（测试计量技术及仪器专业论文）用于大型旋转机械转子故障监测的电感测量仪的研制.pdf

摘要 用于大型旋转机械转子故障监测的电感 测量仪的研制 作者简介：肖鹏，男，1 9 8 3 年3 月出生，2 0 0 5 年9 月师从于成都理工大学赖万 昌教授，于2 0 0 8 年6 月获硕士学位。 摘要 生产的安全性问题，特别是生产设备的安全备受人们的关注，机械设备故障 诊断技术是人们对设备安全性要求越来越高而逐渐兴起的一项新技术，由线圈绕 成的转子控制棒位的驱动机构是大型旋转机械的关键部件，它直接关系到大型旋 转机械的正常运行。大型旋转机械转子由于功率大、转速高、流量大、压力高、 结构复杂、监控仪表繁多，运行及检修要求高，因此在设计、制造、安装、检修、 运行等环节稍有不当，都会造成机组在运行时发生种种故障。因此，认真做好大 型旋转机械转子的状态监测与故障诊断工作，对避免恶性设备损坏事故的发生， 降低停机次数和缩短停机时间、减少企业的经济损失是十分必要的。本论文旨在 集成先进的计算机、电子、信息处理和机械工艺设计等技术，研制开发出高精度 的用于大型旋转机械转子故障监测的电感测量仪，为此类大型机械设备提供故障 监测技术，保障机械系统的可靠运行。 本文采用通过测量线圈电感的方法来检测旋转机械的开合距离，从而判断大 型旋转机械是否发生了故障。仪器专门针对大型旋转机械的工作特性设计了自动 切换、放电检测、电感测量单元等电子学单元。自动切换单元通过选用新型光耦 继电器来切换大型旋转机械的线圈同仪器和电源的连接，该切换电路具有隔离度 高、响应时间快的特点。电感测量单元采用现在智能仪器中流行的矢量电压电 流法来测电感，大大降低了测量时间，提高了测量的准确性。同时，由于转子的 开合距离与电感量并无明确的数学关系，所以在软件上通过曲线拟合建立了线圈 电感变化量同转子开合距离的关系。 论文取得的主要成果有： 1 、研制了针对大型旋转机械转子的自动切换电路，保证了仪器在监测时不 影响机构正常工作。 2 、研制了电感测量单元，采用矢量电压电流法，提高了测量的准确性并缩 短了测量时间。 3 、用删和f p g a 两片芯片组成控制核心，增加了系统的控制能力。 成都理工大学硕士学位论文 4 、在硬件的基础上，开发了人机界面友好的软件，并建立了电感变化量与 转子开合距离的回归方程。 样机完成后，对样机的性能进行了测试，实验结果表明，对标准电感进行测 量时，仪器相对误差小于3 8 ，多次连续测量，得到系统的相对标准偏差为 o 1 4 ；通过对实际电感变化量与转子开合距离的标定数据进行回归分析，得到 回归误差小于0 3 ；对实际旋转机械转子开合距离测量时，误差小于o 5 ，满足转 子开合距离误差小于0 5 的要求。 关键词：自动切换装置直接频率合成器相敏检波器曲线拟合 i 【 a b s t r a c t r e s e a r c ho ni n d u c t a n c em e a s u r i n gi n s t r u m e n tf o r l a r 2 e - s c a l er o t a t i n 2m a c n l n e i 了r o t o rt a u i td l a 2 n 0 s i s 1j 一 一j i 纳d u c t i o no ft h ea u m o r ：x i a op e n g ，m a l e ，w a sb o mo nm a y ，19 8 3 u n d e rt h e g u i d a l l c eo fp r o fl a iw a l l - c h a n g ，h eu 粥g n a d u a t e d 舶mg r a d u a t e ds c h o o la t c h e n g i 如u m v e r s 埘o ft e c l l i l o l o 盱 a b s t r a c t t h ep r o d u c t i o ns e c u r i 够i s s u e s ，e s p e c i a l l yp r o d u c t i o ne q u i p m e n t s s e c 谢够 r e c e i v e sp e o p l e sa t t e n t i o n ，t h em e c h a l l i c a ld e v i c ef a u l td i 呼1 0 s i st e c l u l i q u ei san e w t e c l l i q u ee m e r g e sg r a d u a l l yw h e nt h ep e o p l ei sg e t t i n g 王l i g h e ra n dh i g h e rr e q u e s tt o t h ee q u i p m e ms e c u r i t ) ，t h er o t o rc o n n o lr o dp o s i t i o n s “v i i 唱m e c h a l l i s mw h j c h c i r c l e sb ym ec o i l i st h el a r g er 0 协n