（电机与电器专业论文）基于免疫算法的无刷同步发电机旋转整流器故障诊断技术研究.pdf

其巾、嚣耍的 个方面就怒在故障诊断- f ，的应用，把人工智能技术心用到故障诊 断中，提高了诊断的掳确二筝和速度，能较好地克搬系统模型l # 线性和不确定性 给故障诊断带来的困难。 在本文中，介绍了毖于生物界免疫系统的免疫算法，重点分析介缁了免疫 算法中的一种一反向遗择算法，研究了旋转整瀛瓣薛主要j = 俸特性，分析故 障信号。提出了把傅立叶分解和反向选择算法有机结合起来，剥无刷励磁同步 发电祝戆转子凌转整浚器垂鼋短路、开路等故瘴避行在线诊断拣耨方法。 本文提出的基于免疫算法的旋转整流器故障检测诊断技术首先对敞障时的 定子感应屯势进行分析，然后运用傅立时分解方法对谚感应电势进行处理，并 对感应电势的特征值再进行编码祷处理，进而再利糟反向选择算法对傅立叶分 解后的感应电势特征值进行分析计算，完成刘故障的检测诊断。 关键谰：无利赫磁旋转整流嚣免疫菠蠢选择簿法鼗障诊鞭 i i 叫i i l 大学崎 一学位论炙( 2 0 0 6 年) s t u d yo nf a u l td i a g n o s i so f r o t a t i n gr e c t i f i e r sf o rb r u s h l e s s s y n c h r o n o u sg e n e r a t o r sb a s e do ni m m u n ea l g o r i t h m m a j o ri ne l e c t r i c a l p o s t g r a d u a t e ：w a n gt a o a d v i s o r ：l i un i a n i nm o d e r nt i m e s ，d e e t r i e a le n e r g yi sak i n do fe n e r g ys o u r t 地w h i c hi st h em o s t w i d e l yu s e da n dt h eh i g h e s ti m p o r t a n t 。w i t ht h ep r o g r e s s i n gi nt h es o c i e t ya n dt h e d e v e l o p m e n ti nt h ee c o n o m y , t h e r ei sag r o wd e m a n df o rt h ee l e c t r i c a le n e r g y i no r d e r t om e e tw i t ht h e l a r g ea m o u 嗽o fe l e c t r i c a le n e r g yr e q u i r e df o ro u ts o c i e t y , g o v e r n m e n tb u i l d sn u c l e a rp o w e rs t a t i o n 、 i t hl a r g e * s c a l e m o r ea n dn l o r el a r g e n u c l e a rp o w e rg e n e r a t o ru n i t sa r eo p e r a t i n gi nt h ep o w e rs y s t e m ，s ot h e ya r em o r e a n dm o r e i m p o r t a n ti 1 1t h ep o w e rs y s t e m a tp r e s e n t s m o s tn u c l e a rg e n e r a t o ru n i t s u s eb m s h l e s se x c i t a t i o ns y s t e m 。a n di nb r u s h l e s se x c i t a t i o ns y s t e m ，t h ek e y c o m p o n e n ti sr o t a t i n gr e c t i f i e r sw h i c hc o n s i s to fr e c t i f y i n ge l e m e n t ( d i o d eo rs i l i c o n c o n t r o l l e dr e c t i f i o r ) b e c a u s ee x c i t e rc i r c u i ti sr o t a t i n g 。