低壓多相永磁推進系統測量系統的設計與實現

李 丹，陳 馨

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低壓多相永磁推進系統測量系統的設計與實現

李 丹，陳 馨

（武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064）

本文分析了低壓多相永磁推進系統的特點，討論了測量系統的設計流程，采用自頂向下、模塊化設計方法對低壓多相永磁推進系統測量系統進行了方案設計；通過應用系統誤差分配與綜合理論結合監測點的選取與分布，完成了對傳感器和數采設備的選型及綜合變換儀等設備的具體技術實現；在系統搭建完畢后，對系統進行了計量。試驗結果表明，此測量系統方案可行，實施有效，可靠性高，滿足技術要求，具有一定的先進性。

狀態監測系統 低壓多相永磁推進系統 誤差分配與綜合

0 引言

與傳統的電磁式同步電機相比，永磁同步電機無需電流勵磁，不設電刷和滑環，因此結構簡單，使用方便，可靠性高。同時永磁同步電機的效率比電磁式同步電機要高，并且其功率因數可設計在1.0 附近。由于低壓多相永磁推進系統效率高，輕量化和高性能等特點非常符合船舶綜合電力推進的要求，低壓多相永磁推進系統成為各國爭相研究的熱點[1]。

本文設計出一種分布式，多通道數據采集及處理的測量系統。該系統不但能實時顯示低壓多相永磁推進系統各通道運行狀態，而且具有精度高、體積小、線路簡潔及良好的人機交互等特點。

1 技術要求

低壓多相永磁推進系統包括多相永磁同步電機及其變頻調速控制系統的測量系統的研制目的在于測量低壓多相永磁推進系統的電性能指標、機械性能指標等，從而全方位評估待測系統，并作為系統出廠檢驗依據。

低壓多相永磁推進系統測量系統的研制技術要求是對系統的輸入、輸出功率、效率，變頻調速控制系統效率，輸出交流電壓THDV，輸出交流電流THDI進行分別測量，其中效率測量精度均不低于0.5%。

2 設計流程

低壓多相永磁推進系統測量系統的設計流程是：首先針對低壓多相永磁推進系統提取監測參量，然后利用誤差分配與綜合理論對傳感器及數采設備進行選型，接著對采集到的信號進行調理并接入數采設備并運算，最后所有信息在遠程操控臺上進行顯示。具體設計流程圖如圖1所示。

圖1 測量系統設計流程圖

3 方案設計

3.1系統待測量確定

狀態監測系統監測參數分電氣參量、機械參量、多相永磁電機本體和變頻調速及控制裝置狀態等四類。

電氣參量包括支路母線電壓值、逆變側母線電壓值、母線過流檢測、逆變輸出電流值。

機械參量包括低壓永磁推進系統輸出扭矩和輸出轉速。

多相永磁電機本體和變頻調速及控制裝置狀態包括永磁電動機積水報警、變頻調速及控制裝置支路狀態、輸入濾波單元狀態、逆流保護單元狀態、逆變單元狀態、輸出濾波單元狀態、變頻調速及控制裝置控制組件狀態。

3.2系統組成及原理

低壓多相永磁推進系統測量系統由分布式現地測量系統和遠程操控臺組成。分布式現地測量系統的設備有傳感器、現地測量柜、轉矩轉速測試儀，而現地測量柜中集成了傳感器供電電源、綜合信號變換儀、數采設備和UPS。遠程操控臺的核心是高性能工作站，用于對實時數據進行顯示、計算和分析。測量系統組成圖如圖2所示。

圖2 測量系統組成圖

針對不同工況，采用高精度傳感器測量各支路的輸入直流電壓、電流，輸出交流電壓、電流，轉速，轉矩，并接入數采設備進行同步采集。狀態監測系統在每次開啟后的首次握手均由遠程操控臺計算機對分布式現地監測系統設備進行校時和同步，所有數據均流盤至遠程操控臺計算機進行波形顯示、數據存儲和分析。測量系統原理框圖如圖3所示。

