CN113237415A - 一种复用旋转变压器的电机转子参数分布式测量方法 - Google Patents

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李文印
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Abstract

本发明涉及电机状态感知与监测技术领域，公开了一种复用旋转变压器的电机转子参数分布式测量方法，信号发生器为环变级定子提供高频激励信号，环变级转子感应环变级定子中的输入信号，旋变级转子与环变级转子相连，敏感元件布置在电机转子的待测点上，敏感元件与谐振电路串联，谐振电路均串接于环变级转子与旋变级转子之间，谐振电路与信号发生器产生的高频激励信号的激励频率相匹配，信号解调电路从旋变级定子的输出信号获取电机转子参数信息。本发明复用旋转变压器的电机转子参数分布式测量方法，既保留了旋变的转子位置测量功能，又能摒弃传统复杂的接触式馈电及信息传输系统，实现对电机转子参数的实时获取。

Description

一种复用旋转变压器的电机转子参数分布式测量方法
技术领域
本发明涉及电机状态感知与监测技术领域，具体涉及一种复用旋转变压器的电机转子参数分布式测量方法。
背景技术
电机的转子温度信息是反映电机运行状态的重要物理量，特别是永磁电机，其转子永磁体的温度对电机的可靠运行和合理控制都有非常重要的意义。当永磁体温度升高后，其磁性能会出现一定程度的下降，导致电机的转矩输出能力和效率的降低，永磁体温度如果过高，还可能发生不可逆的局部退磁，对电机的性能造成永久性的损坏。
正是因为上述原因，一般永磁电机在设计时，都会对永磁体的温升留有很大的设计余量，以确保永磁体在各种极限工况下的绝对安全。但是，这一保守的设计理念也必然会牺牲永磁电机在尺寸、重量和冷却功耗等方面的性能，难以实现电机的尽限运行。
因此，如果能对转子永磁体温度进行实时监测，根据实际反馈的转子永磁体温度对电机的运行和控制进行实时调整，无疑可以大幅提高永磁电机的性能。传统的基于无线测温元件的转子温度测量方法存在体积重量大、馈电系统复杂等问题。而基于电机传热模型的转子温度估计方法，又存在对不同工况适应性差，精度较低的问题。
另外，永磁同步电机由于具有高功率密度、高转矩密度、高效率等优点，使永磁同步电机在驱动牵引、位置伺服、高效动力输出等领域，尤其是未来舰船大容量高速永磁发电机领域的应用越来越广泛。同时，随着功率密度和转速的提高，使得大容量高速永磁发电机的制造难度明显增加。由于转速高，离心力大，因此在制造和运行过程中监测永磁体与转子之间的压应力是一个重要的研究课题，现有技术中，一般通过安装压阻传感器实现测量，但由于转子是旋转部件，目前高速转子永磁体与转子间压应力测量技术可靠性差，尚不成熟。
因此，考虑到旋变作为常用的转子位置测量装置是永磁电机正常运行不可缺失的一部分，提出了基于谐振电路的复用旋转变压器的分布式转子参数测量方案。
发明内容
本发明的目的就是针对上述技术的不足，提供一种复用旋转变压器的电机转子参数分布式测量方法，既保留了旋变的转子位置测量功能，又能摒弃传统复杂的接触式馈电及信息传输系统，实现对电机转子参数的实时获取。
为实现上述目的，本发明所设计的复用旋转变压器的电机转子参数分布式测量方法，设有信号发生器、旋转变压器、敏感元件、谐振电路和信号解调电路，所述信号发生器为所述旋转变压器的环变级定子提供高频激励信号，所述旋转变压器的环变级转子感应环变级定子中的输入信号，所述旋转变压器的旋变级转子与所述环变级转子相连，所述敏感元件布置在电机转子的待测点上，所述敏感元件与所述谐振电路串联，串联有所述敏感元件的谐振电路均串接于所述环变级转子与旋变级转子之间，所述谐振电路与所述信号发生器产生的高频激励信号的激励频率相匹配，所述信号解调电路从所述旋转变压器的旋变级定子的输出信号获取电机转子参数信息。
优选地，将电机转子参数的变化与敏感元件的阻值变化相关联，通过电路关系直接获得敏感元件阻值与旋变级定子输出电压幅值之间的对应关系，以敏感元件阻值为中间量，间接得到电机转子参数与输出电压之间的映射关系，从而使所述信号解调电路从所述旋转变压器的旋变级定子的输出信号获取电机转子参数信息。
优选地，通过选择所述谐振电路中器件参数使该谐振电路只对相应激励频率敏感，对其他激励频率具有很高的阻抗特性，每路所述谐振电路的激励频率均不同，所述信号发生器同时产生多路不同的高频激励信号，并进行线性叠加，每路所述高频激励信号与一个所述谐振电路的激励频率相匹配，由于高频激励信号不再是单一频点，而是有明显区分度的多频率叠加，借此特征可避免各待测点之间可能存在的干扰，易于不同待测点信号的解调。
优选地，所述敏感元件包括热敏电阻、压敏电阻或霍尔元件。
优选地，所述热敏电阻用于检测转子温度，使用传热性能好的材料将所述热敏电阻与转子的待测点粘合，可认为所述热敏电阻感知到该待测点的真实温度，其阻值随温度变化，进而影响输出信号幅值，由于转子温度是一个缓变量，可认为在短时间测量时，转子温度为一个定值，所得输出信号幅值也将是常数。
优选地，所述压敏电阻用于检测磁钢预紧力，高速转子磁钢通常采用护套预紧和保护，当转子高速旋转时，磁钢与转子之间预紧力（压力）会变小，通过所述压敏电阻感知磁钢预紧力的变化并转化为旋变副边输出信号幅值的改变。
优选地，所述热敏电阻布置在转子伸端端盖、非伸端端盖或转子磁钢上，可检测相关位置的温度情况。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
