一種基于增量式編碼器的沖擊發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速與相位測量方案

汪海波，萬德春，洪 深

(南瑞集團(tuán)公司/國網(wǎng)電力科學(xué)研究院，江蘇南京211106)

一種基于增量式編碼器的沖擊發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速與相位測量方案

汪海波，萬德春，洪 深

(南瑞集團(tuán)公司/國網(wǎng)電力科學(xué)研究院，江蘇南京211106)

大容量試驗(yàn)中需要采集沖擊發(fā)電機(jī)的電壓信號，以滿足高壓斷路器試驗(yàn)過程中對合閘相角的控制要求。采用交直流控制發(fā)電機(jī)測量方式容易受到環(huán)境溫度的影響而發(fā)生溫漂，且精度低、體積大，逐漸被全數(shù)字測速方式替代。與控制發(fā)電機(jī)方案相比，基于編碼器的全數(shù)字測控方法有著明顯的優(yōu)勢。文中設(shè)計(jì)了一種基于增量式編碼器的沖擊發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速與相位測量方案，并介紹了該方案的原理、結(jié)構(gòu)、優(yōu)點(diǎn)及信號的抗干擾問題，該方案可提高沖擊發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速和相位同步信號的準(zhǔn)確度與精度，為大容量試驗(yàn)過程控制合閘相角提供了科學(xué)的依據(jù)。

沖擊發(fā)電機(jī)；控制發(fā)電機(jī)；同步信號；磁電式編碼器；光電轉(zhuǎn)換

在高壓電器產(chǎn)品的大容量試驗(yàn)過程中，需利用合閘開關(guān)在不同電壓相位下進(jìn)行短路合閘，以滿足試驗(yàn)過程中不同產(chǎn)品對直流分量的要求（例如高壓斷路器試驗(yàn)中方式T100a：開斷100%額定短路電流非對稱分量的試驗(yàn)）、動熱穩(wěn)定試驗(yàn)中對峰值耐受電流的要求[1]、熔斷器試驗(yàn)中對合閘相位角的控制要求[2]等。

1 大容量試驗(yàn)回路

圖1 大容量試驗(yàn)回路示意圖

時(shí)序控制系統(tǒng)采用專門為大容量試驗(yàn)開發(fā)的一種控制器，試驗(yàn)過程中時(shí)序控制系統(tǒng)需采集試驗(yàn)電源的電壓同步信號，來實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)過程中的選相合閘功能。

大容量試驗(yàn)的電源可以由電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)引線或?qū)Ｓ脹_擊發(fā)電機(jī)提供。當(dāng)采用電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)引線作為試驗(yàn)電源時(shí)，可通過電壓互感器采集網(wǎng)絡(luò)電源的電壓信號作為時(shí)序控制系統(tǒng)的同步信號輸入；當(dāng)采用沖擊發(fā)電機(jī)作為試驗(yàn)電源時(shí)，由于沖擊發(fā)電機(jī)不允許長期空載帶電運(yùn)行[4]，在試驗(yàn)開始前沖擊發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓為零，這就需要一個(gè)裝置為時(shí)序控制系統(tǒng)提供一個(gè)相位同步參考信號。

以往沖擊發(fā)電機(jī)相位參考信號的采集方法是通過聯(lián)軸器與沖擊發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子上安裝一個(gè)同軸控制電機(jī)，由于同步控制電機(jī)與短路發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子同軸，所以其送出電壓與短路發(fā)電機(jī)電壓保持固定的相位差，同步變化，利用控制電機(jī)電壓作為與沖擊發(fā)電機(jī)組的同步信號。交直流控制發(fā)電機(jī)測速方式容易受到環(huán)境溫度的影響而發(fā)生溫漂，同時(shí)有精度低、體積大的問題，已逐漸被全數(shù)字測速方式所代替[5]。文獻(xiàn)[6]采用了測速齒盤與磁電式電渦流傳感器的方式實(shí)現(xiàn)沖擊發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速與相位參考信號的輸出，但存在測速齒盤的齒數(shù)少、加工精度低、控制器運(yùn)行速度慢的問題；文獻(xiàn)[7]采用光電傳感器進(jìn)行相位參考信號的采集：在沖擊發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子上同軸安裝一個(gè)圓形光電感應(yīng)盤，在感應(yīng)盤外側(cè)安裝一個(gè)光電傳感器。當(dāng)光電感應(yīng)盤轉(zhuǎn)進(jìn)U型光電傳感器時(shí)，光電傳感器輸出5 V直流電，當(dāng)光電感應(yīng)條轉(zhuǎn)出U型光電傳感器時(shí)，光電傳感器輸出0 V直流電，以此獲得與沖擊發(fā)電機(jī)輸出電壓同步的0～5 V脈沖電壓序列信號，作為同步信號輸入時(shí)序控制系統(tǒng)。

