專利名稱：游梁式抽油機異步電機故障診斷裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及石油開采機械，尤其涉及一種基于孤島發(fā)電技術(shù)的游梁式抽油機異步電機故障診斷裝置。
背景技術(shù)：
鼠籠式異步電機在工業(yè)領(lǐng)域尤其是石油行業(yè)得到廣泛的應用，隨時了解其工作狀態(tài)、避免因故障導致事故發(fā)生具有十分重要的意義。狀態(tài)檢修必須建立在可靠的故障診斷基礎(chǔ)上，為此學者們提出了許多故障診斷手段，其中電流監(jiān)測方法較為普遍。異步電機轉(zhuǎn)子斷條和端環(huán)開裂等故障會在定子電流中產(chǎn)生頻率為基頻的(1-2s)倍的附加電流分量(s為轉(zhuǎn)差率)，人們對此進行了大量卓有成效的研究，目前已有的方法包括小波分析、Fourier變換、Park矢量、擴展Park向量、d-q坐標系、M-T坐標系、Hilbert變換等頻譜分析方法，但上述方法均因獲取的信號不理想而使診斷結(jié)果難以滿足要求。
現(xiàn)有技術(shù)提出了利用電機起動電流進行故障診斷的技術(shù)方案，雖能解袂信號獲取問題，但信號仍受電源和負載的干擾，而且當電機起動時間較短時，分析相當困難，不能滿足在線要求，也不能滿足對電機實時的故障診斷要求。
現(xiàn)有技術(shù)還提出了利用電機失電后定子繞組的殘余電壓進行分析的技術(shù)方案，并將其用于診斷電機轉(zhuǎn)子斷條故障。在異步機失電前后，機端電壓的頻率將發(fā)生突然變化，而且隨著轉(zhuǎn)子繞組電流的衰減和電機轉(zhuǎn)速的下降，失電電壓衰減更快，有效信號窗口太窄使該方法增加了不易克服的難度，也不能滿足在線要求和對電機實時的故障診斷要求。
因此，目前進行電機故障診斷的突出問題表現(xiàn)在(1)負載波動影響異步電機所拖動的負載有時是不平穩(wěn)的，負載的擺動使定子電流發(fā)生畸變；(2)電源影響對電機進行故障診斷受電源不完善的影響，如電源電壓三相不對稱、電壓波動等；(3)有效信號窗口小電機失電后轉(zhuǎn)子繞組電流的衰減和電機轉(zhuǎn)速的下降；(4)特征信號微弱當轉(zhuǎn)子有輕微故障時，定子電流中故障頻率分量的大小相對于基波頻率分量的比值很小，若電機運行于輕載時其比值更小，而且由于電機轉(zhuǎn)差率s很小，于是(1-2s)f1和基波頻率f1更加接近，這給信號處理帶來困難，使得診斷靈敏度下降，因此目前基于定子電流故障診斷研究的大量工作是怎樣提取微弱的特征信號。
如何排除來自電力系統(tǒng)和負載波動的干擾信號，在不影響抽油機的正常工作前提下，獲得各種工況下的窗口可調(diào)信號，在線、實時地正確診斷抽油機異步電機的定子繞組、轉(zhuǎn)子繞組等故障，是當前技術(shù)上的一大難題。
實用新型內(nèi)容本實用新型的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)電機故障診斷受負載、電源波動影響、無法獲得各種工況下的窗口可調(diào)信號等技術(shù)問題，提供一種基于孤島發(fā)電技術(shù)的游梁式抽油機異步電機故障診斷裝置，通過檢測處于孤島發(fā)電運行狀態(tài)下異步電機的參數(shù)，使本實用新型故障診斷不受負載、電源波動影響，同時可以獲得各種工況下的窗口可調(diào)信號而滿足在線診斷要求。
為實現(xiàn)本實用新型的目的，本實用新型提供了一種游梁式抽油機異步電機故障診斷裝置，包括連接在異步電機和交流電源回路上的診斷開關(guān)，所述診斷開關(guān)與一控制其接通或斷開的驅(qū)動單元連接，所述驅(qū)動單元與一發(fā)出接通或斷開控制信號的計算機控制器連接，所述計算機控制器與一采集異步電機電壓和電流數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)采集單元連接。
所述計算機控制器包括分別與控制單元連接的軟儀表單元和故障診斷單元，所述軟儀表單元與所述數(shù)據(jù)采集單元連接，所述故障診斷單元與所述數(shù)據(jù)采集單元連接，所述控制單元與所述驅(qū)動單元連接。進一步地，所述交流電源還并聯(lián)一發(fā)電效應電容器，所述異步電機還連接一串接的偽負載和穩(wěn)頻穩(wěn)壓電路，所述穩(wěn)頻穩(wěn)壓電路為多擋調(diào)節(jié)的雙向可控硅電路，所述偽負載為串接的電阻和電容。
