CN103852669B - 旋转整流器及励磁电路故障双功能和双余度监测电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种旋转整流器及励磁电路故障双功能和双余度监测电路，该监测电路的信号取自于交流励磁机励磁回路中的取样电阻，从取样电阻上取出的信号分为两路，一路用于检测信号中的谐波含量，一路用于检测励磁电流的大小。有益效果是该监测电路可以通过两种途径监测旋转整流器的故障，实现旋转整流器故障的在线监测，并增加了故障检测的可靠性，降低了成本；该电路同时还可以监测励磁电流的异常增大，具有一个电路实现两种故障监测功能的优点，极大地简化了发电机故障监测技术，提高了故障监控的可靠性和实用性。

Description

旋转整流器及励磁电路故障双功能和双余度监测电路

技术领域

本发明涉及无刷交流发电机领域，特别是涉及一种旋转整流器及励磁电路故障双功能和双余度监测电路。

背景技术

无刷交流发电机采用一台旋转电枢式同步发电机、安装于转子上的整流器和一台旋转磁极式同步发电机，共同构建成一台无电刷的发电机，由于省去了电刷和滑环，极大地提高了发电机的可靠性。旋转整流器是实现无刷的关键部件，也是发电机中唯一的半导体器件。由于整流器工作在高转速和较高温度状态下，受到离心力、热应力等的影响，因此其故障率较高。当整流二极管发生短路或开路故障时，直接影响着交流励磁机和主发电机的安全运行。因此如何快速、准确地判定出旋转整流器的故障，并及时准确地采取保护措施，是保证发电机正常运行的必要举措。此外，当发电机发生过载、过流或短路故障时，在调压器的作用下，发电机的励磁电流会明显增大。因此，在发电机运行过程中随时监控励磁电流的大小，是进行过载、过流及短路保护的一种后备手段，是一种余度控制策略。

由于旋转整流器位置的特殊性，无刷交流发电机中旋转整流器的故障监测一直是一个技术难题，目前已经研究出的多种故障诊断方法，都采用了谐波频谱分析方法或人工智能算法，这些故障诊断方法都需要编制复杂的软件进行大量的数据分析和运算，在一定程度上增加了发电机控制器软、硬件的复杂程度，实现起来比较困难。因此有必要设计一种简单可靠、低成本和多功能的故障监测电路来监控旋转整流器的故障和励磁电路的故障。

发明内容

本发明的目的是提供一种旋转整流器及励磁电路故障双功能和双余度监测电路，以解决目前旋转整流器故障诊断方法太过复杂及成本高的不足。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是提供一种旋转整流器及励磁电路故障双功能和双余度监测电路，该监测电路的取样电阻连接于无刷交流发电机之中，该无刷交流发电机包括旋转电枢式交流励磁机、旋转整流器和旋转磁极式主发电机，旋转整流器用于将励磁机转子电枢绕组上发出的三相交流电整流成直流电，供给主发电机的转子励磁绕组；其中：所述监测电路分为两条支路，一条支路为监测励磁电流中的谐波含量的电路分支，另一条支路为监测励磁电流大小的电路分支；

所述监测谐波含量的电路分支包括有隔直电路、线性放大电路、整流滤波电路和比较器，所述阻容隔直电路的输出端接到线性放大器的输入端，线性放大器的输出端接到整流滤波电路的输入端，整流滤波电路的输出端接到比较器的输入端；

所述监测励磁电流大小的电路分支包括有源低通滤波放大电路、比较器，所述低通滤波放大电路的输出端接到比较器的输入端；

所述监测电路设置在无刷交流发电机的发电机控制器里，共享发电机控制器的工作电源；所述两条支路接在差分放大器的输出端，差分放大器的输入端分别连接取样电阻的两端，所述取样电阻串联在交流励磁机的励磁电路中，取样电阻的电压信号大小和波形与交流励磁机励磁电流完全一致。

本发明的效果是该旋转整流器及励磁电路故障双功能和双余度监测电路无须采用复杂的数据分析和计算，仅通过采集励磁机的励磁电流信号，并通过简单的电子电路就可以实现对旋转整流器故障的双余度监控，可以实现旋转整流器和励磁电路故障的在线监测。同时还可以监测励磁电流的异常增大，具有一个电路实现两种功能的优点，极大地简化了发电机故障监测技术，提高了故障监控的可靠性和实用性。与其他旋转整流器故障监测技术相比，该电路的硬件成本可以减少90％以上，且无须编制复杂的数据处理软件。