1、复用旋转变压器，解决了传统测量方式中的复杂馈电问题，使系统更加简洁，提高了系统稳定性及可靠性；
2、采用谐振电路，实现了电机转子参数的分布式测量，能更全面、更准确把握电机状态信息。
附图说明
图1为复用旋转变压器的电机转子参数分布式测量方法一个实施例中的电机转子参数器件分布图；
图2为实施例中实现的谐振电路图；
图3为实施例中电阻与旋变连接关系图；
图4为实施例中的信号解调原理图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
本发明一种复用旋转变压器的电机转子参数分布式测量方法，设有信号发生器、旋转变压器、敏感元件、谐振电路和信号解调电路，信号发生器为旋转变压器的环变级定子提供高频激励信号，旋转变压器的环变级转子感应环变级定子中的输入信号，旋转变压器的旋变级转子与环变级转子相连，敏感元件布置在电机转子的待测点上，敏感元件与谐振电路串联，串联有敏感元件的谐振电路均串接于环变级转子与旋变级转子之间，谐振电路与信号发生器产生的高频激励信号的激励频率相匹配，信号解调电路从旋转变压器的旋变级定子的输出信号获取电机转子参数信息。
本实施例中，将电机转子参数的变化与敏感元件的阻值变化相关联，通过电路关系直接获得敏感元件阻值与旋变级定子输出电压幅值之间的对应关系，以敏感元件阻值为中间量，间接得到电机转子参数与输出电压之间的映射关系，从而使信号解调电路从旋转变压器的旋变级定子的输出信号获取电机转子参数信息。
本实施例中，通过选择谐振电路中器件参数使该谐振电路只对相应激励频率敏感，对其他激励频率具有很高的阻抗特性，每路谐振电路的激励频率均不同，信号发生器同时产生多路不同的高频激励信号，并进行线性叠加，每路高频激励信号与一个谐振电路的激励频率相匹配。
另外，敏感元件包括热敏电阻、压敏电阻或霍尔元件，热敏电阻用于检测转子温度，使用传热性能好的材料将热敏电阻与转子的待测点粘合，压敏电阻用于检测磁钢预紧力。
在使用时，可以将热敏电阻布置在转子伸端端盖、非伸端端盖或转子磁钢上。
如图1所示，以转子测温方案为例，在转子上布置n个测温点，每个测温点处通过热敏电阻（Pt100等）感知温度变化，在合理选择电感和电容的大小后可使不同测温点处的谐振电路具有不同的谐振频率，并对其他频率具有较高的阻抗特性。对图2中的任意谐振电路，当满足谐振频率f i =1/[2π(L i C i )1/2]时达到串联谐振的条件，i为谐振电路的序号，L i 为序号i谐振电路的电感，C i 为序号i谐振电路的电容。
此时，只有当旋变级转子侧的输入电压频率与该谐振频率相等时，该谐振电路才具有电阻特性，而通过对电感电容的选型可以让其他谐振电路对该频率具有较高的阻抗特性，可作开路考虑。
以采用粗、精机共磁路的双通道旋变为例，旋变原边置于旋变级转子，由感应变压器（环变级）供电，旋变副边置于旋变级定子。当旋变级转子旋转时，旋变副边的输出电压是一个频率与旋变原边相同的载波信号，其幅值随定、转子之间的角度变化呈正余弦变化。本方法中，旋变原边激励电压信号为U 1=Σ[U i sin(2πf i t)],(i=1,2…n)，t为时间，基于谐振电路的选频特性，对谐振频率f i 的输入，可将系统等效为图3所示：
依据电路关系，进一步可得：
U out=U in(R m1+X m1)(R m2+X m2)/(R m1+X m1+X S1σ )/Z
其中，Z=R PT+X C +X L +X S2σ +R m2+X m2，U out为旋变级定子侧输出电压，R m1，X m1，X S1σ 分别是环变级的励磁电阻，励磁电抗，漏抗；R Pt，X C ，X L ，X S2σ ，R m2，X m2分别是对应的Pt100电阻，谐振电容容抗，谐振电感感抗，旋变级漏抗，旋变级励磁电阻和电抗。
根据式电路关系可知，旋变级定子输出电压将随铂电阻阻值的改变而改变，两者关系有一定的非线性，通过实验标定参数可用旋变级定子输出电压幅值表征电机转子的温度。
另外，如图4所示，通过测量正余弦绕组输出电压包络的大小（平方和为|U out|），从而建立|U out|=f(T)及其反函数T-f -1 (|U out|)关系，基于此基准函数，在实时测量得到|U out|后即可求出温度T。求解过程如下：首先对正余弦绕组与参考信号进行数据采集，而对参考信号进行希尔伯特变换（HHT）生成一路正交参考信号，参考信号与正交参考信号分别与将正余弦绕组信号相乘进行解调，最后进行平方和并开方处理，即可求出|U out|，求得转子温度。
本方法中，由于敏感元件的阻抗将随电机转子被测参数的改变而发生变化，从而影响谐振状态，影响旋变输出绕组阻抗与敏感元件对应支路阻抗之间的分压配比，在旋变激励幅度不变的情况下，输出端的幅值会因该分压配比的不同而变化。同时，各支路谐振频率相差较大，可认为各支路仅对注入电压中的特定谐振频率分量具备通过性，对其他频率分量呈现很大的阻抗特性，因此利用在不同测量点所在支路谐振频率的差异，实现对电机转子多点分布式独立测量。
通过本发明复用旋转变压器的电机转子参数分布式测量方法，一方面，在不影响旋变位置检测的情况下解决了传统电机转子参数测量时面临的馈电系统复杂的问题，使系统更加简洁，提高了系统稳定性及可靠性；另一方面，该方法采用谐振电路，实现了电机转子参数的分布式测量，可以同时获取多点参数值，为全面准确刻画电机实时状态提供了可靠依据。

