光纤传感器的感应电动机在不平衡和谐波检测中的使用

杰西M.克瑞斯、乔维尔布拉沃、弗朗西斯科J.棱、成员、IEEE，伊格纳西奥·马蒂亚斯，高级会员，IEEE摘要—在这项工作，提出特定的不平衡电压和逆变器谐波对使用光纤传感器感应电动机性能的负面影响的检测新方法。供应不平衡电压型三相异步电动机引起振荡的电磁转矩，产生振动、增加的损失、效率降低和额外的温度上升，导致减少对绝缘寿命的机器。设计了新的线在纤维具加速度计来检测这些振动中直流500Hz范围。所用的线在纤维具方案提供了高鲁棒性和稳定性，给予足够的敏感性监测频率低和低振幅振荡在定子的机器存在的电压不平衡的情况。为了证明测而无需访问到这台机器的电气部分和准确的监测可以获得使用了高分辨率的分析，提出。这项索赔，kW鼠笼式异步电动机不同不平衡水平下分析了。它是显示一个精确的不平衡因素可以检索引术语——发动机故障检测、法布里-入射干涉仪、寿命加速度计、异步电动机和电压不平衡。I.介绍根据美国能源部（DoE），70%的电力采用工业电机，并在一个典型的行业中80%的负荷包含的三相交流异步电动机[1]。感应电动机由于其通用性、可靠性和经济比以往更正在使用。在大多数情况下，条件监测计划将重点放在三个感应电机组件之一：定子、转子或轴承。其实振动监测接受为许多类型的机器的电性故障诊断因为这种做法并不需要修改机器或获得补给线[2]—[4]。大型系统往往配备机械传感器，主要基于电涡流探头的振动传感器的影响。那些不过是灵敏和昂贵。虽然使用振动监测是目前广泛，很少其注意给电机供电的电压不平衡。电压不平衡与不平衡的分布系统网络的案例或单相负载的使用有关。一些具有代表性的例子是不对称的变压器绕组或输电线路阻抗，不平衡三相负荷，打击熔断器在三相系统中，或切换显著的单相负载，只是举几例。由于感应电动机两个工业区和住宅区中的广泛应用，对异步电动机的破坏性影响将导致重要的经济影响。在电压不平衡下线电流偏差的振幅可以比电压的变化，创造脉动转矩大许多倍。从电气的角度来看，振动是由于不同的磁场力机的转子与定子之间。电动机械的机械振动故障的来源是机器老化速度越快。机器的寿命降低的另一个原因是感应电动机效率减少以来甚至小的不平衡系统中的电压不平衡实验下严重增加转子损耗的额外的温度上升。当在低速运行时的热耗散能力较低，并减免可以变得尤为严重。国际电气代码(IEC)标准[5]1%限制允许电压不平衡量对异步电动机，并责成有关减免如果电压不平衡是更大的（5%）。为降低额定功率机原因存在于电能的转变，从一代到最终用户的所有阶段。它是众所周知的电力电子系统可靠性是极为重要的工业、商业、航空航天和军事应用。在脉宽调制（PWM）驱动器中存在的主要问题之一是全球地面观测系统、绝缘栅双极型晶体管或金属-氧化物半导体场效应晶体管在逆变桥的非理想特性的电流畸变。输出电流畸变的主要来源，因而在电机轴的转矩脉动，并必须以防止短路的逆变桥存在的死区时间插入。微处理器的使用给出了较高的质量控制，但虽然PWM波形正变得越来越复杂，这些波形很少在每个阶段上具有相同的形状，因此，三相输出电压可以不平衡。此外，众所周知从安全的角度来看，预防性的维护，如制冷泵、,临界反应堆组件有一个有意义的重要性。这些大型的机器，这是本文的目标，一个共同的特征是高的电流和电压水平，创造高的衍生品和电磁干扰的存在。当开关机控制的高功率水平，换向装置可以测量信号中造成不可接受的干扰。正因为如此，电磁干扰（EMI）免疫功能的光纤传感器是应用的有利的候选人，以满足遥感在这些领域。