所述特征參數例如是超調量和/或自然頻率和/或衰減常數。
[0017]以相同的方式，本發明提供了 一種用于在線檢測電機中的絕緣狀態劣化的裝置，其中具有逆變器和至少一個傳感器的電源電路通過到達所述電機的電流導體被分配至所述電機，在施加階梯電壓時，所述傳感器檢測在所述電機的至少一個繞組中感應出的作為測量信號的電流或該電流的時間導數，其中所述傳感器連接至過采樣裝置，該過采樣裝置用于以相對于瞬態過程比較高的頻率對所述測量信號進行過采樣，并且所獲得的樣本被供給到計算單元，該計算單元用于確定施加所述階梯電壓時所述瞬態過程的特征參數，以便檢測可能的絕緣劣化，所述特征參數例如是超調量和/或自然頻率和/或衰減常數。
[0018]因此，所提出的用于絕緣缺陷檢測或絕緣劣化檢測的技術利用對所施加的階梯電壓的“階躍電流響應”(諸如自然頻率或衰減速率、超調量)中的變化，而且對于實際缺陷檢測來說利用由于(初始)缺陷引起的上述復雜系統的元件中的變化之后靜止狀態(穩定狀態)下的值，以便進行絕緣監測。對逆變器切換操作的階躍響應利用電流傳感器或者另選地利用電流導數傳感器優選地利用電機的電源電路中已經存在的傳感器來檢測。在這種情況下，有利的是，在本發明的技術中，對相電流進行評估，從而能夠避免另外的傳感器。另外，可以采用不同的逆變器切換操作，并檢測對這些階梯電壓變化的系統響應，通過相對較高的采樣頻率(在若干MHz (或Ms/s-兆樣本每秒)的范圍內)的情況下，其中能夠檢測到高頻電流瞬態的特征參數的變化。所使用的特別優選的傳感器類型是所謂的羅果夫斯基類型的傳感器，通過這種類型的傳感器能夠檢測電流的時間導數。這些羅果夫斯基傳感器也可以被稱為CDI傳感器(CD1-電流導數檢查器)。在先前執行的測試中，證明40MHz的采樣速率是有利的，而感應電流振蕩的振蕩頻率例如大約100或200kHz。
[0019]本發明的技術的有利之處還在于如下事實:除了繞組和地之間的絕緣之外，相與相之間的絕緣以及各相的線匝之間的絕緣也可以被檢測。逆變器(轉換器)和馬達之間的阻抗差在對應相電流信號中檢測，該阻抗差導致陡峭電壓波形在繞組的各個線匝處發生反射。此外，在這種情況下，還有利的是，在僅僅一個電機的情況下也可以進行絕緣劣化測試，其中通過比較馬達的各相電流的特征參數，能夠以絕緣特征的非對稱形式檢測相的繞組絕緣的劣化。
[0020]所描述的高頻過采樣可以使用例如高頻采樣A/D轉換器(以下也簡稱為“ADC”)來實現，除了低成本電流傳感器或電流導數傳感器之外，還可以使該高頻過采樣A/D轉換器。
[0021]對于(實際)數據處理，可以使用傳統的低成本邏輯電路或計算源，從而實現本發明所需的費用非常低并節約成本。
[0022]然而，如果存在隔離弱化、絕緣性能、電阻或電感等的變化，則一旦出現繞組絕緣缺陷，第一次可以方便地進行連續可靠的繞組絕緣缺陷檢測。如上所述，線匝間絕緣在這里極其重要，線匝之間的短路被認為是極其重要的缺陷，在大型電機中，這種缺陷特別需要立即響應，以便防止繞組和層疊芯子被完全毀壞。該問題情形能夠利用本發明來解決，并且無需之前相當大的附加努力(諸如電機和逆變器的特殊布線)，無需之前需要的高精度電流傳感器，特別是無需典型的對操作進行的中斷。
[0023]在本發明的技術中采用的瞬態過程的特征參數具體為超調量或振蕩的自然頻率，并且作為自然頻率的替換或對自然頻率的補充，還可以使用瞬態振蕩的衰減常數。通過這些特征參數，可以立即且可靠地檢測絕緣中的初始缺陷。
[0024]對此，為了可靠地進行檢測，已經證明，如果將通過所述分析獲得的特征參數與利用正確發揮功能的電機在先前的測量程序中獲得的對應特征參數進行比較，則是相當有利的。這種比較可以容易地進行，因此，如果被比較參數不同的話，則可以產生變化系統響應的直接表示。
