大型无刷励磁发电机转子温度测量

1、大型无刷励磁发电机转子温度测量 :A rotor temperature measuring of brushless excitation generator is introduced. The principle, method and implementation are also presented. The method, which has referable significance, is simple and has improved the safety level of generator. 1 概述 发电机在工作时的高速转动及各种损耗会使其内部温度升 高。通常发电机的

2、定子、 转子绕阻都是采用一定绝缘等级的铜导 线制成的 ,其工作允许的最高温度值是有一定的限制的 , 如果超 过温度的规定值 ,绝缘材料的性能将下降 , 同时高温加速了绝缘 材料的老化 , 最终使绝缘材料击穿 , 使转子绕组、 转子铁心或护环 可能被短路的电流烧坏。 所以, 为了保证发电机的正常可靠工作 ,就必需对发电机转 子温度进行测量。 随着国家技术的发展 , 发电机的容量越来越大 , 常规火电百 万千瓦级同步发电机已经逐步推广 , 有的地方发电机容量更是达 到1700MV以上,这样励磁电流的数值非常大。对于这样大的励磁 电流,在工程实践一般选择无刷励磁。但是在无刷励磁方式下 , 无法直接测

3、量发电机的转子电流和电压 , 从而导致发电机转子温 度的测量变的非常困难。 这里选用非接触式的红外测温方法 , 可以较准确地测量转子 的温度 , 但是由于红外热敏器件速度特性的衰减和发电机在工作 时的电磁干扰 , 影响了红外热敏器件的测量精度。 下面针对红外热敏器件速度特性的衰减和电磁干扰加以分 析并予以解决。 2 频率速度特性的补偿 2.1 分级补偿 由于红外热敏器件本身特性 , 随着被测物运行速度的增大 , 其输出逐渐衰减。 为了降低速度变化对输出的影响 ,保证探测器的精确度 , 需 要进行补偿。 由于受电子器件的特性影响决定了单级补偿有固定的补偿 范围,补偿宽度有限 ,单级补偿无论怎样调

4、整 , 其输出的速度关系 仍然是非线性的 , 输出电压随着速度的增加而减小 , 无法做到线 性无衰减 , 也就是说随着速度的增加信噪比也在逐渐减小 , 为了 解决这一问题采用了多级微分补偿法。 分级补偿法就是在三级运算放大器上分别进行补偿 , 就是使 放大器为较宽范围的非线性放大器 , 以便更好的补偿红外热敏器 件的衰减。 下面选取其中一路的放大电路的补偿电路为例进行分析说 明,如图 1所示: 根据结点电流原理 , 得到微分方程组 : 可知输出电压Uo与电容两端电压的微分大小成正比，将此 方程组求解 , 并进行拉斯变换 : =-+ 可知截止频率:f0=,通过选择R1与C1不同的数值，可以得到

5、不同截止频率的频率特性。 在放大电路的第一级选用了较大的 R1 与 C1 的数值 , 也就是 低截止频率的微分电路来针对低速度下的衰减进行低频补偿提 升,在放大电路的第二级采用了中等数值的R1与C1,即中等截止 频率的微分电路来针对中等速度进行中频补偿提升 , 在运算放大 器的第三级采用了较小数值的R1与C1,即高截止频率的微分电 路来针对高速进行高频补偿提升。 采用这种多级微分补偿的方法 , 解决了单级补偿的补偿范围 小的不足 , 具有调试简便和高可靠性的优点 , 可以将补偿的速度 范围做到很宽 , 这是单级补偿所无法比拟的。 2.2 频率带宽的选择 微分补偿能够反应信号的变化率 , 具有预

6、见性 , 能预见偏差 变化的趋势 , 因此能产生超前的控制信号变化的作用 , 使偏差提 前被微分补偿消除。 但是微分补偿在补偿信号衰减的同时放大了 带宽,因此对噪声干扰有放大作用 ,不能够采用过强的微分补偿 , 否则对红外器件的抗干扰不利 , 在进行设计时如何选择合适的带 宽, 才能既不影响信号的微分补偿 , 又能很好抑制噪声是设计的 关键点 红外热敏器件测量转子温度时的实际输出电压波形 , 近似三 角波。因此,选用如图二所示的三角波的函数 , 来近似模拟计算红 外热敏器件的输出频率特性。 f(x)=x,O? 燮 X?燮(t-X),? 燮 X?燮 t 把它展开成傅立叶级数 : an=0 bn=

7、xsindx+(t-x)sindx =(1-cosn n )sin=(-1)0, 所以在0?燮x?燮t(t为半周期),有 f(x)=sin= sin-si n+si n-(1) 下面分析取不同级数的项带来的误差 : 只取第一项f(x)sin,在乂=中心点的最大值f()=0.81 取前两项 f(x)=sin-sin 有 f()=sin- sin 0.9 同理取前三项有f()0.932 取前四项有f()0.951 取前七项有f()0.98 由此可以看出随着所取项数的增加 , 输出值离理想值越来越 接近 ,在实际的设计中由于考虑噪声的影响 ,带宽不可能做得很 大, 过大的带宽产生的副作用是把噪声和高

8、频干扰同时放大了, 反而影响到输出的准确性 , 而且随着项数的增加 , 对输出值的影 响已经越来越不明显 , 所以取到前七项已经足够了。那么究竟应 该选取多大的带宽才能真实反映电机转子每组励磁线圈温度的 变化呢 ? 发电机的转速大多都是 3000 转/ 分钟, 有些发电机的转速比 较低,但是无论转速是多少 ,50Hz 的交流电输出频率是不变的 , 就 是说励磁线圈经过红外热敏器件镜头前方的频率始终是固定的 50Hz。 在公式(1)中令3 1=, 3 1为基频,则公式(1)又可表示为: f(x)=sin=sin3 1x-sin 3 1x+sin5 3 1x(2) 公式 (2) 的第七项为 :sin 3 1x, 其中 133 1 为基频的 13 倍。 基频为50Hz时,13倍的基频就是650Hz，因此只要选择稍大于 650Hz的带宽就可以即实现大于 98%的精度，同时噪声也不会被 放的很大。 经过对发电机转子温度的测量实验 , 如图 3。 补偿前输出接近三角波 , 存在很大衰减 , 在经过速度补偿并 选择650Hz带宽后的输出波形接近方波，较好地反映了转子的真 实温度。 3 电磁干扰的解决 由于发电机的工作是基于切割磁力线变化的原理 , 存在着电 磁辐射 , 同时发电机外围工作的附属电路无时不刻辐射出电磁波 电磁干扰不可避免。 为了解决