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1、智能化扭振测量分析系统设计 摘 要:本文从汽轮发电机组的实际情况出发,充分考虑到测量精度和使用环境等方面的特殊要求,开发完成了一种新型智能化扭振测量分析系统。系统配置了2个测量机组轴系两端扭振的扭振通道和8个模拟量输入通道,由下位智能采集卡和上位PC及监测分析软件组成。上下位机通过FIFO存储器交换数据,使扭振信号的采集与分析可以同时进行,充分发挥了微处理器的实时测控功能和PC的快速数据处理能力。智能采集卡采用20MHz的80C196单片机,并充分利用该芯片的高速输入的特点,实现了扭振的在线高精度测量,扭角分辨率达到0.014°。信号处理电路全部采用程控方法,
2、提高了采集卡的适应能力,可以应用到各种测量场合。实验测试表明该系统运行稳定可靠、抗干扰能力强、操作使用简便。 1 引 言 通常电厂发生轴段多处断裂等重大事故的原因,多数是由于大型汽轮发电机组轴系机电耦合振荡致使轴系扭振所造成。国内外近年来因扭振引起的机组轴系损坏高达30多起,造成了巨大经济损失,扭振问题已成为当今世界各国发展大机组必须解决的问题[1]。通过扭振信号来监测主轴的运行状态可以防止灾害事故的发生,可以对轴及其相关部件进行损伤检测和故障诊断,从而保证机组的安全经济运行,具有极其重要的现实意义[122]。测量扭振主要有2类方法[128]:一类是直接测
3、量法,另一类是间接测量法。其中直接测量法又分为接触测量法与非接触测量法:接触测量法是在轴上贴应变片测量剪应变或者在轴上切向安装压电加速度计,这种方法需要在轴上安装传感器等测量装置,有时不得不破坏轴的原来结构,这在许多场合下是不允许的,因此这种方法不适用于汽轮机组轴系的振动测量;而非接触测量法不需要在轴上安置特殊装置,利用轴上已有的等分结构,测量准备工作较少,测量过程也不干扰轴的正常运转,它最适合扭振的长期监测之用,将成为大型旋转机械扭振测量和监测的主要方法。非接触测量法有多种,例如脉冲时序法[1]、光电编码器测量法、激光测扭法[3]。 时间脉冲法测量轴系扭振,
4、是利用磁电式传感器获取安装在轴上的等分或不等分齿轮产生的系列脉冲串,从中分析得到轴系扭振信号[1]。利用晶振产生的时钟对各脉冲间隔进行计数,确定每一脉冲间隔的时间,并与无扭振时平稳角速度的脉冲间隔进行比较,从而获得转轴的扭振信息。 光电码盘测量法使用高密度增量式光电编码器,在轴端附近固定一个支架,编码器通过弹簧片固定在支架上,通过传感器产生脉冲,脉冲的时间间隔反映了轴瞬时角速度的大小,从而获得扭振信息[627]。这种方法难以消除横振的影响,且不适用于高温、污染严重的场合,不适用于汽轮机组轴系的振动测量。 间接测量法是根据扰动前机端电压、机端电流的测量值计算稳
5、态运行时汽轮机输入机械转矩;根据扰动期间机端电压、机端电流的测量值再现扰动期间发电机电磁转矩[425,8]。假定汽轮机输入机械转矩不变,以扰动期间发电机电磁转矩作为激励,求电网扰动引起的轴系各段扭力矩;该方法的最大特点是结构简单,只需要测量机端电压和机端电流,其余工作都是由软件完成,除了需要将机端所用常规电流互感器换为空芯线圈CT外,不需附加别的传感器,因而实用、价廉。 本文提出了一种新型智能化扭振采集系统,这一系统兼具脉冲时序法及间接测量法的优点,不仅能够测量扭振信号而且能够提供三相电流、电压信号等机组状态参数,具有测量精度高、成本低、控制参数现场可编程设置
6、、使用场合可适用性等特点。 2 扭振测量基本原理 本系统的扭振测量方法采用脉冲时序法,其原理如图1所示。将磁电式传感器对正齿轮安装,当轴旋转时,传感器上感应出与齿形有关的脉冲信号。将该信号进行整形处理得到标准的矩形脉冲波。再将矩形脉冲波输入到单片机的高速输入部件(HSI),采用测周法测量每个脉冲的时间宽度。具体方法是,利用单片机的高速计数功能,对单片机的内部时钟进行计数,计数时间由该矩形脉冲控制,根据计数值可以计算得到每个脉冲的时宽值。当机组稳定运转时,轴系无扭振,如果齿轮齿形完全相同时,则与每个齿对应的矩形脉冲宽度都相同,即为轴系转动周期除以齿数;当轴系存
7、在扭振时,每个齿对应的矩形脉冲宽度发生变化,其与原宽度之差的大小反映扭振的大小。因此,只要测出每个齿对应的矩形脉冲宽度的变化,就可以得到轴的扭振。 由于实际的齿轮存在齿形误差,所以即使轴系无扭振,也会导致每个齿形对应的矩形脉冲宽度不同。为了消除齿形误差影响,首先测定无扭振时各齿形对应的矩形脉冲宽度,并以此作为每个齿形的基准数据。这样,在以后的测量中把各齿对应的矩形脉冲宽度与基准数据进行比较,得到脉冲宽度变化值,经过换算得到扭振角位移。为了准确记录每个齿的位置,在轴系上安装一个键相传感器,以键相传感器信号作为参考起点。 以键相信号到来的时刻作为起点,如图2
8、所示,测得相邻2个齿之间