[0025]為了進行簡單的在線檢測，另外地或替代地，如果將所獲得的特征參數與預定閾值進行比較，則也是有利的，如果該預定閾值被超過則將導致判定發生錯誤狀況。用于每個單獨電機的預定閾值可以基于簡單的計算或測試來預先確定，其中在這些閾值被超過時才判定發生缺陷條件或初始缺陷。這意味著位于容差極限內的特征參數的平均偏差將作為用于產生缺陷的多余指標而被消除。例如，也可以將運轉產生的熱引起的特征參數的變化考慮進去。
[0026]自然(特征)頻率可以通過確定待測量信號的連續極值之間的時間間隔來非常簡單地獲得。以類似的方式，可以容易地將超調量確定為穩態下的值與(過采樣)信號中的(第一)極值之間的差。
[0027]通過本發明的技術，也能夠檢測到已經存在的缺陷，也就是說，不僅僅是初始的絕緣缺陷，其中如果為了檢測實際的絕緣缺陷，使用所述信號的靜止(穩態)條件作為特征參數，則也是有利的。對于簡單錯誤檢測來說，在檢測感應電流的時間導數的情況下，如果將所述穩態條件下的信號的值確定為施加恒定電壓時的最后測量值，則也是有利的。另一方面，為此，如果在直接檢測感應電流的情況下，通過所述信號中的兩個不同的樣本以及由它們限定的斜率來確定所述穩態條件下的信號的值，則也是有利的。
[0028]本發明的方法的有利實施方式的特征因而在于，通過施加階梯電壓進行多個測量過程，并且對所獲得結果進行統計學評估。這可以獲得關于(初始)缺陷檢測的更多特征信息，同時還提高了檢測的可靠性。
[0029]就本發明的裝置來說，類似地，其特征在于通過至少一個比較器單元以特別方式進行簡單識別，該至少一個比較器單元用于將所獲得的特征參數與所述電機正常發揮功能時的對應存儲的特征參數相比較，并且/或者與預定閾值進行比較。有利地，一評估單元連接至該比較器單元，該評估單元用于檢測或識別絕緣劣化以及合適的話檢測或識別絕緣缺陷。
[0030]為了提供在啟動瞬態現象時涉及的實質過程上執行的在線測試的時間限制，有利地在所述過采樣裝置和所述(實際)計算單元之間設置窗口電路，其中所述窗口電路具有連接至控制所述逆變器的控制單元的控制輸入并指定以來自所述控制單元的控制信號開始的觀察窗口，其中所述樣本被供給至進一步處理階段。
[0031]如已經說明的，在當前情況下，所述計算單元可以利用簡單的低成本元件實現，其中利用FPGA元件(場可編程門陣列)的實施方式是特別有利的。必要時，可以另選地或附加地設置數字信號處理器(DSP)來執行所述計算的至少一部分。【專利附圖】
【附圖說明】
[0032]下面參照附圖基于特別優選的示例性實施方式進一步描述本發明，本發明并不限于所述示例性實施方式。附圖為:
[0033]圖1是以框圖形式的根據本發明的裝置的實施方式的示意圖；
[0034]圖1A是一個更具體的略微修改的實施方式中的這種裝置的檢測器電路或計算單兀的部分；
[0035]圖2是諸如利用羅果夫斯基傳感器(CDI傳感器)獲得的測量信號的示意圖，該示意圖以任意單位(“a.u.”)示出了感應電流的時間導數di/dt ；
[0036]圖2A是以時間比例放大的形式示出了一部分來自圖2的di/dt信號，以通過高過采樣頻率相對于瞬態過程的頻率的實際比率圖示用于該信號的高頻采樣點；
[0037]圖3是類似于圖2的信號，即感應電流的時間導數，其中繪出了特征參數，即作為自然振蕩頻率的倒數的AT、超調量Ah和穩態值Y00;
[0038]圖4示意性示出了如利用簡單電流傳感器獲得的隨著時間的可比較信號，其中還不出了 Ah和Ah;
