低壓多相永磁推進(jìn)系統(tǒng)測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李 丹，陳 馨

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低壓多相永磁推進(jìn)系統(tǒng)測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李 丹，陳 馨

（武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064）

本文分析了低壓多相永磁推進(jìn)系統(tǒng)的特點(diǎn)，討論了測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程，采用自頂向下、模塊化設(shè)計(jì)方法對(duì)低壓多相永磁推進(jìn)系統(tǒng)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行了方案設(shè)計(jì)；通過應(yīng)用系統(tǒng)誤差分配與綜合理論結(jié)合監(jiān)測(cè)點(diǎn)的選取與分布，完成了對(duì)傳感器和數(shù)采設(shè)備的選型及綜合變換儀等設(shè)備的具體技術(shù)實(shí)現(xiàn)；在系統(tǒng)搭建完畢后，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了計(jì)量。試驗(yàn)結(jié)果表明，此測(cè)量系統(tǒng)方案可行，實(shí)施有效，可靠性高，滿足技術(shù)要求，具有一定的先進(jìn)性。

狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng) 低壓多相永磁推進(jìn)系統(tǒng) 誤差分配與綜合

0 引言

與傳統(tǒng)的電磁式同步電機(jī)相比，永磁同步電機(jī)無需電流勵(lì)磁，不設(shè)電刷和滑環(huán)，因此結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，可靠性高。同時(shí)永磁同步電機(jī)的效率比電磁式同步電機(jī)要高，并且其功率因數(shù)可設(shè)計(jì)在1.0 附近。由于低壓多相永磁推進(jìn)系統(tǒng)效率高，輕量化和高性能等特點(diǎn)非常符合船舶綜合電力推進(jìn)的要求，低壓多相永磁推進(jìn)系統(tǒng)成為各國爭相研究的熱點(diǎn)[1]。

本文設(shè)計(jì)出一種分布式，多通道數(shù)據(jù)采集及處理的測(cè)量系統(tǒng)。該系統(tǒng)不但能實(shí)時(shí)顯示低壓多相永磁推進(jìn)系統(tǒng)各通道運(yùn)行狀態(tài)，而且具有精度高、體積小、線路簡潔及良好的人機(jī)交互等特點(diǎn)。

1 技術(shù)要求

低壓多相永磁推進(jìn)系統(tǒng)包括多相永磁同步電機(jī)及其變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的測(cè)量系統(tǒng)的研制目的在于測(cè)量低壓多相永磁推進(jìn)系統(tǒng)的電性能指標(biāo)、機(jī)械性能指標(biāo)等，從而全方位評(píng)估待測(cè)系統(tǒng)，并作為系統(tǒng)出廠檢驗(yàn)依據(jù)。

低壓多相永磁推進(jìn)系統(tǒng)測(cè)量系統(tǒng)的研制技術(shù)要求是對(duì)系統(tǒng)的輸入、輸出功率、效率，變頻調(diào)速控制系統(tǒng)效率，輸出交流電壓THDV，輸出交流電流THDI進(jìn)行分別測(cè)量，其中效率測(cè)量精度均不低于0.5%。

2 設(shè)計(jì)流程

低壓多相永磁推進(jìn)系統(tǒng)測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程是：首先針對(duì)低壓多相永磁推進(jìn)系統(tǒng)提取監(jiān)測(cè)參量，然后利用誤差分配與綜合理論對(duì)傳感器及數(shù)采設(shè)備進(jìn)行選型，接著對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行調(diào)理并接入數(shù)采設(shè)備并運(yùn)算，最后所有信息在遠(yuǎn)程操控臺(tái)上進(jìn)行顯示。具體設(shè)計(jì)流程圖如圖1所示。

圖1 測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程圖

3 方案設(shè)計(jì)

3.1系統(tǒng)待測(cè)量確定

狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)參數(shù)分電氣參量、機(jī)械參量、多相永磁電機(jī)本體和變頻調(diào)速及控制裝置狀態(tài)等四類。