文獻(xiàn)[6，7]所述方案均是通過在外部安裝旋轉(zhuǎn)元件、傳感元件等方式獲取相應(yīng)的轉(zhuǎn)速及相位同步信號源，在可靠性、穩(wěn)定性、可維護(hù)性方面有待提高。編碼器是集測速盤與傳感器元件等功能于一體的傳感裝置，具有體積小、分辨度高、性能穩(wěn)定等特性。本文設(shè)計(jì)了一種采用增量式編碼器的轉(zhuǎn)速與相位測量方案，無需重新布線與機(jī)械改造，具有連接方便、可靠性高、測量精度高等優(yōu)點(diǎn)。

2 編碼器的原理與應(yīng)用

2.1 增量式編碼器

編碼器是把角位移或直線位移轉(zhuǎn)換成電信號的一種裝置，按照脈沖與對應(yīng)角度關(guān)系，編碼器通常分為增量式編碼器和絕對式編碼器兩類。

增量式編碼器的工作原理如下，以光電式為例：隨轉(zhuǎn)軸一起轉(zhuǎn)動的脈沖碼盤上有均勻刻制的光柵，在碼盤上均勻地分布著若干個(gè)透光區(qū)段和遮光區(qū)段，增量式編碼器沒有固定的起始零點(diǎn)，輸出的是與轉(zhuǎn)角的增量成正比的脈沖，需要用計(jì)數(shù)器來計(jì)脈沖數(shù)。每轉(zhuǎn)過一個(gè)透光區(qū)時(shí)，就發(fā)出一個(gè)脈沖信號，計(jì)數(shù)器當(dāng)前值加1，計(jì)數(shù)結(jié)果對應(yīng)于轉(zhuǎn)角的增量。增量式光電編碼器一般為三通道輸出，輸出的方波脈沖信號[8，9]如圖2所示。其中A通道、B通道輸出電角度相差90°的脈沖序列，正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)時(shí)兩路脈沖的超前、滯后關(guān)系剛好相反從而可方便地判斷出旋轉(zhuǎn)方向。編碼器每轉(zhuǎn)一圈輸出A脈沖、B脈沖的數(shù)量固定且由編碼器本身的光柵線數(shù)決定。Z通道為零位脈沖，可用作系統(tǒng)清零或坐標(biāo)原點(diǎn)信號，以減少測量的積累誤差。編碼器每轉(zhuǎn)一圈發(fā)出一個(gè)Z脈沖信號，編碼器一旦安裝完成，產(chǎn)生Z脈沖信號的相對位置也固定不變。

圖2 增量式編碼器通道輸出波形信號

2.2 編碼器的選型

編碼器可采用不同的傳感技術(shù)產(chǎn)生信號：光電式、光柵式和磁電式。其中磁電式編碼器是一種新型的角度或位移測量裝置，其原理是采用磁阻或者霍爾元件對變化的磁性材料的角度或者位移值進(jìn)行測量，磁性材料角度或者位移的變化會引起一定電阻或者電壓的變化，通過處理輸出的信號達(dá)到測量的目的。因磁力線可穿透污染，磁電式編碼器的內(nèi)部不受灰塵、油污和水汽的影響，同傳統(tǒng)的光電式或光柵式編碼器相比，其具有機(jī)構(gòu)簡單、耐高溫、抗油污、抗沖擊和體積小等優(yōu)點(diǎn)，近年來在工業(yè)控制、機(jī)械制造、船舶、印刷、航空、航天、雷達(dá)、通訊、軍工等眾多領(lǐng)域的應(yīng)用不斷增加[10]。

大容量試驗(yàn)站的沖擊發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子大軸采用座式軸承支撐，在50 Hz/60 Hz頻率下進(jìn)行大容量試驗(yàn)時(shí)，高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子大軸存在軸向竄動與徑向位移，因此需要選用耐沖擊、抗振動的編碼器。本設(shè)計(jì)方案采用美國埃福創(chuàng)（Avtron）HS45重載型磁電式編碼器。