在上述技術(shù)方案中，所述異步電機可以連接一串接的自勵開關(guān)和空載勵磁電容器，還可以連接一串接的常勵開關(guān)和常勵負載，還可以進一步連接一串接的失勵開關(guān)和失勵負載，或上述方案的任意組合。所述自勵開關(guān)、失勵開關(guān)和常勵開關(guān)分別與所述驅(qū)動單元連接，所述常勵負載還并聯(lián)一常勵電容。
在上述技術(shù)方案中，所述空載勵磁電容器為三角形或星形接法的勵磁電容器，所述診斷開關(guān)為可控硅或絕緣柵雙極晶體管。
本實用新型提供了一種全新概念的基于孤島發(fā)電技術(shù)的游梁式抽油機異步電機故障診斷裝置，將故障診斷設(shè)置在異步電機與電網(wǎng)脫開的發(fā)電狀態(tài)階段，既利用正常運行的異步電機在發(fā)電狀態(tài)階段定子繞組有感應電壓和電流產(chǎn)生，又充分利用異步電機孤島發(fā)電狀態(tài)時所發(fā)電能。正常運行中異步電機在發(fā)電狀態(tài)的定子繞組有感應電壓產(chǎn)生和電流產(chǎn)生，當轉(zhuǎn)速超過臨界轉(zhuǎn)速時，異步電機由空載孤島發(fā)電運行變?yōu)橛休d孤島發(fā)電運行，偽負載和穩(wěn)頻穩(wěn)壓電路釋放能量并將轉(zhuǎn)速調(diào)整到安全范圍。當異步電機轉(zhuǎn)子繞組故障時，利用孤島發(fā)電的各種運行工況下的電壓和電流信號經(jīng)小波分析方法得到的各種頻譜可以診斷電機故障。故障特征諧波成分可預先進行理論計算，所以實際應用中為進行更準確的診斷，可將孤島發(fā)電的電壓和電流的頻譜與歷史頻譜數(shù)據(jù)進行對比，從而作出正確診斷。
由于本實用新型進行故障診斷時異步電機已從電網(wǎng)斷開，所以此狀態(tài)下異步電機的電壓和電流數(shù)據(jù)不會受到電源不完善的影響，如電源電壓三相不對稱、含有各種諧波、電壓波動等；同時由于此狀態(tài)下異步電機的電壓和電流是從其本身進行測量，所以數(shù)據(jù)不會受到負載的影響，如負載大小、負載性質(zhì)、波動情況等。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型基本上消除了故障診斷中的各種不利干擾，故障診斷結(jié)果具有較高的可信度，同時滿足在線要求，可隨時進行故障診斷而不影響異步電機的正常工作。
本實用新型還通過調(diào)整發(fā)電效應電容器容量人為調(diào)整異步電機處于發(fā)電狀態(tài)的時間，使本實用新型具有可調(diào)的數(shù)據(jù)窗口，可以獲得各種可能工況下的可調(diào)窗口信號，有效解決了現(xiàn)有技術(shù)數(shù)據(jù)采集窗口小的技術(shù)問題。
本實用新型根據(jù)異步電機可能的各種運行工況設(shè)置了四種異步電機的故障診斷模式，分別為異步電機失電、自勵、常勵和失勵診斷模式，匯總各種故障診斷模式的診斷結(jié)果，可得到可信度更高、正確率更高的診斷結(jié)果，從而使本實用新型具有廣泛的適用性和應用前景。本實用新型也適用于其它領(lǐng)域的任何具有勢能負載的電動系統(tǒng)的異步電機或其它類型電機的故障診斷。
下面通過附圖和實施例，對本實用新型的技術(shù)方案做進一步的詳細描述。


圖1為本實用新型游梁式抽油機異步電機故障診斷裝置結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本實用新型異步電機失電診斷模式的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本實用新型穩(wěn)頻穩(wěn)壓電路圖；圖4～圖5為本實用新型穩(wěn)頻穩(wěn)壓電路工作示意圖；圖6為本實用新型異步電機自勵診斷模式的結(jié)構(gòu)示意圖；圖7為本實用新型異步電機常勵診斷模式的結(jié)構(gòu)示意圖；圖8為本實用新型異步電機失勵診斷模式的結(jié)構(gòu)示意圖；圖9為本實用新型游梁式抽油機異步電機故障診斷裝置工作原理圖；圖10為本實用新型游梁式抽油機異步電機故障診斷裝置電路圖。
附圖標記說明1-交流電源開關(guān)； 2-交流電源；3-開關(guān)；4-原控制系統(tǒng)開關(guān)；5-異步電機；6-開關(guān)；7-開關(guān)； 8-電流互感器； 9-抽油機機械系統(tǒng)；
