短路检测装置以及短路检测方法

技术领域

本公开涉及检测旋转电机的励磁绕组的短路的短路检测装置以及短路检测方法。

背景技术

作为检测旋转电机的一例即涡轮发电机的励磁绕组的短路的装置，提出了如下装置：通过检测在转子与定子之间的空隙产生的磁通的探测线圈等磁通检测器，来检测因励磁绕组的短路引起的励磁磁通的变化。检测励磁绕组的短路的装置利用了如下特性：相对于转子的2个磁极中的作为未产生短路的一方的磁极的正常磁极，在作为产生了短路的另一方的磁极的短路磁极中，由于励磁绕组的匝数的减少而使得励磁磁通量减少。

短路检测装置构成为，通过将产生短路而减少的励磁磁通量与预先在未产生短路时获取的励磁磁通量即正常时励磁磁通量进行比较，来检测短路的产生(例如，参照专利文献1)。

另外，其他的短路检测装置构成为，通过将在旋转角度相差180deg的2个磁极获取的励磁磁通量彼此进行比较，来检测短路的产生(例如，参照专利文献2)。

在先技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2009-213346号公报

专利文献2：美国专利第8781765号说明书

发明内容

发明要解决的课题

但是，在这样的现有技术中，为了判别由励磁磁通波形的角度误差导致的电压差的误差和由因励磁绕组产生短路而产生的励磁磁通的减少导致的差，需要为了抑制角度误差而进行预备测定。在预备测定中，容易受到因运转条件的变化而导致的负载变动的不良影响，容易导致误检测和短路的检测精度的降低。

本公开是为了解决上述那样的课题而完成的，其目的在于得到一种短路检测装置以及短路检测方法，能够抑制由预备测定导致的误检测以及短路的检测精度的降低，更高精度地检测励磁绕组的短路。

用于解决课题的手段

本公开的短路检测装置具备：信号获取部，其从检测在旋转电机的转子与定子之间的空隙产生的磁通的磁通检测器获取与磁通相应的一个检测信号，并设为第一检测信号和第二检测信号；信号处理部，其对第一检测信号进行频率分析，生成模拟了正常时的电压状态的电压信号并进行解码；以及信号比较部，其通过将由信号处理部解码的解码信号与从信号获取部发送的第二检测信号进行比较，来检测旋转电机的励磁绕组的短路。

本公开的短路检测装置具备：信号获取部，其从检测在旋转电机的转子与定子之间的空隙产生的磁通的磁通检测器获取与磁通相应的不同磁极的检测信号作为第一检测信号和第二检测信号；信号处理部，其对第一检测信号进行频率分析，生成与第二检测信号的相位一致的电压信号并进行解码；以及信号比较部，其通过将由信号处理部解码的解码信号与第二检测信号进行比较，来检测旋转电机的励磁绕组的短路。

本公开的短路检测方法具备：从检测在旋转电机的转子与定子之间的空隙产生的磁通的磁通检测器获取与磁通相应的一个检测信号，并设为第一检测信号和第二检测信号的步骤；对第一检测信号进行频率分析，生成模拟了正常时的电压状态的电压信号并进行解码的步骤；以及通过将解码得到的解码信号与第二检测信号进行比较，来检测旋转电机的励磁绕组的短路的步骤。

本公开的短路检测方法具备：从检测在旋转电机的转子与定子之间的空隙产生的磁通的磁通检测器获取与磁通相应的不同磁极的检测信号作为第一检测信号和第二检测信号的步骤；对第一检测信号进行频率分析，生成与第二检测信号的相位一致的电压信号并进行解码的步骤；以及通过将解码得到的解码信号与第二检测信号进行比较，来检测旋转电机的励磁绕组的短路的步骤。

发明的效果

本公开的短路检测装置通过将所获取的一个检测信号设为第一检测信号和第二检测信号，将第二检测信号与根据第一检测信号生成模拟了正常时的状态的电压信号并进行解码而得到的解码信号进行比较，从而能够抑制由预备测定导致的误检测以及短路的检测精度的降低，检测励磁绕组的短路。

本公开的短路检测装置通过将第二检测信号与根据在与第二检测信号不同的磁极获取的第一检测信号生成与第二检测信号的相位一致的电压信号并进行解码而得到的解码信号进行比较，从而能够抑制由预备测定导致的误检测以及短路的检测精度的降低，检测励磁绕组的短路。

本公开的短路检测方法通过将所获取的一个检测信号设为第一检测信号和第二检测信号，将第二检测信号与根据第一检测信号生成模拟了正常时的状态的电压信号并进行解码而得到的解码信号进行比较，从而能够抑制由预备测定导致的误检测以及短路的检测精度的降低，检测励磁绕组的短路。