由于技術要求對效率有指標要求，因此在進行系統級和設備級效率試驗時分別制訂了效率計算方案。系統級效率試驗，在穩態時，通過同步采集輸入側直流電壓、直流電流，輸出側轉矩、轉速，以時間為周期，采用積分計算時間內輸入、輸出功率和效率。在整個工況通過以時間為周期，多次測量的方式作為計算依據。其中，時間以輸入側基波和輸入共模諧波周期的整數倍來選取。變頻調速及控制裝置效率試驗主要考察基波效率。在穩態時，通過同步采集輸入側直流電壓、直流電流，輸出側交流電壓、交流電流，以時間為周期，采用積分計算時間內輸入、輸出功率和效率。在整個工況通過以時間為周期，多次測量的方式作為計算依據。其中，時間以輸入側基波和輸入共模諧波周期的整數倍來選取。

輸入、輸出功率，效率及輸出交流電壓THDU由于計算時需要大量數據支撐，因此，具體數值通過計算機中存儲的電參數進行后運算求得。

4 具體實現

4.1設備選型

1) 誤差分配與綜合

為滿足效率精度指標，需要利用測量誤差與不確定度理論，采用系統誤差分配與綜合的方法，自頂向下，對從輸入功率，輸出功率，輸入電參量，輸出電參量的測量誤差進行分配，并指導傳感器選型，在系統設計完成后，通過計量回溯精度指標達標狀況[2]。

圖3 測量系統原理框圖

對于函數的已定系統誤差，可以通過事先修正法來消除，因此在誤差分配時，不需要考慮已定系統誤差的影響，而只需關注隨機誤差和未定系統誤差的分配問題；而此兩種誤差在誤差合成時可同等看待，因此，在誤差分配時也可同等看待[3]。對隨機誤差和未定系統誤差，微小誤差取舍準則是：被舍去的誤差必須小于或等于測量結果總標準差的1/10～1/3[4]。

誤差分配的步驟：按等影響原則分配誤差，按可能性調整誤差，驗算調整后的總誤差。

在本章測量誤差分配與綜合中，需要用到的以下公式：

效率計算公式：

電機輸出軸功率計算公式：

輸入功率計算公式：

代表通道數，代表第通道直流電壓，代表第通道直流電流。

變頻調速及控制裝置輸出功率計算公式：

n代表相數，u代表時刻第相交流電壓，i代表時刻第相交流電流，代表采樣時間。

函數極限誤差計算公式：

式中：是函數的總極限誤差；是函數各單項的極限誤差。

按等作用原則分配誤差公式：

誤差分配公式：

對給定的δ，合理確定δ-，應滿足：

對于一般公式中代入量的誤差分配利用公式可以算得誤差值。然而，常用的電流傳感器輸出信號是電流信號，因此，當考慮輸出信號是電流信號的傳感器時，需要考慮采樣電阻的精度特別是穩定性方面的要求。由于理想公式計算時，電阻是約掉的，但其隨機誤差對函數還是有影響，因此，建議系統做校準時，帶采樣電阻、傳輸線及數采儀整個設備校準[5]。最后算得系統誤差分配見表1誤差參考表。

2) 傳感器選型

由于分配的誤差是在額定點的讀數誤差，而在傳感器選型時，一般選擇額定點占據傳感器整個量程2/3，一方面為試驗可能發生故障導致傳感器失效留有余量，另一方面保證測量精度[6]。給出傳感器及數采設備選型見表2傳感器及數采設備選型表。