gm a c m n e r y sk e yc o r n p o n e n t 1 1 1 e “v i n g m e c h a i l i s mn o n n a jo p e r a ：t i o nd i r e c t l yr e l a t e dt 0l a r g er o t a t i n gm a c h i i l e 巧sn o m l a l 叩e r a t i o n b e c a u s em el a r g er o t a t i n gm a c l l i n e 巧r o t o rt 1 1 ep o w e ri sb i g ，t h er o t a t i o n a l s p e e di sh i 曲，m ec u r r e n tc 印a c 匆i sb i g ，t h ep r e s s u r ei sh i 曲，t h es t n l c t u r ei sc o m p l e x ， t h em o i l i t o r i i l gd e v i c ei sm a i l y ，t l l em o v e m e n ta n dt h eo v e r h a u lr e q u e s tm g h ，t h e r e f o r e i ft h ed e s i 印，m a l l u 白c t u ：r e ，i n s t a l l m e m ，o v e r h a u l ，m o v e m e ma n ds oo nh a si m p r o p e r s l i g h t l y ，c a i lb r i n gt h eu i l i th a p p e n e da 1 1 s o r t so ff ；l u l tw h e ni t sm 1 1 t h e r e f o r e ， c o m p l e t e st h e1 a 唱er o t a t i n gm a c l l i n e 巧r o t o r sc o n d i t i o nm o m t o ra i l dm ef a u l t d i a 印o s i sw o r k ，t oa v o i d st 1 1 ee q u i p m e n td 锄a g e di nt h ea c c i d e n t ，r e d u c i n gt l l e m l i l l b e ro fe n g i n eo f ft i m e sa 1 1 dr e d u c ed o w n t i m e ，r e d u c i n gt h ee n t e 印r j s e se c o n o m i c l o s si sv e 搿e s s e n t i a l t l l i sp 印e r 抽st oi m e g r a t ea d v a i l c e dc o m p u t e r ，e l e c t r o i l i c s ， i 砌o m a t i o np r o c e s s i n g 锄dm e c h 撕c a ld e s i g np r o c e s s ，r e s e a r c ha i l dd e v e l o pa l l i 曲- p r e c i s i o ni n d u c t a i l c em e a s u d n gi i l s t n m l e n tf o rl a 唱e s c a l er o t a t i i l gm a c h i n e 巧 r o t o r 矗m l t d i a 弘o s i s ，p r o v i d e st l e 蠡l u l td i a 盟o s i st e c h n o l o g yf o r “s 比do f l a r g e - s c a l em e d l a i l i c a ld e v i c e ，a n ds a f e g u a r dt h em e c h i n i c a ls y s t e m sr e l ia _ b i l i 够 i nt h j sp 印e r ，u s e st i l r o u 曲m e a s u r i n gt h ei n d u c t a l l c eo ft h ec o i lt od e t e c tt h e o p e i l i n gd i s t a l l c eo far o t a t i n gm a c l l i n e 巧，t 0d e t e m l i l l e 、) l ，! h e t l l e rt h el a r g er o t a t i n g m a c m n e 巧h a db e e naf a u l t t h ei 1 1 s 饥皿e ma i m e da tt l l el a r g er o t a t i n gm a c m n e r y s 0 p e r a