10-診斷開關(guān)； 11-電流互感器； 12-自勵開關(guān)；13-空載勵磁電容器；14-電壓互感器； 15-失勵開關(guān)；16-失勵負載； 17-數(shù)據(jù)采集單元；18-偽負載開關(guān)；19-常勵電容； 20-驅(qū)動單元；21-計算機控制器；22-常勵開關(guān)； 23-常勵負載；24-直流電源開關(guān)；25-直流電源及保護電路；26-發(fā)電效應開關(guān)；27-電流互感器；28-發(fā)電效應電容器；29-偽負載； 30-穩(wěn)頻穩(wěn)壓電路；211-控制單元； 212-軟儀表單元； 213-故障診斷單元。
具體實施方式
圖1為本實用新型游梁式抽油機異步電機故障診斷裝置結(jié)構(gòu)示意圖，圖中粗線表示強電電路，細線表示弱電電路。如圖1所示，本實用新型游梁式抽油機異步電機故障診斷裝置包括計算機控制器21、驅(qū)動單元20、數(shù)據(jù)采集單元17、診斷開關(guān)10。其中，診斷開關(guān)10串接在交流電源2和異步電機5的回路中，負責異步電機5與交流電源2的接通和斷開；驅(qū)動單元20分別連接計算機控制器21和診斷開關(guān)10，接收計算機控制器21發(fā)出的接通和斷開控制信號，控制診斷開關(guān)10進行接通和斷開動作；數(shù)據(jù)采集單元17則負責采集異步電機5的電壓和電流瞬時值，并將數(shù)據(jù)發(fā)送給計算機控制器21。
本實用新型針對油田使用的抽油機異步電機的發(fā)電運行特性，提出將故障診斷設(shè)置在異步電機與電網(wǎng)脫開的發(fā)電狀態(tài)階段。本實用新型將異步電機一個工作循環(huán)周期內(nèi)的運行分為兩個階段電動狀態(tài)階段和發(fā)電狀態(tài)階段。在異步電機電動狀態(tài)階段，通過采集異步電機運行的電壓和電流瞬時值判斷異步電機發(fā)電狀態(tài)的開始時刻，當異步電機進入發(fā)電狀態(tài)時控制異步電機進入預先設(shè)定的故障診斷模式，并將異步電機從電網(wǎng)斷開，通過采集該故障診斷模式下異步電機的電壓和電流數(shù)據(jù)的頻譜進行故障診斷；當異步電機進入電動狀態(tài)時控制異步電機退出故障診斷模式，并將異步電機投入電網(wǎng)，異步電機回到電動狀態(tài)階段，如此周而復始，即形成本實用新型基于孤島發(fā)電技術(shù)的游梁式抽油機異步電機故障診斷裝置的工作循環(huán)。本實用新型進行故障診斷時異步電機已從電網(wǎng)斷開，所以此狀態(tài)下異步電機的電壓和電流數(shù)據(jù)不會受到電源不完善的影響，如電源電壓三相不對稱、含有各種諧波、電壓波動等；同時由于此狀態(tài)下異步電機的電壓和電流是從其本身進行測量，所以數(shù)據(jù)不會受到負載的影響，如負載大小、負載性質(zhì)、波動情況等。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型消除了故障診斷中的各種不利干擾，診斷結(jié)果具有較高的可信度，同時滿足在線要求，可隨時進行故障診斷而不影響異步電機的正常工作。同時本實用新型具有故障診斷準確、動態(tài)響應快、結(jié)構(gòu)簡單、系統(tǒng)運行可靠等特點。本實用新型還通過調(diào)整發(fā)電效應電容器容量人為調(diào)整異步電機處于發(fā)電狀態(tài)的時間，使本實用新型具有可調(diào)的數(shù)據(jù)窗口，可以獲得各種可能工況下的可調(diào)窗口信號，有效解決了現(xiàn)有技術(shù)數(shù)據(jù)采集窗口小的技術(shù)問題。
在本實用新型上述技術(shù)方案中，計算機控制器21根據(jù)異步電機的各種運行工況，設(shè)置了四種異步電機的故障診斷模式，分別為(1)異步電機失電診斷模式、(2)異步電機自勵診斷模式、(3)異步電機常勵診斷模式和(4)異步電機失勵診斷模式，利用小波分析方法研究各過程中異步電機端電壓和定子繞組電流(線電流)的頻譜，可實現(xiàn)異步電機的綜合故障診斷。本實用新型根據(jù)上述四種故障診斷模式提供了相應的技術(shù)方案，下面一一予以說明。
圖2為本實用新型異步電機失電診斷模式的結(jié)構(gòu)示意圖。在該診斷模式技術(shù)方案中，計算機控制器21包括控制單元211、軟儀表單元212和故障診斷單元213。軟儀表單元212分別與控制單元211和數(shù)據(jù)采集單元17連接，用于從數(shù)據(jù)采集單元17接收電壓和電流數(shù)據(jù)，計算異步電機的有功功率值和/或轉(zhuǎn)速，并將計算結(jié)果發(fā)送給控制單元211；故障診斷單元213分別與控制單元211和數(shù)據(jù)采集單元17連接，用于從數(shù)據(jù)采集單元17接收電壓和電流數(shù)據(jù)，根據(jù)電壓和電流數(shù)據(jù)的頻譜進行故障診斷，并將故障診斷結(jié)果發(fā)送給控制單元211；控制單元211還與驅(qū)動單元20連接，控制異步電機5進入設(shè)定的故障診斷模式和通過驅(qū)動單元20控制診斷開關(guān)10接通/斷開，使異步電機5進入電動狀態(tài)/發(fā)電狀態(tài)。