電氣參量包括支路母線電壓值、逆變側(cè)母線電壓值、母線過流檢測(cè)、逆變輸出電流值。

機(jī)械參量包括低壓永磁推進(jìn)系統(tǒng)輸出扭矩和輸出轉(zhuǎn)速。

多相永磁電機(jī)本體和變頻調(diào)速及控制裝置狀態(tài)包括永磁電動(dòng)機(jī)積水報(bào)警、變頻調(diào)速及控制裝置支路狀態(tài)、輸入濾波單元狀態(tài)、逆流保護(hù)單元狀態(tài)、逆變單元狀態(tài)、輸出濾波單元狀態(tài)、變頻調(diào)速及控制裝置控制組件狀態(tài)。

3.2系統(tǒng)組成及原理

低壓多相永磁推進(jìn)系統(tǒng)測(cè)量系統(tǒng)由分布式現(xiàn)地測(cè)量系統(tǒng)和遠(yuǎn)程操控臺(tái)組成。分布式現(xiàn)地測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)備有傳感器、現(xiàn)地測(cè)量柜、轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速測(cè)試儀，而現(xiàn)地測(cè)量柜中集成了傳感器供電電源、綜合信號(hào)變換儀、數(shù)采設(shè)備和UPS。遠(yuǎn)程操控臺(tái)的核心是高性能工作站，用于對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示、計(jì)算和分析。測(cè)量系統(tǒng)組成圖如圖2所示。

圖2 測(cè)量系統(tǒng)組成圖

針對(duì)不同工況，采用高精度傳感器測(cè)量各支路的輸入直流電壓、電流，輸出交流電壓、電流，轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)矩，并接入數(shù)采設(shè)備進(jìn)行同步采集。狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在每次開啟后的首次握手均由遠(yuǎn)程操控臺(tái)計(jì)算機(jī)對(duì)分布式現(xiàn)地監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行校時(shí)和同步，所有數(shù)據(jù)均流盤至遠(yuǎn)程操控臺(tái)計(jì)算機(jī)進(jìn)行波形顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和分析。測(cè)量系統(tǒng)原理框圖如圖3所示。

由于技術(shù)要求對(duì)效率有指標(biāo)要求，因此在進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)和設(shè)備級(jí)效率試驗(yàn)時(shí)分別制訂了效率計(jì)算方案。系統(tǒng)級(jí)效率試驗(yàn)，在穩(wěn)態(tài)時(shí)，通過同步采集輸入側(cè)直流電壓、直流電流，輸出側(cè)轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速，以時(shí)間為周期，采用積分計(jì)算時(shí)間內(nèi)輸入、輸出功率和效率。在整個(gè)工況通過以時(shí)間為周期，多次測(cè)量的方式作為計(jì)算依據(jù)。其中，時(shí)間以輸入側(cè)基波和輸入共模諧波周期的整數(shù)倍來選取。變頻調(diào)速及控制裝置效率試驗(yàn)主要考察基波效率。在穩(wěn)態(tài)時(shí)，通過同步采集輸入側(cè)直流電壓、直流電流，輸出側(cè)交流電壓、交流電流，以時(shí)間為周期，采用積分計(jì)算時(shí)間內(nèi)輸入、輸出功率和效率。在整個(gè)工況通過以時(shí)間為周期，多次測(cè)量的方式作為計(jì)算依據(jù)。其中，時(shí)間以輸入側(cè)基波和輸入共模諧波周期的整數(shù)倍來選取。

輸入、輸出功率，效率及輸出交流電壓THDU由于計(jì)算時(shí)需要大量數(shù)據(jù)支撐，因此，具體數(shù)值通過計(jì)算機(jī)中存儲(chǔ)的電參數(shù)進(jìn)行后運(yùn)算求得。

4 具體實(shí)現(xiàn)