高的电气隔离允许使用的光纤探针在电气仪表使用危险或不起作用的如根据高度爆炸性环境，例如在石化行业的地方。图1。电机械系统的示意图有几个光纤振动测量[6]的基础的技术。广泛地讲他们可分为光纤布拉格光栅（光纤布拉格光栅）[7]、[8]，强度调制和法布里-入射干涉（光学仪器）[9]。由干涉技术，提供灵敏度最高，其中最具吸引力可能是原子光学仪器，由于其易于实现、低大小和鲁棒性。内在配置[10]使用半反射面上一段烤瓷铅纤维的纤维的面孔营造干涉腔。外部配置[11]由提供机械稳定性对光纤劈裂的端面的测微对准管组成。这项计划的主要缺点是来自难以充分保护腔内，以获得鲁棒性和长期可用的传感器。制造更好的设备，在本研究中使用备用配置是在行纤维具（寿命）提出[12][13]。融合一段空芯光纤两个标准的单模光纤，打造干涉腔之间，建立这种传感器。在非连续的应力是空心部分匹配与单模光纤的外直径，明显较低。在这项工作中使用的传感器基于地震的大规模效应与两个不同的操作范围。下面的共振频率，它可以作为一个加速度计，和为更高频率的输出是工作作为测振仪的位移成正比。论文结构将开始与一些定义下电压不平衡系统。然后将显示换能器结构，其性能的主要属性。在那之后，将实验结果和拟议的系统检测中的三相感应电机的电气不平衡的能力将受到考验。II.学术背景图1中列出的是正在研究的系统。经营的原则包含的电机的电磁转矩，由转子和定子之间的角度创建流量角度任何电气机器，目前都在定子和转子的机器的存在。在定子上的扭矩足以引起的负载，作为所需的电源控制器的速度变化。可以在负载联轴器中使用测量扭矩传感器检测这扭矩的一部分。反应转矩是由机械的装配到配套基地，诱导可以使用适当的测振仪检测到的不良振动传播的。下面，暴露出对称分量的方法。它是在这里用来计算电机的转矩下不同的电压不平衡度。对称构成经典的故障分析的不对称的电力系统利用了基于对称分量法[14]获得系统组件的零，正、负序模型（Va,Vb,Vc）。序列线给中立的电压（VVoVpVn当a=ej(2π/3)线间电压高低都不平衡，永远不会存在零序分量，负序电压正电压不平衡的主要原因。Tem=3在这ωs同步电机频率，ωr是转子电频率和S=(ωs-ωr)电压不平衡定义电压不平衡对异步电动机的稳态性能的影响的理解是有关异步电机运行和保护标准的理论根源。正弦电压型三相系统电压不平衡因子（VUF）是由IEC定义作为之间正负序分量[18]商数VUF(%)=Vn/V通常正序电压是非常接近额定电压和负序电压是非常接近VUF。因此，VUF的确可以视为每个单位中负序分量。而且，相位电压不平衡率(PVUR)被定义在IEEE标准141PVUR(%)=Max{Va-这里Vavg=（Va相应：不平衡和谐波检测中感应电动机使用光纤传感器图2感应电动机模型的序列谐波影响遥感计划通过逆变器产生的谐波可以在某些情况下的振动与振荡在交流电动机的主要来源。基本的谐波分量正序，二阶谐波负序，三次谐波零序，重复这个模式的高次谐波。负序谐波产生的转矩脉动，导致过剩的绕组的功率损耗，因为它作对的基本组成部分。这是一例由电压不平衡的谐波分量。那些正序有向前旋转，并也增加趋肤效应和涡流造成的损失。最后，三次谐波的倍数的三次谐波的零序谐波和他们有没有对转矩脉动的影响。逆变器，在实践中，所产生的谐波是奇怪和不的三倍。在[19]分析了谐波对电机的影响，并为例，最低的谐波频率下，在第五和第七次在三相方波逆变器，它们产生在第六次的谐波频率脉动转矩。此外，由于高次谐波产生扭矩组件在更高的频率，他们具有较低的影响上的速度脉动系统惯性的综合效应。逆变器输出的谐波含量取决于控件的类型。