（1）輸出信號：A Aˉ，B Bˉ，Z Zˉ；

（2）每轉(zhuǎn)脈沖輸出：8～5000（設(shè)計(jì)方案選1024）；

（3）外殼：防護(hù)等級IP65；

（4）轉(zhuǎn)速：最大轉(zhuǎn)速5000 r/min；

（5）電子部件：完全封裝，防護(hù)等級IP67；

（6）抗振動：18 GS；

（7）抗沖擊：100 GS。

3 轉(zhuǎn)速與相位測量方案

3.1 編碼器與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子連接

編碼器與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的連接如圖3所示，編碼器通過延伸軸與發(fā)電機(jī)大軸同步轉(zhuǎn)動。為緩解發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子大軸在高速旋轉(zhuǎn)過程中軸向竄動與徑向位移對編碼器的影響：在編碼器與固定支架之間采用帶彈簧收緊機(jī)構(gòu)的螺栓，有效緩解軸向竄動對編碼器的影響，同時(shí)提高螺栓在抖動環(huán)境下的牢固穩(wěn)定性；編碼器與延伸軸采用彈性聯(lián)軸器連接，具有不同程度的軸向、徑向、角向補(bǔ)償性能，同時(shí)有一定程度的減振、緩沖作用，改善系統(tǒng)的工作性能。同時(shí)考慮安裝過程中編碼器與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的對中性要求，編碼器的固定支架采取U型開孔方式。

圖3 編碼器與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的連接示意圖

3.2 轉(zhuǎn)速與相位信號的處理

采用編碼器的數(shù)字測速方法一般有M法、T法、M/T法。M法的測速原理如圖4所示。

圖4 M法測速原理

M法測速是指在一定的時(shí)間Tc內(nèi)測取旋轉(zhuǎn)編碼器輸出的脈沖個(gè)數(shù)Mc，用于計(jì)算這段時(shí)間內(nèi)的平均轉(zhuǎn)速。把Mc除以Tc就可以得到旋轉(zhuǎn)編碼器輸出脈沖的頻率fc=Mc/Tc。假設(shè)N為選用增量式編碼器每轉(zhuǎn)一圈產(chǎn)生的固定脈沖數(shù)，由于編碼器與發(fā)電機(jī)同軸，發(fā)電機(jī)每轉(zhuǎn)一圈也產(chǎn)生N個(gè)脈沖，把fc除以N就得到電機(jī)的轉(zhuǎn)速，這樣就有轉(zhuǎn)速：

式（1）中：N，Tc為常值，Tc單位為s，n的單位為r/min。

從式（1）中可以看出轉(zhuǎn)速正比于Mc，高速時(shí)Mc大，量化誤差小。由于大容量試驗(yàn)對應(yīng)的頻率基本上在50～60 Hz，對應(yīng)的沖擊發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速在高轉(zhuǎn)速3000～3600 r/min，因此適合采用M法進(jìn)行轉(zhuǎn)速測量。

相位參考信號的生成原理如下：以1対極沖擊發(fā)電機(jī)為例，每轉(zhuǎn)輸出一個(gè)360°電角度的電壓波形，對應(yīng)周期T，同樣編碼器每一轉(zhuǎn)輸出1個(gè)Z脈沖信號和固定的N個(gè)A（或B）脈沖序列，對應(yīng)周期T。當(dāng)控制器檢測到編碼器的Z信號的上升沿時(shí)，控制對相位參考信號置1，同時(shí)裝置對A或B信號進(jìn)行脈沖計(jì)數(shù)，當(dāng)脈沖計(jì)數(shù)到N/2時(shí)，相位參考信號置0，在檢測到下一個(gè)Z信號的上升沿時(shí)，又使相位參考信號置1。由于編碼器與發(fā)電機(jī)大軸固定一起，兩者周期、轉(zhuǎn)速一致，因此相位參考信號周期也為T，高低電平占空比各為50%。根據(jù)上述相位參考信號的生產(chǎn)原理可知，相位參考信號與發(fā)電機(jī)相電壓波形存在固定相位差，且此偏差只需在第一次調(diào)試過程中識別即可，在試驗(yàn)控制室的時(shí)序主機(jī)對該固定偏差進(jìn)行保存，實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)相位同步參考信號的獲取。相位參考信號實(shí)現(xiàn)原理如圖5所示。