[0039]圖5示意性示出了感應式電機的三個繞組的布置，其中兩個干擾電容(缺陷電容)CF, Cf,位于相繞組的第一抽頭點和地之間以及三相繞組U、V、W的中性點和地之間；
[0040]圖6示出了在缺陷電容Cf位于第一抽頭點和地之間的這種測試布置中獲得的電流導數響應，其中示出了參考曲線和存在缺陷電容時產生的測量信號曲線二者，該圖示相當于電機從非活動狀態切換到活動狀態；
[0041]圖7示出了在存在缺陷電容(；時首先作為參考信號其次作為“缺陷”測量信號的類似于圖6的對應di/dt信號，但是這次是在通過逆變器從具有正值的一個活動狀態變化到具有負值的另一個活動狀態進行的切換過程中；
[0042]圖8是類似于圖6的圖，其中現在除了參考信號之外還示出了存在缺陷電容Cf以及存在缺陷電容C/時的測量信號；以及
[0043]圖9A和9B是示出了測量電路瞬態過程的統計信號特征參數即超調量(圖9A)和自然頻率(圖9B)的示意圖，其中在每種情況下均示出了三個曲線:參考曲線、用于缺陷電容(；的曲線(虛線)以及另外用于缺陷電容C/的曲線(點線)，其中給出了 240個測量結果的統計分析。
【具體實施方式】
[0044]圖1示出了用于在線檢測電機中的絕緣狀態劣化的根據本發明的裝置的優選實施方式的示意圖，該優選實施方式特別適合于執行本發明的方法。
[0045]圖1中所示的裝置I用來在線監測電機(感應式電機)2，該電機2可以是單相電機或多相電機，其中，盡管在圖1中針對電機2僅示意性地示出了單個繞組3，但在圖1中，采取例如三個相。該電機2具有分配給該電機2的電源電路或供電電路4，該電源電路或供電電路4具有與三個相對應的三個電流供應線路4A、4B和4C。該電源電路4還包括逆變器4’，該逆變器4’為電機2提供對應的電壓信號。另外，圖示出了與逆變器4’相關聯的DC端子電容5。
[0046]在各個相導體4A、4B和4C中布置有對應的傳感器6、7、8。在當前情況下，對于本發明的技術來說，這些傳感器6、7、8用來檢測各個相4A、4B、4C中的電流i或電流的時間導數di/dt。電流導數傳感器例如可以是本身公知的還被稱為CDI傳感器的羅果夫斯基傳感器。另一方面，電流傳感器也是已知的，這里也不需要進一步說明。
[0047]傳感器6、7、8的輸出信號被作為測量信號供應至過采樣裝置12，該過采樣裝置12利用A/D轉換器(ADC) 9、10、11實現，每個A/D轉換器9、10、11用于一個相4A、4B、4C。采樣速率足夠高，以確保在切換過渡期間精確確定瞬態響應過程中的測量信號。如上所述，所用的采樣頻率可以是幾十MHz，例如40Mhz，但是對于一些應用來說，僅僅若干Mhz，例如最大IOMHz,可能就足夠。
[0048]ADC9、10、11的輸出信號然后被供應至窗口電路13、14、15，該窗口電路是處理單元16的一部分，并指定觀察窗口，即對測量信號進行采樣之后用于分析測量信號的時間間隔。為此，窗口電路13、14、15被連接至用于逆變器4’的控制單元17，其中該控制單元17例如是脈沖寬度調制(PWM)控制單元，并以本身公知的方式向逆變器4’輸出對應的切換命令。基于這些切換或控制信號，相應的觀察窗口即相關的觀察周期然后被固定在窗口電路
13、14、15中，并且在到達相應的窗口的末端時，終止評估，即終止從ADC9、IO和11向實際的計算機元件18、19、20供應樣本。
[0049]在這些計算元件18、19、20中，即通常在實際的計算單元16中，計算涉及信號的瞬態過程的特征參數，即這里具體所說的電流信號或表示電流的時間導數di/dt的信號，諸如具體地超調量和自然頻率或衰減常數。此外，這里也可以確定靜止時的信號的值，即穩態條件下的信號的值。