本公开的短路检测方法通过将第二检测信号与根据在与第二检测信号不同的磁极获取的第一检测信号生成与第二检测信号的相位一致的电压信号并进行解码而得到的解码信号进行比较，从而能够抑制由预备测定导致的误检测以及短路的检测精度的降低，检测励磁绕组的短路。

附图说明

图1是实施方式1的短路检测装置及旋转电机的结构图。

图2是实施方式1的短路检测装置的硬件结构图。

图3是由实施方式1的探测线圈检测的电压波形的例子。

图4是实施方式1的短路检测方法的流程图的例子。

图5是表示实施方式1的正常时、短路时以及模拟正常时的各情况下的频率的图形的图的例子。

图6是表示实施方式1的每个角度误差的电压差波形的图表、以及表示每个角度误差的电压差的图表的例子。

图7是实施方式2的短路检测装置及旋转电机的结构图。

图8是实施方式2的短路检测方法的流程图的例子。

具体实施方式

实施方式1

图1是本实施方式的短路检测装置100a以及应用短路检测装置100a的旋转电机200的结构图。在本实施方式中，作为例子，旋转电机200使用涡轮发电机。

首先，说明旋转电机200的结构。

如图1所示，旋转电机200具备设置为旋转自如的转子1以及设置在转子1的外侧的定子2。转子1的外周部和定子2的内周部隔着空隙3相向。在转子1的转子铁芯4形成有多个转子槽5。在多个转子槽5中，卷绕有串联连接的励磁绕组。

励磁绕组从外部电源被直流励磁，以使转子铁芯4在两极被励磁。由此，在转子铁芯4形成2个磁极6。

在定子2的定子铁芯7形成有多个定子槽8。在多个定子槽8中卷绕有多相绕组9。多相绕组9被交流励磁，以在空隙3中产生旋转磁场。

图1所示的旋转电机200是具有32个转子槽5和84个定子槽8的两极的发电机。图1的顺时针方向的箭头A表示转子1的旋转方向。

在定子2中的面向空隙3的部分固定设置有磁通检测器10，该磁通检测器10检测在旋转电机200的转子1与定子2之间的空隙3产生的径向的磁通。磁通检测器10例如是探测线圈。在空隙3中产生的主磁通和转子槽5的漏磁通与磁通检测器10交链。因此，在磁通检测器10的两端的端子间产生和与磁通检测器10交链的磁通相应的电压。与磁通检测器10交链的磁通的分布对应于转子1的旋转角度，从磁通检测器10输出与交链磁通量相应的探测线圈电压信号。

在磁通检测器10连接有短路检测装置100a。短路检测装置100a具备信号获取部101、信号处理部102a以及信号比较部103。

信号获取部101获取由磁通检测器10获取的检测信号的电压波形。

信号处理部102a将从信号获取部101获取的检测信号设为第一检测信号，生成并输出与第一检测信号对应的解码信号。信号处理部102a具有频率分析部11、滤波处理部12a、模拟信号生成部13以及信号解码部14。关于各部分的详细处理将在后面叙述。

信号比较部103具有电压差运算部15和短路检测部16。

信号比较部103计算将从信号获取部101发送到信号比较部103的检测信号设为第二检测信号的第二检测信号的电压波形与由信号处理部102a解码的第一检测信号的解码信号的电压波形的差分的波形，并根据计算出的差分的波形来检测励磁绕组的短路。关于各部分的详细处理将在后面叙述。

另外，箭头B表示除了短路信息以外的信号的路径，箭头C表示包含短路信息的检测信号的路径。

图2是本实施方式的短路检测装置100a的硬件结构图的例子。

如图2所示，短路检测装置100a作为硬件结构而具备处理器300和存储装置400。

存储装置400例如由存储有记述了与短路检测装置100a的功能对应的处理的程序的存储器构成。处理器300通过执行存储于存储装置400的程序，实现短路检测装置100a的功能。处理器300由微型计算机、DSP(Digital Signal Processor，数字信号处理器)、在FPGA等硬件电路中逻辑构成的处理器构成。此外，也可以由多个处理器300和多个存储装置400协同实现短路检测装置100a的功能。

以下，使用图3说明由磁通检测器10检测的电压波形的例子。

图3(A)示出了由本实施方式的信号处理部102a模拟了正常时的情况，图3(B)示出了由本实施方式的信号获取部101检测出的旋转电机200的三相短路时的情况。

图3(A1)是由本实施方式的信号处理部102a模拟了正常时的情况下的磁通密度的波形，图3(A2)是模拟了正常时的情况下的电压波形。关于模拟正常时的处理，将在后面叙述。