t i o n a lf a c t o rt od e s i g ne l e c t r o l l i c su i l i t se s p e c i a l l ys u c ha sa u t o m a t i cs 、i t c h ， e l e c t r i cd i s c h a r g ee x 锄i n a t i o n ，i i l d u c t 锄c em e a s u r i n gu 1 1 i ta i l ds oo n t h ea l i t o m a t i c s w i t c hu i l i tt l l r o u 曲s e l e c t st 1 1 en e wl i g h tp a i rr e l a yt os w i t c ht h el a r g er o t a t i i 培 m a c h i i l e 巧sc o i lw i 廿lt h ei n s 扪j i i l e n ta 1 1 dp o w e rc o i l i l e c t i o n s ，t ：h i ss w i t c he i e c t r i c c i r c u i th a sak g hd e g r e eo fi s o l a t i o n ，f 瓠t r e s p o n s et i m ec h a r a c t e r i s t i c s t h e i i l d u c t a j l c em e a s 证n gu 1 1 i tu s e sm ep o p u l a rv e c t o rv o l t a g e e l e c t r i cc u r r e n tm e t h o dt 0 成都理工大学硕士学位论文 m e a s u r et 1 1 ei n d u c t a i l c ei nt h es m a r ti n s t 眦n e n tn o w ，r e d u c e dt h em e a s u r i n gt i m e 盯e a t l y ，e r l l l a l l c e dt h ea c c u r a c yo ft h em e a s u r e m e n t s a tt h es a m et i m e ，b e c a u s et 1 1 e r o t o ro p e l l i n gd i s t a i l c ea i l dt h ei n d u c t a i l c eq u a n t i 够h a sn o te x p l i c i tm a t h e m a t i c a l r e l a t i o n ，t h e r e f o r eo nt h es o 觚a r et 1 1 r o u g h 也ec u r v ef i t t i n ge 虹b l i s h e dm er e l a t i o n s b e t w e e nt h ec o i li n d u c t a n c ec h a n g eq u a m i t i e sw i t ht h er o t o ro p e l l i n gd i s t 锄c e s t h em a i nr e s e a r c hr e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： 1 h a sd e v e l o p e dt h ea u t o m a t i cs w i t c hc i r c u i tf o r l e1 a r g e s c a l er e v o l v i n g m a c m n e r yr o t o r ， h a dg u 2 u r 觚t e e dm ei n s 饥h n e n td o e sn o ti r i t e r f i e r e谢也t l l e o 曙a m z a t i o nn o r m a lw o r kw h e n f i a u l td i a g n o s i s 2 h a sd e v e l o p e dt h ei n d u c t a n c em e a s u 打n gu m t ，a d o p tt h ep o p u l a rv e c t o rv o l t a g e e l e c t r i cc u l l r e mm e t l l o d ，e m 姗c e dt h ea c c u r a c yo ft l l em e a s u r e m e n t s 趴dr e d u c e dt l l e m e a s u r i n gt i m e 3 s e l e c t e dt h e 觚眦a i l dt h ef p g at 、 ，op i e c e s0 fc b i pc o 璐t i t u t et h ec o l l n d lc o r e ， i i