轉(zhuǎn)子磁化對(duì)電渦流傳感器的影響.doc

轉(zhuǎn)子磁化對(duì)電渦流傳感器測(cè)量的影響）摘 要 周口隆達(dá)發(fā)電有限公司#1機(jī)自帶負(fù)荷以來，#5軸振一直超標(biāo)。經(jīng)過理論分析和試驗(yàn)實(shí)踐，發(fā)現(xiàn)是勵(lì)磁電流影響了振動(dòng)值。采取相應(yīng)措施，解決了這一難題。關(guān)鍵詞 磁化 電渦流傳感器 勵(lì)磁電流 渦流 前置器一上海發(fā)電機(jī)廠生產(chǎn)的135MW電刷式汽輪發(fā)電機(jī)非驅(qū)動(dòng)端轉(zhuǎn)子的磁化問題：上海發(fā)電機(jī)廠生產(chǎn)的135MW電刷式汽輪發(fā)電機(jī)為旋轉(zhuǎn)磁極式發(fā)電機(jī)組，其勵(lì)磁電流是通過非驅(qū)動(dòng)端的電刷和轉(zhuǎn)子內(nèi)部的電路送到發(fā)電機(jī)內(nèi)部的磁極上，電流為6001800A。（1）當(dāng)汽輪機(jī)高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，由于電刷的高頻切換，導(dǎo)致勵(lì)磁電流的直流部分上疊加一高頻震蕩的交流信號(hào)，在轉(zhuǎn)子的表面形成電渦流，使金屬的導(dǎo)磁特性發(fā)生改變，從而影響轉(zhuǎn)子的電渦流傳感器的測(cè)量，其渦流強(qiáng)度的大小與里勵(lì)磁電流的強(qiáng)度成正比。（2）由于該電流在轉(zhuǎn)子內(nèi)部為閉合回路，所以在電流通過部分的縱切面相當(dāng)于一個(gè)電磁鐵。如圖（一）二、本特利內(nèi)華達(dá)公司生產(chǎn)的8mm電渦流傳感器的工作原理：本特利8mm電渦流傳感器包括前置器、延伸電纜和探頭，前置器是一種具有兩種功能的電子部件，包含震蕩器和解調(diào)器兩種功能，由震蕩器線路發(fā)出無線電頻率信號(hào)，通過解調(diào)器將無線電頻率信號(hào)調(diào)整為精確的可用數(shù)據(jù)。探頭部分包含電感線圈，其延伸部分和延伸電纜構(gòu)成電容部分，共同組合成LC震蕩電路，這一無線電頻率信號(hào)將在500KHz到2MHz的范圍之內(nèi)。當(dāng)頭部線圈通上高頻（12MHz）電流I時(shí)，線圈L周圍就產(chǎn)生了高頻電磁場(chǎng)。如果線圈附近有一金屬板，金屬板內(nèi)就要產(chǎn)生感應(yīng)電流ie。這種電流在金屬板內(nèi)是閉合的，所以叫做渦流，如圖（三）所示，根據(jù)焦耳楞次定律，電渦流ie產(chǎn)生的電磁場(chǎng)與感應(yīng)線圈的電磁場(chǎng)方向相反，這兩個(gè)磁場(chǎng)相互疊加，改變了線圈的電感。電感的變化強(qiáng)度，與線圈的外形尺寸、線圈與金屬板之間的距離d、金屬體材料的電阻率、導(dǎo)磁率、激勵(lì)電流強(qiáng)度i、頻率f、及線圈的幾何形狀r、等參數(shù)有關(guān)。由于金屬體是均質(zhì)的，則線圈的電感L可表示為：L=F(,i,f,d,r)金 i i屬 ie e 體 L 圖（三）當(dāng)被測(cè)材料一定時(shí)，、為常數(shù)；對(duì)本特利電渦流傳感器來說，I、f、為定值，r為常數(shù)那么L就成為d的單值函數(shù)。高頻電感線圈附近引入金屬導(dǎo)體后，在金屬體表面感應(yīng)的渦流對(duì)線圈的反向作用，可用圖（四）的等效電路來說明。 1 R1 M 2 1 L1 L2 R2 圖（四）圖（四）中，R1和L1為傳感線圈的損耗電阻和電感，R2和L2為被測(cè)金屬體的等效損耗電阻和電感，1為線圈的高頻激勵(lì)電壓，M為傳感器線圈與被測(cè)體之間的互感量，用來表征線圈與金屬導(dǎo)體的耦合松緊程度，隨距離d的增大而減小。根據(jù)基爾霍夫定律，可以將圖（四）所示的等效電路用下列方程式表示：（R1jL1）1jM21jM1（R2jL2）20將上列方程式聯(lián)立解得1（R1jL1）1j22M21/（R2jL2） （R1R2）j（L1L2） 1 Z1Z（R1R1）j（L1L2）R2R22M2/（R222 L22）L2L22M2/（R222 L22）式中R2、L2分別表示在金屬體渦流磁場(chǎng)作用下的線圈等效電阻的增加量和等效電感的減小量，Z是渦流磁場(chǎng)反作用下線圈的阻抗，稱作反射阻抗。