图3(B1)示出了由本实施方式的信号获取部101检测出的短路时的磁通密度的波形，图3(B2)示出了在短路时检测的磁通检测器10的电压波形。另外，图3(B3)是短路时的电压波形与模拟了正常时的情况下的电压波形的电压差的波形。关于求出图3(B3)的处理，将在后面叙述。

此外，电压波形是通过电磁场解析得到的，为了说明，并列示出表示与图形B1对应的旋转角度下的空隙磁通密度的变化的图。

在图3所示的各图表中，横轴表示转子1的旋转角度。

另外，将图1所示的旋转电机200的转子1的位置关系设为旋转角度0deg。

旋转角度90deg是产生了短路的短路磁极的中心角度，旋转角度270deg是未产生短路的正常磁极的中心角度。以各磁极中心为对称，在各磁极6可以观察到与16个转子槽5的漏磁通对应的电压变动。在跨越2个成一对的转子槽5卷绕的励磁绕组中，漏磁通的方向相对于磁极中心处于对称关系，因此，图3(B2)的电压波形相对于磁极中心成为旋转对称形。在图3(B2)中，在短路磁极中心附近卷绕有产生了短路的励磁绕组的一对转子槽5即短路槽的位置用箭头S表示。

另外，在图3(B1)中，短路磁极用箭头Q表示。在图3(A1)、图3(B1)和图3(B2)中，正常磁极用箭头R表示。

在短路槽中，与未产生短路的周围的短路磁极侧的转子槽5和相位相差180deg的正常磁极侧的转子槽5相比，可以观察到与因短路而产生的励磁磁通量的减少相应的电压减少。以下，使用包含该短路信息的探测线圈电压波形，说明本实施方式的短路检测方法。

图4是本实施方式的短路检测方法的流程图。另外，图5是表示正常时、短路时以及模拟正常时的各情况下的频率的图形的图。图5的横轴是电压波形所包含的各次数的分量，纵轴表示电压。

此外，在此所说的次数n(n＝1，2，…)是指转子1旋转一周而变动n次的分量。例如，1次是转子1旋转一周而变动1次的分量的次数。

按照图4的流程图的步骤，使用图5进行说明。

在图4的步骤S10中，信号获取部101获取磁通检测器10的检测信号。此时，获取一个检测信号，设为第一检测信号和第二检测信号。第一检测信号发送到信号处理部102a所具有的频率分析部11。第二检测信号发送到信号比较部103。在步骤S10中获取并发送的检测信号包含短路信息。

在图4的步骤S11中，频率分析部11对发送来的磁通检测器10的第一检测信号的波形进行频率分析。图5(A)示出了正常时的频率的图形。图5(B)示出了由频率分析部11得到的频率分析结果的图形。图5(C)示出了模拟正常时的频率的图形。

另外，图5(B)是对图3(B2)的电压波形进行频率分析而得到的结果。

根据图5(B)可知，将49.5deg间距的转子槽5的次数设为奇数次分量的主分量。另外，可知与图5(A)相比，图5(B)的偶数次分量大幅增加。

在图4的步骤S12中，滤波处理部12a根据频率分析得到的结果对振幅进行处理。具体而言，进行使图5(B)的偶数次分量的绝对值中的至少一个相对于奇数次分量的绝对值足够小的滤波处理。图5(C)是根据图5(B)进行滤波处理而模拟了正常时的情况下的频率图形。

在滤波处理中，使偶数次分量的绝对值相对于奇数次分量的绝对值足够小，但只要接近正常时的状态即可，例如也可以设为0。另外，也可以使比转子槽5的次数即奇数次分量的最大值小的偶数次分量的绝对值相对于奇数次分量的绝对值足够小。通过减小偶数次分量，能够对正常时进行模拟。

在图4的步骤S13中，模拟信号生成部13根据在步骤S12中求出的滤波处理的结果，生成模拟电压信号。

在图4的步骤S14中，信号解码部14根据在步骤S13中生成的模拟电压信号，例如使用傅立叶逆变换进行解码处理。根据图5(C)所示的模拟正常时频率分析结果的绝对值、以及图5(B)所示的短路时的频率分析结果的相位，对图4(A2)所示的模拟正常时的电压波形进行解码处理。在一系列的解码处理中，电压波形的相位相互没有偏移。这从对图3(A2)进行积分而得到的图3(A1)的磁通密度的波形示出与图3(B1)的磁通密度的波形相同的相位这一点也可明确。