[0050]所獲得的特征值然后被供應至比較器單元21，在該比較器單元21中進行與對應的特征參數的比較，后者(即對應的特征參數)先前已經在對正確發揮功能的電機2進行的測量中獲得。
[0051]之后，在另一個比較器單元22中，將所識別的特征參數與預定閾值進行比較，該預定閾值例如可以借助于電機控制器23供給或預先存儲在存儲器(未示出)中。電機控制器23也可以連接至首先提到的比較器單元21。
[0052]在已經進行比較之后，在評估單元24中，對信號進行最后分析，即具體使用先前的比較結果進行(初始)缺陷的檢測及其識別。
[0053]在第一比較器單元21中，在與在正常狀態下獲得的電機2的參數進行比較的過程中，消除了依賴于運轉點的變化或相的不對稱。然而，存儲相位信號與正常狀態的任何其他偏差，并在比較器單元22中對這些偏差進行閾值比較。如果那里的信號參數即特征參數高于閾值，則在控制單元24中接收關于缺陷檢測和識別的對應消息，并且將該對象消息供應至例如電機控制器23以啟動適當措施，諸如緊急操作或系統異常中斷。
[0054]電機控制器23另外在附圖標記25處被供給用于待控制過程的參考值。
[0055]圖1A以簡化布置即用于單個相的布置示出了用于過采樣和信號處理(包括上述的比較和信號分析)的一系列單元。具體地說，這里示出了 A/D轉換器，諸如ADC9(視情況，還有ADClO和11)，所述AD轉換器通過緩沖存儲器26連接至采取場可編程門陣列(FPGA)27形式的邏輯模塊。該緩沖存儲器26的目的是對由ADC9以高數據速率輸出的輸出數據進行緩沖，這是因為FPGA模塊27 —般無法直接處理這么大的數據量。
[0056]圖1A中還以虛線示出了數字信號處理器(DSP) 28也能夠被連接以進行各種計算和評估，只要這些無法由FPGA模塊27本身執行。
[0057]如上所述，通過采用不同的逆變器切換操作并通過測量對這些陡峭的、階梯電壓變化的系統響應，當利用幾個MHz的頻率以高采樣速率進行采樣時，則在高頻電流瞬態的特征參數中檢測到變化。
[0058]圖2示出了通過羅果夫斯基傳感器30獲得的采用任意幅度單位(a.u.)的di/dt測量信號的示例。如這里所能夠看到的，系統通過來自逆變器4’(參見圖1)的正電壓脈沖而被從非活動狀態(初始值為O)中觸發，在相應的繞組(例如，根據圖1的繞組3)中感應的電流i或該電流i的時間導數di/dt然后顯示了短期瞬態效應，之后到達穩定狀態，即靜止條件(例如在根據圖2的正大于I的值處)。
[0059]如上所述，根據圖2的測量信號30是通過作為傳感器6 (或7或8)的羅果夫斯基傳感器利用過采樣(在這種情況下，例如40MHz的采樣速率)獲得的。
[0060]圖2A中示意性地圖示了該過采樣，其中具體地在圖2A中以放大的時間比例(與圖2相比)圖示出了第一正超調量31，并且其中由點31’圖示各個采樣點。如能夠看到的，該采樣速率或頻率顯著高于瞬態過程的頻率，諸如由圖2中所示的正超調量31和負超調量32實質限定的頻率。由這些超調量31、32限定的自然頻率大小例如可以為大約200kHz，而如上所述,在所執行的測試中,采樣頻率為40MHz。
[0061]當電機2停止時以及在電機啟動過程中都可以進行該測量，但是如果在電機2的PWM控制的歷程中，當施加每個單獨電壓脈沖時對于繞組電流i或其時間導數di/dt來說產生了各個短瞬態31、32，則也可以在電機的運轉過程中進行該測量。
[0062]在圖3中，示出了隨著時間t的用于di/dt的對應測量信號30，其中通過施加正電壓階躍將電機從任意起始值(例如O值)開啟，并且其中產生超調量，該超調量超過將要達到的穩態條件y =o。第一超調量(超調量31)表示為Λ ho