s ot h er o t a t i n gr e c t i f i e r sa r e u n d e rp o w e r f u lc e n t r i f u g a lf o r c ea n de l e c t r o m a g n e t i ca c t i o n ，a n dt h ei n c i d e n c er a t e o ff a u l t si sr e l a t i v e l yh i g h ；s l i pr i n ga n db r u s ha r eb o t hc a n c e l e d ，t h e nt h e r ei sn o d i r e c tr e t m i o nb e t w e e nr o t a t i n ge x c i t a t i o nc i r c u i ta n do u t s i d e , s oi ti sv e r yd i f f i e u hl o d e t e c tt h er o t o rf a u l t sd i r e c t l y b u tt h ef a u l t so fr o t a t i n gr e c t i f i e r sw i l ll e a du pt ot h e g e n e r a t o rs e ti n c a p a b l eo f n o r m a lw o r k i n ga n de v e ud e s t r o yt h ea ce x c i t e r s oi n o r d e rt oi i l c r e a s ee f f e c t i v e l yt h eo p e r a t i o nr e l i a b i l i t yo f t h eb r u s h l e s sg e n e r a t o r s ，i ti s v e r yi m p o r t a n t t od i a g n o s i n gt h ef a u l t so f r o t a t i n gr e c t i f i e r so n l i n e w h e na n yr o t a t i n gr o t o rr e c t i f i e rh a sf a u l t s ，t h er e c t i f i e r sa r eu n d e ra b n o r m a l o p e r a t i n gm o d e , a n dt h ec u f f e n tw a v e f o r mi sc h a n g e d , s ot h es i g n a lw a v e f o r m i i i 硼i i 大学妒f 学位论史( 2 0 ( 1 0 辱) m o n i t o r e di su n u s u a l 。t h ei n d u c t i 傩s i g n a l so fa c 。e x c i t e rs t a t o re x c i t a t i o nc i r c u i t c o i lb ep r e p r o c e s s e db yt h ef r e q u e n c ya n a l y s i s 。d i f f e r e n tf a u l th a sd i f f e r e n ti n d u c t i o n s i g n a l s ，a n dd i f f e r e n ti n d u c t i o ns i g n a l sh a v eh a r m o n i c sa m p l i t u d eo ft h ei n d u c t i o n s i g n a l ，：5 0 t h ed i f f e r e n tr o t o rr e c t i f i e rf a u l t sc a l lb em o n i t o r e d a n dd i a g n o s e d a c c o r d i n gt ot h ed i f f e r e n th a r m o n i c sa m p l i t u d e 。 a r t i f i c i a li n t e l l i g e n c et e c h n o l o g yi s d e v e l o pb e g i na tl a s tc e n t u r y , a n dn o wi t i s i n c l u d e se x p e r ts y s t e m ( e s ) ，a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k ( a n n kf u z z ys e tt h e o r y ( f s d ， g e n e t i ca l g o r i t h m ( g a ) a n di m m u n ea l g o r i t h m ( i a ) e ta 1 u s i n ga r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e t od i a g n o s ef a u l t si sn o to n l yr a i s et h ed i a g n o s t i ca c c u r a c yr a t i n ga n dv e l o c i t y ，b u t a l s oo v e r c o m et h ed i f f i c u l t yw h i c