六步驱动器，基本上有一个方波输出，转矩脉动是一个问题，因为在低频定子旋转磁场的阶梯的性质引起转矩脉动的应用。然而，现代的正弦PWM的转矩脉动问题是大大减少，因为输出波形接近正弦，即使在非常低的速度。[20]中我们可以看到如何PWM调制将推入高频率范围在开关频率和其旁带(5—10KHz)附近的谐波。PWM驱动产生小加热和扭矩正是由于较高的频率。电机的漏感上升比例到频率，因此，更高的频率电压谐波导致在很小电流和很小的转矩和加热效果。就我们所知，第二个命令转矩纹波谐波不参与逆变器的开关性质造成的电磁性质振荡除非当输出有电压不平衡，例如一个死时间问题引起。然而，如果与谐波的对称系统变得不平衡，第二次的谐波负序电流流独立于现有的谐波。由此产生的不平衡（负序）电流诱导双系统频率电流在转子，很快导致转子过热。根据电压不平衡，热、力学、磁性应力出现，并且造成了多数转子故障，最后是转子断的条故障。在[21]报道了异步电动机转子断条的仿真研究。频谱的转矩脉动，和由于振动谱，给出了，组件，是速度滑移线频率。由于滑低在正常操作中，振动谐波是在低频率范围内，约4Hz。III.传感器的制造与特征地震的大规模效应是传感器的原理所研制，该系统传感器的由光纤和集中的质量。光纤工程弹簧-质量系统和其变形的春天注册的法布里-入射具镜子的反射光干涉法。具计划如图3所示。传感器的制造的第一步包括劈标准单模光纤和50/125空芯光纤。劈裂角是极为重要的为了维护的到达探测器的光量，每个光纤的劈裂被测试发射光束的激光光源和反射光的功率测量。然后切割的端面的单模式光纤（SMF）融合到空芯。下一步包括切丁的空心纤维附加到SMF中，在这一点上设置腔的长度。最后一步是向另一个单模光纤由空心光纤端面的融合。单模光纤空芯光纤单模光纤图3示意图这种技术的优点是两个镜像被保护免受外部因素和这两个表面之间的并行可配备高精度。不过，由于所需的旋转机器的振动测量的灵敏度高，一直有需要在毫米范围内传感器与腔。这种技术的优点是两个镜像不受这两个表面之间的外部因素砂并行可配备高精度。不过，由于所需的旋转机器振动测量的灵敏度高，一直有需要在毫米范围内传感器与腔。这种技术的优点是两个镜像被保护免受外部因素和这两个表面之间的并行可配备高精度。不过，由于所需的旋转机器振动测量的灵敏度高，一直有需要在毫米范围内传感器与腔。测量系统的原理图设置从1mW激光在1310年毫微米光穿过一个输入2×1SMF定向耦合器的图4所示。输出臂附加到寿命传感器和另一个输入端连接到检测传感器包含的振动信息，具有增益10mV/µW的反射光的光电探测器。光电探测器被连接到一台示波器与FFT模块，以显示应用的振动信号的频率域表示.寿命500腔长度与光纤末端相连的40g的铅集中大量被使用。图4不平衡量监测系统的原理图当加速到哪里一点的纤维保税的框架对此印象深刻时，由惯性力引起的应变出现在纤维的所有节。特别是在空芯光纤应变导致的变形，改变之间的空腔两端的长度。此外，变形生成变化中反映由于光干涉的光功率。这基本上是传感器的操作。寿命传感器具有良好的线性度，在测量范围内，视为它在图5中。输出可以被认为近似线性的范围20%—80%，与典型的偏差小于2%。最低检出加速度取决于传感器范围和空调系统的信号放大器。限制因素是该决议的光电探测器信号调理。光功率计具有固有的随机噪声，为8.8。最小可探测振幅加速度以为当噪声作为传感器的输出相同的振幅。在这种情况的传感器被下使用电动力学振动台正弦波振荡。然而，使用适当的筛选器，可以降低噪音从而提高信号信噪比（SNR）的恢复信号。