[0063]在超調量進入負范圍(超調量32)內之后，在附圖標記33處再次產生進入正范圍的輕微超調量，從而導致產生作為自然頻率的倒數值的周期Λ Τ。在所示的示例中，Λ T為大約3.5 μ S，這表明自然頻率為286kHz。
[0064]因而，從使用羅果夫斯基傳感器在采樣(參見圖2A)即在計算部件18、19、20中確定之后獲得的圖3中所示的隨著時間t的信號波形di/dt能夠以簡單方式檢測該自然頻率。
[0065]對于超調量Λ h同樣如此，該Λ h作為瞬態振蕩期間的第一幅度與(最終)穩態條件y =O之間的值。
[0066]最后，除了對于未損壞電機2來說該穩態條件y?即最終獲得的穩態值y?是已知的以外，也可以針對相應施加的階梯電壓從頭測量該穩態條件，否則，只要采取短測量時間，可以通過對測量信號平均化獲得該穩態值。
[0067]在進行各個分析過程的詳細介紹之前，將參照圖4，圖4作為測量信號30’的一個另選示例，其中由傳感器6、7、8檢測到的實際電流i在時間段t上示出。還圖示了作為用于瞬態過程的自然頻率的倒數的周期Λ T以及超調量Ah。這里，幅值被再次給予任意單位(“a.u.”)。在圖4中，與測量信號30’一起，以虛線示出了平均直線，其正梯度、時間導數圖示穩態條件。
[0068]在下文中，在參考圖5及其后附圖討論具體測試結果之前，將簡要地討論如何計算特征參數，諸如自然頻率、超調量和穩態條件。
[0069]可以采用不同的已知算法來計算瞬態系統響應的自然頻率(I/AT)，諸如在電流信號i(t)中或電流的時間導數di/dt的信號中給出的。具體地對于實時計算來說，簡單且特別有效的方式是確定瞬態過程的極值，所述極值可以在測量信號30或30’中識別出。如上所述，這可以以本身公知的方式(例如利用快速健壯的算法)來執行，并導致直接計算自然頻率。
[0070]另一個略微更靜雅更精確的計算方法是可以通過施加快速傅立葉變換(FFT —快速傅立葉變換法)來計算固有頻率。
[0071]這里，精確選擇用于相應窗口函數的參數也十分重要。有利的是將觀察窗口一直指定至穩態條件的值，但是它也可以更短，從而使得待處理的數據較少。例如，可以將該窗口選擇為正好略微大于Λ T0
[0072]在圖3和圖4中，如上所述，自然頻率(&)的倒數被表示為用于兩個傳感器(圖3中的CDI傳感器和圖4中的絕對值電流傳感器)的Λ T0
[0073]可以使用與被用來通過使用快速簡單算法確定電流的瞬態波形的極值或該電流的時間導數di/dt來計算自然頻率ffl/ Δ T的方法相同的方法計算信號的超調量值。如果考慮圖3的信號波形(電流的時間導數di/dt)，則第一極值與穩態條件之間的差代表第一超調量31。在圖3中，用于第一正超調量的值被標以Λ h(在使用⑶I傳感器的情況下)。如果使用標準傳感器(所述標準傳感器測量隨著時間的絕對電流，參見圖4)，則瞬態信號波形的衰減遵循近乎筆直軌跡。因此，在這里考慮的幾個微秒的相關時間段中施加電壓階躍過程中沒有到達穩態信號條件。在活動切換期間，在該時間窗口中，電流在該時間段內連續增加，參見信號34，只有電流的時間導數達到穩態值。在切換狀態改變之前在電流信號中切換瞬態過程期間相對于最后電流值的最大值可以被認為是第一正超調量Ah (圖4)。
[0074]如果足夠長地(即足以達到電流的時間導數的穩態條件)施加電壓階躍，則當然能夠容易地確定信號的穩態`條件的值y?。在用于電流的時間導數的傳感器(羅果夫斯基傳感器)的情況下，當施加恒定電壓水平時，該穩態條件的值為最終測量值。這也可以直接地實現，而無需高頻A/D轉換器。如果通過在多個這種最終讀數上進行平均化而檢測該穩態條件的值，則可以增加信號精度。