hc a u s e db yt h en o n - l i n e a r i t ya n dt h eu n c e r t a i n t yo f s y s t e mm o d e l i nt h i sp a p e r , i ti n t r o d u c e si m m u n ea l g o r i t h mw h i c hi sb a s e do nb i o l o g i c a l i m m u n es y s t e m ，a n dt h ef o c u si so nn e g a t i v e * s e l e c t i o na l g o r i t h m ；s t u d i e st h em a j o r $ o u l c eo ff a i l u r ei nr o t a t i n gr e c t i f i e ra n dm a a t y z e sf a u l ts i g n a l i n g ，an e wd e t e c t i o n m e t h o dh a sb e e np r e s e n t e d 协t h ef a u l t sd i a g n o s i so f r o t a t i n gr o t o rr e c t i f i e r sw h i c hi s b a s e do l lt h en e g a t i v e - s e l e e d o nf l g o f i t h m 。 t h i sp a p e rp r e s e n t st oan e wo n 1 i n ef a u l t sd i a g n o s i sf o rr o t a t i n gr e c t i f i e r s a tf i r s t , t h er o t o ri n d u c e dp o t e n f i f lo fi sa n a l y z e d ，t h e nu s et h ef o u r i e rs e r i e st oe x p a n d st h e i n d u c e dp o t e n t i a l ( f a u l t ss i g n a l i n g ) ，a n de n c o d e st h ec h a r a c t e r i s t i cv a l u e so ft h e f a u l t s s i g n a l i n ga f t e re x p a n d e di nf o u r i e rs e r i e s , a tl a s tt a k e sa d v a n t a g eo f n e g a t i v e - s e l e c t i o nf l g o f i t h mt od e a lw i t l lt h ee n c o d e dc h a r a c t e f i s t i cv a l u e so ft h e f a u l t ss i g n a l i n g ，s ot h ef a u l t sd i a g n o s i sf o rr o t a t i n gr e c t i f i e r si sc o m p l e t e k e y w o r d s ：b r u s h l e s se x c i t a t i o n ；r o t a t i n gr e c t i f i e r s ；n e g a t i v e - s e l e c t i o na l g o r i t h m ； f a u l t sd i a g n o s i s i v 四 j 入学硕 学付论史( 2 0 0 6 年) 1 绪论 1 1 研究的目的和意义 随着国民经济的快速发展，我国电力建设也得到了很大的发展。我国电力 工业虽然发展较快，但仍不能满足我国图民经济发展和人民生活水平提高的需 要。特别是近些年出现了电力供应1 e 常紧张的形势，许多省市不得不拉闸限电， 严重影响了我国经济的发展和人民群众的正常生活。 我国的电力组成结构十分不均匀，燃煤发电约占总发电量的7 1 ，水力发 电约占2 4 ，其它能源发电约占5 。而且。我国能源资源分布也极不均匀。6 0 以上的煤矿分布在东北，7 0 的水力资源在西南。而目前，我国人i = 1 和经济多集 中在东部沿海地区，这些地区的电力需求也是最多的，但常常供不应求，“北 煤南运、西电东送”的难题一直足制约我国经济发展的巨大瓶颈。煤、石和天 然气还是十分重要的化工原料用作燃料非常的可惜。同时，大量燃烧煤炭和 石油会产生许多有害废气，由此所引起的环境污染和温室效应等问题越来越受 到人们的重视。 节约能源和调整能源结构已成为二十一世纪我国能源发展战略的重点。而 核能是一种可以大规模使用的、安全的和经济的工业能源。自上世纪5 0 年代以 来，美国、法国、德国、英国、日本等欧荚众多发达国家部建造了大量核发电 站。