快速高精度转速测量仪的研制
1 引言
在电力系统中,测量发电机组转子的转速一般都是通过对安装在发电机转子上的脉冲发生器产生的键相脉冲(KPH)信号或60个齿的转速脉冲(SPD)信号的频率测量来实现,因此测量周期较长,一般在几十ms以上。而在汽轮发电机组甩负荷试验以及其它一些特殊场合中,转速变化非常迅速,普通的转速测量装置往往满足不了测量的快速性要求。例如在汽轮发电机组甩负荷试验中,机组脱离电网后的瞬间,大约在1s左右的时间内转子的转速将从稳定的3000r/min迅速飞升至3360r/min左右,普通的转速测量装置显然难以适应如此快速的转速变化,若采用其它的高速测量方法必须对转子进行改动,这对于发电机组这样的重要设备来说基本上是不允许的。为了解决这一问题,
本文设计了一种利用发电机组上现有的SPD信号为测量信号的快速高精度转速测量仪。
2 测量原理
发电机组转子上现有的转速测量信号有键相信号(KPH)和60齿转速脉冲信号(SPD)两种,为了提高转速测量速度,本文采用SPD信号作为测量信号,通过对相邻两个或几个SPD信号的时间间隔的测量来实现转速的测量,它的基本原理如图1所示。SPD信号经过波形整形电路后转换成方波信号,再经分频电路分频后,作为计数器1、计数器2的门控信号及计数器3的时钟信号,同时该信号还接入单片机的I/O口。
当门控信号为高电平时,计数器1开始计数,而计数器2停止计数,在此期间单片机可以读入计数器2内的计数值N2;反之,当门控信号为低电平时,计数器2开始计数,而计数器1停止计数,在此期间单片机可以读入计数器1内的计数值N1.由于计数器1和计数器2的CLK信号来自于标准脉冲源产生的频率为f的恒频脉冲信号,因此计数器1的计数值N1实际代表了门控信号的脉冲宽度ton(ton=N1/f),而计数器2的计数值N2实际代表了门控信号的脉间宽度toff(toff=N2/f)。若分频电路的分频数k为偶数,且输出的脉宽和脉间相等,则ton或toff都表示了相邻的k/2个SPD信号之间的时间间隔,此时的转速n可以由下式计算。
在式(1)、(2)中,只要标准脉冲源的频率足够高,即使分频数k较小,也可以得到较高的测量精度,而分频数越少,则一次测量所需的时间越少,这正是该测速仪能够实现快速测量的原因。例如,当发电机转子转速为3000r/min时,取k=4,f=10MHz,则测量一次只需0.667ms,若只考虑计数所带来的±1脉冲计数误差,可得到±0.5r/min的测量精度。
在上面的叙述中,隐含着SPD信号是均匀的这一假设,而实际上由于制造误差等原因,SPD信号是不均匀的,即使在恒转速情况下,各齿所产生的信号宽度都是不相等的,由于该测量仪是通过对少数几个SPD信号宽度的测量来反映转速信号的,因此SPD信号的不均匀将给测量所造成的误差是很大的,为了消除SPD信号不均匀对转速测量所造成的误差,提高测量精度,必须对上述的转速计算公式进行修正,修正后的转速计算公式如下:
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