[0075]如果使用直接測量電流的傳感器，則所感興趣的值為電流曲線的斜率的穩態條件，參見圖4中的曲線段34。這里，可以將該計算進行成這樣，即獲得至少兩個電流值，且這兩個值之間的時間差足夠大以使得能夠精確確定電流的時間導數，即圖4中的直線34的斜率。
[0076]對A/D轉換器9、10、11進行過采樣的另一個優點是可采用平均化技術，因而可增加檢測的精度。
[0077]在絕緣劣化的情況下，穩態條件下的值與無損壞電機的值相比不會改變。然而，一旦發生線匝短路，即一旦發生從線匝到線匝的短路，則測量表明該穩態條件的值發生重大變化，即使只有單相中的一個線匝短路也是如此。
[0078]因而，穩態條件的值y 的計算特別適合于計算絕緣中已經存在的缺陷。
[0079]已經在5.5KW的鼠籠轉子感應電機上進行實際測試，其中可以接近電機的三個線匝的不同線匝的抽頭點。通過將這些抽頭點連接至電機的對應端子，可以將可變數量的線匝短路，以模擬定子中的線匝間絕緣缺陷，這種缺陷并不足以毀壞電機。現在，如果不是直接連接，而是將附加的電容，即缺陷電容Cf插入在對應的端子之間，則模擬從線匝到線匝的劣化絕緣。這種方案在圖5中示意性地示出，其中示出了與相U、V、W對應的三個繞組35、36、37。以虛線示出了各個相之間的電容Cph —ph和各個相與地之間的電容Cph —gnd。另外，以點線示意性示出了電容Ct — t，該電容作為兩個接連的線匝之間的正常電容。
[0080]另外，現在示出了兩個缺陷電容CF、CF’，首先是位于繞組35的第一抽頭38與相接線U之間的缺陷電容CF，其次是中性點39與相接線U之間的缺陷電容C/。與線匝電容(例如Ct —t)并聯的附加電容CF*CF’由于線匝絕緣而增加了(缺陷)電容。在絕緣的介電特性發生劣化的情況下能夠檢測到電容的對應增加。在測試過程中，為了獲得對感應電機的絕緣系統的特性的更詳細的識別，將相與相電容Cph —ph限定為500pF，而將相與地電容Cph — _限定為InF。
[0081]在測試時，通過16位A/D轉換器以40Mhz的頻率進行過采樣。與FPGA元件27的通信借助于數據緩沖器26 (圖1)進行。
[0082]在初始測試時，參見圖5，缺陷電容Cf被插入在U繞組35的第一抽頭38和相接線之間。
[0083]圖6以曲線41示出了這樣獲得的信號波形，該信號波形是利用用于電流的時間導數di/dt的羅果夫斯基傳感器測量的，其中還圖示出了用于未損壞電機的信號波形的參考曲線40。如能夠看到的，對于兩個曲線40 (參考)和41 (具有缺陷電容Cf)獲得兩個不同的信號波形。該缺陷電容例如為Cf = 66nF。
[0084]如所期望的，從圖6的信號波形還可以辨別出無法基于穩態條件下的測量信號值來檢測線匝電容中的變化，這是因為這兩個信號波形在穩態條件下產生相同的值。然而，從圖6可以辨別出在超調量和自然頻率方面的清晰差別。該差別僅在活動切換狀態的電壓矢量沿著“劣化”相U的相軸指向時才能辨別出(在該示例中)。最后要提到的一點是，如已經證明的那樣，切換瞬態過程僅表現出非常小的統計變化。在當前圖中示出的每個信號波形都相當于基于240個測量結果獲得的平均值。
[0085]出于比較之目的，圖7示出了用于其中切換過程通過使逆變器4’從正范圍中的活動狀態進入負范圍中的活動狀態(例如從大約+1到大約一 2)來發生的情況的信號波形，即參考信號40’和測量波形41’。通過對比，圖6圖示出了在逆變器’從非活動狀態O到活動狀態(穩態值為大約+1)的切換過程期間的信號40、41的波形。