4.1設(shè)備選型

1) 誤差分配與綜合

為滿足效率精度指標(biāo)，需要利用測(cè)量誤差與不確定度理論，采用系統(tǒng)誤差分配與綜合的方法，自頂向下，對(duì)從輸入功率，輸出功率，輸入電參量，輸出電參量的測(cè)量誤差進(jìn)行分配，并指導(dǎo)傳感器選型，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，通過計(jì)量回溯精度指標(biāo)達(dá)標(biāo)狀況[2]。

圖3 測(cè)量系統(tǒng)原理框圖

對(duì)于函數(shù)的已定系統(tǒng)誤差，可以通過事先修正法來消除，因此在誤差分配時(shí)，不需要考慮已定系統(tǒng)誤差的影響，而只需關(guān)注隨機(jī)誤差和未定系統(tǒng)誤差的分配問題；而此兩種誤差在誤差合成時(shí)可同等看待，因此，在誤差分配時(shí)也可同等看待[3]。對(duì)隨機(jī)誤差和未定系統(tǒng)誤差，微小誤差取舍準(zhǔn)則是：被舍去的誤差必須小于或等于測(cè)量結(jié)果總標(biāo)準(zhǔn)差的1/10～1/3[4]。

誤差分配的步驟：按等影響原則分配誤差，按可能性調(diào)整誤差，驗(yàn)算調(diào)整后的總誤差。

在本章測(cè)量誤差分配與綜合中，需要用到的以下公式：

效率計(jì)算公式：

電機(jī)輸出軸功率計(jì)算公式：

輸入功率計(jì)算公式：

代表通道數(shù)，代表第通道直流電壓，代表第通道直流電流。

變頻調(diào)速及控制裝置輸出功率計(jì)算公式：

n代表相數(shù)，u代表時(shí)刻第相交流電壓，i代表時(shí)刻第相交流電流，代表采樣時(shí)間。

函數(shù)極限誤差計(jì)算公式：

式中：是函數(shù)的總極限誤差；是函數(shù)各單項(xiàng)的極限誤差。

按等作用原則分配誤差公式：

誤差分配公式：

對(duì)給定的δ，合理確定δ-，應(yīng)滿足：

對(duì)于一般公式中代入量的誤差分配利用公式可以算得誤差值。然而，常用的電流傳感器輸出信號(hào)是電流信號(hào)，因此，當(dāng)考慮輸出信號(hào)是電流信號(hào)的傳感器時(shí)，需要考慮采樣電阻的精度特別是穩(wěn)定性方面的要求。由于理想公式計(jì)算時(shí)，電阻是約掉的，但其隨機(jī)誤差對(duì)函數(shù)還是有影響，因此，建議系統(tǒng)做校準(zhǔn)時(shí)，帶采樣電阻、傳輸線及數(shù)采儀整個(gè)設(shè)備校準(zhǔn)[5]。最后算得系統(tǒng)誤差分配見表1誤差參考表。

2) 傳感器選型

由于分配的誤差是在額定點(diǎn)的讀數(shù)誤差，而在傳感器選型時(shí)，一般選擇額定點(diǎn)占據(jù)傳感器整個(gè)量程2/3，一方面為試驗(yàn)可能發(fā)生故障導(dǎo)致傳感器失效留有余量，另一方面保證測(cè)量精度[6]。給出傳感器及數(shù)采設(shè)備選型見表2傳感器及數(shù)采設(shè)備選型表。

表1 誤差參考表

表2 傳感器及數(shù)采設(shè)備選型表

3) 綜合信號(hào)變換儀設(shè)計(jì)

綜合信號(hào)變換儀的功能是一方面，將傳感器輸出的信號(hào)變換成數(shù)采設(shè)備的輸入口的信號(hào)類型和范圍；另一方面，給傳感器提供電源。由于數(shù)采設(shè)備輸入接口要求±20 mV…±1000 V電壓隔離差分輸入，而直流電流傳感器和交流電流傳感器輸出為小電流信號(hào)，因此，只需要并聯(lián)高精度大功率采樣電阻對(duì)小電流信號(hào)進(jìn)行調(diào)理已期轉(zhuǎn)換成數(shù)采設(shè)備輸入接口可用電平范圍，具體電路如圖4信號(hào)調(diào)理原理圖所示。由于采樣電阻的溫漂對(duì)測(cè)量精度影響較大，且考慮到測(cè)試、維修和可擴(kuò)展性，因此，綜合信號(hào)變換儀對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和接插件選型提出一定要求，體現(xiàn)在既要保證綜合信號(hào)變換儀散熱良好，又要便于測(cè)試接插件的互連或疊加。