发现的最小可检测到的加速度幅值是0.5，对应于300毫微米位移幅值，衡量在200赫兹。滞后是微不足道的。生命传感器电源幅值响应(nW)加速度幅值的振动波(m/s2图5。振幅响应在f型光纤加速度计的灵敏度为1.76nWs2它必须予以考虑的纤维是一种弹性的材料，可以建模为一个春天，随着复苏常数，鉴于由空心截面和玻璃杨氏模量的区域。此外，阻尼的存在有助于减少共振的影响和稳定质量-弹簧系统。因此，将模态分析应用于拟议的机械系统稳态正弦运动，振幅的正弦波变形的纤维，给出了由[22]∆l=x0ωn=k/m,该变量是正弦波振动波的频率,m是公斤的惯性质量，c是在公斤的阻尼，x0是安装绝对位移幅值。这个位移幅值给出了由x0=根据该数学模型模拟了传感器的频率响应和结果可以看到在图6中，在那里可以欣赏共振峰约85Hz。传感器的输出为频率低于共振频率，甚至对直流值加速度成正比。共振频率取决于几个因素，但其调整的主要变量是集中的质量和框架，它保税区之间的纤维的总长度。作为加速度传感器和传感器测振仪，共振峰确立了工作范围。当工作作为测振仪（用于频率共振高出三倍），质量与底座（感觉到的传感器）之间的相对位移基本上是基地的位移相同。在这种情况下，这种传感器的输出是这台机器的绝对位移成正比的。为了扩大该系统的测量范围，容易信号处理的频谱可用于获取同一数量级（加速度、速度或位移）在测量的范围内，每当（用于频率最高的）最坏的信噪比是足够为感兴趣的应用程序。寿命向相对位移增益频率（Hz）图6寿命传感器的频率响应的理论分析IV.实验结果及讨论基于[22]所述，在理论研究和理论分析和实验结果，可以假设的电流谐波和振动水平的线性关系。但是很重要的地注意到振动趋于平稳时期由于定子机座和气隙磁导之间的复杂关系各次谐波的幅值可以以不同的方式表现。这种关系是高度依赖机械系统，它为每个振动频率大不相同。采用鲁棒性和均衡试验台，在我们的实验室中实施，图7中所示。交流感应电机的名义和电气模型参数见表。Tms320c30用数字信号处理器控制卡和IGBT逆变器，电磁的起源，可以存在于一个真正的机器，任何失败可以重新创建测试台上因为它瞬时电磁磁链进行控制，因此，瞬时扭矩应用。文献[23]，可以发现有关实验测试的更多详细信息。用方波系统测试为了验证检测振动产生的电气系统故障的能力，已采用了双机介绍电磁干扰力矩。3.5nm电磁转矩方波介绍了运用基于DSP的字段的定向的矢量控制算法[23]。尽管高试验台的鲁棒性，图8显示了如何寿命传感器检测到10赫兹的基本原理和其主要的谐波。图7与1.5千瓦三相感应电机，电机的试验台不出所料，奇次谐波检测由于平方米扰动波形与负载电机的应用。最重要的是三次谐波因为电磁场创建此组件的感应电机转子流的产生以及它反对的基波分量旋转方向的扭矩。表1实验测试-钻机参数寿命传感器输出的FFT（mV）频率（Hz）图8寿命传感器输出（FFT）应用的3.5毫微米-方波扰动力矩三相电压不平衡试验对于此测试，感应电动机已经出现的三相正弦波形。有不同程度的电压不平衡量对阶段介绍了减少波形的振幅。机器状态记录测量轴速度，给出了称量传感器和电震级（电压和电流）的扭矩。功率因素也进行了监测。最初，电压型三相平衡的系统（200，45赫兹）被应用。然后PVUR增加高达10%，0.5%步骤中为此减少的幅度。在图9中，电气震级的性能可以通过机器，涉及总（有功、无功）功率的有功功率的功率因素表示赞赏。电机被留下来没有外部负载转矩自由旋转。在稳定状态下，电机转矩仍然等于摩擦力产生的力矩。作为功率因数措施实际功耗，它随不平衡程度，因为轴惯性速度变化所造成的额外损失。