l c r e a s e dt 1 1 es y g t e m sc o n t r o lc 叩a b i l i t ) ， 4 b a s e do nt h eh a r d w a r e ，h a sd e v e l o p e dt h es o r w a r ew i n la 衔e n d l y m a n m a c b j n ei n t e d a c e ，a n dh a se 虹b l i s h e dt 1 1 e r e 伊e s s i o ne q u a t i o nb e 铆e e n 吐l e i n d u c t a n c ec h a n g eq u a n t i 够a n dt l l er o t o ro p e i l i n gd i s l - 舳c e a r e rt h ep r o t o 够p ec o m p l e t e s ，c a r r i e do nt h ep e 触a n c et e s tt 0p r o t o t y p e ，t h e e x p e r i m e m a lr e s u l th a di n d i c a t e dt l l a tw h e nc a 玎i e do nt l l em e a s u r et ot h es 协n d a 帕 i 血【u c t a n c e ，t h ei n s t n l m e n tr e l a t i v ee n d rw a ss m a l l e rt h a n3 8 ，c o n t i n u o u s l ym e a s u r e m a n yt i m e s ，o b t a j n ss y s t e m f sr e l a t i v e l ys 诳d a r dd e v i a t i o ni s 0 14 t h r o u g hm e r e 伊e s s i o na i l a l y s i s b e t w e e nm ea c t u a li n d u c t a l l c ec h a l l g eq u a m i t ) ，a n dt l l er o t o r o p e n i n gd i 鲍m c ed e m a r c a t ei i a t a ，o b t a i n s 也er e g r e s s i o ne 玎o ri ss m a l l e rt h a n0 3 w h e nm e a s u r et h ea c t u a lr e v 0 1 v i n gm e c h a n i c a lr o t o ro p e n i n gd i s t a i l c e ，l ee n d ri s s m a l l e rt h a l lo 5 ，s a t i 蚯e sm er e q u e s tt h a tr o t o ro p e n 锄dc l o s ed i s t a l l c ec 玎o ri s s m a l l e rt 1 1 a n0 5 k 卵，o r d s ：a m o m a t i cs 研t c l l i l l gd e v i c e s d i r e c td i g 砌s y 劬e s i z e rp h a s ed e t e c t o r c u n r e f i t t i n g 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得盛壑堡工盔堂或其他教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：首邴坞 哟年月 o 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盛壑堡工盔堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权盛都理王盔堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：肖 学位论文作者导师签名： 硼g 年名月阳日 第1 章引言 第1 章引言 1 1 选题依据及研究意义 随着科学技术的发展，人们越来越重视设备和工作环境的安全性。机械设备 故障诊断技术是人们对设备安全性要求越来越高而逐渐兴起的技术。故障就是指 机械设备丧失了原来所规定的性能和状态。通常把运行中的状态异常、缺陷、性 能恶化及事故前期的状态统称为故障，有时也把事故直接归为故障。 而故障诊断则是利用机械设备在运行中或相对静止条件下的状态信息，通过 对所测信号的处理和分析，并结合诊断对象的工作原理、结构特点、运行参数及 其历史运行状况，来定量识别机械设备及其零部件的实时技术状态，对设备有可 能发生的故障进行分析、预报，对设备已经或正在发生的故障进行分析、判断， 以确定故障的性质、类别、程度、部位及趋势，从而确定必要对策的技术。通俗 地讲，它是一种给设备“看病”的技术。 