目前，核电站发出的电量已占世界总发电量的1 6 左右，其中法国核电站的 发电量更是已占该国总发电量的7 6 ，在这些国家，核电的发电成本已经低于煤 电的发电成本。众多的国际经验表明，核电是一种经济、安全和可靠的可以大 规模使用的能源。 我国未来电力发展将积极推进核电建没，政府计划在2 0 2 0 年之前建设约4 0 座核电机组，使核电装机容量达：鞫j 3 6 0 0 万4 0 0 0 万千瓦，占全国电力装机总量 的4 左右。核电已作为我国能源战略的重要组成部分纳入国家电力发展规划， 计划通过分步分阶段发展，逐步提高核能在能源供应中的比例，重点提高孩能 在经济发达、电力负荷集中的东部沿海地区的能源供应中的比例，使核电成为 当地电力结构中的重要支柱。 核发电机组是核电站的基本设备，如果核电机维发生故障，可能会导致整 个核电站出现不可预知的事故。目前核电机组的单机容量越来越大，大功率的 四f 大学谚十学位论交( 2 0 0 6 年) 两极汽轮发电机单机容量已达1 0 0 0 一j w ；而用f 核能发电的汽轮发电机，因为蒸 气机是低速机，发电机为四极，单机容量部很大。大亚湾核电站的单机容量 是9 0 0 、 w 。目前最大单机容量达到了15 0 0 m w 。随着国家核电建设的快速发展，核 电机组在电力系统中的地位也越来越重要，其运行状态将直接影响经济发达、 电力负荷集中的沿海地区电力系统的可靠性、安全性和经济性。因此对核电机 组进行实时在线的状态监测和故障诊断显得愈发重要。 研究结果表明，当发电机的励磁电流丈于8 0 0 ( a 时，由于受滑环材质、冷却 条件以及炭刮环流等因素的影响，制造相应容量的滑环是困难的。为此，对大 型汽轮发电机采用无刷励磁系统是合适的【2 l 。而核发电机一般都是大容量的汽 轮发电机，因此核电机组也多采用无刷励磁系统。 无刷励磁系统主要由交流励磁机、旋转整流器、交流励磁机的励磁源以及 检测保护装置组成口l 。在无刷励磁系统中核心部分就是旋转整流器，其主要 由整流元件( 二极管或可控硅) 组成。为了保证无刷励磁系统能正常工作，必 须保证旋转整流器工作在正常状态，而且在其发生故障时，能够迅速检测出， 并且能快速准确地诊断出故障类型，以便保护动作能够快速准确动作，避免整 个发电系统遭受更大地损失。 目前，国内一些无刷励磁系统没有转子电流、电压检测和旋转整流器故障 诊断系统，使得值班人员无法全面地监视电机运行状况以采取相应地应急措施。 旋转整流器的损坏时有发生( 例如开路和短路故障) 。 为了保证旋转整流器正常工作，一旦转子出现故障就应立即发出报警信号， 并立刻判断出故障类型，以便发出相应的报警信号。特别是短路故障危害性大， 当发生短路故障时，短路支路中出现比额定值大十几倍的冲击电流，由于这种 冲击电流的持续时间很短，可引起发热的问题虽然并不严重，但电流的电动力 效应使得导体问产生很大的机碱应力，可能使电机乃至机座受到破坏，同时短 路时系统电压大幅度下降，对电网和电网用户影响很大。所以，当发生短路故 障时需立刻排除，才能确保电力系统不受重大故障的影响。因此，开展旋转整 流器故障在线故障诊断技术研究具有十分重要的现实意义。 1 2 国内外研究现状 虽然现代工业的不断发展，发电设备的功能不断增强，但同时结构也越来 2 四川夫学硕十学位论立( 2 0 0 6 年) 越复杂，发生故障时的破坏性也越来越大，对发电设备进行状态监测和故障诊 断一直是各国号家的研究热点【4 l 。设备的状态监测和故障诊断最早源于航天工 业和核能工业，后来在冶金、石油、电力等行业连续运转的机械设备系统中得 到越束越广泛的应用。有效的进行设备监测和故障诊断，一般可以减少7 5 的 设备事故率，降低2 5 5 0 的设备维修费用【5 | i 们。此外监测与诊断系统还可以 避免事故，从而带来可观的经济收益。 自上世纪六十年代以来，由于电子技术的快速发展，半导体工业也得到了 迅速发展，电机中出现了一种无刷励磁新技术 7 1 。由于这种励磁技术具有多种 优点，应用逐渐广泛起来，尤其在核发电机组中的使用。美国西屋公司在其容 量包括5 0 m w ：l t j 7 3 5 m w 的汽轮发电机上采用的就是无刷励磁系统。 但是在无刷励磁系统中，由于取消了滑环和炭刷，旋转整流器的电气参数 很难直接测量获得，使得对旋转整流器的故障诊断成为一个难点。国内外有关 专家对此研究也不多。 而人工智能诊断技术给旋转整流器的故障诊断带来了新的研究思路，其中 人工免疫系统的发展，使得基于免疫算法的故障诊断技术有了可行性。 1 2 1 旋转整流器故障诊断技术国内外现状 为保证发电机的安全可靠运行。最近二十余年世界一些国家都致力于在线 监测和诊断技术的研究，并逐步推广在实际中的应用。i h a 十年代以来的国际 大电网会议( c i g r e ) 的历届年会中，发电机的故障监测和诊断一直列为s c 一 1 l ( 旋转电机) 委员会的中心议题之- - i ”。自上世纪9 0 年代以来，各国开始研制 和采用计算机的基于人工智能技术诊断系统，便诊断技术发展到更为高级的程 度。因此，自上世纪后期以来，发电设备的在线监测与故障诊断系统的研究， 开发和利用有了长足的发展。而对无刷励磁同步发电机旋转整流器故障诊断技 术虽然研究不多，但是仍然取得了很大的进步。 