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1、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 500 Hz 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
2、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，1.5-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
3、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
4、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
5、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
6、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。2 / 17Stator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
7、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
8、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。A. 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（VO, Vp, Vn），序电压计算 15 VoVpVn =131111aa20a2a
9、VaVbVc (1)当a=ej(2/3)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。进一步的积极和消极的序列图 2，所示的电气网络，可以减少 16 的电气模型。负序等效电路具有输入阻抗类似于锁定转子，即使是少量的负序电压会导致大的电流和定子损失增加。电磁转矩是由下面的表达式 17 给出的：Tem=3v2Rs/s s(RsXmXs+Xm2+Rr/s)2+(Xs+Xr)2 (2)在这s同步电机频率，r 是转子电频率和 S =(s-r)/ s 是错误。B. 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
10、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/Vp100 (3)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141 PVUR(%) =MaxVa-Vavg,Vb-Vavg,Vc-VavgVavg100 (4)这里 Vavg =（Va+Vb+Vc）/3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C. 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
11、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
12、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 (510KHz) 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
13、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
14、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
15、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 1 SMF 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 / W 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