由线圈绕成的转子控制棒位的驱动机构是大型旋转机械的关键部件，它的正 常运行直接关系到大型旋转机械的正常运行。大型旋转机械是指由涡轮机( 如汽 轮机、水轮机、燃气轮机、烟气轮机等) 及其驱动的工作机( 如离心式压缩机、 轴流式压缩机、发电机等) 所组成的透平式流体动力机械，习惯上简称大型机组。 大型机组是化工、石化、电力、钢铁、核电站等行业的关键设备，例如：乙烯装 置的三机( 裂解气压缩机、乙烯压缩机、丙稀压缩机) ，化肥装置的五机( 原料 气压缩机、空气压缩机、合成气压缩机、氨压缩机、二氧化碳压缩机) ，炼油装 置的三机( 烟机、主风机、富气式压缩机) ，大型空分装置的空气压缩机，中心 电站的大型汽轮机或水轮发电机组，钢铁企业的氧压缩机及高炉风机等。大型机 组由于功率大、转速高、流量大、压力高、结构复杂、监控仪表繁多，运行及检 修要求高，因此在设计、制造、安装、检修、运行等环节稍有不当，都会造成机 组在运行时发生种种故障。大型机组本身价格昂贵，大型机组的故障停机又会引 起整个生产装置的全面停产，给企业、社会、国家造成巨大的经济损失。因此， 认真做好大型机组的状态监测与故障诊断工作，对避免恶性设备损坏事故的发 生，降低停机次数和缩短停机时间、减少企业的经济损失是十分必要的。 虽然现代机械故障诊断技术起源于军事需要，但其真正的应用意义却在于大 型化、连续化、高速化和自动化的现代工农业生产。主要表现在以下几个方面： l 、预防事故，保证人身和设备的安全。在航天、航空、航海、核工业等部 门中，许多设备的故障不仅会造成巨大的经济损失，而且会带来严重的社会公害。 为避免恶性事故的发生，仅靠提高其设计的可靠性是不够的，还必须辅以有效的 成都理工大学硕士学位论文 故障诊断，才能够防患于未然l l j 。 2 、推动设备维修制度的改革。国外已基本完成由预防维修向预知维修的过 渡，我国则正处于过渡期的歼始阶段。预防维修又称定时维修( t i m e - b a s e d m a j n t e n a i l c e 简称t b m ) 或计划维修，它的特点是当设备运行达到计划规定的台时 或吨公里时便进行强制维修，是一种静态的维修制度。预知维修又称状态维修 ( c o n d i t i o n b a s e dm a i n t e n a i l c e 简称c b m ) ，它的特点是在状态监测的基础上，根 据设备运行状态实际劣化的程度来决定维修时间和维修规模，是一种动态维修制 度。预防维修的明显缺陷在于过剩维修和欠维修。如：1 9 8 0 年美国全年税收为7 5 0 0 亿美元，而全年工业维修费达2 4 6 0 亿美元，其中因过剩维修和欠维修而浪费的资 金约为7 5 0 亿美元，占总维修费用的3 0 。除经济原因外，维修人员的不足和素 质提高慢等因素，也促进了维修制度从定时维修向预知维修的转化。预知维修明 显优于预防维修，它不仅可避免类似欠维修造成的故障，也可防止过剩维修带来 的浪费，是一种理想的维修制度。维修制度由预防维修向预知维修的转换是必然 的，而真正实现预知维修的基础是设备诊断技术的发展和成熟。 3 、提高经济效益。设备诊断技术的最终目的是避免故障( 尤其是重大事故) 的发生，使零部件的寿命得到充分发挥，延长检修周期，提高维修的精度和速度。 因此，设备诊断技术的应用“隐含”着巨大的经济效益。例如：对英国2 0 0 0 个工 厂的调查表明，采用设备诊断技术后维修费用每年节约3 亿英镑，除去诊断技术 费用o 5 亿英镑，净获利2 5 亿英镑【l j 。 故障诊断的根本目的就是要保证大型机组的安全、稳定、长周期、满负荷、 优良运行，主要为： 对机组运行中的各种异常状态作出及时、正确、有效的判断，预防和消除 故障，或者将故障的危害性降低到最低程度；同时对设备运行进行必要的指导， 确保运行的安全性、稳定性和经济性。 确定合理的故障检修时机及项目，既要保证设备在带病运行时安全、不发 生重大设备故障，又要保证停机检查时发现设备的确有问题，合理延长设备的使 用寿命和降低维修费用。 通过状态监测，为提高设备的性能而进行的技术改造及优化运行参数提供 数据和信息。 故障诊断的任务主要包括三个方面，即监视机组的运行状态，判断其是否正 常；判断机组的故障，预测将来发生的趋势，并提供消除故障的思路：指导机组 的运行和维修。 监测由线圈绕成的转子的驱动机构是否发生故障对大型机组的正常运行有 着关键性的指示作用，因此，该驱动机构需要用专门的仪器来进行监测是否发生 故障。本论文研制的电感测量仪就是用于监测大型旋转机械驱动机构能否正常工 作的仪器，它的原理是由线圈绕成的转子在改变开合距离时会产生电感变化，电 2 第1 章引言 感变化量与位移量之问成一定的关系，通过测这个电感变化量来判断该驱动机构 是否开合，从而判断是否发生了故障，保证大型旋转机械的正常运行。 1 2 研究现状 美国是最早丌展设备状态监测与故障诊断工作的国家之一。1 9 6 1 年开始执行 阿波罗计划后，发生了一系列由设备故障酿成的悲剧，促使1 9 6 7 年在美国宇航局 ( n a t i o n a la e r o n a u t i c sa i l ds p a c ea d m i n i s t r a t i o n ) 倡导下，由美国海军研究室主持的 美国机械故障预防小组( m e c h a l l i c a lf a u l tp r e v e n t i o ng m u p ，简称m p e g ) 成立。 