力量系数PVUR不对称率图9根据电压不平衡（0%-10%）的感应电机的电气性能。时没有不平衡的情况下运行，基本上应该赞赏仅由于摩擦振动或其他机械的原因。在测试下电机，一个非常低的振荡检测平衡局势。针对这一情况的原因是由于事实并非完全匹配的三相电路绕组，但调整后的相位电压，这种振动容易取消了固有的不平衡出现在任何真实的机器。理论研究表明正序分量给出了恒转矩前进的方向，而负序分量产生二次谐波[24]。在图10中下5%的电压不平衡，,我们明白如何振动测量有周期性的波形(90Hz)双打的基本波形，频率因为它预期。第一阶段电压（100V/div）和寿命输出（1mV/div）时间（S）图10。电源电压的波形（200V，45赫兹）应用和筛选下不平衡运行（5%），得到的寿命振动波形瞬态和稳态操作在图11中，在电源电压变化显示寿命测振仪的瞬态响应。在此图中，只是该阶段所示，因为其他组件振幅仍为200V恒定的均方根值。低频振荡是由突然运行点的变化引起的。第一阶段电压（200V/div）和寿命输出（mV/div）时间（s）图11对电压不平衡PVUR（0%-5%）的瞬态响应在图12中，检测到使用4096每转脉冲数字编码器轴的速度。用FFT模块使用示波器，90Hz谐波的寿命输出也记录不同稳态不平衡程度。在此图中，可以看到的是速度脉动和外部振动与不平衡量的增加。在图13中，这个谐波分量代表在电压不平衡，并可以看出，表现出单调的性能，随着应用的失真。这意味着获得的测量可用于在机器状态监测检测电气性质的缺点，特别是那些引起的电压不平衡。90Hz寿命传感器谐波分量幅值时间（100ms/div）图12寿命和速度波形输出幅度为处于稳定状态的五个不平衡度90Hz寿命传感器谐波分量幅值图13稳态振幅的寿命传感器的不平衡量范围为[0%—10%]引起逆变器的谐波在图14中，寿命传感器的响应表示当逆变电源注入谐波对电机。控制应用于定子电压的数字信号处理器被重新编程，以创建正弦波形叠加基波电压。根本是10赫兹和50（反向旋转）第五次和第七（向前旋转）谐波生来为了模拟传感器测量的主要成分出现在变频电机的性能。按照第二C节中所示，可以在第六次的谐波测量产生的机械振动。寿命输出谐波-6（mV）谐波分量幅值（基本%）图14稳态振幅的寿命传感器测量中的第六次的谐波频率时第五和第七的谐波注入电压波形。在图15中，逆变电源过调幅和也注入第五和第七的谐波。为此，该控制器被要求与电压高于线性范围（调制指数高于统一）的最大值。逆变器的正弦波输出在这种情况下往往工作作为六步[19]。寿命输出谐波-6（mV）调整指数图15稳态振幅的寿命传感器测量中的第六次的谐波频率时，逆变器是在对调制范围V总结在本文中，一个新的综合和广义过程被提出预测三相电动机在非平衡条件下的稳态性能。这是寿命型光纤传感器已作为测振仪用于不平衡检测的第一次。众所周知，电压不平衡导致消费者的额外的负荷，使有关的公用事业和额外费用。与提出的高灵敏度计划，专为操作在低频率范围内，在电压不平衡检测中的应用是可行的。该传感器的干涉机制允许测量纳米尺度气候振荡，与知名的附加属性的抗电磁干扰和高介质隔离的光纤传感器。这些特性可以使寿命测振仪尤其是适当以防止故障发生在位于核电站的大功率机器。相同的传感器也可以用于检测逆变器谐波和其他像断的条或绕组短路的临界机组缺陷，每当他们在传感器频率范围。致谢作者想感谢纳瓦拉提供的力学和物理学（电声）大学的公共的部门材料以及乔汉斯.汉姆的巨大帮助。参考文献[1]O.索图，J.奥利维拉，和L.