另外，在解码处理时，采样数能够任意设定。即使在获取多个电压波形的情况下，也能够得到相同旋转角度的采样数据。从图3(A2)可知，在与图3(B2)中观察到的短路槽相当的旋转角度，没有观察到电压的减少。也就是说，可以说图3(A2)模拟了未产生短路的状态。

信号解码部14将模拟的结果发送到信号比较部103的电压差运算部15。

在图4的步骤S15中，电压差运算部15对发送的解码信号与从信号获取部101发送的第二检测信号的电压差进行计算。也就是说，将包含短路信息的图3(B2)的电压波形除以去除短路信息而模拟了正常时的图3(A2)的电压波形，从而得到图3(B3)所示的电压差波形。

电压差的大小来自于由滤波处理部12a处理后的偶数次分量。

在图4的步骤S16中，短路检测部16根据在步骤S15中求出的电压差波形来检测短路。在旋转角度360deg，例如从图3(B3)，检测出两对短路槽T。将图3(B3)的检测出的旋转角度的电压波形与图3(B2)进行比较，可知电压减少的一对是真正的短路槽。

接着，在检测短路时，对旋转角度的角度误差的影响进行叙述。图6是表示每个角度误差的电压差波形的图表、以及表示每个角度误差的电压差误差的图表。

在图6(A)、图6(B)、图6(C)中，短路磁极侧的电压波形和旋转角度相差180deg的正常磁极侧的电压波形的电压差波形是根据两者的角度误差求出的。

图6(A)是求出没有角度误差的情况下的电压差波形的图表。

图6(B)是求出角度误差为0.1deg的情况下的电压差波形的图表。

图6(C)是角度误差为0.2deg的情况下的图表。

图6(D)是根据图6(A)～图6(C)表示角度误差与电压差的误差的关系的图表。

在图6(A)中，产生的电压差的误差Z1示出了0.5V。由于电压差的误差Z1相对于短路槽中的信号电平3.5V足够小，因此，可认为发生误检测的可能性低。

在图6(B)中，产生的电压差的误差Z2大约超过5.0V。因此，可认为对短路检测发生误检测的可能性高。

在图6(C)中，电压差的误差Z3大约为100V。因此，可认为对短路检测发生误检测的可能性更高。

根据图6(D)，可以说当产生角度误差时，电压差的误差大约成比例地增大。根据图6(A)～图6(D)，可认为为了使电压差的误差为0.5V以下而必须使角度误差为0.01deg以下。

根据图6，为了将角度误差保持在0.01deg以下，在50Hz的情况下，是相当于0.5μsec的时间精度。另外，在直径1.4m的转子直径的情况下，是相当于0.1mm的位置精度。因此，可认为难以将角度误差保持为0.01deg，难以减小由角度误差以及时间轴的误差导致的相位的偏移。

另一方面，在本实施方式中，由于所获取的电压信号与解码得到的电压信号的相位被保持，因此不产生角度误差。

因此，在本实施方式中，不需要保持位置精度以减小相位的偏移就能够检测短路。

另外，在本实施方式的滤波处理部12a中，使偶数次分量的绝对值与奇数次分量的绝对值相比足够小，但也可以是如下方法：使偶数次分量的绝对值保持不变，使奇数次分量的绝对值例如为1000倍那样与偶数次分量的绝对值产生较大的差。

如上所述，在本实施方式中，将所获取的一个检测信号设为第一检测信号和第二检测信号，并将根据第一检测信号模拟正常时而生成的电压信号与第二检测信号进行比较，因此，不需要预备测定，能够抑制因运转条件的变化而导致的测定误差。能够抑制测定误差，准确地检测短路发生数及短路部位。

另外，不会产生由时间轴和旋转角度的误差导致的电压差的误差，能够准确地检测短路。

由于不需要为了减小相位的偏移而缩短进行测定的采样时间，因此，能够削减数据量，能够使存储装置和通信装置小型化。随着数据容量的削减，能够进行长期的监视。

实施方式2

实施方式1的短路检测装置与实施方式2的短路检测装置的不同点在于要解码的电压信号的差异。

在实施方式1中，将模拟正常时而解码得到的电压信号的电压值与测定出的电压值进行比较来检测短路。另一方面，在实施方式2中，将以相位与测定出的电压值一致的方式解码得到的电压信号的电压值与测定出的电压值进行比较来检测短路。