[0086]另外，在圖7的情況下，Cf = 66nF的缺陷電容連接在線圈35的第一抽頭38和相接線U之間。這里還可清晰辨別出的首先是與參考信號40’相比的波形41’的(首先為正然后為負)的超調量，其次是在時間間隔Λ T的偏移方面的自然頻率的變化。
[0087]在另一個測試中，進行了可比較測量，其中一方面缺陷電容Cf插入在繞組的中間的抽頭與U相之間(50%短路)或中性點39和相接線之間(缺陷電容C/，相當于100%短路)，其中在這種情況下，所述缺陷電容為InF。根據圖8中的對應信號波形(也是利用羅果夫斯基傳感器(di/dt)測量的，并且是在以40MHz進行過采樣之后獲得的)，可以清楚地識別出參考信號50與信號51 (在50%短路(缺陷電容Cf)的情況下)之間的差別以及參考信號50與信號52 (在100%短路(缺陷電容C/ )的情況下)之間的差別。這里還可以辨別出的是，通過檢測變化，可以在瞬態衰減的第一周期之后近似示出的波形中識別出自然頻率。[0088]為了檢查所檢測到的切換瞬態過程的可靠性，對傳感器信號的統計學特性進行調查。如上所述，在每個配置中，都分別對電機或線圈進行240次測量，并且對結果和/或信號參數進行比較。
[0089]與圖8中的彳目號波形對應，圖9a (關于超調量距尚)和圖9B (關于頻率或自然頻率)示意性地示出了之前所述的如從切換瞬態過程獲得的一樣的信號特性的歸一化概率密度。對于參考來說(超調量50A)，超調量距離(圖3中的Λ h)被示出為位于大約4.3處，用于信號51的第一超調量51A在圖9A中被不出為位于略超過5的超調量距離處,而信號52中的第一超調量52A在圖9A中被示出為位于近似5.8的超調量距離處。
[0090]就自然頻率來說，在圖9B中示出了對應的頻率值50B、51B、52B，在參考曲線50的情況下，對于該自然頻率來說所述頻率值為大約0.27MHz，對于以50%短路的信號曲線51來說大約為0.38MHz，而對于圖8中所示的100%短路的信號52來說，近似為0.33MHz (52B)。
[0091]在這些測試中沒有使用復雜算法，而是使用純數學方法來確定所使用的特征參數，即超調量和自然頻率。如從圖9A和9B可辨別出的，所確定的特征參數具有較低變化，這使得即使線匝電容中發生最小的變化，也能夠可靠快速地檢測。
[0092]如之前所述，為了在在線運轉時連續監測繞組的狀態，有利的是例如在試運轉階段測試未損壞電機2 (正確發揮功能的電機)的信號的特征參數。然后重要的是確保不引入任何電阻、電感或電容值的變化(諸如由導線布局引起的那些變化)。
[0093]除了自然頻率之外或代替自然頻率，還可以作為測量的一部分來作為特征參數確定瞬態自然振蕩的衰減常數。進行這種測量的一個方法例如是使用簡單的指數函數從每個超調量和下沖量的大小和時間來逼近瞬態振蕩的衰退行為。
【權利要求】
1.一種用于在線檢測電機(2)的絕緣狀態劣化的方法，其中通過逆變器(4’)向所述電機(2)的繞組(3)施加階梯電壓，并且通過至少一個傳感器(6，7，8)作為測量信號來檢測所發生的電流(i )和/或該電流(i )的時間導數(di/dt)，然后以與瞬態振蕩的特征頻率相比相對較高的頻率對該電流(i)和/或該電流(i)的時間導數進行過采樣，之后針對瞬態過程的特征參數對通過所述過采樣獲得的信號進行分析，以便檢測可能的絕緣劣化，所述特征參數例如是超調量(△ h)和/或自然頻率(I/ △ T)和/或衰減常數。