反射阻抗Z公式中實(shí)數(shù)部分為：R=R1+R22M2/（R222 L22）實(shí)數(shù)部分是等效損耗電阻R1、R2和互感系數(shù)M的函數(shù)。顯然，當(dāng)線圈和被測(cè)體間的距離減小時(shí)，其值增大，這一變化與被測(cè)體是否是磁性材料無關(guān)。虛數(shù)部分為： L= L1L22M2/（R222 L22）式中第一項(xiàng)L1與靜磁效應(yīng)有關(guān)，即被測(cè)體是不是磁性材料有關(guān)，式中第二項(xiàng)與電渦流效應(yīng)有關(guān)。電渦流產(chǎn)生一個(gè)與原磁場(chǎng)方向相反的磁場(chǎng)，此磁場(chǎng)使線圈的電感減小。間距d越小，電感量減小程度就越大。當(dāng)傳感器與被測(cè)體間的間距減小時(shí)，靜磁效應(yīng)使得電感增大，而電渦流效應(yīng)卻使等效電感減小，這兩種效應(yīng)是相反的。當(dāng)被測(cè)材料是軟磁性材料時(shí)，以靜磁效應(yīng)為主，因而間距d減小時(shí)，線圈的等效電感量增大；如果被測(cè)體材料為非鐵磁材料或硬磁材料時(shí)，線圈的等效電感量減小。BENTLY NEVADA電渦流傳感器的測(cè)量原理采用的是調(diào)幅式。就是由振蕩器產(chǎn)生一穩(wěn)頻穩(wěn)幅的高頻信號(hào)，用來激勵(lì)由傳感器線圈L和電容C組成的LC振蕩回路，輸出一個(gè)受位移d控制的穩(wěn)頻調(diào)幅信號(hào)。當(dāng)被測(cè)體接近傳感器時(shí)，線圈的等效阻抗減小，輸出電壓隨著減小。反之，則增加。由探頭線圈發(fā)出的無線電頻率信號(hào)將產(chǎn)生一個(gè)圍繞探頭頭部的無線電頻率區(qū)域。區(qū)域的大小與探頭體內(nèi)線圈的直徑及前置器的輸入電壓成比例。傳感器具有一個(gè)取決于傳感器系統(tǒng)靈敏度的合成的線性范圍。當(dāng)導(dǎo)體物質(zhì)暴露在無線電頻率地區(qū)內(nèi)，渦流將在這一物質(zhì)的表面流動(dòng)。渦流的貫穿深度取決于物質(zhì)的導(dǎo)電性。4140號(hào)鋼的貫穿深度大約為0.03英寸（30mils）.假如材料要做成板狀，板的厚度至少應(yīng)達(dá)到渦流貫穿深度，這將保證渦流總可以貫穿到板的材料中，以保持系統(tǒng)對(duì)于平板表面校驗(yàn)過的輸出線性化。當(dāng)探頭和物體（目標(biāo)）之間的距離（間隙）最小時(shí)，無線電頻率信號(hào)的振幅處于最小值，這時(shí)渦流強(qiáng)度最大。當(dāng)探頭和物體（目標(biāo)）之間的距離（間隙）最大時(shí)，無線電頻率信號(hào)的振幅處于最大值，這時(shí)渦流強(qiáng)度最小。如果目標(biāo)在無線電頻率信號(hào)地區(qū)內(nèi)移動(dòng)較慢，則信號(hào)振幅的增加和減小變化較慢。如果目標(biāo)在無線電頻率信號(hào)地區(qū)內(nèi)移動(dòng)較快，則信號(hào)振幅的增加和減小變化較快。目標(biāo)的快速移動(dòng)導(dǎo)致了無線電頻率信號(hào)的調(diào)制。調(diào)制電路對(duì)于信號(hào)振幅慢或快的變化用相同方式處理。如果目標(biāo)不動(dòng)（信號(hào)振幅和間隙沒有變化），前置器的輸出為負(fù)的直流電壓。如果目標(biāo)移動(dòng)得很快（信號(hào)振幅和間隙變化很快），前置器的輸出為一變化的直流電壓（交流）。三磁化后的轉(zhuǎn)子對(duì)振動(dòng)測(cè)量的影響：當(dāng)電渦流傳感器安裝之后如圖（二）所示。