如圖2所示，在該診斷模式技術(shù)方案中，交流電源2還并聯(lián)一發(fā)電效應電容器28，用于當異步電機處于發(fā)電狀態(tài)時域數(shù)據(jù)窗口不能充分進行故障診斷時，通過調(diào)整發(fā)電效應電容器28的容量，人為調(diào)整異步電機處于發(fā)電狀態(tài)時間，直到滿足故障診斷數(shù)據(jù)窗口要求為止。發(fā)電效應電容器28在本實用新型進行下一次學習階段之前的故障診斷運行中保持不變。異步電機5還連接一串接的偽負載29和穩(wěn)頻穩(wěn)壓電路30，用于當異步電機5轉(zhuǎn)速高于臨界轉(zhuǎn)速時，通過穩(wěn)頻穩(wěn)壓電路30的可控硅導通，使空載孤島發(fā)電系統(tǒng)變成有載孤島發(fā)電系統(tǒng)，將異步電機的轉(zhuǎn)速降低到滿足安全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)為止。
如圖2所示，該診斷模式技術(shù)方案的工作過程為(A-I)異步電機5通電運行在電動狀態(tài)下，數(shù)據(jù)采集單元17實時采集異步電機5運行時的電壓和電流瞬時值，并將數(shù)據(jù)傳送給軟儀表單元212；軟儀表單元212計算異步電機5的有功功率值，并將計算結(jié)果發(fā)送給控制單元211；控制單元211通過有功功率值過零點判斷異步電機5進入發(fā)電狀態(tài)的時間和起點，向驅(qū)動單元20輸出控制信號；(A-II)控制單元211控制驅(qū)動單元20斷開診斷開關(guān)10，切斷異步電機5與交流電源1的連接，使異步電機5處于失電狀態(tài)；(A-III)數(shù)據(jù)采集單元17實時采集異步電機該過程中的電壓和電流瞬時值，并傳輸給故障診斷單元213，故障診斷單元213根據(jù)電壓和電流數(shù)據(jù)的頻譜進行故障診斷；(A-IV)穩(wěn)頻穩(wěn)壓電路30自動監(jiān)測異步電機的空載電壓，當空載電壓大于預設(shè)安全臨界電壓時，穩(wěn)頻穩(wěn)壓電路30的可控硅導通，偽負載29消耗超臨界能量，直到空載電壓降低到預設(shè)安全臨界電壓范圍以內(nèi)時，穩(wěn)頻穩(wěn)壓電路30的可控硅關(guān)斷；
(A-V)控制單元211在異步電機5進入發(fā)電狀態(tài)后即開始自動延時，延時完畢后輸出控制信號給驅(qū)動單元20，驅(qū)動單元20控制診斷開關(guān)10閉合，將異步電機5接入電網(wǎng)，使異步電機5處于通電運行的電動狀態(tài)。
(A-VI)重復執(zhí)行步驟(A-I)，形成異步電機失電診斷模式的工作循環(huán)。
該診斷模式可提供正常負載突然消失時異步電機的電流和電壓數(shù)據(jù)，經(jīng)小波分析方法可以診斷電機轉(zhuǎn)子的繞組故障。步驟(IV)主要起到控制異步電機5轉(zhuǎn)速失控的作用。異步電機空載電壓與轉(zhuǎn)速成正比，該值高于預設(shè)安全臨界電壓就意味著異步電機的轉(zhuǎn)速超過安全臨界轉(zhuǎn)速，需要通過穩(wěn)頻穩(wěn)壓電路30的可控硅導通釋放異步電機所儲存的能量，將其轉(zhuǎn)速降低到預設(shè)安全臨界轉(zhuǎn)速范圍以內(nèi)。本實用新型上述技術(shù)方案有效解決了異步電機轉(zhuǎn)速失控問題，提高了本實用新型的可實施性和可靠性。
圖3為本實用新型穩(wěn)頻穩(wěn)壓電路圖。圖中只畫出A相，B相和C相的電路與A相完全相同，分N擋進行調(diào)節(jié)。如圖3所示，TA為雙向可控硅，G1為TA的控制極，CA和RA為A相的電容和電阻，D1……DN為觸發(fā)管，C11、C21……C1N、C2N為電容器，R1……RN為電阻器，W1……WN為電位器，N為中性線。Ua是異步電機的A相電壓，U1……UN分別為A相電壓經(jīng)過移相與分壓后施與觸發(fā)管D1……DN的電壓值，Ud1……UdN是觸發(fā)管D1……DN的擊穿電壓值，Um1……UmN分別為U1……UN的幅值，α1……αN分別為U1……UN滯后Ua的電壓相位角，電路設(shè)計具有α1＜……＜αN的關(guān)系，所以Um1＞……＞UmN成立。圖9中的虛框?qū)獔D8中的偽負載29，由電阻RA和電容CA組成。
