發電機轉子多通道動平衡檢測系統研究

陳茂雙，叢培田，王浩然，張 靜，田 浩，聶 朋

(1.沈陽理工大學 機械工程學院，遼寧 沈陽 110159；2.沈陽工業大學 機械工程學院，遼寧 沈陽 111003;3.長城汽車股份有限公司，河北 保定 071000；4.江蘇省洪澤湖水利工程管理處，江蘇 淮安 223100)

根據電力產業的發展，要提高發電設備的運轉效率，就必須保證該設備的平穩可靠運行，并滿足機組生產的動平衡指標[1].為了保證發電機轉子的平穩運行，對其進行動平衡檢測至關重要[2-3].在動平衡檢測過程中，傳統的雙通道現場動平衡儀只能對風機、水泵等轉子進行雙面檢測[4].但是，發電機轉子在高速旋轉時，內部的勵磁繞組會發生變形，振動的位置會不斷改變，導致發電機轉子在垂直方向和水平方向產生振動[5].因此，發電機轉子的動平衡檢測問題非常復雜[6].動平衡檢測通常采用兩臺雙通道現場動平衡儀.這在低速時檢測效果比較理想[7]；但在高速時，根據所測結果進行平衡的效果并不理想，因此需要對其進行反復檢測和試驗[8].本文采用雙單面影響系數法[9]，擬設計一套針對發電機轉子的四通道動平衡檢測系統，對轉子的水平方向和垂直方向同時進行檢測，以期快速、準確地檢測發電機轉子的不平衡質量和位置.

1 檢測系統的總體設計

系統總體設計的思路為：首先采用4個振動傳感器對發電機轉子進行多點振動信號采集，并將振動信號傳遞到下位機，通過濾波電路對振動信號進行處理，濾除高頻分量和干擾信號；然后采用數據采集卡將處理過的模擬信號轉換成數字信號，并對其進行相應的處理，處理后上傳到上位機；最后，上位機通過軟件對上傳的數據進行互相關計算，比較發電機轉子同一側水平方向和垂直方向的振動，對振動較大方向的數據進行計算處理，算出轉子的不平衡質量和位置，以便根據計算結果進行平衡.

檢測系統試驗臺的總體結構如圖1所示.電主軸通過聯軸器帶動發電機主軸在平衡機上高速旋轉.振動傳感器設在軸承支座的水平方向和垂直方向，用于測量轉子的水平振動和垂直振動.發電機主軸兩端及兩側風扇用于配重，使轉子達到平衡.

檢測系統采用4個振動傳感器采集發電機轉子的振動信號，并對轉子兩端垂直方向和水平方向的信號進行比較，以振動明顯方向的信號作為振動數據，通過分析計算，得到轉子的不平衡質量與位置.

圖1 檢測系統試驗臺的總體結構

發電機轉子的振動特性如圖2所示.在轉子轉速超過一階臨界轉速時，發電機轉子內部的勵磁繞組會發生變形，導致轉子在垂直方向和水平方向發生振動，因此需要同時測出兩個方向的不平衡質量.在轉速低于800 r/min時，振動主要來自水平方向，應選取水平方向的振動信號作為輸入信號；在轉速為1 000 r/min上下時，振動主要來自垂直方向，應選取垂直方向的振動信號作為輸入信號.

圖2 發電機轉子的振動特性

2 檢測系統的硬件設計

檢測系統的硬件電路主要由濾波電路和A/D數據采集卡[10]組成.檢測系統的結構框圖如圖3所示.

圖3 檢測系統的結構框圖

2.1 狀態變量濾波器

檢測系統的下位機為狀態變量濾波器.在動平衡檢測時，調節濾波器的中心頻率，使其與信號的振動頻率一致，以便通過完整的振動信號,濾除高頻分量和干擾信號；動平衡檢測時，還需要把信號放大一定倍數，使測量結果更加精確.圖4所示為狀態變量濾波器的信號放大與濾波電路.

圖4 狀態變量濾波器的信號放大與濾波電路

2.2 數據采集卡

檢測系統采用USB2811型數據采集卡進行數據采集.該采集卡的測量精度可達0.1 mV，能夠非常準確地檢測不平衡質量.數據采集卡的數據采集曲線如圖5所示.

圖5 數據采集卡的數據采集曲線

3 檢測系統的軟件設計

3.1 上位機程序

采用Visual Basic 6.0語言對上位機進行程序編寫，使程序在Windows系統平臺上運行.上位機負責控制整個檢測流程，對各模塊進行初始化，計算下位機上傳的數據，并完成上位機與下位機的交互.檢測系統具有測量、連續測量、數據處理等功能.在測量時，實時顯示轉子轉速，同時顯示轉子不平衡質量的檢測結果；在連續測量時，轉子的不平衡質量和相角可動態地顯示在主界面上，以便有效地監視轉子的平衡狀態.

3.2 互相關算法

互相關算法的作用是對被測信號及相應的標準信號進行相關計算.由于直流分量和高次諧波分量的互相關函數值為0，因此，通過互相關運算，即可算出被測對象的振動幅值和相角[11].設傳感器的輸出信號為：

(1)

式中：A為振動信號的直流分量；Y1cos(ω1t+φ1)為基波分量；t為時間；Yi為對應采樣序列i(i=2,3,4,…,N)的不平衡信號的幅值；φi為對應采樣序列i的不平衡信號的相角；ω為相應工作轉速的角頻率；n(t)為隨機干擾信號.設：

(2)

且使a(t)、b(t) 與y(t)互相關，則有：

(3)

令τ=0，則基波的幅值為：

(4)

基波的相角為：

(5)

4 實驗及結果分析

為了驗證該動平衡檢測系統的檢測精度，本文選取高精度發電機轉子為實驗對象，在發電機轉子轉速為800 r/min和2 000 r/min時，人為在標準發電機轉子兩端加上標準試重,模擬不平衡質量，并進行檢測.動平衡檢測系統實驗數據與結果如表1所示.

根據表1數據可算出，該動平衡檢測系統的檢測精度可達到96.7%以上，符合現場動平衡儀標準規定的精度(95%).

表1 動平衡檢測系統實驗數據與結果

5 結束語

本文根據振動信號的特點，設計了四通道振動信號采集檢測系統的總體方案，并給出了主要設計思路及其實現電路.檢測實驗的結果表明，該動平衡檢測系統能夠實時準確地監測發電機轉子的振動情況、發電機轉子的不平衡質量和位置.其平衡精度高，能夠達到發電機轉子的平衡標準，在解決發電機等復雜轉子的平衡問題上具有很大的應用價值.