对旋转整流器故障时波形进行正确分析是进行故障诊断的前提，文献 9 对无刷励磁旋转整流器在正常或故障运行状况下，其交流励磁发电机电枢电流 波形和电枢电流产生的商次谐波磁场作了较详细的理论分析，并对交流励磁发 电机电枢电流的高次谐波磁场在其定子极f b 】探测线圈上感应的一系列谐波电势 进行识别分析。根据这些分析识别的结果，作者实现了对无刷励磁系统旋转整 网川大学硕卜学位论叟( 2 0 0 6 年1 流嚣元件工作状况的计算机识别。文献：1 0 也对旋转整流器的二极管故障时的 工作模型进行了详细的分析和研究。 文献 1 1 中，作者对无刷励磁系统的旋转整流器的二极管故障提出了一种 监测方法。该方法用一只氖灯与母一熔断保险丝交叉连接，使得在保险丝熔断 情况瞎，在每一周期里氖灯部变亮再用光电二极管报警装置将氖灯信号显示 出来，这样就能对故障进行定位了。但是这种方法的准确性不商。 文献 1 2 中，作者根据理论分析和试验论证，提出了在三相无刷同步发电 机系统中，提出了在一般故障发展成接地故障之前，建立能用于指示电眍绕组、 励磁线圈和整流二极管损坏程度的电气特性，通过对5 k v a 的无刷同步发电机实 验验证，表明利用该电特性可以检测整流二极管故障 文献 1 3 中，作者利用在转子上装设一个单片机系统，对旋转整流器各特 征电的电压进行检测和判断，可以有效的监视各整流二极管的工作状况。同时 利用编码红外光把信息传送到静止侧。该方法检测可靠，可是没备安装较困难， 成本较大。 文献 1 4 中，作者利用单片机最小系统、信号检测处理电路、显示报警电 路、转子电流显示电路、语音电路等五部分电路组成一个系统对旋转整流器故 障进行监测，具有报警快速、通用性较好等特点。但是诊断准确率不高，只对 小型无刷同步发电机有意义。 文献 1 5 中，作者提出了一种无刷同步发电机旋转整流器故障检测的新方 法。通过采样一保持电路和a d 转换电路，提取交流励磁机中所获得探测线圈感 应电势波形，对其离散化得到离散数值。再对该离散数值进行快速傅立叶变换， 把计算得出的感应电势波形的幅频特性作为故障模式识别的特征值，最后按近 邻法设计出分类器，对故障进行诊断。 文献 1 6 中，作者研究了一种快速识别交流励磁机旋转整流器故障的微机 检测新方法，该方法利用在励磁机上放置极间探测线圈提取故障信号，再用单片 机系统对所提取的信号进行分析，并判断故障类型。作者利用这种方法研制出 了以m c s - 5 1 系列荤片机8 0 3 1 为核心的交流励磁机旋转整流器故障检测的微机报 警装置，该装置已经通过了1 5 k w 无刷励磁同步发电机上的测试，结果表明装置结 构合理，运行比较可靠。 文献 1 7 中，作者首先利用系统辨识技术按在线监测原理在发电机定子侧 阴 学颐 学位论文( 2 0 0 6 年) 和副励磁机侧采集样本，并且利用动态拟合关系计算副励磁机励磁电流，再把 计算值与实时星测值相比，以确定是否发生了故障，然后进一步利用频谱分析、 数字滤波和小波包等技术相结合进行故障筛选，提取故障特征量，完成故障诊 断。 文献 1 8 中，作者提出了一种对无刷励磁同步发电机的励磁线圈和旋转整 流器的预诊断方法。该方法通过对励磁线圈和旋转二极管的损耗和老化程度进 行在线监测，对故障进行预测。实验结果表明该方是比较有效的，但是在故障 的在线诊断方面实时性不强。 但是由于现代发电机功能越来越强大、结构也越来越复杂，随之带来的复 杂数学模型、系统的非线性和不确定性、噪声污染等因素使得用传统的方法诊 断故障时速度和精度有时候难以达到理想的效果，因此用传统的方法诊断发 电机故障有相当大的局限性【1 9 l 口0 1 ，在无刷励磁同步发电机的旋转整流器故障诊 断中使用传统的方法也常常难以令人满意。 当前，故障诊断技术的一个重要发展方向就是与人工智能的有机结合。人 工智能技术是在上世纪末开始发展起来的。自上世纪中期以来，人工智能技术 取得了巨大得发展，它引起了众多不同学科背景的专家们的日益重视，目前成 为计算机科学、控制科学、信号分析科学、生物科学语言学等多种学科相互交 叉的- f l 前沿学科田 2 2 1 。人工智能技术的应用范围十分广泛，从航天飞行到设 备加工、从产品设计到医疗领域、从模式识别到数据采集都有人工智能技术的 身影圆 经过发展，人工智能技术现在已经包括专家系统 2 4 1 2 s 1 ，模糊理论拉6 1 ，人工 神经网络叨，遗传算法口”和免疫算法口9 1 等多种智能算法，用这些算法处理电机 的故障诊断问题，能够克服现代电机的复杂数学模型、系统的非线性和不确定 性等难点，具有传统电机故障诊断技术所没有的优势，因此基于人工智能技术 的电机故障诊断技术成为目前电机故障诊断方法的重要发展方向”o 】。 近些年来，已经有专家研究用人工智能技术对无刷励磁同步发电机的旋转 整流器进行故障诊断。 文献 3 z 中，作者以6 3 0 k v 无刷励磁同步电机为研究对象，采用神经网络 识别故障。在旋转整流器各种故障状态下，测试交流励磁机极间探测线圈中感 应电势的各次谐波，作为神经网络的训练样本。最后，将经过训练的神经网络 阴1 1 1 大学硕卜学位论丈( 2 0 0 6 年) 程序模块置入计算机监测系统中，以识别旋转螯流器的各种故障炎型。