水轮机调速器测频设计与试验.doc

水轮机调速器测频设计与试验 技术要求 1.精度要求：测频精度要求高于于万分之二； 2.延时要求：测量延时要求小于0.02s。 传感技术 1.齿盘测速法 齿盘信号测频接口为测频模块预留的接口，一般中小型调速器不采用，也可以按电站需要随时接入（齿盘测频装置不在中小型高油压数字式微机调速器供货范围）。齿盘测频原理如图所示： 齿盘测频装置设计为双接近开关，双接近开关信号经过隔离后，同时送到单片机。如图可知，两个传感器经过齿盘同一个边的时间差，只与齿盘旋转的线速度有关，而与齿盘的加工精度、摆动、振动无关，齿盘测频通过测量两个传感器的上升沿的时间，计算出频率。 齿盘测频接近开关1信号和接近开关2信号经光电隔离等处理后得到的综合整理信号与12M晶振产生的12M高频信号4分频后的到的信号f2相与，得到测频计数信号，再经过程序处理，得到的机频由总线送到可编程控制器（PLC）。 2.残压测频法 残压信号经隔离、整形成同频率的方波信号后，直接送至8254的引脚，由8254记录两个上升沿之间经过的基准脉冲个数，即可测得方波信号的周期，从而得到频率。测得的频率通过总线送至可编程控制器。由以上频率测量的原理可知：数字式脉冲测频方式的精度取决于基准脉冲的频率，基准脉冲的频率越高，对同一频率测的数据精度就越高。 以机组残压PT信号测频为例，水轮机机组频率低频正弦信号fj输入，经过滤波整形得到信号f1，晶振产生的12M信号4分频后的到的信号f2，f1和f2经过与运算，得到信号f3。8254记录一个机频信号周期T内f3的振荡次数NT，F机频=f机频336×10=f3×10/NT，已知f34=3000000=3×10 Hz，记数NT=62500，则F机频=48000，对应被测频率f机频=48.00HZ。同时由上图可知NT= f3×T机频= f3×1/6f机频，即f机频= f3/NT=3×10/62500=48Hz。 在本试验中，采取残压测频的方法，对水轮机转速信号进行测量。 硬件电路 隔离： 常用的隔离方式有光电隔离、变压器隔离等。考虑到调速器工作环境差，对光电隔离中的光感应影响较大，而且成本较高，故采用变压器隔离方式。 变压器的选取应该考虑以下参数： 额定工作频率：取决于测量信号的频率，这里就是极端残压的频率，50Hz； 容量：对于齿盘测速法来说应约为1.5VA 对于残压测频法来说应约为3.0VA 变比：极端电压可能会有100V，如果考虑这个高电压，变压器的变比将应选择变比较小的降压变压器。但是测频采用的信号是取自极端的残压信号，这个信号是幅值很小的电压信号，有时是有几V甚至几mV，如果选取降压变压器则信号太弱，将淹没在噪声里。使得调速器不能正常工作。因此实际设计中采取变比一般为1:1，或是1:2等。 这里我们选择变压器的参数为：额定工作频率50Hz，额定容量为3.0VA，变比为1:1。 滤波电路 由于主要干扰信号是残压信号中含有的谐波信号，其中，以三次谐波为主，因此这里应选择的是简单的二阶RC低通滤波器。 滤波器要求对于工作频率50Hz的有效信号衰减尽可能的小，而对于噪声信号则尽可能的衰减大。这里用3次谐波及频率为150Hz的信号为噪声信号的代表进行分析。 C(jω)=R(jω)*G(jω) 其中：C为输出信号，R为输入信号，G为滤波器的传递函数。采用对数频率特性来分析，50Hz的有效信号应处于低频无衰减区，150Hz的噪声信号应处于40dB/dec的快速衰减区，则转折点在50Hz与150Hz之间。转折频率的选择过低，高频噪声的衰减大，但是有效信号也有较大的衰减，而转折频率过高有效信号几乎无衰减，但高频噪声信号衰减不够，因此转折频率的选取应综合考虑。此外还要考虑到RC滤波电路的延时问题，相角滞后量为：arctg(fc*f)。这里选取设计阶段先选择100Hz，系统设计好后可通过计算机仿真来调整参数以达到最优效果。 fc=100Hz，则RC=fc/2Л=15.9，电阻R的选取还要注意到滤波器的限流作用，电流不可过大，否则会损害电路。另外R上消耗的功率应该尽量小，R=U*U/R，则电阻应该大些。综合考虑，R值取为100kΩ。 确定了R的取值，就可以通过通过RC的乘积值来确定C的值。这里我们选取C=159μF。 限伏整形 通过两个二极管反向并联，来起到限幅的作用。 把限幅得到的信号分别接到运算放大器的正、负输入端，构成一个过灵比较器，当正半波时，比较器输出高电平，当负半波时输出低电平。这样就把输入的正弦信号变成了方波信号。 分频 由于系统采用变压器隔离，可能会由于变压器铁芯偏移而造成正负半波不对称，而我们采取的是对信号的正半波进行测量，即实际测量的是信号正半波的时间，如果发生正负半波不对称的情况，就会使测量结果产生误差，因此，引入一个分