4) 軟件界面

數(shù)采設(shè)備在采購時(shí)，自帶上位機(jī)監(jiān)測(cè)軟件Perception，針對(duì)軟件需要按試驗(yàn)對(duì)象進(jìn)行各通道的參數(shù)配置。

首先進(jìn)行連續(xù)數(shù)據(jù)傳輸測(cè)試，如圖5所示。判斷計(jì)算機(jī)硬件是否能滿足數(shù)采在最大采集率下的數(shù)據(jù)傳輸和流盤要求。接著啟動(dòng)，新建一個(gè)工作臺(tái)，如圖6所示。從而進(jìn)入主頁面，如圖7所示，在表單區(qū)域新建波形，并對(duì)應(yīng)數(shù)采設(shè)備板卡通道，同時(shí)設(shè)置每個(gè)通道的屬性。需要記錄時(shí)，單擊“Record”按鈕，停止記錄，單擊“Stop”。

4.3系統(tǒng)計(jì)量

1) 電氣參量計(jì)量。系統(tǒng)調(diào)試完畢后，選擇有資質(zhì)的計(jì)量單位進(jìn)行上門實(shí)地計(jì)量。計(jì)量方法是：首先進(jìn)行傳感器單獨(dú)計(jì)量；然后通過計(jì)量單位提供的標(biāo)準(zhǔn)源加標(biāo)準(zhǔn)高精度傳感器采樣比對(duì)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采樣讀數(shù)。結(jié)論：直流電壓、直流電流、交流電壓、交流電流滿足精度要求[7]。

2) 轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速參量計(jì)量。系統(tǒng)調(diào)試完畢后，將現(xiàn)地測(cè)量柜運(yùn)至大扭矩校準(zhǔn)試驗(yàn)室，所用軸材質(zhì)、尺寸及安裝方式均與實(shí)際同，首先進(jìn)行傳感器單獨(dú)計(jì)量；然后帶數(shù)采進(jìn)行計(jì)量。結(jié)論：滿足轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速精度要求。

綜上所述，狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)整個(gè)系統(tǒng)計(jì)量結(jié)論：狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)達(dá)到預(yù)期精度要求。

5 總結(jié)

低壓多相永磁推進(jìn)系統(tǒng)測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，經(jīng)計(jì)量達(dá)到了預(yù)期精度要求，并穩(wěn)定運(yùn)行千余小時(shí)，未來仍將連續(xù)無間斷運(yùn)行數(shù)千小時(shí)。此測(cè)量系統(tǒng)方案可行，實(shí)施有效，可靠性高，滿足技術(shù)要求，具有一定的先進(jìn)性。

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Design and Implementation of Measurement System for Low Voltage Multi-phase Permanent Magnet Drive System

Li Dan, Chen Xin

（Wuhan Marine Electric Propulsion Research Institute, Wuhan 430064, China）

By analyzing the characteristics of the low-voltage multi-phase permanent magnet propulsion system, this paper discusses the design flow of measurement system. Using the top-down design method and modular design approach, conceptual design of measurement system for low-voltage multi-phase permanent magnet propulsion system is given. Through error distribution and monitor-points of comprehensive theory selection, sensor selection and data acquisition equipment are realized, and measure the system after the system is built. Test results shows that the design of measurement system achieves the demands, and it is correct, reliability, advanced.

Condition monitoring system; Low-voltage multi-phase permanent magnet propulsion system; Error distribution and integrated

TM351 TP216

A

1003-4862（2016）04-0010-05

2015-12-10

李丹(1982-)，女，高級(jí)工程師。主要研究方向：嵌入式系統(tǒng)。