附图说明

图1是本发明的监测电路结构方框图。

图中：

1、串联在励磁机励磁电路中的取样电阻 2、差动放大器

3、隔直电路 4、线性放大电路 5、整流滤波电路 6、第一比较器

7、有源低通滤波及放大电路 8、第二比较器 9、发电机控制器

100、监测谐波含量的电路分支 200、监测励磁电流大小的电路分支

具体实施方式

结合附图对本发明的旋转整流器及励磁电路故障双功能和双余度监测电路的结构加以说明。

本发明的旋转整流器及励磁电路故障双功能和双余度监测电路，该监测电路的取样电阻连接于无刷交流发电机之中，该无刷交流发电机包括旋转电枢式交流励磁机、旋转整流器和旋转磁极式主发电机，旋转整流器用于将励磁机转子电枢绕组上发出的三相交流电整流成直流电，供给主发电机的转子励磁绕组；

其特征是：所述监测电路分为两条支路，一条支路为监测励磁电流中的谐波含量的电路分支100，另一条支路为监测励磁电流大小的电路分支200；

所述监测谐波含量的电路分支100包括有隔直电路3、线性放大电路4、整流滤波电路5和第一比较器6，所述阻容隔直电路3的输出端接到线性放大器4的输入端，线性放大器4的输出端接到整流滤波电路5的输入端，整流滤波电路5的输出端接到第一比较器6的输入端；

所述监测励磁电流大小的电路分支200包括有源低通滤波放大电路7、比较器8，所述低通滤波放大电路7的输出端接到第二比较器8的输入端；

所述监测电路设置在无刷交流发电机的发电机控制器9里，共享发电机控制器9的工作电源；所述两条支路接在差分放大器2的输出端，差分放大器2的输入端分别接取样电阻1的两端，所述取样电阻1串联在交流励磁机的励磁电路中，取样电阻1的电压信号大小和波形与交流励磁机励磁电流完全一致。

所述无刷交流发电机中的旋转整流器为三相半波整流器或三相全波整流器。

从取样电阻1上取出的电压信号包含了两个信息：一是励磁机励磁电流的大小，二是励磁电流中谐波含量的大小。其谐波含量来自于交流励磁机特有的谐波电枢反应现象。从取样电阻1上得到的微弱电信号送入到差分放大器2，该放大器的输出信号分为两路，一路信号送入到监测谐波含量的电路分支100，在该条支路中，信号经过阻容隔直电路3隔直后输入到线性放大器4，经过放大器4放大后的信号输入到整流滤波电路5中，经过整流滤波电路5后的信号输入到第一比较器6中，第一比较器6的输出信号送入到下一级控制电路中。

从差分放大器2输出的信号同时送入到另一条分支200，在该条支路中，信号经过有源低通滤波放大电路7处理后，输入到第二比较器8中，第二比较器8的输出信号送入到下一级控制电路中。

由于交流励磁机转子电枢绕组的负载是整流二极管，其单向导电性使得励磁机的电枢电流不再是正弦波，而是非正弦交流电。通过傅里叶级数分解，可以将非正弦的电枢电流分解为基波和各次谐波分量。电枢谐波电流分量的存在将会在电机气隙中产生相应的谐波磁势，这些谐波磁势在电机气隙中形成的旋转磁场会在交流励磁机定子励磁绕组中产生谐波电动势，这种现象称为谐波电枢反应。通过分析可知，当三相全波旋转整流器工作正常时，励磁机励磁电流中只含有6K次谐波分量，且谐波幅值较小；而当旋转整流器故障时，励磁机励磁电流中含有幅值较大的1次、2次谐波分量。因此通过谐波含量的幅值大小就可以判定出旋转整流器有无故障。

根据交流发电机的调节特性可知，当主发电机负载的功率因数在一定范围内变化时，发电机的负载电流与励磁电流之间有较为固定的数值关系。当旋转整流器发生短路或开路故障时，其整流输出电压将下降，主发电机输出电压也随之下降，在发电机调压器的作用下，励磁机的励磁电流会比正常时有所增大。因此，当主发电机负载的大小和功率因数不变时，励磁电流的异常增大表明发电机励磁系统有故障发生。所以通过监测励磁机励磁电流的大小，也可以间接地判断出旋转整流器的故障。所以本电路具有双余度监测功能，可以极大地提高旋转整流器故障监测的可靠性。

此外，当主发电机输出端发生过载、过流或短路故障时，发电机端电压将下降，在发电机调压器的作用下，励磁机的励磁电流也将异常增大，因此通过同时监测励磁机励磁电流的大小和主发电机负载电流的大小，也可以间接判断出发电机是否发生过载、过流或短路故障。因此该监测电路也可以作为发电机过载、过流和短路故障的后备保护，是一种余度控制策略。

由此可见，该监测电路具有两个功能：同时监测旋转整流器故障和发电机励磁异常增大的故障，且旋转整流器故障由两路信号同时监测，具有双余度监控策略。

如图1所示，来自于励磁电路中的取样电阻1的信号首先送入到差分放大器2中进行放大，放大后的信号分别送入到两条分支电路。一条监测谐波含量的电路分支100由隔直电路3、线性放大电路4、整流滤波电路5及第一比较器6组成，用于监测励磁机励磁电流中的谐波含量；另一条监测励磁电流大小的电路分支200由有源低通滤波及放大电路7和第二比较器8组成，用于监测励磁机励磁电流的大小。