1 9 7 1 年m p e g 划归美国国家标准局领导，下设四个小组：故障机理研究组，监测诊 断和预测技术组，可靠性设计组，材料耐久性评价组1 2j 。美国机械工程师学会( t h e a m e r i c a ns o c i e t yo fm e c h a n i c a le n 画n e e r s ) 领导下的锅炉压力容器检测中心在应 用声波发射技术对静设备故障诊断方面取得了重要成果。其他还有j o l l l l sm i t c h e l 公司的超低温和空压机监测技术，s p i r e 公司在军用机械轴与轴承方面的诊断技 术等在国际上都处于领先地位。在航空运输方面，美国在可靠性维修管理的基础 上，大规模地对大型飞机进行状态监测，研制并应用了以计算机为基础的飞行器 数据综合系统( a i d s ) ，采集、记录、分析处理大量飞行中的信息来判断飞机各部 位的故障并能发出排除故障的指令。这些技术在b 7 4 7 和d c 9 等巨型客机上的成功 应用，大大提高了飞行的安全性。英国以r a c o l l a c o t t 为首的机器保健中心于2 0 世纪6 0 年代末7 0 年代仞开始研究状态监测与故障诊断技术。此外，在核电站、钢 铁行业也成立了相应的组织，丌展了这方面的研究工作。瑞典s p m 仪器公司的轴 承监测技术、丹麦m e 公司的传感器制造技术在故障诊断领域也占有一席之地。 如果说英美等国在军事、航空等方面的状态监测和故障诊断技术占有领先地 位的话，那么r 本则在民用工业，如钢铁、化工、铁路等行业发展得很快，占有 明显优势。只本的做法是密切注视世界各国的动向，积极引进和消化最新技术， 努力发展自己的诊断技术，特别注意研制本国的诊断仪器。同本开展诊断技术研 究工作主要有两个层面：一是高等院校，比较有名的有东京大学、东京工业大学、 京都大学、早稻f f i 大学等，它们均发表了不少基础性的研究报告；另一个层面是 一些企业，如三菱重工、东京芝浦电气、国际机械振动公司( ( i m v ) 等，它们的研 究工作是在企业内部以生产为中心丌展的，具有较高的应用水平。 我国从1 9 7 9 年到1 9 8 3 年，故障诊断技术从初步认识进入到初步实践阶段。 1 9 8 3 年原国家经委颁御的国营工业交通企业设备管理试行条例，有力地推动 了我国设备状念监测与故障诊断技术的丌发研究工作。1 9 8 4 年7 月在北京成立中 国设备管理协会。1 9 8 5 年5 月在郑州成立中国机械设备诊断技术学会。这些组织 致力于广泛交流我国在该领域内各方面的技术成果，深入探讨设备状态监测与故 成都理i ：人学硕士学位论文 障诊断在国内外的发展动向，有力地推动了这一学科的发展，使其有效地为我国 的国民经济建设服务。目日l 我国的设备状念监测与故障诊断技术水平同发达国家 的差距已大大缩小，在一些方面，如计算机监测与故障诊断的软件等，完全可以 满足实际生产的需要，达到世界同期先进水平。我国的故障珍断事业正在蓬勃发 展，将在我国经济建设中发挥越来越大的作用。 目前国内外的电感测试仪有很多，如德国m i l l i t r o n 公司生产的型号为1 2 0 2 d 的电感测微仪代表着同类产品的水平，它的量程在士2 0 m 、土2 0 0 “m 和士2 0 0 0 u m 时分辨率分别可以达到o 0 1 “m 、0 1 “m 和1 “m ，响应时间在4 0 0 “m 以下，达到了 相当好的程度；其他国外产品还有德国米依公司的i w s 系列智能电感位移测量传 感器，p a r s c i e n t i n c 公司的1 0 0 0 系列数字式石英智能传感器。国内市场中的主流 产品也都较为接近这个水平，例如，中原量仪厂生产的数显电感测微仪g d s 一6 c 和g d s 一6 d 型，其他国内厂家生产的电感测微仪也都达到了相应的水平，其中 包括洛阳轴研科技股份有限公司的g d s 系列和恒隆集团的产品。但是由于本项目 的大型旋转机械是在高温高压环境中工作的，以上产品都不适合在本系统中直接 使用，因此，必须研究适用于本系统的故障监测电感测量仪。 1 3 研究内容 目前，随着计算机技术和电子技术的发展，所有的故障监测仪都以计算机为 基础，采用先进电子技术采集、记录、分析大量的机械设备工作数据来判断机械 的故障。本论文旨在集成先进的计算机、电子、信息处理和机械工艺设计等技术， 研制开发出高精度的用于大型旋转机械转子故障监测的电感测量仪，为此类大型 机械设备提供故障监测技术，保障机械系统的可靠运行。 本仪器丌发主要包含以下研究内容： 夺自动切换单元 夺放电及检测单元 电感测试单元 主控单元 夺系统软件 其中电感测量单元是整个监测仪的核心，它的精度和稳定度直接决定了整个 仪器的性能。同时，在满足测量精度的前提下，尽量提高测试速度，捕捉故障特 征。系统软件包括下位机软件和上位机软件，其中，上位机软件界面要美观、简 洁、可操作性强。