主要原因是：由于受金屬的影響，磁力線發(fā)生變形，當(dāng)大軸旋轉(zhuǎn)后，電渦流線圈不斷地切割磁力線，則通過線圈的磁通量則不停地變化，在測(cè)量端產(chǎn)生一電動(dòng)勢(shì)2，其頻率是電渦流傳感器的測(cè)量有效頻率的倍頻，3500系統(tǒng)是不可能把它作為干擾信號(hào)而屏蔽掉的，這一部分干擾量就通過調(diào)制解調(diào)回路疊加到系統(tǒng)測(cè)量中去，對(duì)正確的測(cè)量產(chǎn)生一定的影響。當(dāng)汽輪機(jī)高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，在金屬導(dǎo)體表面形成渦流ia，ia與勵(lì)磁電流交流部分的頻率fa、勵(lì)磁電流的大小I、轉(zhuǎn)子金屬的等效損耗電阻R2和電感有關(guān)L2，可以表示為：iaF1（fa、I、R2、L2）式中R2、L2對(duì)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子來說為常數(shù)，當(dāng)汽輪機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)（3000rpm），也近似不變，可以看作一定值，那么渦流的大小就成為勵(lì)磁電流的單值函數(shù)。如果圖（三）中i=0，則ie=ia則有圖（五）所示的等效電路： b R1 M a 3 L1 L2 R2 圖（五）則有：（R1j1L1）bj1Ma3jMb（R2jL2）a0將上列方程式聯(lián)立解得（R1j1L1）（R2j1L2）/j1Maj1Ma （L2R1L1R2）/Mj1（12L1 L212M 2R1 R2）/12M 1 Z11Z1（L2R1L1R2）/Mj1（12L1 L212M 2R1 R2）/12M很顯然，測(cè)量端實(shí)際的電動(dòng)勢(shì)為軸承的實(shí)際值電動(dòng)勢(shì)1、磁力線產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)2和轉(zhuǎn)子表面渦流反影響電動(dòng)勢(shì)3的矢量和：123這樣就對(duì)測(cè)量的準(zhǔn)確性和可靠性造成影響。四、轉(zhuǎn)子的振動(dòng)：當(dāng)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到3000rpm時(shí)，對(duì)于轉(zhuǎn)子來說，已經(jīng)達(dá)到了動(dòng)平衡，各個(gè)影響轉(zhuǎn)子振動(dòng)的因素也達(dá)到了相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，除非有大的擾動(dòng)，否則轉(zhuǎn)子的振動(dòng)量不會(huì)出現(xiàn)大的波動(dòng)。當(dāng)機(jī)組并網(wǎng)后，轉(zhuǎn)子的振動(dòng)會(huì)有一定程度的變化，其影響原因主要是蒸汽流量增加和電功率平衡所致，蒸汽流量增加會(huì)引起汽輪機(jī)噴嘴和動(dòng)葉內(nèi)蒸汽的渦動(dòng)，電功率的增加引起軸系扭距的加大。對(duì)于300MW及以下汽輪發(fā)電機(jī)來說，汽輪機(jī)并網(wǎng)前（轉(zhuǎn)速3000rpm,轉(zhuǎn)子充分預(yù)熱）到滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，振動(dòng)變化量一般不大于10m。下面是周口隆達(dá)發(fā)電有限公司#1汽輪發(fā)電機(jī)5軸承振動(dòng)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)與分析：試驗(yàn)所采取的方法：周口隆達(dá)發(fā)電有限公司#1汽輪發(fā)電機(jī)5軸承振動(dòng)采用的是復(fù)合探頭，在軸承蓋上內(nèi)嵌式安裝，其電渦流傳感器即受轉(zhuǎn)子表面渦流的影響，又受磁力線的影響。在距原安裝位置15cm的地方平行安裝一電渦流傳感器（DCS測(cè)點(diǎn)號(hào)為3F312）。在機(jī)組沖轉(zhuǎn)到并網(wǎng)帶滿負(fù)荷的過程中，用示波器對(duì)其原始信號(hào)進(jìn)行觀察，通過記錄的歷史數(shù)據(jù)對(duì)其結(jié)果進(jìn)行分析。