Claims (7)

1.一种复用旋转变压器的电机转子参数分布式测量方法，其特征在于：设有信号发生器、旋转变压器、敏感元件、谐振电路和信号解调电路，所述信号发生器为所述旋转变压器的环变级定子提供高频激励信号，所述旋转变压器的环变级转子感应环变级定子中的输入信号，所述旋转变压器的旋变级转子与所述环变级转子相连，所述敏感元件布置在电机转子的待测点上，所述敏感元件与所述谐振电路串联，串联有所述敏感元件的谐振电路均串接于所述环变级转子与旋变级转子之间，所述谐振电路与所述信号发生器产生的高频激励信号的激励频率相匹配，所述信号解调电路从所述旋转变压器的旋变级定子的输出信号获取电机转子参数信息。
2.根据权利要求1所述复用旋转变压器的电机转子参数分布式测量方法，其特征在于：将电机转子参数的变化与敏感元件的阻值变化相关联，通过电路关系直接获得敏感元件阻值与旋变级定子输出电压幅值之间的对应关系，以敏感元件阻值为中间量，间接得到电机转子参数与输出电压之间的映射关系，从而使所述信号解调电路从所述旋转变压器的旋变级定子的输出信号获取电机转子参数信息。
3.根据权利要求1所述复用旋转变压器的电机转子参数分布式测量方法，其特征在于：通过选择所述谐振电路中器件参数使该谐振电路只对相应激励频率敏感，对其他激励频率具有很高的阻抗特性，每路所述谐振电路的激励频率均不同，所述信号发生器同时产生多路不同的高频激励信号，并进行线性叠加，每路所述高频激励信号与一个所述谐振电路的激励频率相匹配。
4.根据权利要求1所述复用旋转变压器的电机转子参数分布式测量方法，其特征在于：所述敏感元件包括热敏电阻、压敏电阻或霍尔元件。
5.根据权利要求4所述复用旋转变压器的电机转子参数分布式测量方法，其特征在于：所述热敏电阻用于检测转子温度，使用传热性能好的材料将所述热敏电阻与转子的待测点粘合。
6.根据权利要求4所述复用旋转变压器的电机转子参数分布式测量方法，其特征在于：所述压敏电阻用于检测磁钢预紧力。
7.根据权利要求5所述复用旋转变压器的电机转子参数分布式测量方法，其特征在于：所述热敏电阻布置在转子伸端端盖、非伸端端盖或转子磁钢上。
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