當異步電機5轉(zhuǎn)速升高時，電壓Ua隨之升高，Um1……UmN也隨之增大。當Um1＝Ud1時，觸發(fā)管D1在(90-α1)處發(fā)出脈沖，雙向可控硅TA在(90-α1)被觸發(fā)導通，A相的電阻RA上流過電流，消耗超臨界能量，如圖4所示。若轉(zhuǎn)速繼續(xù)升高，電壓Ua進一步升高，因而會使Umi＝Udi，觸發(fā)管Di在(90-αi)處發(fā)出脈沖，雙向可控硅TA在(90-αi)被觸發(fā)導通?！艮D(zhuǎn)速繼續(xù)升高，電壓Ua升高，使UmN＝UdN，觸發(fā)管DN在(90-αN)處發(fā)出脈沖，雙向可控硅TA在(90-αN)被觸發(fā)導通，如圖5所示。也就是說，當異步電機轉(zhuǎn)速從安全臨界轉(zhuǎn)速開始增加時，雙向可控硅TA上的觸發(fā)脈沖可以從無到有，從(90-α1)處前移到(90-αN)處，受雙向可控硅TA控制的負載從無到有、從小到大變化，使超過臨界能量被新增的偽負載消耗掉，起到穩(wěn)頻的作用。
并聯(lián)電容自勵異步發(fā)電機存在的突出問題是電壓變化率過高，當轉(zhuǎn)速升高時，電機端電壓隨之升高，相當于負載增加，為使電壓維持不變，采用加大電容的做法很不方便。本實用新型使用串聯(lián)電容CA提供附加的容性無功，使異步電機的電壓變化率得以改善，當空載勵磁電容器13和串聯(lián)電容CA配合適當時，可使輸出電壓基本不變，起到穩(wěn)壓的作用。
圖6為本實用新型異步電機自勵診斷模式的結(jié)構(gòu)示意圖，如圖6所示，在圖2所示技術(shù)方案基礎(chǔ)上，異步電機5通過自勵開關(guān)12與空載勵磁電容器13連接，自勵開關(guān)12受驅(qū)動單元20控制，負責將空載勵磁電容器13與異步電機5接通或斷開?？蛰d勵磁電容器13優(yōu)選為三角形或星形接法的勵磁電容器。該診斷模式技術(shù)方案的工作過程為(B-I)同圖2技術(shù)方案的(A-I)；(B-II)控制單元211控制驅(qū)動單元20閉合自勵開關(guān)12，將空載勵磁電容器13接入；控制單元211控制驅(qū)動單元20斷開診斷開關(guān)10，切斷異步電機5與交流電源1的連接，異步電機5和空載勵磁電容器13形成孤島發(fā)電系統(tǒng)；(B-III)同圖2技術(shù)方案的(A-III)；(B-IV)同圖2技術(shù)方案的(A-IV)；(B-V)軟儀表單元212根據(jù)電壓和電流值計算異步電機5的轉(zhuǎn)速及該轉(zhuǎn)速與異步電機同步轉(zhuǎn)速的差值，當所述差值小于預設(shè)差值時，控制單元211判斷異步電機5開始進入電動狀態(tài)，控制驅(qū)動單元20斷開自勵開關(guān)12，切除空載勵磁電容器13，閉合診斷開關(guān)10，將異步電機5接入電網(wǎng)。
(B-VI)重復執(zhí)行步驟(B-I)，形成異步電機自勵診斷模式的工作循環(huán)。
圖7為本實用新型異步電機常勵診斷模式的結(jié)構(gòu)示意圖，在圖6所示技術(shù)方案基礎(chǔ)上，異步電機5還通過常勵開關(guān)22與常勵負載23連接，常勵負載23還與一常勵電容19并聯(lián)，常勵開關(guān)22受驅(qū)動單元20控制，負責將常勵負載23和常勵電容19接入異步電機5。常勵電容19優(yōu)選為三角形或星形接法的勵磁電容器。該診斷模式技術(shù)方案的工作過程為(C-I)同圖6技術(shù)方案的(B-I)；(C-II)控制單元211控制驅(qū)動單元20閉合自勵開關(guān)12，將空載勵磁電容器13接入；驅(qū)動單元20斷開診斷開關(guān)10，切斷異步電機5與交流電源1的連接，異步電機5和空載勵磁電容器13形成孤島發(fā)電系統(tǒng)；待電壓建立起來后，驅(qū)動單元20閉合常勵開關(guān)22，接入常勵負載23和常勵電容19；(C-III)同圖6技術(shù)方案的(B-III)；(C-IV)同圖6技術(shù)方案的(B-IV)；(C-V)同圖6技術(shù)方案的(B-V)；(C-VI)重復執(zhí)行步驟(C-I)，形成異步電機常勵診斷模式的工作循環(huán)。