通过系统的软硬件设计丌发，研制出适合现场使用，人机交互 良好，使用方便的故障监测电感测量仪。 4 第2 章系统工作原理及设计方案 第2 章系统工作原理及设计方案 2 1 工作原理 由线圈绕成的转子在大型旋转机械中开合距离的不同会产生不同的电感变 化量，由于转子的开合距离与电感量的关系比较复杂，所以实际中拟合曲线来反 映转子的开合距离与电感变化量的关系，然后监测这个电感变化量就可以根据电 感变化量与转子开合距离的特性曲线判断转子开合距离是否达到规定的距离，故 障监测电感测量仪就是根据这个原理研制的。 其基本工作过程是：大型旋转机械正常运行时，转子绕组连接至控制电源， 故障监测电感测量仪不工作。当故障监测电感测量仪收到开始测量的信号后，对 待测三相转子绕组进行断电操作，同时将三相转子绕组自动切换到放电单元，放 电单元进行放电，经检测转子绕组放电后的剩余能量不影响测量结果的准确性 时，再连接到测试单元进行测试。在一个测试周期内，绕组按照设定顺序依次自 动连接到电感测试单元，在每次测试后绕组又自动连接到放电单元，放电后再进 行下一组测试，经过三次测量将测得的数据通过主控单元的串口传输给上位机， 由上位机进行分析、处理，判断是否发生了故障。系统的整体框图如图2 1 所示。 2 2 系统方案的设计 图2 1 系统整体框图 由于大型机械转子的特殊性，故障监测电感测量仪必须具有以下功能： 1 自动切换功能，用来切换系统与外部接口，电感放电，以及电感测量。 2 电感测量功能； 成都理工大学硕士学位论文 3 实时处理数据并能显示、保存测量结果。 根据上述基本要求，故障监测电感测量仪主要包括自动切换单元、放电检测 单元、电感测试单元等，完成与大型旋转机械的连接和测量，测量的数据通过串 口传至上位机；上位机软件完成现场测量数据的分析处理、显示与保存。 2 2 1 硬件设计方案 1 自动切换单元 自动切换单元主要是用来切换系统与外部接口，电感放电，以及电感测量。 由于该仪器要长时间的工作，同时在测量时又要求切换动作迅速，所以必须选择 寿命长、动作时间短的继电器。根据自动切换单元的不同作用，该单元选择高隔 离度j q x 3 8 型继电器和寿命长、反应时间快的光电隔离继电器a q v 2 2 1 。 2 放电及检测单元 进行电感测试时，绕组剩磁等因素会对测量结果产生较大的影响，因此，必 须在绕组放电完成后才能将待测设备接入测试系统进行测试。 放电开始后，通过对放电电阻上电压的检测确定放电程度。放电电阻上的电 压信号经过限幅保护后进入刖d 测量，输出信号送入主控单元，主控单元经过分 析，确定定子放电后的剩余能量不影响测量结果的准确性后，随即连接到测试单 元进行测试。 3 电感测试单元 电感测试仪的精度和速度直接决定了测试结果的准确性和实时性，因此电感 测试单元应具有响应速度快、测量准确、数据稳定等特点。电感测量采用现在流 行的矢量电压电流法。 4 主控单元 主控单元是整个系统的核心部分，它起着控制绕组自动切换装置、放电电路 和电感测试单元工作以及测试结果数据采集、处理、传输等功能。从硬、软件开 发便捷性考虑，本文提出了以飞利浦电子公司的3 2 位a r m 微控制器( m c u ) 为主 处理器，以f p g a 芯片e p c i 3 为协处理器的设计方案。该设计方案具有结构简单， 集成度高，可扩展性强的优点。 2 2 2 软件设计方案 本系统的软件主要分为下位机软件和上位机软件。 下位机软件主要包括基于l p c 2 2 1 4 主控制器的程序和基于f p g a 的逻辑控制 程序，它们共同实现了a d 数据采集，串口通信，控制的切换等功能。 系统的上位机软件，用v b 设计，主要是对转子绕组的电感量的采集、处理、 6 第2 章系统工作原理及设计方案 存储和显示等，软件界面要美观、简洁、可操作性强。 上位机能够实时显示电感测试仪测量到的数据，经过处理后的电感总和值以 及拟合得到的转子开合距离，能及时观察到电感总和值和拟合得到的转子开合距 离随时间的变化情况。上位机还能对测试得到的原始数据以及处理后的数据进行 存储，方便随时调用。此外，上位机还具备打印功能，可根据需要对测试的数据 等信息进行打印。 7 成都理工大学硕士学位论文 3 1 电感测试单元 3 1 1 电感测量原理 第3 章硬件设计实现 电感测试单元是整个系统的基础，电感测试的准确性直接影响着整个系统测 量的准确性。电感测量通常有以下两种方法。 1 交流电桥测量法 交流电桥的构造及原理均与直流m e a t s t o n e 电桥相同，如图3 1 所示，信号源 用交流信号，四臂的阻抗z 1 ，z 2 ，z 3 ，z 4 可以用电阻、电容、电感、或其组合， 通过调节c o 使得电桥平衡，从而利用已知其他三个阻抗来推断第四个阻抗的值。 z1z 2 图3 1交流电桥法测电感原理图 z l = 尺l z 2 = j l + r l 弘壶 风 。 ” z 4 = k 平衡的条件为： i 三= r l r 4 c o k ：盟 【l r o 2 矢量电压电流法3 1 矢量电压电流法实际是由欧姆定律得出来的，将阻抗看成正弦交流电压与 电流的复数比值，即： 8 第3 章硬件设计实现 z 2 等出 这里是将一个标准阻抗r s 与被测阻抗z x 串联，如图3 2 所示： i b f 7 图3 2 矢量电压一电流法测量原理图 则可得到： z x = 一r s ( v x v s )( 3 1 ) 这样，对阻抗z x 的测量变成了对两个矢量电压比的测量。