表1 誤差參考表

表2 傳感器及數采設備選型表

3) 綜合信號變換儀設計

綜合信號變換儀的功能是一方面，將傳感器輸出的信號變換成數采設備的輸入口的信號類型和范圍；另一方面，給傳感器提供電源。由于數采設備輸入接口要求±20 mV…±1000 V電壓隔離差分輸入，而直流電流傳感器和交流電流傳感器輸出為小電流信號，因此，只需要并聯高精度大功率采樣電阻對小電流信號進行調理已期轉換成數采設備輸入接口可用電平范圍，具體電路如圖4信號調理原理圖所示。由于采樣電阻的溫漂對測量精度影響較大，且考慮到測試、維修和可擴展性，因此，綜合信號變換儀對結構設計和接插件選型提出一定要求，體現在既要保證綜合信號變換儀散熱良好，又要便于測試接插件的互連或疊加。

4) 軟件界面

數采設備在采購時，自帶上位機監測軟件Perception，針對軟件需要按試驗對象進行各通道的參數配置。

首先進行連續數據傳輸測試，如圖5所示。判斷計算機硬件是否能滿足數采在最大采集率下的數據傳輸和流盤要求。接著啟動，新建一個工作臺，如圖6所示。從而進入主頁面，如圖7所示，在表單區域新建波形，并對應數采設備板卡通道，同時設置每個通道的屬性。需要記錄時，單擊“Record”按鈕，停止記錄，單擊“Stop”。

4.3系統計量

1) 電氣參量計量。系統調試完畢后，選擇有資質的計量單位進行上門實地計量。計量方法是：首先進行傳感器單獨計量；然后通過計量單位提供的標準源加標準高精度傳感器采樣比對狀態監測系統采樣讀數。結論：直流電壓、直流電流、交流電壓、交流電流滿足精度要求[7]。

2) 轉矩轉速參量計量。系統調試完畢后，將現地測量柜運至大扭矩校準試驗室，所用軸材質、尺寸及安裝方式均與實際同，首先進行傳感器單獨計量；然后帶數采進行計量。結論：滿足轉矩轉速精度要求。

綜上所述，狀態監測系統整個系統計量結論：狀態監測系統達到預期精度要求。

5 總結

低壓多相永磁推進系統測量系統的設計與實現，經計量達到了預期精度要求，并穩定運行千余小時，未來仍將連續無間斷運行數千小時。此測量系統方案可行，實施有效，可靠性高，滿足技術要求，具有一定的先進性。

[1] 云峻峰, 黃友朋, 李亞旭. 國外艦船電力推進的新進展[J]. 機電設備, 1999, (3):15-21.

[2] 許楨英, 費業泰, 陳曉懷. 動態精度理論研究與發展[J]. 儀器儀表學報, 2001, S2: 70-71.

[3] 張漫. 農田谷物產量空間分布信息采集、處理與系統集成技術研究[D]. 中國農業大學, 2003.

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[5] A. C. R. Newbery. Error analysis for Fourier series evaluation[J]. Mathematics of Computation, 27(123): 639-644.

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[7] 葉聲華, 秦樹人. 現代測試計量技術及儀器的發展[J]. 中國測試, 2009, (2): 1-6.

Design and Implementation of Measurement System for Low Voltage Multi-phase Permanent Magnet Drive System

Li Dan, Chen Xin

（Wuhan Marine Electric Propulsion Research Institute, Wuhan 430064, China）

By analyzing the characteristics of the low-voltage multi-phase permanent magnet propulsion system, this paper discusses the design flow of measurement system. Using the top-down design method and modular design approach, conceptual design of measurement system for low-voltage multi-phase permanent magnet propulsion system is given. Through error distribution and monitor-points of comprehensive theory selection, sensor selection and data acquisition equipment are realized, and measure the system after the system is built. Test results shows that the design of measurement system achieves the demands, and it is correct, reliability, advanced.

Condition monitoring system; Low-voltage multi-phase permanent magnet propulsion system; Error distribution and integrated

TM351 TP216

A

1003-4862（2016）04-0010-05

2015-12-10

李丹(1982-)，女，高級工程師。主要研究方向：嵌入式系統。