圖8為本實用新型異步電機失勵診斷模式的結(jié)構(gòu)示意圖，在圖6所示技術(shù)方案基礎(chǔ)上，異步電機5通過失勵開關(guān)15與失勵負載16連接，失勵開關(guān)15受驅(qū)動單元20控制，負責將失勵負載16接入。失勵負載16實際上是一個大負載，接在每相上，當失勵負載16接入時，異步電機5自勵條件被破壞，其電壓和電流逐漸減小，直到為零。該診斷模式技術(shù)方案的工作過程為(D-I)同圖6技術(shù)方案的(B-I)；(D-II)控制單元211控制驅(qū)動單元20閉合自勵開關(guān)12，將空載勵磁電容器13接入；控制單元211控制驅(qū)動單元20斷開診斷開關(guān)10，切斷異步電機5與交流電源1的連接，異步電機5和空載勵磁電容器13形成孤島發(fā)電系統(tǒng)；待電壓建立起來后，驅(qū)動單元20閉合失勵開關(guān)15，將失勵負載16接入；(D-III)同圖6技術(shù)方案的(B-III)；(D-IV)同圖6技術(shù)方案的(B-IV)；
(D-V)同圖2技術(shù)方案的(A-V)；(D-VI)重復執(zhí)行步驟(D-I)，形成異步電機失勵診斷模式的工作循環(huán)。
在本實用新型圖6～8所示的三種診斷模式中，首先閉合自勵開關(guān)投入空載勵磁電容器可以加快其建壓過程，使診斷時間加長，有利于數(shù)據(jù)采集和診斷質(zhì)量。當然，本實用新型的上述技術(shù)方案也可以設(shè)置成先斷開診斷開關(guān)，將異步電機從電網(wǎng)脫開，再閉合自勵開關(guān)，投入空載勵磁電容器。
在本實用新型上述技術(shù)方案中，診斷開關(guān)10采用電子調(diào)壓開關(guān)，優(yōu)選方案采用可控硅或絕緣柵雙極晶體管，負責電流過零時的切除和快速電壓過零的無暫態(tài)投入且逐步升壓到額定值以防止投入時的過負載電流沖擊。
圖9為本實用新型游梁式抽油機異步電機故障診斷裝置工作原理圖，圖中粗線表示強電電路，細線表示弱電電路。圖10為本實用新型游梁式抽油機異步電機故障診斷裝置電路圖，其中圖10中只重點示意了強電部分。下面通過本實用新型安裝、調(diào)試及運行過程進一步詳細說明本實用新型的技術(shù)方案。
A、系統(tǒng)安裝將交流電源開關(guān)1斷開，將本實用新型接入抽油機原系統(tǒng)，完成圖10所示開關(guān)3、開關(guān)6和開關(guān)7的接法即可；如果抽油機原系統(tǒng)異步電機本身有無功補償，則將其停止運行；將交流電源開關(guān)1閉合，原系統(tǒng)正常工作。
B、投入運行1、通電前狀態(tài)開關(guān)6、開關(guān)7斷開，開關(guān)3、交流電源開關(guān)1和原控制系統(tǒng)開關(guān)4閉合，抽油機原控制系統(tǒng)照常工作，本實用新型準備投入運行。
2、本實用新型通電閉合開關(guān)6，電源系統(tǒng)正常后閉合直流電源開關(guān)24，直流電源及保護電路25投入運行，計算機控制器21開始工作，進入自檢狀態(tài)。
3、本實用新型有載測試計算機控制器21自檢無誤后，設(shè)定為有載測試運行方式。計算機控制器21自動進行如下操作自動閉合常勵開關(guān)22，常勵負載23和常勵電容19投入運行，本實用新型進入負載測試狀態(tài)，測試內(nèi)容主要包括診斷開關(guān)10、發(fā)電效應開關(guān)26、自勵開關(guān)12、失勵開關(guān)15、偽負載開關(guān)18和常勵開關(guān)22控制的正確性，電流互感器11、電壓互感器14測量的正確性。測試成功后，使診斷開關(guān)10處于斷開位置，轉(zhuǎn)入下一步。有故障則退出運行。
4、本實用新型投入運行計算機控制器21斷開自勵開關(guān)12、失勵開關(guān)15和常勵開關(guān)22，空載勵磁電容器13、失勵負載16、常勵電容19和常勵負載23退出運行；計算機控制器21閉合偽負載開關(guān)18，將偽負載29和穩(wěn)頻穩(wěn)壓電路30投入運行，此時穩(wěn)頻穩(wěn)壓電路30的可控硅為關(guān)斷狀態(tài)；計算機控制器21首先閉合開關(guān)7，然后閉合診斷開關(guān)10，將開關(guān)3斷開，電流互感器8有電流流通，本實用新型投入運行并與抽油機原控制系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作；投運失敗后，斷開開關(guān)6和開關(guān)7，閉合開關(guān)3，本實用新型退出運行。