内托，“感应电机的热行为和寿命不理想的供应条件下”谐波和电能质量，奥兰多，佛罗里达州，2000年。[2]C.Lee，“不平衡电压对运行性能的影响一三相感应电机，”IEEE。能量转化。202–208页，1999年2月14日[3]hindurza、D.G.·多雷尔和"偏心转子的开关式磁阻电机振动分析"的晶面。.IEEE电力电子、机器和驱动器2004年4月，第2卷，第481-486页。[4]J.Undacheck和五.R.多德，"进步及机械监测与诊断系统出路".压力容器管道、墨西哥的墨西哥城、1976年9月1。[5]V.B.BhavarajuandP.N.Enjeti，"平衡电压在三相系统中，对活动线路调节器"IEEE货运工业应用，第32卷，第2，287-292夜1996年3月。[6]T.K.Gangopadhyay"前景光纤布喇格光栅和珀干涉仪中光纤振动传感，"参议员驱动器A，第113，卷20—38页，2004年。[7]美国Riault、K.O.、HillF.、D.C.Johnson和J.阿尔贝，"基于光纤布喇格光栅传感器的高g加速度计"在.光学和光纤传感器，日本札幌196—199页。1996年。[8]A.D.克西、F.BucholtzA.丹德里奇，"简单强度mod结构基于的位移传感器的封闭循环操作，操作光纤传感器conf.，日本东京，1986年10月，第295—298页。[9]C.林和F.深井，"微的法布里-珀罗传感器为纳米横向位移传感增敏与耐压，"参议员驱动器A，卷114，第163-170，2004年。[10]C.E.李etal.，"干涉型光纤传感器使用内部镜像"电子。李特.，第24卷，第193-194，1988年。[11]R.O.克劳斯、M.F.冈、A.B.王、K.A.墨菲和D.太阳，"外在的法布里-珀罗传感器结构的评价，"应用程序的光纤传感器在工程力学中，1993年。[12]J.Sirkis、T.A.Berkoff、R.T.琼斯、H.辛格、A.D.克西、E.J.Friebele和M.A.帕特南，"线在纤维具（寿命）式光纤应变传感器，"J.光波技术，第13卷、1256——1263页1995年7月7号。[13]Y.Lo,S.Sirkis和C.Chang"被动的信号处理技术在行纤维具高应变率加载，"J.光波技术，vol.15，第1578–1586页，1997年8月8号。[14]J.Faiz，H.Ebrahimpour和P.Pillay，"不平衡电压三相鼠笼式异步电动机，稳态性能的影响"IEEE录音。第19卷，第657-662页，2004年12月。[15]W.H.KerstingandW.H.Phillips,，"阶段对感应电机的电压不平衡影响的框架分析"IEEE工业应用，第33卷，第415-420页，1997年3月。[16]"角的复杂的电压不平衡因素，强调在生产电动机电压型三相不平衡影响的分析"16]保华王IEEE录音。，第16卷，第270-275页，2001年9月。[17]美国J.查普曼，电动机械基础，四版）。纽约：麦格劳-希尔，2003年。[18]A.Siddique,G.S.Yadava,和"对的影响电压不平衡感应电动机"刘瑞IEEE。电气绝缘，2004年，9月26-29页。[19]N.汉、T.昂德兰和·罗宾斯，电力电子，Con从、应用程序和设计。纽约：威利，1989年，328页。[20]M.H.Rashid，电力电子，电路、设备和应用。恩格尔伍德，NJ：普林蒂斯霍尔，1993年。[21]美国南迪和H.A.Toliyat，"研究三相异步电机起动转子笼故障不同供应条件下"刘瑞IEEE