实验结 果表明采用的神经网络进行故障诊断具有抗干扰能力强、识别准确等优点。 文献：3 3 ：和 3 4 中，作者采用了基于模糊理论模式识别技术，建立计算机数 字诊断模型，将交流励磁机定子励磁回路中感应的信号用频谱分析预处理，然后 利用模糊理论进行旋转整流器故障分类识别，该方法扩大了识别故障类型范围， 提高了故障识别的准确度。 模糊神经网络是模糊逻辑与神经网络相结合而构成的，具备模糊理论和神 经网络技术的优点。文献 3 5 中，作者基于模糊神经网络对无刷励磁同步发电 机旋转整流器故障诊断进行研究。经过v i l 练后的模糊神经网络，在对旋转整流 器故障进行诊断时，有较高的准确性和有效性。 文献 3 6 】中，作者以无刷励磁发电机旋转整流器二极管开路故障为例进行 实例分析，提出了基于故障树和神经网络的集成故障诊断思想，结果表明了该 方法具有一定的可行性。 基于人工智能的故障诊断技术将是无刷同步发电机旋转整流器故障诊断 技术的一个蘑要发展方向。 1 2 2 人工免疫算法的应用现状 免疫算法是近些年来兴起的一种人工智能算法，它模拟了生物免疫系统自 适应识别和消除侵入生物体的抗原性的非己物质的过程。它具有全局和局部搜 索能力强，能并行快速搜索、自我学习、自适应调整等特点。 基于生物免疫系统的工作原理，研究者们提出了多种人工免疫网络和免疫 学习算法，如独特型免疫网络模型、多值免疫网络模型、反向选择算法、科隆 选择算法和基于疫苗的免疫算法等等。人工免疫免疫算法已经用于机器学习、 异常和故障诊断、模式识别、机器人控制和行为仿真、网络入侵检测、数据挖 掘、参数优化等领域，并表现出较好的性能和效率。 文献 3 7 中，作者本文在分析人类免疫系统的工作原理的基础上介绍了一 种基于免疫原理网络人侵检测新模型，并对该模型的特性进行了详细分析，结 果表明该模型的误报率低，自适应性好。 在模式识别方面，在文献 3 8 中，作者研究了基于克隆选择机理的字符识 别问题，采用状态空间衷示待识别的模式，识别准确率商。 6 州川大学硕卜学位论文( 2 0 0 6 年) 在文献e 3 9 ，作苔受免疫生物系统的启发，建苞了一个基于免疫网络的机 器人行为控制框架。仿真结果验证了可行性。 在文献 4 0 中，作者将免疫算法应用到了数据挖掘中，研究了基于人工免 疫系统模型的无监督数据挖掘学习算法，将其用到了d n a 序列的分类任务中， 验证了可行性。 近年来，对人工免疫系统基于反向选择算法的原理，f o r r e s t 首先提出了用 该算法来检测异常，从而可以利用反向选择算法来对故障进行诊断h ”。这也是 本文重点研究的算法。文献 4 2 对利用该算法对故障进行诊断的原理给出了较 为详细的介绍；在文献 4 3 中，作者则研究了利用该算法对异步电动机进行故 障诊断的技术。 目前免疫算法的发展还处于初步阶段，还有许多不完善的地方，需要有关 专家的进一步研究。 1 3 研究的内容和主要工作 根据以上的研究，本文对无刷励磁发电机旋转整流器故障进行了系统的分 析，并详细介绍了基于免疫算法的故障检测与诊断方法。首先说明了进行无刷 励磁发电机旋转整流器故障诊断的必要性，详细地研究了旋转整流器发生故障 的原因、类型及故障信号：为了快速获得故障信号，采用加信号提取电容法作 为得到故障信号的主要方法；同时详细地介绍了免疫算法及其应用原理，深入 地研究了如何利用该算法中反向选择学习算法对旋转整流器进行故障诊断，利 用该算法，可以有效地对故障进行诊断。 本文主要完成了以下几个方面地研究工作； 1 针对发电机故障诊断技术，查阅了大量的国内外相关的科技文献和学术 论文，了解国内外有关专家在该领域的研究方法和成果，并对这些方法和成果 作了一定的总结。 2 分析无刷励磁系统数学模型，研究旋转整流器发生故障的原因和类型， 对故障时提取的信号进行分析，并用小波包分析法对信号消躁。 3 介绍免疫算法的生物学基础，简要介绍生物免疫系统的主要组成、基本 原理和工作过程。同时对免疫算法的基本原理和应用作了介绍。重点介绍了该 算法中的反向选择学习算法，利用反向选择学习算法可以检测系统异常。 四川大学颤十学位论史( 2 0 0 6 年) 4 把傅立叶分解和反向选择学习算法结合起来。借助傅立叶分解对故障信 弓提取特征量，研究利用改进的反向选择锋法分忻该特征量，进行故障诊断， 并且建立相应的数学模型。 5 利用m a t l a b 软件对故障诊断数学模型进行仿真，仿真得到了较为满意 的结果，表明可以利用改进免疫算法对无刷励磁发电机旋转整流器进行故障诊 断在实际中是可行的。 s 叨o 1 人学硕t 学忙论文( 2 0 0 6 年) 2 无刷励磁系统 对旋转整流器故障进行正确的诊断的前提是必须对无刷励磁系统要有深入 的了解，因此本章介绍了无刷励磁系统的主要优点和难点，以及系统的主要结 构和工作过程，较详细地介绍旋转整流器的数学模型，并对多相无刷励磁系统 做了一定的介绍。 2 1 无刷励磁系统的主要特点 励磁系统是同步电机( 发电机与电动机) 的重要组成部分。它的工作特性 直接影响着同步电机运行的稳定性和可靠性，乃至影响电网运行的稳定性和可 靠性。工作特性优良的励磁系统不仅可以保证同步发电机运行的可靠性和稳定 性，而且可以有效地提高发电机及其相联的电力系统的技术经济指标。 