低压多相永磁推进系统测量系统的设计与实现

李 丹，陈 馨



低压多相永磁推进系统测量系统的设计与实现

李 丹，陈 馨

（武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064）

本文分析了低压多相永磁推进系统的特点，讨论了测量系统的设计流程，采用自顶向下、模块化设计方法对低压多相永磁推进系统测量系统进行了方案设计；通过应用系统误差分配与综合理论结合监测点的选取与分布，完成了对传感器和数采设备的选型及综合变换仪等设备的具体技术实现；在系统搭建完毕后，对系统进行了计量。试验结果表明，此测量系统方案可行，实施有效，可靠性高，满足技术要求，具有一定的先进性。

状态监测系统 低压多相永磁推进系统 误差分配与综合

0 引言

与传统的电磁式同步电机相比，永磁同步电机无需电流励磁，不设电刷和滑环，因此结构简单，使用方便，可靠性高。同时永磁同步电机的效率比电磁式同步电机要高，并且其功率因数可设计在1.0 附近。由于低压多相永磁推进系统效率高，轻量化和高性能等特点非常符合船舶综合电力推进的要求，低压多相永磁推进系统成为各国争相研究的热点[1]。

本文设计出一种分布式，多通道数据采集及处理的测量系统。该系统不但能实时显示低压多相永磁推进系统各通道运行状态，而且具有精度高、体积小、线路简洁及良好的人机交互等特点。

1 技术要求

低压多相永磁推进系统包括多相永磁同步电机及其变频调速控制系统的测量系统的研制目的在于测量低压多相永磁推进系统的电性能指标、机械性能指标等，从而全方位评估待测系统，并作为系统出厂检验依据。

低压多相永磁推进系统测量系统的研制技术要求是对系统的输入、输出功率、效率，变频调速控制系统效率，输出交流电压THDV，输出交流电流THDI进行分别测量，其中效率测量精度均不低于0.5%。

2 设计流程

低压多相永磁推进系统测量系统的设计流程是：首先针对低压多相永磁推进系统提取监测参量，然后利用误差分配与综合理论对传感器及数采设备进行选型，接着对采集到的信号进行调理并接入数采设备并运算，最后所有信息在远程操控台上进行显示。具体设计流程图如图1所示。

图1 测量系统设计流程图

3 方案设计

3.1系统待测量确定

状态监测系统监测参数分电气参量、机械参量、多相永磁电机本体和变频调速及控制装置状态等四类。

电气参量包括支路母线电压值、逆变侧母线电压值、母线过流检测、逆变输出电流值。

机械参量包括低压永磁推进系统输出扭矩和输出转速。

多相永磁电机本体和变频调速及控制装置状态包括永磁电动机积水报警、变频调速及控制装置支路状态、输入滤波单元状态、逆流保护单元状态、逆变单元状态、输出滤波单元状态、变频调速及控制装置控制组件状态。

3.2系统组成及原理

低压多相永磁推进系统测量系统由分布式现地测量系统和远程操控台组成。分布式现地测量系统的设备有传感器、现地测量柜、转矩转速测试仪，而现地测量柜中集成了传感器供电电源、综合信号变换仪、数采设备和UPS。远程操控台的核心是高性能工作站，用于对实时数据进行显示、计算和分析。测量系统组成图如图2所示。

图2 测量系统组成图

针对不同工况，采用高精度传感器测量各支路的输入直流电压、电流，输出交流电压、电流，转速，转矩，并接入数采设备进行同步采集。状态监测系统在每次开启后的首次握手均由远程操控台计算机对分布式现地监测系统设备进行校时和同步，所有数据均流盘至远程操控台计算机进行波形显示、数据存储和分析。测量系统原理框图如图3所示。

由于技术要求对效率有指标要求，因此在进行系统级和设备级效率试验时分别制订了效率计算方案。系统级效率试验，在稳态时，通过同步采集输入侧直流电压、直流电流，输出侧转矩、转速，以时间为周期，采用积分计算时间内输入、输出功率和效率。在整个工况通过以时间为周期，多次测量的方式作为计算依据。其中，时间以输入侧基波和输入共模谐波周期的整数倍来选取。变频调速及控制装置效率试验主要考察基波效率。在稳态时，通过同步采集输入侧直流电压、直流电流，输出侧交流电压、交流电流，以时间为周期，采用积分计算时间内输入、输出功率和效率。在整个工况通过以时间为周期，多次测量的方式作为计算依据。其中，时间以输入侧基波和输入共模谐波周期的整数倍来选取。

输入、输出功率，效率及输出交流电压THDU由于计算时需要大量数据支撑，因此，具体数值通过计算机中存储的电参数进行后运算求得。

4 具体实现

4.1设备选型

1) 误差分配与综合

为满足效率精度指标，需要利用测量误差与不确定度理论，采用系统误差分配与综合的方法，自顶向下，对从输入功率，输出功率，输入电参量，输出电参量的测量误差进行分配，并指导传感器选型，在系统设计完成后，通过计量回溯精度指标达标状况[2]。

