旋轉整流器及勵磁電路故障雙功能和雙余度監測電路的制作方法
【專利摘要】本發明公開一種旋轉整流器及勵磁電路故障雙功能和雙余度監測電路，該監測電路的信號取自于交流勵磁機勵磁回路中的取樣電阻，從取樣電阻上取出的信號分為兩路，一路用于檢測信號中的諧波含量，一路用于檢測勵磁電流的大小。有益效果是該監測電路可以通過兩種途徑監測旋轉整流器的故障，實現旋轉整流器故障的在線監測，并增加了故障檢測的可靠性，降低了成本；該電路同時還可以監測勵磁電流的異常增大，具有一個電路實現兩種故障監測功能的優點，極大地簡化了發電機故障監測技術，提高了故障監控的可靠性和實用性。
【專利說明】旋轉整流器及勵磁電路故障雙功能和雙余度監測電路
【技術領域】
[0001]本發明涉及無刷交流發電機領域，特別是涉及一種旋轉整流器及勵磁電路故障雙功能和雙余度監測電路。
【背景技術】
[0002]無刷交流發電機采用一臺旋轉電樞式同步發電機、安裝于轉子上的整流器和一臺旋轉磁極式同步發電機，共同構建成一臺無電刷的發電機，由于省去了電刷和滑環，極大地提高了發電機的可靠性。旋轉整流器是實現無刷的關鍵部件，也是發電機中唯一的半導體器件。由于整流器工作在高轉速和較高溫度狀態下，受到離心力、熱應力等的影響，因此其故障率較高。當整流二極管發生短路或開路故障時，直接影響著交流勵磁機和主發電機的安全運行。因此如何快速、準確地判定出旋轉整流器的故障，并及時準確地采取保護措施，是保證發電機正常運行的必要舉措。此外，當發電機發生過載、過流或短路故障時，在調壓器的作用下，發電機的勵磁電流會明顯增大。因此，在發電機運行過程中隨時監控勵磁電流的大小，是進行過載、過流及短路保護的一種后備手段，是一種余度控制策略。
[0003]由于旋轉整流器位置的特殊性，無刷交流發電機中旋轉整流器的故障監測一直是一個技術難題，目前已經研究出的多種故障診斷方法，都采用了諧波頻譜分析方法或人工智能算法，這些故障診斷方法都需要編制復雜的軟件進行大量的數據分析和運算，在一定程度上增加了發電機控制器軟、硬件的復雜程度，實現起來比較困難。因此有必要設計一種簡單可靠、低成本和多功能的故障監測電路來監控旋轉整流器的故障和勵磁電路的故障。
【發明內容】
[0004]本發明的目的是提供一種旋轉整流器及勵磁電路故障雙功能和雙余度監測電路，以解決目前旋轉整流器故障診斷方法太過復雜及成本高的不足。
[0005]為了實現上述目的，本發明采用的技術方案是提供一種旋轉整流器及勵磁電路故障雙功能和雙余度監測電路，該監測電路的取樣電阻連接于無刷交流發電機之中，該無刷交流發電機包括旋轉電樞式交流勵磁機、旋轉整流器和旋轉磁極式主發電機，旋轉整流器用于將勵磁機轉子電樞繞組上發出的三相交流電整流成直流電，供給主發電機的轉子勵磁繞組；其中:所述監測電路分為兩條支路，一條支路為監測勵磁電流中的諧波含量的電路分支，另一條支路為監測勵磁電流大小的電路分支；
[0006]所述監測諧波含量的電路分支包括有隔直電路、線性放大電路、整流濾波電路和比較器，所述阻容隔直電路的輸出端接到線性放大器的輸入端，線性放大器的輸出端接到整流濾波電路的輸入端，整流濾波電路的輸出端接到比較器的輸入端；
[0007]所述監測勵磁電流大小的電路分支包括有源低通濾波放大電路、比較器，所述低通濾波放大電路的輸出端接到比較器的輸入端；