励磁系统一般分两部分：1 、励磁功率单元，这部分直接向同步发电机的励 磁绕组提供直流励磁电流：2 、励磁调节器单元，这部分是根据发电机的运行状 态，控制励磁功率部分输出的直流励磁电流，以控制发电机的输出。老式励磁 系统，励磁功率单元多采用直流励磁机，励磁调节器挚元一般采用机电型或电 磁型调节器。由于这种系统固有的弱点( 运行时容易产生火花，易磨损，维护工 作量大，响应速度慢，容量受制造工艺限制等) ，已不能满足日盏发展的电力系 统的要求，因此需要用新型的励磁系统取代老式的机电型励磁系统。 随着同步发电机单机容量的增大和大功率半导体元件的广泛应用，近几十 年来，在同步电机励磁系统中推广应用了各式各样的半导体励磁方式。半导体 励磁系统以半导体整流器为励磁功率单元，以半导体器件构成励磁凋节单元。 半导体励磁方式是把交流励磁电流经半导体整流电路装置变为直流后给发 电机提供励磁的。根据交流励磁电流的种类不同，同步发电机的半导体励磁可 分为两犬类。 1 第一类是采用与主机同轴的交流发电机作为交流励磁电源，经硅整流器 ( 即硅二极管) 或可控硅进行整流，供给励磁。这类励磁系统由于交流励磁电源 来自主机之外的其他独立电源，故称为他励整流器励磁系统( 包括他励硅整流器 励磁系统和他励可控硅整流器励磁系统) ，简称他励系统。同轴的用作励磁电源 的交流发电机称为交流励磁机( 也称同轴辅助发电机) 4 4 1 。这类励磁系统按整流 四大学帧 学位论定( 2 0 0 6 年 器是否旋转和交流励磁机足磁场旋转还足电枢旋转又可以分为以下明类： ( 1 ) 电枢旋转式的交流劢磁机加旋转硅螯流器； ( 2 ) 电枢旋转式的交流励磁机加旋转可控硅整流器； ( 3 ) 磁场旋转式的交流励磁机加静止硅整流器： ( 4 ) 磁场旋转式的交流励磁机加静止可控硅整流器； 上面( 1 ) 和( 2 ) 两种方式，硅整流元件和交流励磁机电枢部是随主轴一同旋 转，直接给主发电机转子励磁绕组供应励磁电流。不需要经过转子滑环及炭刷 引入，故称为无刷励磁方式。而( 3 ) 和( 4 ) 两种方式的硅整流元件是静止整流的， 因此被称为它励静止半导体整流励磁方式。 2 第二类是采用变压( 流) 器作为交流励磁电源。励磁变压( 流) 器接在发电 机出口或厂用电母线上。因为励磁电源足取自发电机自身或发电机所在的电力 系统，所以这种励磁方式称为自励励磁系统。 无刷励磁系统是它励整流器励磁系统中有发展前途的一种。其实无刷励磁 原理提出来已经比较久了，但是在早期一直受半导体整流器件容量、工作特性 和制造工艺等方面的影响，因此在实际中并没得到真正的实现。后来，电子技 术的快速发展带动了半导体技术的侠速发展，出现了机械性能好、高电压和大 电流的硅整流器件。利用该整流器件作为旋转整流器的整流器件，可以取得较 为理想的效果，从而使得无刷励磁系统得到了实现，逐渐应用起来，并越来越 广泛。最早的无刷励磁方式出现在1 9 5 0 年，1 9 6 0 年在大型汽轮发电机组中开 始出现无刷励磁系统。 与老式的励磁系统相比，无刷励磁的主要特点如下： ( 1 ) 因为取消了整流子、滑环和炭刷等器件，因此不像老式的励磁系统需要 定期对这些器件进行维护清理，无刷励磁不需要进行这方面的维护工作，也不 会出现这方面的故障，减小了维护时间和工作量，运行的可靠性得到了提高； 也为电站实现无人值班或少人值班创造了有力条件： ( 2 ) 因为没有炭粉和钢末，不会引起电机绕组污染，因此机组绝缘的寿命相 对得到了延长，经济指标得到了提高； ( 3 ) 由于取消了整流于、滑环和炭刷，所以即使在运行时，周围环境中有易 燃易爆气体存在也不会因整流子、滑环和炭刷间摩擦产生电火花而造成事故。 因此，即使在条件较恶劣的环境中也能安全稳定可靠地运行，扩大了无刷电机 l ，q 川太学硕l 学位论史( 2 0 0 6 年) 的使用范围。 ( 4 ) 随着电力工业的发展，发电机单机容量日益增大，需要的励磁机功率 越来越大，老式的励磁系统采用的是直流励磁机，无法满足要求，即使采用了 大功率的直流励磁机，因为功率太大，需要更多的碳刷也就相应地需要安装更 多的集电环，这给励磁系统的检修和维护带来了诸多不便，因此老式的励磁系 统很大程度上限制同步发电机了输出容量极限，而采用无刷励磁系统则提高了 同步发电机功率极限，同时也就提高电力系统传输功率的容量。 虽然无刷励磁系统拥有诸多有点，但它还是有一些难点有待解决 4 4 1 ： l 、由于同步发电机转子目前还无法直接灭磁，现在只能在励磁机加一个灭 磁回路，因此灭磁时问较长，不利于快速起停； 2 、由于励磁电路是旋转的，因此旋转整流器要承受强大的离心力和电磁作 用，故障发生率也相对较高； 3 、取消了滑环和电刚，旋转的励磁回路与外部无直接的连接，这就很难对 转子电压和电流进行直接的检测： 4 、旋转整流器故障检测与诊断技术有待进一步研究。这点也是本文研究的 主要内容。 2 2 无刷励磁系统的主要结构和工作过程 无刷励磁系统主要交流励磁机、旋转整流器和交流励磁机组成，其组要结 构如下所示； 。p 。- , o 。 