此外，以下，仅说明实施方式1与实施方式2的不同点，省略相同或对应的部分的说明。对于附图标记，与实施方式1相同或相当的部分也标注相同的附图标记，并省略说明。

图7是本实施方式的短路检测装置100b以及应用短路检测装置100b的旋转电机200的结构图。在本实施方式中，作为例子，旋转电机200使用涡轮发电机。

在磁通检测器10连接有短路检测装置100b。短路检测装置100b具备信号获取部101、信号处理部102b以及信号比较部103。

与实施方式1同样地，信号获取部101从磁通检测器10获取第一检测信号。在本实施方式中，还获取与第一检测信号不同的磁极的第二检测信号。

信号处理部102b生成并输出与从信号获取部101获取的第一检测信号对应的解码信号。信号处理部102b具有频率分析部11、滤波处理部12b、电压信号生成部23以及信号解码部14。关于各部分的详细处理将在后面叙述。

箭头D表示包含短路部位的信息的短路信息的路径。

图8是本实施方式的短路检测方法的流程图。

按照图8的流程图的步骤进行说明。

在图8的步骤S20中，与实施方式1的图4的步骤S10同样地，信号获取部101从磁通检测器10获取检测信号。此时，获取不同磁极的检测信号，设为第一检测信号和第二检测信号。第一检测信号发送到信号处理部102b所具有的频率分析部11。另外，第二检测信号发送到信号比较部103。并且，将第二检测信号的相位信息发送到信号处理部102b所具有的滤波处理部12b。

在图8的步骤S21中，频率分析部11对发送来的磁通检测器10的第一检测信号的波形进行频率分析。在进行频率分析时，判别第一检测信号是否短路。也就是说，如果第一检测信号的频率分析结果的偶数次分量的绝对值大于奇数次分量的绝对值，则判别为处于短路的状态，如果与奇数次分量的绝对值相比足够小，则判别为处于正常时。将判别的结果作为短路信息D，发送到短路检测部16。

在图8的步骤S22中，滤波处理部12b根据频率分析得到的结果对相位进行处理。具体而言，进行对第一检测信号的各次数的相位进行移位以使其与第二检测信号的相位一致的处理。在本实施方式的滤波处理部12b中，进行相位的移位，但各次数的绝对值不变。

在图8的步骤S23中，电压信号生成部23根据在步骤S22中求出的滤波处理的结果生成电压信号。

在图8的步骤S24中，信号解码部14根据在步骤S23中生成的电压信号，例如使用傅立叶逆变换进行解码处理。在解码时，与第二检测信号的采样数相匹配地进行解码处理。信号解码部14将解码得到的结果发送到信号比较部103的电压差运算部15。

在图8的步骤S25中，电压差运算部15对解码得到的第一检测信号和从信号获取部101发送的第二检测信号的电压差进行计算。也就是说，能够得到相位一致的第一电压信号和第二电压信号的电压差。

在图8的步骤S26中，短路检测部16根据在步骤S25中求出的电压差波形和短路信息D来检测短路。在第一检测信号中未产生短路的情况下，能够与实施方式1同样地与正常时的状态进行比较来检测短路。在第一检测信号中产生短路的情况下，能够包含在哪个部位产生短路地进行比较来检测短路。

在本实施方式中，在步骤S20中，获取与第一检测信号不同的磁极的第二检测信号，但是，例如也可以获取未产生短路的检测信号作为第一检测信号。另外，未产生短路的检测信号例如也可以预先保持在与信号获取部101连接的信号记录装置中，信号获取部101从信号记录装置获取该检测信号。

在本实施方式的短路检测装置100b中，与实施方式1同样地，以即使磁通检测器10对2个电压的检测时机不同也使两者的相位一致的方式进行解码，因此，不需要预备测定，能够避免负载变动的不良影响。

而且，由于能够按照转子槽的次数和对检测信号进行积分得到的磁通密度的主磁通的次数来使相位一致，因此，能够在抑制了电压差的误差之后进行比较，能够高精度地检测励磁绕组的短路。

另外，不需要获取容量大的信号数据以使时间精度和空间精度精细。

此外，作为本公开的实施例，说明了实施方式1和实施方式2，但本公开并不限定于实施方式1和实施方式2的各结构，能够在不脱离本公开的主旨的范围内，将实施方式1和实施方式2的各结构适当组合、或者对各结构施加一部分变形、或者将各结构省略一部分。

附图标记说明

100a、100b短路检测装置

200旋转电机

1转子

2定子

3空隙

4转子铁芯

5转子槽

6磁极

7定子铁芯

8定子槽

9多相绕组

10磁通检测器

11频率分析部

12a、12b滤波处理部

13模拟信号生成部

14信号解码部

15电压差运算部

16短路检测部

23电压信号生成部

101信号获取部

102a、102b信号处理部

103信号比较部。