实现两个矢量除法 运算有固定轴法和自由轴法，其区别在于相敏检波器相位参考基准选取的不同。 实际相敏检波器的相位参考基准代表着坐标轴的方向，相敏检波器的输出就是待 测电压在坐标轴方向上的投影。 固定轴法要求相敏检波器的相位参考基准严格地与式( 3 1 ) 分母位置上的矢 量一致，这样分母才有实部分量，使矢量除法简化为两个标量的除法运算。这种 方法的缺点在于：为了固定坐标轴，确保参考信号与信号之间的精确相位关系， 硬件电路要付出相当大的代价。 自由轴法中相敏检波器的相位参考基准可以任意选择，即x ，y 坐标轴可以任 意选择，只要求保持两个坐标轴准确正交( 相差9 0 0 ) ，从而使硬件电路简化，准 确度也得以提高。自由轴法的计算量比较大，但对于现在的微处理器来说是不困 难的，因而现在的阻抗测量仪都采用这种方法。 图3 3 为自由轴法的原理框图，图3 4 为自由轴法的矢量图。在自由轴法中坐 标轴方向可任意选择，因此中角的值是任意的。通过开关s 的选择，由鉴相器和 a d 转换器测出v x 和v s 在任意方向上的各分量值。 z x = 一r s ( v x v s )( 3 2 ) v x = v l + j v 2 = a ( n l + j n 2 )( 3 3 ) v s = v 3 + j v 。= a ( n 3 + j n 。)( 3 4 ) 式中n ，、n 。分别为v x 在o o 方向与9 0 0 方向上电压v 。与v ：所对应的数字量； n 。、n ；分别为v s 在o o 方向与9 0 0 方向上电压v 。与v 。所对应的数字量；a 为刻度系 数。由式( 3 2 ) ( 3 4 ) 可得： 9 成都理工大学硕士学位论文 ：坠盟：坐尝+ 型尝型掣 ( 3 5 ) 圪+ k3 2 + 4 23 2 + 4 2 ” y v 4 v 2 o 图3 3 自由轴法原理图 v 3v i 图3 4 自由轴法矢量图 x 因此，直接通过对n l 、n ：、n 。、n 4 数字量的运算，即完成了矢量除法运算， 就可求得阻抗z x 。 如果v s 采用标准电阻r s ，则根据式( 3 2 ) 和( 3 5 ) 可得出电感值l x 为： ! 丝丝二丝些2 坐 3 + 4 缈 由上述电感测量的原理可知：采用交流电桥法，要调节两个参数才能使电桥 平衡，电路调整复杂，且不便于自动化测量。故本设计选用矢量电压一电流法测 量。 3 1 2 正弦激励信号产生器 电感的矢量电压一电流测量方法需要一个正弦激励信号源和与该激励信号同 频率正交( 相位差9 0 0 ) 的测相参考信号。为此这里采用直接频率合成器( d i r e c t d i g i t a ls y n t h e s i z e r ，d d s ) 技术，通过大规模可编程逻辑器件f p g a 产生上述 l o 第3 章硬件设计实现 较为精确的信号。d d s 是一种采用数字化技术、通过相位的变化速度，直接产生 各种不同频率信号的频率合成方法。 d d s 基本原理框图如图3 5 所示。它主要由标准参考频率源、相位累加器、 波形存储器、数模转换器、低通平滑滤波器等构成。其中，参考频率源是一个 高稳定度的晶体振荡器，其输出信号用于d d s 中各部件同步工作。d d s 的实质是 对相位进行可控等间隔采样。 频率 控制字 信号 输出 图3 5 亘接频翠合成器原理框图 1 相位累加器 相位累加器的结构如图3 6 所示。它是实现d d s 的核心，本系统的相位累加 器由一个1 6 位字长的加法器和一个由固定时钟脉冲取样的1 6 位寄存器组成。将 相位寄存器的输出和外部输入的频率控制字k 作为加法器的输入，在时钟脉冲到 达时，相位寄存器对上一个时钟周期内相位加法器的值与控制字k 之和进行采 样，作为相位累加器在此刻时钟的输出。相位累加器输出的高1 0 位作为波形存 储器查询表的地址，从波形存储器中读出相应的幅度值送到数模转换器。其中 加法器的设计采用1 6 位并行全加器，1 6 位寄存器由1 6 个同步d 触发器构成。 频率控制字k 相位输出( 寄存器 的高1 0 位) 图3 - 6 相位累加器结构框图 2 波形存储器的设计 d d s 的波形存储器设计原理为：如果一个存储器有n 条地址线，则这个存储 空间为2 “，在2 “个存储空间内存放一个周期的正弦波形数据。波形存储器可以使 用只读存储器( r o m ) 和随机存储器( r a m ) 。考虑到波形存储器主要是用来构造查 找表，所以在设计中采用了r o m 。 对于产生不同的信号函数，主要改变r o m 的数据。形成r o m 表主要有两种方 法，一种是用逻辑单元实现r o m 表：另一种是用l p m 实现r o m 表庙3 。其中，用逻 辑单元实现r o m 表只适用于简单而且变化缓慢的波形，例如方波和三角波。而对 成都理工大学硕士学位论文 于正弦波要求平滑度较高，存入数据点较多就不方便。本系统采用l p 址r o m 实现 r o m 表：首先产生一个包含r o m 表的w a v