图2 1 无刷励磁系统主要结构图 l l 四大学哥 学位论文( 2 0 0 6 f ) 上图中，虚线部分r z q 为旋转部分，即旋转整流器部分：儿为交流励磁机， 是旋转电枢式的三相同步发电机，即转子为电枢、定子为磁场的三相同步发电 机；j f l 为永磁式的交流副励磁机：a f 为励磁调节器：y h 为电压互感器；l 为 电流互感器：g 为发电机。 由于硅整流器安装在与主轴一起旋转的圆盘上，交流励磁机儿的电枢产生 交流电势，该交流电势经过旋转的桥式整流器。由交流变为直流，从而直接供 给主发电机g 转子的励磁绕组使用。从结构图和工作过程可以看出交流励磁机 的三相交流绕组、整流装置和发电机磁场部在同一旋转轴上一起旋转，故不再 需要滑环和炭刷，从而实现了无刷励磁。 由于硅整流器装在旋转圆盘的盘周围，因此必须要有很好的承受强大离心 力的机械强度的能力。为了能够承受强大的离心力，连接在硅整流元件上的并 联电阻、电容等元件，也要采用耐离心力的材料，同时还要用环氧树脂固定。 同时为了简单和可靠，有的旋转励磁系统取消了与硅二极管并联的阻容抑制回 路而选用反向峰值电压高的二极管，这个改变经实践证明是合理的，运行是成 功的。为了简化过电压保护，一般仅在硅整流器直流侧装一个并联电阻。 交流励磁机儿的磁场回路由副励磁机j f l 提供的交流电经励磁调节器a f 中的硅整流桥整流成直流后供电，交流励磁机的频率一般为1 5 0 h z 或2 0 0 h z 。 副励磁机通常采用磁极旋转式的永磁发电机，其轴经弹性联轴器与主发电机的 大轴相联，同轴一同旋转。作为副励磁机的永磁发电机定子绕组感应的电势， 则作为交流励磁机的励磁电源以及直流稳压电源的交流电源，频率一般为 3 5 0 h z 或4 0 0 h z 。 可控硅励磁调节器a f 实时反应主发电机的输出端电压的变化，根据该变 化，调节器控制交流励磁机的磁场电流，以调节交流励磁机的电压，从而间接 地实现了对主发电机励磁电流的调整。 上述的无刷励磁方式，由于是以控制交流励磁机的励磁电流，而实现调节 交流励磁机的电压，所以励磁电压的响应响应速度要慢些。现在对小型机组国 内有关专家又研制了他励旋转可控硅的无刷励磁方式。这种方式由于旋转整流 器元件采用的是可控硅，加快了励磁电压响应速度，并为无触点快速灭磁提供 了有利条件。 田夫学硕卜学 3 论文( 2 0 0 6 年) 2 3 旋转整流器的数学模型 2 3 1 旋转整流器工作特点 整流电路是一种把交流电源电压转换成所需的直流电压的一种电路，将交 流电转换为直流电的过程又叫a c d c 转换过程。整流电路是电力电子技术中出 现最早的一种变化电路，随着半导体技术发展，构成整流电路元件也得到了很 大的发展，使得整流电路应用十分广泛，例如无刷励隘系统中的应用；同时电 路形式多种多样，可以满足不同的需求。 为了满足不同环境，不同生产需要，出现了各种结构和功能的整流电路， 它们虽然都能将交流电变为直流电输出，但其电路技术性能指标是不同的，主 要体现在输出直流电压的平均值、直流输出中的交流分量和功率因数等等。目 前在实际应用中，文献 4 5 以不同的方法对整流电路有不同的分类： ( 1 ) 按电路结构分类 半波整流电路；每根电源进线流过单向电流。 全波整流电路：每根电源进线流过双向电流。 ( 2 ) 按电源相数分类 单相整流电路：单脉波或双脉波。 三相整流电路：三脉波或六脉波。 多相整流电路：多脉波。 ( 3 ) 按电路控制特点分类 不可控整流电路：电路的输出直流电压平均值同交流电源电压的比值固定 不变，同时功率只能是由电源流向负载。这种电路的整流器件一般是二极管。 半控整流电路；电路的输出直流电压平均值同交流电源电压的比值可以改 变，但是功率仍然只能是由电源流向负载。这种电路的整流器件一般是二极管 和晶匝管同时存在。 全控整流电路：电路的输出直流电压平均值同交流电源电压的比值可以改 变，并且功率可以双向流动，即可以由电源流向负载，也可以由负载流向电源， 这种电路的整流器件一般是晶匝管。 大型汽轮机的中无刷励磁系统都是采用三相全波整流电路，而且一般都是 使用二极管作为整流器件。三相全波整流电路是由两个三相半波整流电路组合 发展而来，如图2 2 所示，其中一组三相半波整流电路共阴极连接，另一组共 网】f 大学碛。学位论文2 0 0 6 年) 阳极连接。 l i a d jl d 2 js d 3 j 一 。 hr u c _-_ l i ) 4ll m l 踟z f ) 1 ：d ：2王d 3zi i la i 鼋 ih l o i ) 4z d 5 j d b 7 ( a ) 带阻性负载时电路( b ) 带露性负蕺时电路 图2 2 三相桥式整流电路 一股来说，无刷励磁同步发电机的交流励磁机是一台旋转电枢式的交流发 电机，它的输出电流经由旋转整流器整流后再送到同步发电机转子绕组供给励 磁，作为励磁电流。无刷励磁系统的整流电路结构如图2 2 ( b ) 所示，r 为等效 电阻，一般都很小。 时l 司 ( a ) 带阻性负载 时间 ( b ) 带感性负载 图2 3 三相桥式整流电路负载电流 图2 3 可以看出，负载不同时，整流电路的负载电流是不一样的，由于无刷 励磁系统中的三相整流电路的输出电流是供给同步发电机转子绕组作为励磁电 流使用的，该整流电路的负载可以看成是大电感的感性负载，因此它的负载电 流就是如图2 3 ( b ) 所示的