薛江涛，彭辉

（江苏方天电力技术有限公司，江苏 南京 211102）

汽轮发电机组转子瞬时转速测量中径向振动补偿装置设计

薛江涛，彭辉

（江苏方天电力技术有限公司，江苏 南京 211102）

汽轮发电机组是复杂的旋转机械系统，轴系的瞬时转速是反映其工作状态的重要基础参数。本文以转速敏感模块中最常用的测速齿轮-电涡流传感器为例，建立传感器输出模型，研究了转子径向振动对传感器输出特性的影响，在此基础上设计了补偿装置，并进行了实验研究。通过对结果的时域及频域分析表明，合成后的输出信号中基本抑制了径向振动对电涡流传感器的输出信号的影响。

旋转机械；瞬时转速；电涡流传感器；径向振动

汽轮发电机组是复杂的旋转机械系统，其转子的瞬时转速中包含有反映转子转动状态的综合信息，经深入挖掘后可应用于轴系扭转振动特性分析、转动惯量现场识别、调节系统动态特性分析等方面。其测量方法是相关研究的重点。

瞬时转速测量系统主要包括转速敏感模块、数据采集及调理模块、转速提取算法模块，其中转速敏感模块输出的信号是整个系统的分析基础。在工作中，转子系统除了高速旋转外，还存在有径向振动，会直接影响转速敏感元件的输出乃至后期转速提取算法的结果。

本文以转速敏感模块中最常用的齿轮-电涡流传感器为例，建立了输出模型，分析了径向振动的影响，并以此为基础设计了径向振动补偿装置并进行了实验研究。

1 转速敏感模块的输出模型

1.1 电涡流传感器理想输出模型

目前，轴系瞬时转速主要采用非接触电量测量方法，即利用固定安装的光电、电涡流等传感器，将轴上的齿轮、反光带等产生的位移、光等信号转化为电信号，经采集处理后采用一定的算法提取其中的转速信息。最常用转速敏感元件为固定安装的电涡流传感器与对应的在转子上同轴安装的测速齿轮。

电涡流传感器头部装有感应线圈，通入高频电流后，产生的高频电磁场在附近的被测金属物体表面产生电涡流，其次生电磁场与线圈中原生电磁场相互叠加，改变了线圈的阻抗。该阻抗是线圈与被测金属物体表面之间垂直距离的单值函数，整理后即可得到与垂直距离h之间成正比的输出电压ue，如式1所示。

其中s为传感器的灵敏度，单位为V/mm。传感器头部在被测物体表面垂直投影面积为传感器的敏感区域。

在齿轮-电涡流传感器系统中，传感器敏感区域内通常为齿-槽相间的台阶结构，输出信号中包含了高低部分的综合影响。

在实际测量中，首先要通过调整传感器与被测物体之间的初始间隙来设置传感器的初始输出电压。在齿轮-电涡流系统中，一般以齿顶作为调节初始间隙的基准，设间隙gx0，输出电压绝对值为u0，与最大输出电压绝对值的差值为uh，则齿轮旋转引起的输出电压ug可表示为。

其中m为齿轮齿数，fr、fg分别为轴的旋转频率及齿轮通过ECT的频率，根据齿轮的几何结构特点，fg=mfr。由于齿轮的几何特点，在传感器敏感区域内测量表面为台阶状，uh对应的距离he一般小于实际齿高ht。

电涡流传感器的输出可看作是齿顶与ECT的初始间隙形成的静态信号u0与齿轮旋转形成的动态信号的合成。

1.2 考虑径向振动后的电涡流传感器输出模型

转子的径向振动包含有多种频率成分，并且可沿互为垂直的两个方向进行分解。具体到齿轮-电涡流传感器系统，可选择沿着或垂直于电涡流传感器轴向方向，分别称平行分量及垂直分量。

由于一般情况下转子径向振动以基频（转子旋转频率）分量为主，因此本文主要以基频分量为例分析对转速测量的影响。相应的运动方程为：

其中又以平行分量影响最大，设在零相位位置时，转子向左处于最大位移，对应产生的动态电压为：

考虑到齿轮的位置，则电涡流的总输出为：

可见，平行分量造成的动态电压直接叠加在齿轮的输出信号上。因此在t时刻，ECT的输出电压为：

为反映平行分量与齿轮信号幅值的大小对比及对电涡传感器输出信号的影响，定义输出电压比：

由于径向振动水平方向的影响，径向振动信号与齿轮脉冲信号相互叠加。齿轮脉冲的信号的“包络”为振动信号。这样的信号经后期调理电路后得出的信号间隔不均并会还出现“丢齿”现象，造成转速提取误差增大。

2 径向振动补偿装置的设计

根据转子运动特点，转子的径向振动在直线方向上具有“互补”性，即在同一时刻下，如转子向某方向运动位移达到最大，则在该方向上对称180°方向上则为最小。因此，考虑到转子运动的互补性，补偿径向振动干扰可采用两个传感器以180°对称安装测量齿轮盘的瞬时转速，如图1所示。

图1 对称安装涡流传感器

当传感器以180°对称安装后，对于平行分量，根据传感器的特性，在同一时刻，位移值增量是大小相等，方向相反的，设传感器1的输出增量为正，则两传感器的输出为：

对输出取平均可得

可见，合成信号中消除了径向振动平行分量的影响，保留了瞬时转速的有效成分。

累加电路原理如图2所示。

图2 累加电路示意图

图中的U1、U2即为两个输入端，“＋”、“－”代表分别输入信号的信号端和地线端，两个电阻R1、R2的阻值相等，则电路的输出端信号为：

实现了两输入端的累加平均。

根据上述原理，在某型转子试验台进行试验研究。

两个成对安装的电涡流传感器输出各自的原始波形与合成信号时域图对比。当前转速为600r/min，齿轮齿数为60齿。

将两路传感器的信号累加后，在合成信号中基本消除了径向振动的影响，合成信号的主要成分为齿轮产生的脉冲频率。

3 结语

本文建立了齿轮-电涡流传感器的输出模型，分析了转子径向振动对传感器输出信号的影响，在此基础上设计了径向振动补偿装置并进行了实验研究，结果表明在时域及频域内，合成信号中基本消除了径向振动的影响，效果较为显著。

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