如图1所示，来自于励磁电流取样电阻1上的微弱电信号输入到差分放大器2中进行放大，该放大器可以抑制共模干扰信号；放大后的信号分为两路：一路信号送入到监测谐波含量的电路分支100，经过放大的励磁电流取样信号经过阻容隔直电路3，将取样信号中的直流分量隔断，交流谐波分量输入到线性放大器4中进行放大，放大后的交流信号经过整流滤波电路5后，其输出的直流信号大小反映了谐波含量的大小，而该谐波含量的大小又能反映旋转整流器的工作状态。整流滤波后的直流信号送入到比较器6，当旋转整流器工作正常时，励磁电路中的谐波含量幅值很小，经过隔直处理后的交流信号也很小，经过整流滤波处理后的直流电压小于第一比较器6同相端的参考电压，因此第一比较器6输出高电平，表示旋转整流器工作正常；当旋转整流器故障时，励磁电流中含有幅值较大的谐波含量，经过隔直、放大、整流滤波后的电压信号大于第一比较器6同相端的参考电压，使第一比较器6输出低电平，表示旋转整流器有故障。

经过差分放大器2放大后的励磁电流信号送入到另一条监测励磁电流大小的电路分支200中，该信号中包含两个分量：励磁电流的大小和谐波含量的大小。该信号经过有源低通滤波及放大电路7，将其中的谐波含量滤除后，输出的直流分量反映励磁机励磁电流的平均值，该直流量送入到第二比较器8中。当旋转整流器工作正常时，励磁机的励磁电流大小也在设定范围之内，第二比较器8输出高电平；当旋转整流器故障时，主发电机输出端电压下降，在发电机调压器的作用下，励磁机的励磁电流将大于正常情况下的值，第二比较器8输出低电平，表示旋转整流器有故障。可见，旋转整流器有故障时，本监测电路输出两路故障信号，即该电路具有双余度监测功能。

此外，当主发电机没有发生过载、过流及短路故障时，在一定负载条件下，励磁机的励磁电流也在设定范围之内，第二比较器8输出高电平；当主发电机输出端发生过载、过流及短路故障时，主发电机输出电压将下降，在发电机调压器的作用下，励磁机的励磁电流将异常增大，这时第二比较器8输出低电平，表明发电机发生故障。这也是对发电机过载、过流和短路故障的一种后备保护策略，是一种余度控制策略，可以极大地提高故障保护的可靠性，是飞机系统中经常采用的一种控制策略。

本发明所提供的旋转整流器及励磁电路故障双功能和双余度监测电路具有结构简单、成本低廉、容易实现等优点，无须增加额外的谐波分析仪等复杂电路和数据处理软件，仅通过简单的电子电路，就可以同时检测出旋转整流器故障和励磁电路故障，一个电路提供了两种功能，一种故障具有两种监测方案，因此具有较大的实用价值。

Claims (1)

1.一种旋转整流器及励磁电路故障双功能和双余度监测电路，该监测电路连接于无刷交流发电机之中，该无刷交流发电机包括旋转电枢式交流励磁机、旋转整流器和旋转磁极式主发电机，旋转整流器用于将励磁机转子电枢绕组上发出的三相交流电整流成直流电，供给主发电机的转子励磁绕组；其特征是：

所述监测电路分为两条支路，一条支路为监测励磁电流中的谐波含量的电路分支(100)，另一条支路为监测励磁电流大小的电路分支(200)；

所述监测谐波含量的电路分支(100)包括有隔直电路(3)、线性放大电路(4)、整流滤波电路(5)和第一比较器(6)，所述隔直电路(3)的输出端接到线性放大电路(4)的输入端，线性放大电路(4)的输出端接到整流滤波电路(5)的输入端，整流滤波电路(5)的输出端接到第一比较器(6)的输入端，第一比较器(6)的输出信号送入到下一级控制电路中；

所述监测励磁电流大小的电路分支(200)包括有源低通滤波放大电路(7)、第二比较器(8)，所述低通滤波放大电路(7)的输出端接到第二比较器(8)的输入端，第二比较器(8)的输出信号送入到下一级控制电路中；

所述监测电路设置在无刷交流发电机的发电机控制器(9)里，共享发电机控制器(9)的工作电源；所述两条支路接在差分放大器(2)的输出端，差分放大器(2)的输入端分别连接取样电阻(1)的两端，所述取样电阻(1)串联在交流励磁机的励磁电路中，取样电阻(1)两端的电压信号大小和波形与交流励磁机励磁电流完全一致；

通过所述监测电路监控旋转整流器的故障和励磁电路的故障，通过监测励磁机间接地判断出旋转整流器的故障，而实现双功能和双余度监控。