1、水轮机调速器测频设计与试验一 技术要求1.精度要求：测频精度要求高于于万分之二；2.延时要求：测量延时要求小于 0.02s。二 传感技术1.齿盘测速法齿盘信号测频接口为测频模块预留的接口，一般中小型调速器不采用，也可以按电站需要随时接入（齿盘测频装置不在中小型高油压数字式微机调速器供货范围） 。齿盘测频原理如图所示：齿盘测频装置设计为双接近开关，双接近开关信号经过隔离后，同时送到单片机。如图可知，两个传感器经过齿盘同一个边的时间差，只与齿盘旋转的线速度有关，而与齿盘的加工精度、摆动、振动无关，齿盘测频通过测量两个传感器的上升沿的时间，计算出频率。齿盘测频接近开关 1 信号和接近开关 2 信号经
2、光电隔离等处理后得到的综合整理信号与 12M 晶振产生的 12M 高频信号 4 分频后的到的信号 f2 相与，得到测频计数信号，再经过程序处理，得到的机频由总线送到可编程控制器（PLC） 。2.残压测频法残压信号经隔离、整形成同频率的方波信号后，直接送至 8254 的引脚，由 8254 记录两个上升沿之间经过的基准脉冲个数，即可测得方波信号的周期，从而得到频率。测得的频率通过总线送至可编程控制器。由以上频率测量的原理可知：数字式脉冲测频方式的精度取决于基准脉冲的频率，基准脉冲的频率越高，对同一频率测的数据精度就越高。以机组残压 PT 信号测频为例，水轮机机组频率低频正弦信号 fj 输入，经过滤
3、波整形得到信号 f1，晶振产生的 12M 信号 4 分频后的到的信号 f2，f1和 f2 经过与运算，得到信号 f3。8254 记录一个机频信号周期 T 内 f3 的振荡次数 NT， F 机频=f 机频 33610=f310/NT，已知f3=12000000/4=3000000=310 Hz，记数 NT=62500，则 F 机频=48000，对应被测频率 f 机频 =48.00HZ。同时由上图可知 NT= f3T 机频= f31/6f 机频，即 f机频= f3/NT=310/62500=48Hz。在本试验中，采取残压测频的方法，对水轮机转速信号进行测量。三 硬件电路1. 隔离：常用的隔离方式有
4、光电隔离、变压器隔离等。考虑到调速器工作环境差，对光电隔离中的光感应影响较大，而且成本较高，故采用变压器隔离方式。变压器的选取应该考虑以下参数：额定工作频率：取决于测量信号的频率，这里就是极端残压的频率，50Hz；容量：对于齿盘测速法来说应约为 1.5VA对于残压测频法来说应约为 3.0VA变比：极端电压可能会有 100V，如果考虑这个高电压，变压器的变比将应选择变比较小的降压变压器。但是测频采用的信号是取自极端的残压信号，这个信号是幅值很小的电压信号，有时是有几 V 甚至几 mV，如果选取降压变压器则信号太弱，将淹没在噪声里。使得调速器不能正常工作。因此实际设计中采取变比一般为 1:1，或是
5、 1:2 等。这里我们选择变压器的参数为：额定工作频率 50Hz，额定容量为 3.0VA，变比为 1:1。2. 滤波电路由于主要干扰信号是残压信号中含有的谐波信号，其中，以三次谐波为主，因此这里应选择的是简单的二阶 RC 低通滤波器。滤波器要求对于工作频率 50Hz 的有效信号衰减尽可能的小，而对于噪声信号则尽可能的衰减大。这里用 3 次谐波及频率为 150Hz 的信号为噪声信号的代表进行分析。C(j)=R(j)*G(j ) 其中：C 为输出信号，R 为输入信号， G 为滤波器的传递函数。采用对数频率特性来分析，50Hz 的有效信号应处于低频无衰减区，150Hz 的噪声信号应处于 40dB/d
6、ec 的快速衰减区，则转折点在 50Hz 与 150Hz之间。转折频率的选择过低，高频噪声的衰减大，但是有效信号也有较大的衰减，而转折频率过高有效信号几乎无衰减，但高频噪声信号衰减不够，因此转折频率的选取应综合考虑。此外还要考虑到 RC 滤波电路的延时问题，相角滞后量为：arctg(fc*f)。这里选取设计阶段先选择 100Hz，系统设计好后可通过计算机仿真来调整参数以达到最优效果。fc=100Hz，则 RC=fc/2=15.9 ，电阻 R 的选取还要注意到滤波器的限流作用，电流不可过大，否则会损害电路。另外 R 上消耗的功率应该尽量小，R=U*U/R，则电阻应该大些。综合考虑，R 值取为 1
7、00k。确定了 R 的取值，就可以通过通过 RC 的乘积值来确定 C 的值。这里我们选取 C=159F。3. 限伏整形通过两个二极管反向并联，来起到限幅的作用。把限幅得到的信号分别接到运算放大器的正、负输入端，构成一个过灵比较器，当正半波时，比较器输出高电平，当负半波时输出低电平。这样就把输入的正弦信号变成了方波信号。4. 分频由于系统采用变压器隔离，可能会由于变压器铁芯偏移而造成正负半波不对称，而我们采取的是对信号的正半波进行测量，即实际测量的是信号正半波的时间，如果发生正负半波不对称的情况，就会使测量结果产生误差，因此，引入一个分频环节，使得测量针对信号的整个周期，测频精度更好。可用一个S
8、D 触发器来实现对信号的分频。5. 计数采用计数定时器，根据输入的信号进行计数，从而得到信号的周期。具体来说，当信号由低电平变为高电平时，计数器开始发出一个一个的计数脉冲，通过脉冲的个数来测出高电平持续的时间，即信号的周期。这里，采用 8254 芯片。8254 芯片由 PCL-836 提供。它是一种可编程定时计数器，完成对外部脉冲信号的各种处理。8254 芯片内部具有三个独立的 16位计数器，它可用程序设置成多种工作方式，按十进制计数或二进制计数，最高计数速率达 10MHz。四、工作方式测频装置的工作方式有两种：中断方式和查询方式。1、 中断方式这种工作方式是利用中断，来完成对计数器计数信号的
9、处理。工作原理如下：当计数器开始计数时，即方波信号由低电平变化为高电平的时候，处理器接受到一个中断，这时处理器得到信息，计数开始，这是处理器会根据程序执行一系列的指令。当计数器停止计数时，也就是信号由高电平变为低电平的时候，处理器也要接受到另一个不同的中断信号，这时，处理器得到计数结束的信息，将根据程序输出测量结果，并完成对计数器进行初始化等操作。另外，如果在计数器计数过程中发生溢出的情况，计数器也要给处理器发出一个中断信号，处理器得到溢出信号后，要执行计数值加上65535。这是因为 8254 计数的最大值为 65535，一次溢出，就表示已经计数了 65535 个计时脉冲。中断方式对于计数器的测量比较精确，处理器随时接受计数器的中断信号，及时给出相应的中断响应。但是，这种工作方式还存在一定的问题。比如由于残压信号中含有高频的干扰，使得输入正弦信号有毛刺，由于过零点的时候有毛刺的存在，可能会使得整形后得到的方波中出现脉冲干扰，而对于脉冲干扰信号，计数器也会当做是一次正常的计数，这样就会想处理器发出相应的中断信号，这显然是错误的，会导致错误的结果，同时，这样也使得中断信号过于频繁，将对处理器的正常工作造成影响，甚至严重的情况下会造成死机。采用查询方式的话，由于查询间隔时间，就可以避免这样的问题。2、 查询方式