[0008]所述監測電路設置在無刷交流發電機的發電機控制器里，共享發電機控制器的工作電源；所述兩條支路接在差分放大器的輸出端，差分放大器的輸入端分別連接取樣電阻的兩端，所述取樣電阻串聯在交流勵磁機的勵磁電路中，取樣電阻的電壓信號大小和波形與交流勵磁機勵磁電流完全一致。
[0009]本發明的效果是該旋轉整流器及勵磁電路故障雙功能和雙余度監測電路無須采用復雜的數據分析和計算，僅通過采集勵磁機的勵磁電流信號，并通過簡單的電子電路就可以實現對旋轉整流器故障的雙余度監控，可以實現旋轉整流器和勵磁電路故障的在線監測。同時還可以監測勵磁電流的異常增大，具有一個電路實現兩種功能的優點，極大地簡化了發電機故障監測技術，提高了故障監控的可靠性和實用性。與其他旋轉整流器故障監測技術相比，該電路的硬件成本可以減少90%以上，且無須編制復雜的數據處理軟件。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0010]圖1是本發明的監測電路結構方框圖。
[0011]圖中:
[0012]1、串聯在勵磁機勵磁電路中的取樣電阻2、差動放大器
[0013]3、隔直電路4、線性放大電路5、整流濾波電路6、比較器
[0014]7、有源低通濾波及放大電路8、比較器9、發電機控制器
[0015]100、監測諧波含量的電路分支200、監測勵磁電流大小的電路分支
【具體實施方式】
[0016]結合附圖對本發明的旋轉整流器及勵磁電路故障雙功能和雙余度監測電路的結構加以說明。
[0017]本發明的旋轉整流器及勵磁電路故障雙功能和雙余度監測電路，該監測電路的取樣電阻連接于無刷交流發電機之中，該無刷交流發電機包括旋轉電樞式交流勵磁機、旋轉整流器和旋轉磁極式主發電機，旋轉整流器用于將勵磁機轉子電樞繞組上發出的三相交流電整流成直流電，供給主發電機的轉子勵磁繞組；
[0018]其特征是:所述監測電路分為兩條支路，一條支路為監測勵磁電流中的諧波含量的電路分支100，另一條支路為監測勵磁電流大小的電路分支200 ；
[0019]所述監測諧波含量的電路分支100包括有隔直電路3、線性放大電路4、整流濾波電路5和比較器6，所述阻容隔直電路3的輸出端接到線性放大器4的輸入端，線性放大器4的輸出端接到整流濾波電路5的輸入端，整流濾波電路5的輸出端接到比較器6的輸入端;
[0020]所述監測勵磁電流大小的電路分支200包括有源低通濾波放大電路7、比較器8，所述低通濾波放大電路7的輸出端接到比較器8的輸入端；
[0021]所述監測電路設置在無刷交流發電機的發電機控制器9里，共享發電機控制器9的工作電源；所述兩條支路接在差分放大器2的輸出端，差分放大器2的輸入端分別接取樣電阻I的兩端，所述取樣電阻I串聯在交流勵磁機的勵磁電路中，取樣電阻I的電壓信號大小和波形與交流勵磁機勵磁電流完全一致。
[0022]所述無刷交流發電機中的旋轉整流器為三相半波整流器或三相全波整流器。
[0023]從取樣電阻I上取出的電壓信號包含了兩個信息:一是勵磁機勵磁電流的大小，二是勵磁電流中諧波含量的大小。其諧波含量來自于交流勵磁機特有的諧波電樞反應現象。從取樣電阻I上得到的微弱電信號送入到差分放大器2，該放大器的輸出信號分為兩路，一路信號送入到監測諧波含量的電路分支100，在該條支路中，信號經過阻容隔直電路3隔直后輸入到線性放大器4，經過放大器4放大后的信號輸入到整流濾波電路5中，經過整流濾波電路5后的信號輸入到比較器6中，比較器6的輸出信號送入到下一級控制電路中。