2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，將從所述分析獲得的特征參數與在正確發揮功能的電機上的先前測量程序中獲得的對應特征參數進行比較。
3.根據權利要求1或2所述的方法，其特征在于，將所獲得的特征參數與預定閾值進行比較，如果該預定閾值被超過則將導致判定發生錯誤狀況。
4.根據權利要求1至3中任一項所述的方法，其特征在于，通過計算所述測量信號的被連續過采樣的極值之間的時間間隔來確定所述自然頻率(I/ Δ T)。
5.根據權利要求1至4中任一項所述的方法，其特征在于，將所述超調量(Ah)確定為穩態條件下的值與信號中的可能的第一極值之間的差。
6.根據權利要求1至5中任一項所述的方法，其特征在于，為了檢測實際的絕緣缺陷，使用所述信號的穩態條件(yω)作為特征參數。
7.根據權利要求6所述的方法，其特征在于，在檢測感應電流的時間導數的情況下，將所述穩態條件下的信號的值(yω)確定為施加恒定電壓時的最后測量值。
8.根據權利要求6所述的方法，其特征在于，在直接檢測穩態條件下的感應電流的情況下，通過所述信號中的兩個分開的樣本以及由它們限定的斜率來確定所述信號的值(y oo)o
9.根據權利要求1至8中任一項所述的方法，其特征在于，基于施加階梯電壓來進行多個測量，并且對所獲得的結果進行統計學評估。
10.一種用于在線檢測電機中的絕緣狀態劣化的裝置，其中具有逆變器(4’)和至少一個傳感器(6，7，8)的電源電路(4)通過到達所述電機(2)的電流供給導體(4A，4B，4C)與所述電機(2)相關聯，在施加階梯電壓時，所述傳感器(6，7，8)檢測在所述電機(2)的至少一個繞組(3)中感應出的作為測量信號的電流(i)或該電流(i)的時間導數(di/dt)，其中所述傳感器(6，7，8)連接至過采樣裝置(12)，該過采樣裝置(12)用于以相對于瞬態過程比較高的頻率對所述測量信號進行過采樣，并且所獲得的樣本被供給到計算單元(16)，該計算單元(16)用于確定施加所述階梯電壓時所述瞬態過程的特征參數，以便檢測可能的絕緣劣化，所述特征參數例如是超調量(△ h)和/或自然頻率(I/ △ T)和/或衰減常數。
11.根據權利要求10所述的裝置，其特征在于至少一個比較器單元(21，22)，該至少一個比較器單元(21，22)用于將所獲得的特征參數與所述電機正常發揮功能時所存儲的對應特征參數相比較，并且/或者與預先指定的閾值相比較。
12.根據權利要求11所述的裝置，其特征在于，所述比較器單元(21，22)連接至評估單元(24)，該評估單元(24)用于檢測和識別劣化以及合適的話檢測和識別絕緣缺陷。
13.根據權利要求10至12中任一項所述的裝置，其特征在于位于所述過采樣裝置(12)和所述計算單元(16)之間的窗口電路(13，14，15)，其中所述窗口電路(13，14，15)具有連接至控制所述逆變器的控制單元(17)的控制輸入并指定以來自所述控制單元(17)的控制信號開始的預定觀察窗口，其中所述樣本被供給至進一步處理階段。
14.根據權利要求10至13中任一項所述的裝置，其特征在于，所述計算單元(16)利用場可編程門陣列即FPGA (27)實現。
15.根據權利要求10至14中任一項所述的裝置，其特征在于，所述計算單元(16)包括數字信號處理器即DSP (28)。
【文檔編號】G01R31/34GK103733080SQ201280038203
【公開日】2014年4月16日 申請日期:2012年8月1日 優先權日:2011年8月1日
【發明者】托馬斯·沃爾班克 申請人:維也納技術大學
專業數控銑床產品供應商
20年生產經驗，實力工廠，精工品質，質量有保障