圖5 相位參考信號實(shí)現(xiàn)原理

3.3 轉(zhuǎn)速與相位測量方案

轉(zhuǎn)速與相位測量方案框圖如圖6所示。

圖6 轉(zhuǎn)速與相位測量方案框圖

轉(zhuǎn)速與相位裝置放置在編碼器的固定支架邊上，控制器就地將編碼器的信號進(jìn)行處理。本方案主要涉及編碼器脈沖數(shù)量的統(tǒng)計(jì)以及M法測速計(jì)算、相位參考脈沖信號生成等簡單邏輯處理，因此主控制采用處理速度快、可靠性高、編程可通過硬件電路實(shí)現(xiàn)的FPGA作為主控制器。通過外部電路可為FPGA提供高達(dá)幾百M(fèi)Hz的工作頻率，針對本方案選用每轉(zhuǎn)輸出脈沖為1024的磁電式編碼器，能夠滿足0.01 Hz的精度要求。同時(shí)整個(gè)控制裝置還配置有編碼器故障信號、裝置掉電、系統(tǒng)超速等一系列開關(guān)量輸出信號。

由于整個(gè)裝置工作在強(qiáng)電磁干擾環(huán)的高電壓、強(qiáng)電流運(yùn)行條件下，且距離發(fā)電機(jī)控制室與試驗(yàn)控制室較遠(yuǎn)，信號易受到干擾，導(dǎo)致傳輸信號失真或者畸變，為保證傳輸信號能夠可靠穩(wěn)定，采取以下措施來克服干擾對測試結(jié)果的影響：

（1）轉(zhuǎn)速與相位裝置固定在屏蔽的箱體中，箱體采用不銹鋼材質(zhì)；

（2）轉(zhuǎn)速信號、相位參考信號就地轉(zhuǎn)為光信號，通過光纖傳輸?shù)娇刂剖遥?/p>

（3）二次硬節(jié)點(diǎn)電纜與光纖通訊電纜放置在屏蔽管中。

4 結(jié)束語

通過選用重載磁電式型編碼器作為傳感元件，可有效地解決軸向竄動與徑向位移對轉(zhuǎn)速與相位測控裝置的影響；采用高速處理器FPGA作為主控制單元，從而使該測量方案在測量精度、可靠性、穩(wěn)定性等方面均優(yōu)于采用控制電機(jī)或測速齒盤的方式；在信號傳輸上，采用將信號就地轉(zhuǎn)為光纖信號輸出，可有效地抑制干擾信號的影響，保證系統(tǒng)可靠穩(wěn)定的運(yùn)行。采用磁電式編碼器的轉(zhuǎn)速與相位參考信號裝置為采集沖擊發(fā)電機(jī)相位參考信號提供了一種新的方法，可有效提高采轉(zhuǎn)速和相位參考信號的準(zhǔn)確度，為大容量試驗(yàn)的過程控制提供更加科學(xué)的依據(jù)。

[1]GB 1984—2009高壓交流斷路器[S].

[2]GB/T 15166.2—2008高壓交流熔斷器第二部分：限流熔斷器[S].

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[5]單秀文，單錦華.三種全數(shù)字測速方法的比較研究[J].福建農(nóng)機(jī)，2013（4）：51-52.

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[10]王劍橋.組合式磁電式編碼器的研制[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文，2015.

A New Speed and Phase Measurement Scheme of Short Circuit Generator Based on Incremental Encoder

WANG Haibo,WAN Dechun,HONG Shen
(NARI Group Corporation/State Grid Electric Power Research Institute,Nanjing 211106)

Synchronous voltage signal of short circuit generator needs to be gathered in the high power testing,in order to meet the closing phase angle control requirements in high voltage circuit breaker test process.Affected by environmental temperature,the measuring way controlled by AC/DC generator is prone to temperature drift,low accuracy and big volume,so it is gradually replaced by digital measurement way.Compared with the control generator scheme,the full digital control method based on the encoder has obvious advantages.A new speed and phase measurement scheme of short circuit generator based on the incremental encoder is designed in this paper.And the principle,structure,advantages of the scheme and the signal anti-interference problem are introduced.With this method,the speed and reference phase signal accuracy and precision of the short circuit generator are improved,which gives the foundation for closing phase angle control of large capacity test process.

short circuit generator;control generator;synchronous signal;incremental encoder;photoelectric conversion

TM31

A

1009-0665（2016）06-0070-03

汪海波（1983），男，浙江臺州人，工程師，從事輸配電設(shè)備試驗(yàn)與大容量試驗(yàn)室研究工作；

萬德春（1974），男，湖北麻城人，高級工程師，從事電力系統(tǒng)自動化與電力設(shè)備試驗(yàn)方面的研究工作；

洪 深 （1962），男，安徽六安人，高級工程師，從事從事輸配電設(shè)備試驗(yàn)、高壓電器產(chǎn)品的大容量試驗(yàn)研究工作。

2016-07-21；

2016-08-30