[0024]從差分放大器2輸出的信號同時送入到另一條分支200，在該條支路中，信號經過有源低通濾波放大電路7處理后，輸入到比較器8中，比較器8的輸出信號送入到下一級控制電路中。
[0025]由于交流勵磁機轉子電樞繞組的負載是整流二極管，其單向導電性使得勵磁機的電樞電流不再是正弦波，而是非正弦交流電。通過傅里葉級數分解，可以將非正弦的電樞電流分解為基波和各次諧波分量。電樞諧波電流分量的存在將會在電機氣隙中產生相應的諧波磁勢，這些諧波磁勢在電機氣隙中形成的旋轉磁場會在交流勵磁機定子勵磁繞組中產生諧波電動勢，這種現象稱為諧波電樞反應。通過分析可知，當三相全波旋轉整流器工作正常時，勵磁機勵磁電流中只含有6K次諧波分量，且諧波幅值較小；而當旋轉整流器故障時，勵磁機勵磁電流中含有幅值較大的I次、2次諧波分量。因此通過諧波含量的幅值大小就可以判定出旋轉整流器有無故障。
[0026]根據交流發電機的調節特性可知，當主發電機負載的功率因數在一定范圍內變化時，發電機的負載電流與勵磁電流之間有較為固定的數值關系。當旋轉整流器發生短路或開路故障時，其整流輸出電壓將下降，主發電機輸出電壓也隨之下降，在發電機調壓器的作用下，勵磁機的勵磁電流會比正常時有所增大。因此，當主發電機負載的大小和功率因數不變時，勵磁電流的異常增大表明發電機勵磁系統有故障發生。所以通過監測勵磁機勵磁電流的大小，也可以間接地判斷出旋轉整流器的故障。所以本電路具有雙余度監測功能，可以極大地提高旋轉整流器故障監測的可靠性。
[0027]此外，當主發電機輸出端發生過載、過流或短路故障時，發電機端電壓將下降，在發電機調壓器的作用下，勵磁機的勵磁電流也將異常增大，因此通過同時監測勵磁機勵磁電流的大小和主發電機負載電流的大小，也可以間接判斷出發電機是否發生過載、過流或短路故障。因此該監測電路也可以作為發電機過載、過流和短路故障的后備保護，是一種余度控制策略。
[0028]由此可見，該監測電路具有兩個功能:同時監測旋轉整流器故障和發電機勵磁異常增大的故障，且旋轉整流器故障由兩路信號同時監測，具有雙余度監控策略。
[0029]如圖1所示，來自于勵磁電路中的取樣電阻I的信號首先送入到差分放大器2中進行放大，放大后的信號分別送入到兩條分支電路。一條監測諧波含量的電路分支100由隔直電路3、線性放大電路4、整流濾波電路5及比較器6組成，用于監測勵磁機勵磁電流中的諧波含量；另一條監測勵磁電流大小的電路分支200由有源低通濾波及放大電路7和比較器8組成，用于監測勵磁機勵磁電流的大小。
[0030]如圖1所示，來自于勵磁電流取樣電阻I上的微弱電信號輸入到差分放大器2中進行放大，該放大器可以抑制共模干擾信號；放大后的信號分為兩路:一路信號送入到監測諧波含量的電路分支100，經過放大的勵磁電流取樣信號經過阻容隔直電路3，將取樣信號中的直流分量隔斷，交流諧波分量輸入到線性放大器4中進行放大，放大后的交流信號經過整流濾波電路5后，其輸出的直流信號大小反映了諧波含量的大小，而該諧波含量的大小又能反映旋轉整流器的工作狀態。整流濾波后的直流信號送入到比較器6，當旋轉整流器工作正常時，勵磁電路中的諧波含量幅值很小，經過隔直處理后的交流信號也很小，經過整流濾波處理后的直流電壓小于比較器6同相端的參考電壓，因此比較器6輸出高電平，表示旋轉整流器工作正常；當旋轉整流器故障時，勵磁電流中含有幅值較大的諧波含量，經過隔直、放大、整流濾波后的電壓信號大于比較器6同相端的參考電壓,使比較器6輸出低電平，表示旋轉整流器有故障。