探頭安裝位置見圖（六）（圖中15為15軸承振動(dòng)測(cè)點(diǎn)安裝位置，a為臨時(shí)測(cè)點(diǎn)安裝位置，在軸瓦的外面）。 1 2 3 4 a 5 圖（六）為了便于分析，我們把個(gè)點(diǎn)的振動(dòng)值定義為：VN1N2V表示振動(dòng)值N1表示5測(cè)點(diǎn)，N11表示原測(cè)點(diǎn)，N12表示臨時(shí)測(cè)點(diǎn)N2表示曲線上對(duì)應(yīng)的位置曲線（1）為周口隆達(dá)發(fā)電有限公司1機(jī)組經(jīng)充分預(yù)熱后的升速曲線，可以看到當(dāng)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速在3000rpm時(shí)，5軸承的振動(dòng)為：V1A=88m V2A=72m這基本上為汽輪機(jī)的實(shí)際振動(dòng)值，如果沒有勵(lì)磁系統(tǒng)的影響，汽輪機(jī)并網(wǎng)帶滿負(fù)荷時(shí)的5軸承振動(dòng)也不會(huì)大于100m。而由圖（七）可以看出，當(dāng)發(fā)電機(jī)功率在135MW時(shí)：V1B=194m V2B=144m對(duì)原始測(cè)點(diǎn)來說，有接近100m的虛假信號(hào)，這個(gè)信號(hào)可大致分為三個(gè)部分：一、 旋轉(zhuǎn)的磁力線通過電渦流傳感器的線圈引起的測(cè)量誤差：圖（七）圖（八）圖（八）所顯示的機(jī)組并網(wǎng)前后的變化量就包括兩個(gè)部分，其一是振動(dòng)由于汽輪機(jī)運(yùn)行工況的改變而變化的部分，這對(duì)兩個(gè)測(cè)量點(diǎn)是基本相同的（兩個(gè)測(cè)量點(diǎn)軸向位置相差為15cm）。其二為轉(zhuǎn)子表面電渦流的影響，由于轉(zhuǎn)子內(nèi)部結(jié)構(gòu)相同，所以影響也基本上是一樣的，由圖（九）（并網(wǎng)曲線）可以看出： V1=V1DV1C=153100=53mV2=V2DV2C=10781=26m并網(wǎng)=V2V1=5326=27m滿負(fù)荷(V1B- V2B)(V1AV2A)=501634m所以滿負(fù)荷即為汽輪機(jī)并網(wǎng)前后的旋轉(zhuǎn)的磁力線引起的誤差。圖（九）二、轉(zhuǎn)子表面電渦流引起的測(cè)量誤差形成電渦流的轉(zhuǎn)子表面，其導(dǎo)磁特性發(fā)生改變，影響電渦流傳感器的線性。同時(shí)，又與渦流傳感器產(chǎn)生的渦流磁場(chǎng)相互作用，引起測(cè)量誤差。對(duì)于任意一個(gè)測(cè)點(diǎn)來說，轉(zhuǎn)子表面電渦流引起的測(cè)量誤差為:1并網(wǎng)V1DV1A并網(wǎng)153882738m1滿負(fù)荷V1BV1A滿負(fù)荷194883472m2并網(wǎng)V2DV2A并網(wǎng)10772278m2滿負(fù)荷V2BV2A滿負(fù)荷144723438m所以2并網(wǎng)、2滿負(fù)荷即為汽輪機(jī)并網(wǎng)前后的轉(zhuǎn)子表面電渦流引起的誤差。2滿負(fù)荷即為汽輪機(jī)滿負(fù)荷時(shí)轉(zhuǎn)子表面電渦流引起的誤差。三、其它方面的原因引起的誤差：如測(cè)量元件振動(dòng)、環(huán)境溫度變化對(duì)電子線路的影響等，大概有10m左右。當(dāng)然，以上計(jì)算并沒有考慮到汽輪機(jī)變工況引起的振動(dòng)變化，前面已經(jīng)分析，變工況的影響大約在010m的范圍內(nèi)，這屬于實(shí)際的振動(dòng)。由以上數(shù)據(jù)可以看出，不管是磁通量或是電渦流的影響，都是隨著勵(lì)磁電流的增加而增加的，這一點(diǎn)從圖（十）（升負(fù)荷曲線）上可以看清楚。另一方面，與電渦流傳感器的安裝位置有關(guān)，安裝在軸瓦外部的，由于磁力線受金屬的影響比較小，電渦流傳感器的線圈基本上不切割磁力線，所以誤差要比內(nèi)嵌安裝受影響的幅度要小得多。圖（十）五結(jié)論：根據(jù)以上分析，采取了以下措施：1、把內(nèi)嵌式的電渦