无刷同步发电机旋转整流器故障监测新方法研究刘念谢驰（四川大学610065）型，采用模糊（Fuzzy）模式识别技术，有效提高同步发电机的故障监测能力。
1概述同步发电机无刷励磁彻底解决了大容量或超大容量同步发电机励磁电流过高所带来的一系列集电环电刷问题，消除了火花和噪声，且减少了维护环节，发电机组能够长期连续运行。同步发电机组中的旋转整流器是无刷励磁系统中最为重要的环节，必须保证其工作在正常状态。当旋转整流器功率二极管发生故障（开路或短路），就应该立即发现并迅速报警。但是，由于取消了滑环和电刷，就很难对转子故障情况进行直接的监测。
解决该问题的关键，是如何获取带有转子故障信息的信号，并采用何种方法来有效、准确地进行识别。在交流励磁机定子磁极间安装探测线圈是一种常用方法，但在实际应用中，极间探测线圈是会遇到安装困难和在运输过程中造成探测线圈的松动错位，并且极间探测线圈获得的信号较弱，探测线圈需要的匝数较多，如图1所示。另一种获取信号的方法是直接采用交流励磁机的定子励磁绕组作为探测线圈，其优点是省去了设计、安装和维护探测线圈的工作，而且便于现场采集信号数据，同时信号量较强，含转子故障信息量大，但是由于励磁磁极铁心饱和影响作用，使信号具有一定的失真度，即出现了模糊现象，难以实现旋转整流器的故障分类识别，因此该方法一直很少被采用。本文针对这种问题，采用了模糊模式识别技术，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，从而实现了对同步发电机组整流器故障的微机监测。
2故障监测方法本文获取同步发电机组转子整流器故障信息的方法，是在交流励磁机定子励磁绕组上并联电容和C 2，如图2所示。转枢式的交流励磁机电枢电流产生的电枢磁场必然切割其定子励磁绕组，并感应电势，然后通过电容C和C分压，只需采集带有转子故障信息的电容C两端的电压波形，进行频域分析，分解出不同幅值的各次谐波分量，然后采用模糊模式识别技术，进行故障分类识别处理。
设感应电势信号波e =E 的周期为T ，由傅里叶级数展开为f―――交流励磁机电枢电流的基波频率？研究与开发？
而且有E k，因此上式中的积分计算可采用数值积分计算。由于傅里叶级数分解计算要进行大量的加减、乘除运算，故采用具有一定精度的复化梯形积分公式。上述傅氏级数系数表达式为其中N为在一个信号周期内的采样点数。当A/D转换采用芯片ADC0809时，其模数转换速率为100μs/次，故采样间隔时间h =当信号数据被预处理后，就由计算机中的模糊诊断模式进行故障诊断。设反映同步发电机旋转整流器运行工况的集合为论域U在旋转整流器运行工况的论域U中，取n =8 ，则论域中各元素定义为―――正常运行）臂开路故障）两臂开路故障）臂短路故障）两臂短路故障―――A相正负组（A）两臂短路故障相负组（C）三臂开路故障相负组（C）三臂短路故障当在论域U中的元素P有r个特征值时，可以用矢量P表示。每一个这样的矢量称为一个模型样本，每一个模型样本中的元素均具有表征同步发电机旋转整流器运行工况信息的特征量。将交流励磁机定子励磁绕组上并联电容中的电压信号u用频谱分析数值方法预处理后，提取各次谐波幅值的相对值为信息特征值。因此， P 4 ， 5 ， 6 ， 7 ， 8）构成一组模糊集群体样本模型。下表为一台360kW无刷励磁同步发电机旋转整流器的模糊模式识别样本集。
表旋转整流器的Fuzzy模式识别样本集样本模型矢量定子信号E的谐波分量相对值基波2次谐波3次谐波4次谐波5次谐波6次谐波在实际运行中，将上述试验获取的识别样本集存入计算机内存中，当对发电机组进行在线实时监测时，采样信号u的特征矢量P（U））应该与该故障样本集中的矢量P作贴近度计算，采用海明贴近度要正确诊断矢量P隶属于模糊集P中的哪一类，则必须在映射论域F （ω）中比较H）贴近度的大小，其贴近度最大的两个Fuzzy （模糊）集被视为同一类工作状况，即因此，将P确诊为矢量P所属类型故障的同步发电机运行工况。
3故障监测系统设计旋转整流器故障监测系统的硬件部分主要由LCU测控单元、系统主机二大部分组成。
LCU测控单元的核心是8751单片机，其具有很强的数据存储处理功能、I/O口控制功能和数据无刷同步发电机旋转整流器故障监测新方法研究通信功能。LCU单元的信号采集通道由输入限幅电路、低通滤波电路、整流电路、模数（A/D）转换电路组成而监控报警通道由功率放大电路、预警电路、断路器控制回路构成。它们均由8751单片机的I/O口控制，完成监测信号的采集、预警和控制断路器的任务。在程序控制下， 8751单片机的串行口能工作于四种方式，可根据需要采用异步通信口实现双机或多机通信，将采样数据传输给上层系统微机，由微机完成所有数据的预处理，故障模糊诊断以及数据库维护等功能，并将控制指令传回LCU单元，形成同步发电机分布式监控系统。其系统设计原理如图3所示。
在系统软件设计方面，必须进行以下应用软件设计：①信号采集程序设计。②数据处理程序设计。③故障诊断程序设计。④报警监控程序设计。
⑤数据通信程序设计。
由于LCU测控单元中8751单片机的主要功能是采集信号，将其数字信号传送系统主机，并由系统主机进行数据处理和故障诊断后，然后接收系统主机传来的指令信号，进行实时报警与控制。因此，由单片机的汇编语言所编制的程序应包含信号采集、数据收发与报警监控功能。
本系统的数据的处理、故障诊断、系统主机操作界面程序均用Visual Basic语言编写。在用Visual Basic 5.0设计的系统主机通信程序时，应先在窗体加载程序中实现串行口的初始化（设置串行口的波特率和工作方式），同时在窗体中加入两个命令按钮：实现数据的收发功能关闭串行口，释放控制权。
4结束语由于同步发电机旋转整流器发生故障时，其交流励磁机电枢电流的大小及波形发生变化，引起电枢磁场的变化，并在定子励磁绕组中感应一系列谐波电势，该谐波电势波形反映出转子旋转整流器的运行情况。因此，本文就该谐波电势波形进行模糊诊断技术处理，用模糊模式识别方法诊断旋转整流器的故障类型。
1沈标正。电机故障诊断技术。北京：机械工业出版社，2达夫勒PJ，得曼J编著。姜建国，史家燕译。电机的状态监测。北京：水利电力出版社， 1992 3刘念。无刷励磁旋转整流器电流波形分析及其故障的微机识别。电力系统自动化， 1994 （4）4杨伦标。模糊数学原理及应用。广州：华南理工大学出无刷同步发电机旋转整流器故障监测新方法研究