[0031]經過差分放大器2放大后的勵磁電流信號送入到另一條監測勵磁電流大小的電路分支200中，該信號中包含兩個分量:勵磁電流的大小和諧波含量的大小。該信號經過有源低通濾波及放大電路7，將其中的諧波含量濾除后，輸出的直流分量反映勵磁機勵磁電流的平均值，該直流量送入到比較器8中。當旋轉整流器工作正常時，勵磁機的勵磁電流大小也在設定范圍之內，比較器8輸出高電平；當旋轉整流器故障時，主發電機輸出端電壓下降，在發電機調壓器的作用下，勵磁機的勵磁電流將大于正常情況下的值，比較器8輸出低電平，表示旋轉整流器有故障。可見，旋轉整流器有故障時，本監測電路輸出兩路故障信號，即該電路具有雙余度監測功能。
[0032]此外，當主發電機沒有發生過載、過流及短路故障時，在一定負載條件下，勵磁機的勵磁電流也在設定范圍之內，比較器8輸出高電平；當主發電機輸出端發生過載、過流及短路故障時，主發電機輸出電壓將下降，在發電機調壓器的作用下，勵磁機的勵磁電流將異常增大，這時比較器8輸出低電平，表明發電機發生故障。這也是對發電機過載、過流和短路故障的一種后備保護策略，是一種余度控制策略，可以極大地提高故障保護的可靠性，是飛機系統中經常采用的一種控制策略。
[0033]本發明所提供的旋轉整流器及勵磁電路故障雙功能和雙余度監測電路具有結構簡單、成本低廉、容易實現等優點，無須增加額外的諧波分析儀等復雜電路和數據處理軟件，僅通過簡單的電子電路，就可以同時檢測出旋轉整流器故障和勵磁電路故障，一個電路提供了兩種功能，一種故障具有兩種監測方案，因此具有較大的實用價值。
【權利要求】
1.一種旋轉整流器及勵磁電路故障雙功能和雙余度監測電路，該監測電路連接于無刷交流發電機之中，該無刷交流發電機包括旋轉電樞式交流勵磁機、旋轉整流器和旋轉磁極式主發電機，旋轉整流器用于將勵磁機轉子電樞繞組上發出的三相交流電整流成直流電，供給主發電機的轉子勵磁繞組； 其特征是:所述監測電路分為兩條支路，一條支路為監測勵磁電流中的諧波含量的電路分支(100 )，另一條支路為監測勵磁電流大小的電路分支(200 ); 所述監測諧波含量的電路分支(100)包括有隔直電路(3)、線性放大電路(4)、整流濾波電路(5)和比較器(6)，所述阻容隔直電路(3)的輸出端接到線性放大器(4)的輸入端，線性放大器(4)的輸出端接到整流濾波電路(5)的輸入端，整流濾波電路(5)的輸出端接到比較器(6)的輸入端； 所述監測勵磁電流大小的電路分支(200)包括有源低通濾波放大電路(7)、比較器(8)，所述低通濾波放大電路(7)的輸出端接到比較器(8)的輸入端； 所述監測電路設置在無刷交流發電機的發電機控制器(9)里，共享發電機控制器(9)的工作電源；所述兩條支路接在差分放大器(2)的輸出端，差分放大器(2)的輸入端分別連接取樣電阻(I)的兩端，所述取樣電阻(I)串聯在交流勵磁機的勵磁電路中，取樣電阻(I)的電壓信號大小和波形與交流勵磁機勵磁電流完全一致。
2.根據權利要求1所述的旋轉整流器及勵磁電路故障雙功能和雙余度監測電路，其特征是:所述無刷交流發電機中的旋轉整流器為三相半波整流器或三相全波整流器。
【文檔編號】G01R31/00GK103852669SQ201410102698
【公開日】2014年6月11日 申請日期:2014年3月19日 優先權日:2014年3月19日
【發明者】劉建英, 董慧芬 申請人:中國民航大學
專業數控銑床產品供應商
20年生產經驗，實力工廠，精工品質，質量有保障