图3 测量系统原理框图

对于函数的已定系统误差，可以通过事先修正法来消除，因此在误差分配时，不需要考虑已定系统误差的影响，而只需关注随机误差和未定系统误差的分配问题；而此两种误差在误差合成时可同等看待，因此，在误差分配时也可同等看待[3]。对随机误差和未定系统误差，微小误差取舍准则是：被舍去的误差必须小于或等于测量结果总标准差的1/10～1/3[4]。

误差分配的步骤：按等影响原则分配误差，按可能性调整误差，验算调整后的总误差。

在本章测量误差分配与综合中，需要用到的以下公式：

效率计算公式：

电机输出轴功率计算公式：

输入功率计算公式：

代表通道数，代表第通道直流电压，代表第通道直流电流。

变频调速及控制装置输出功率计算公式：

n代表相数，u代表时刻第相交流电压，i代表时刻第相交流电流，代表采样时间。

函数极限误差计算公式：

式中：是函数的总极限误差；是函数各单项的极限误差。

按等作用原则分配误差公式：

误差分配公式：

对给定的δ，合理确定δ­，应满足：

对于一般公式中代入量的误差分配利用公式可以算得误差值。然而，常用的电流传感器输出信号是电流信号，因此，当考虑输出信号是电流信号的传感器时，需要考虑采样电阻的精度特别是稳定性方面的要求。由于理想公式计算时，电阻是约掉的，但其随机误差对函数还是有影响，因此，建议系统做校准时，带采样电阻、传输线及数采仪整个设备校准[5]。最后算得系统误差分配见表1误差参考表。

2) 传感器选型

由于分配的误差是在额定点的读数误差，而在传感器选型时，一般选择额定点占据传感器整个量程2/3，一方面为试验可能发生故障导致传感器失效留有余量，另一方面保证测量精度[6]。给出传感器及数采设备选型见表2传感器及数采设备选型表。

表1 误差参考表

表2 传感器及数采设备选型表

3) 综合信号变换仪设计

综合信号变换仪的功能是一方面，将传感器输出的信号变换成数采设备的输入口的信号类型和范围；另一方面，给传感器提供电源。由于数采设备输入接口要求±20 mV…±1000 V电压隔离差分输入，而直流电流传感器和交流电流传感器输出为小电流信号，因此，只需要并联高精度大功率采样电阻对小电流信号进行调理已期转换成数采设备输入接口可用电平范围，具体电路如图4信号调理原理图所示。由于采样电阻的温漂对测量精度影响较大，且考虑到测试、维修和可扩展性，因此，综合信号变换仪对结构设计和接插件选型提出一定要求，体现在既要保证综合信号变换仪散热良好，又要便于测试接插件的互连或叠加。

4) 软件界面

数采设备在采购时，自带上位机监测软件Perception，针对软件需要按试验对象进行各通道的参数配置。

首先进行连续数据传输测试，如图5所示。判断计算机硬件是否能满足数采在最大采集率下的数据传输和流盘要求。接着启动，新建一个工作台，如图6所示。从而进入主页面，如图7所示，在表单区域新建波形，并对应数采设备板卡通道，同时设置每个通道的属性。需要记录时，单击“Record”按钮，停止记录，单击“Stop”。

4.3系统计量

1) 电气参量计量。系统调试完毕后，选择有资质的计量单位进行上门实地计量。计量方法是：首先进行传感器单独计量；然后通过计量单位提供的标准源加标准高精度传感器采样比对状态监测系统采样读数。结论：直流电压、直流电流、交流电压、交流电流满足精度要求[7]。

2) 转矩转速参量计量。系统调试完毕后，将现地测量柜运至大扭矩校准试验室，所用轴材质、尺寸及安装方式均与实际同，首先进行传感器单独计量；然后带数采进行计量。结论：满足转矩转速精度要求。

综上所述，状态监测系统整个系统计量结论：状态监测系统达到预期精度要求。

5 总结

低压多相永磁推进系统测量系统的设计与实现，经计量达到了预期精度要求，并稳定运行千余小时，未来仍将连续无间断运行数千小时。此测量系统方案可行，实施有效，可靠性高，满足技术要求，具有一定的先进性。

[1] 云峻峰, 黄友朋, 李亚旭. 国外舰船电力推进的新进展[J]. 机电设备, 1999, (3):15-21.

[2] 许桢英, 费业泰, 陈晓怀. 动态精度理论研究与发展[J]. 仪器仪表学报, 2001, S2: 70-71.

[3] 张漫. 农田谷物产量空间分布信息采集、处理与系统集成技术研究[D]. 中国农业大学, 2003.

[4] 许桢英. 动态测量系统误差溯源与精度损失诊断的理论与方法研究[D]. 合肥工业大学, 2004.

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

[6] 全红瑞, 沈建中, 侯瑞霞, 李辉, 张晓河. 计算机监控系统及传感器在苗圃管理中的应用[J]. 河北林果研究, 2006, (1): 37-41.

[7] 叶声华, 秦树人. 现代测试计量技术及仪器的发展[J]. 中国测试, 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，高级工程师。主要研究方向：嵌入式系统。