C、學習階段本實用新型投入運行后，數(shù)據(jù)采集單元17實時采集異步電機5運行電壓和電流的瞬時數(shù)據(jù)；計算機控制器21根據(jù)所采集異步電機的工作循環(huán)周期數(shù)據(jù)后開始自動學習，步驟如下1、確定異步電機一個工作循環(huán)周期內(nèi)的關(guān)鍵參數(shù)值異步電機處于電動狀態(tài)的時間及起點、異步電機處于發(fā)電狀態(tài)的時間及起點；2、判斷異步電機處于發(fā)電狀態(tài)的時間能否滿足故障診斷的要求，當異步電機處于發(fā)電狀態(tài)時域數(shù)據(jù)窗口不能充分進行故障診斷時，計算機控制器21通過發(fā)電效應開關(guān)26和電流互感器27投入適當?shù)陌l(fā)電效應電容器28，人為調(diào)整異步電機處于發(fā)電狀態(tài)的時間，一直到滿足故障診斷數(shù)據(jù)窗口要求為止；閉合發(fā)電效應開關(guān)26，將調(diào)試好的發(fā)電效應電容器28并聯(lián)接入交流電源2回路；發(fā)電效應電容器28的容量值在進行下一次學習階段之前的故障診斷期間保持不變；實時檢測異步電機狀況，準備進入異步電機發(fā)電狀態(tài)階段。
D、異步電機發(fā)電狀態(tài)階段當異步電機5進入發(fā)電狀態(tài)時，本實用新型工作步驟為1、切除異步電機5計算機控制器21通過驅(qū)動單元20斷開診斷開關(guān)10，計算機控制器21通過數(shù)據(jù)采集單元17檢測到電流互感器11無電流存在，說明斷開成功，否則說明診斷開關(guān)10故障；2、數(shù)據(jù)采集與故障診斷切除異步電機5的同時，通過自勵開關(guān)12、失勵開關(guān)15和常勵開關(guān)22的操作組合，實現(xiàn)四種故障診斷模式的診斷循環(huán)，研究各過程中異步電機端電壓和定子繞組電流(線電流)的頻譜，分別為(1)異步電機失電診斷模式不進行任何開關(guān)操作，直接采集數(shù)據(jù)進行診斷；(2)異步電機自勵診斷模式閉合自勵開關(guān)12，投入空載勵磁電容器13，采集數(shù)據(jù)進行診斷；(3)異步電機常勵診斷模式閉合自勵開關(guān)12，投入空載勵磁電容器13，在建立電壓后，閉合常勵開關(guān)22，投入并聯(lián)的常勵負載23和常勵電容19，采集數(shù)據(jù)進行診斷；(4)異步電機失勵診斷模式閉合自勵開關(guān)12，投入空載勵磁電容器13，在建立電壓后，閉合失勵開關(guān)15，在每相接入失勵負載16，采集數(shù)據(jù)進行診斷；此時自勵條件被破壞，異步電機電壓和電流逐漸減小，直到為零。
在上述四種故障診斷模式的工作循環(huán)中，穩(wěn)頻穩(wěn)壓電路30自動監(jiān)測異步電機的空載電壓，如異步電機的空載電壓過高，穩(wěn)頻穩(wěn)壓電路30的可控硅導通，偽負載29消耗超臨界能量，直到異步電機的空載電壓降低到預設(shè)安全臨界電壓范圍以內(nèi)時，穩(wěn)頻穩(wěn)壓電路30的可控硅關(guān)斷；3、判斷異步電機進入電動狀態(tài)異步電機在發(fā)電狀態(tài)的時間內(nèi)，本實用新型分別采用了兩種判斷方式轉(zhuǎn)速判斷方式和自動延時方式。具體為(1)異步電機自勵診斷模式和常勵診斷模式異步電機5從電網(wǎng)退出后，異步電機5進入空載發(fā)電狀態(tài)，并將其部分勢能變成旋轉(zhuǎn)的動能，空載勵磁電容器13提供空載勵磁，由抽油機機械系統(tǒng)9、異步電機5、系統(tǒng)開關(guān)4、開關(guān)7和空載勵磁電容器13形成孤島發(fā)電系統(tǒng)，同時由電流互感器8、電壓互感器14、數(shù)據(jù)采集單元17和計算機控制器21構(gòu)成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，采集異步電機5的電壓和電流瞬時值，根據(jù)電壓和電流的周期或頻率在線計算異步電機5滿足通電條件的參數(shù)異步電機5轉(zhuǎn)速接近同步轉(zhuǎn)速時刻，即異步電機5處于電動狀態(tài)的時間及起點；(2)異步電機失電診斷模式和失勵診斷模式計算機控制器21利用自動延時方式確定異步電機處于電動狀態(tài)的時間及起點，延時時間通過上述的學習階段獲得。
當異步電機5進入電動狀態(tài)時，本實用新型將轉(zhuǎn)入異步電機電動狀態(tài)階段運行，有故障時本實用新型退出運行。
E、異步電機電動狀態(tài)階段當異步電機5進入電動狀態(tài)時，本實用新型工作步驟為1、投入異步電機計算機控制器21通過驅(qū)動單元20閉合診斷開關(guān)10，診斷開關(guān)10通過改變觸發(fā)角逐步增大電壓直到額定值，電流互感器11的電流信號經(jīng)數(shù)據(jù)采集單元17反饋給計算機控制器21，檢測到有電流存在時說明合閘成功，否則說明診斷開關(guān)10故障；2、異步電機5進入電動運行階段，數(shù)據(jù)采集單元17實時采集異步電機5的電壓和電流瞬時值，計算機控制器21在線計算的有功功率值尋找其過零點作為異步電機斷電條件，即異步電機5處于發(fā)電狀態(tài)的時間及起點。當計算機控制器21判斷異步電機5進入發(fā)電狀態(tài)時，本實用新型將轉(zhuǎn)入異步電機發(fā)電狀態(tài)階段運行，有故障時本實用新型退出運行。
最后所應說明的是，以上實施例僅用以說明本實用新型的技術(shù)方案而非限制，盡管參照較佳實施例對本實用新型進行了詳細說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應當理解，可以對本實用新型的技術(shù)方案進行修改或者等同替換，而不脫離本實用新型技術(shù)方案的精神和范圍。
權(quán)利要求1.一種游梁式抽油機異步電機故障診斷裝置，其特征在于，包括連接在異步電機和交流電源回路上的診斷開關(guān)，所述診斷開關(guān)與一控制其接通或斷開的驅(qū)動單元連接，所述驅(qū)動單元與一發(fā)出接通或斷開控制信號的計算機控制器連接，所述計算機控制器與一采集異步電機電壓和電流數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)采集單元連接。
2.如權(quán)利要求1所述的游梁式抽油機異步電機故障診斷裝置，其特征在于，所述計算機控制器包括分別與控制單元連接的軟儀表單元和故障診斷單元，所述軟儀表單元與所述數(shù)據(jù)采集單元連接，所述故障診斷單元與所述數(shù)據(jù)采集單元連接，所述控制單元與所述驅(qū)動單元連接。
3.如權(quán)利要求1所述的游梁式抽油機異步電機故障診斷裝置，其特征在于，所述交流電源還并聯(lián)一發(fā)電效應電容器。
4.如權(quán)利要求1所述的游梁式抽油機異步電機故障診斷裝置，其特征在于，所述異步電機還連接一串接的偽負載和穩(wěn)頻穩(wěn)壓電路。
5.如權(quán)利要求4所述的游梁式抽油機異步電機故障診斷裝置，其特征在于，所述穩(wěn)頻穩(wěn)壓電路為多擋調(diào)節(jié)的雙向可控硅電路，所述偽負載為串接的電阻和電容。
6.如權(quán)利要求1～5任一所述的游梁式抽油機異步電機故障診斷裝置，其特征在于，所述異步電機還連接一串接的自勵開關(guān)和空載勵磁電容器，所述自勵開關(guān)與所述驅(qū)動單元連接。
7.如權(quán)利要求6所述的游梁式抽油機異步電機故障診斷裝置，其特征在于，所述異步電機還連接一串接的常勵開關(guān)和常勵負載，所述常勵開關(guān)與所述驅(qū)動單元連接，所述常勵負載還并聯(lián)一常勵電容。
8.如權(quán)利要求6所述的游梁式抽油機異步電機故障診斷裝置，其特征在于，所述異步電機還連接一串接的失勵開關(guān)和失勵負載，所述失勵開關(guān)與所述驅(qū)動單元連接。
9.如權(quán)利要求6所述的游梁式抽油機異步電機故障診斷裝置，其特征在于，所述空載勵磁電容器為三角形或星形接法的勵磁電容器。
10.如權(quán)利要求1所述的游梁式抽油機異步電機故障診斷裝置，其特征在于，所述診斷開關(guān)為可控硅或絕緣柵雙極晶體管。
專利摘要本實用新型涉及一種游梁式抽油機異步電機故障診斷裝置，包括連接在異步電機和交流電源回路上的診斷開關(guān)，診斷開關(guān)與一控制其接通或斷開的驅(qū)動單元連接，驅(qū)動單元與一發(fā)出接通或斷開控制信號的計算機控制器連接，計算機控制器與一采集異步電機電壓和電流數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)采集單元連接。計算機控制器包括分別與控制單元連接的軟儀表單元和故障診斷單元，軟儀表單元與數(shù)據(jù)采集單元連接，故障診斷單元與數(shù)據(jù)采集單元連接，控制單元與驅(qū)動單元連接。本實用新型將故障診斷設(shè)置在異步電機與電網(wǎng)脫開的發(fā)電狀態(tài)階段，消除了故障診斷中各種不利干擾，而且信號窗口可調(diào)，故障診斷結(jié)果具有較高的可信度，能滿足在線要求而不影響異步電機的正常工作。
文檔編號G01R31/34GK2881664SQ200620002368
公開日2007年3月21日 申請日期2006年2月17日 優(yōu)先權(quán)日2006年2月17日
發(fā)明者梁志珊 申請人:中國石油大學(北京)