燃气轮机转速传感器测量故障分析与优化设计

许铁岩，韦 炜，魏鹏鑫，杨岸宁

(中国船舶集团有限公司第七〇三研究所 燃气轮机事业部，黑龙江 哈尔滨 150078)

0 引言

目前，随着国内外燃气轮机技术的不断发展和各核心技术的日趋成熟，燃气轮机广泛地应用到航海、电力、石油化工等各个领域。转速是燃气轮机运行过程中关注的核心参数之一，是反映燃气轮机工作状态的重要参考参数，同时也参与燃气轮机控制逻辑，在转速测量过程中，任何微小的故障都可能引起转速测量的不准确，进而导致控制系统对燃气轮机状态判断出现误差，可能影响燃气轮机的安全运行。为了保证燃气轮机能够安全运行，在进行燃气轮机转速传感器选择时，通常选择耐高温且抗干扰性较强的无源磁电式转速传感器来测量转速，将其产生的电信号输出到燃气轮机控制系统中。磁电式转速传感器是一种非接触式转速测量仪表，利用磁电感应来测量物体转速。为了去除外部干扰信号，控制系统会针对转速信号设计专用的硬件电路进行滤波整形等信号处理工作，保证转速测量的准确性。针对燃机转速测量中常出现的故障问题，许多学者从硬件及软件设计方面，进行了许多故障原因分析及优化改进工作。曲文浩[1]通过了炭化方法定位转速传感器内部的短路点，并针对该故障类型制订了纠正措施。魏昌淼等人[2]提供了一种包含测量传感器感应线圈电阻、感应电压及线路检查等内容的转速故障分析及排查方法。王浩等人[3]针对磁电式转速传感器信号调理电路无法兼顾低频段小信号检测和高频段抗干扰的问题，设计了一种双阈值调理电路。任慧麟等人[4]根据转速信号特点设计了一种包含相应的故障诊断功能的调理电路，能滤除外部干扰。于晃等人[5]通过设计一种转速信号转换电路来处理噪声对转速的影响。

在很多型号燃气轮机转速测量过程中，当燃气轮机转速在某些区间范围内，转速信号的测量值出现了翻倍的情况，这种信号是转速传感器监测的真实信号，并不属于外部干扰信号，所以以上方法改进的控制系统并不能完全将翻倍信号滤除。针对此问题，张立南等人[6]利用晶体二极管的特性设计了一种斩波整形电路，排除了转速信号翻倍的情况，然而，这种斩波整形电路电流较大，易造成转速传感器的消/退磁现象。

该文针对某型燃气轮机转速测量翻倍故障问题，基于磁电式转速传感器测量原理，建立了转速测量回路的数学模型，排除信号干扰、设备故障等其它外部原因，从机理上分析了转速测量值翻倍的原因。为了减少回路信号的过冲现象，该文以便于现场操作维护的准则，设计了三种提高测量回路阻尼系数的方案，并对三种方案测量回路的时域及频域响应特性进行了分析。以某型燃气轮机低压压气机转速传感器为研究对象，在实验室搭建了模拟转速测量的硬件及采集电路，并应用在转速传感器标定用的高速旋转齿轮上进行了相关的性能测试实验。实验表明，所设计的方案极大地改善测量回路的阻尼特性，有效地避免了转速信号过冲现象的发生，从根本上避免了转速测量值翻倍现象的发生。

1 某型燃气轮机转速测量系统介绍

磁电式转速传感器是以磁电感应为基本原理来实现转速测量的，通常由磁铁、感应线圈、铁芯等部件组成，如图1所示。被测对象每转过一个齿，传感器磁路磁阻变化一次，当转轴高速转动时，就会周期性地改变传感器的磁阻，在感应线圈内产生一定频率的感应电动势[7]。磁电式转速传感器的感应电动势产生的电压大小，和被测对象转速有关，转速越快则输出的电压也就越大，也就是说输出电压和转速成正比关系。

图1 磁电式转速传感器结构原理图

感应电势正比于线圈包围的磁通对时间的变化率，即:

(1)

式中：N为线圈匝数；φ为线圈所包围的磁通量(Wb)；t为时间(s)；E为感应电势(V)。该感应电势的频率和被测转速成正比，计算公式为[8]：

(2)

式中：n为被测转速(r/min);f为信号频率(Hz);z为齿轮齿数。根据磁电式传感器的工作原理可知，转速传感器的输出交流电压信号，通过信号调理电路将输入的电压信号进行滤波、限幅，消除高频干扰信号影响，将输入的转速信号调理成符合后级电路输入要求的信号[9]，如图2所示。

图2 转速传感器输出信号波形图

2 燃气轮机转速测量故障分析

2.1 转速测量翻倍故障现象

在某型燃气轮机运行到高工况，转子转速较高，如达到6000 r/min时，控制系统上位机界面上显示的转子转速突变翻倍，达到12 000 r/min。随着燃气轮机转速的上升，转速值翻倍现象一直存在。为了排除外部线路的干扰，更换转速传感器和控制系统之间的连接电缆，转速翻倍的现象依然存在。

排除了外部干扰的原因后，使用示波器对转速传感器输出信号进行波形录取，可以看到在燃气轮机转子转速较低时，示波器录取的信号波形形式与图2一致；当燃气轮机转子转速较高时，转速传感器输出信号波形发生了明显的变化，如图3所示，每一个周期内信号出现了两个波峰，当第二个波峰的幅值超过电压阈值时，导致控制系统在读取转速信号时每个周期读取了两个信号，所以转速出现了翻倍情况。

图3 转速传感器输出信号翻倍现象

2.2 故障原因分析

为了从原理上分析故障的原因，首先建立转速监测回路的数学模型，将磁电式转速传感器等效为一个电压源、电感和电阻串联。电缆电阻(几欧姆)和电感相对传感器来说很小可以忽略，所以电缆可等效成一个电容。转速检测回路的简化模型如图4所示。

图4 转速检测回路简化模型

根据图4，可得转速信号的传递函数为：

(3)

由上式可得阻尼系数ε和无阻尼自然频率ωn分别为：

(4)

以某型号燃气轮机低压转速传感器为例，经测量其电感量L≈140 mH，内阻R≈600 Ω，电缆电容约为C≈10 nF(100米电缆)，经计算可知阻尼系数约为0.079，无阻尼自然频率约为26 352 rad/s，系统对于阶跃信号的时域响应如图5所示。由于测速齿不连续，传感器输出信号并非连续的类正弦波形式，而是在波峰回到零点后回继续在零位停留一段时间(对应测速齿的内凹处)，待下个齿经过传感器的测量磁场后，再输出下一个类正弦的波峰。随着转速的升高，传感器输出信号幅值和变化率也随之升高，因阻尼系数很小，转速信号极易在过零点处产生过冲并振荡，振荡幅值超过滞环比较器阈值时就会造成频率检测错误。

图5 系统单位阶跃响应时域图

3 转速测量故障处理方案与优化设计

根据上一小节分析，可知转速信号过零时过冲振荡导致转速测量值翻倍的根本原因在于测速齿不连续并且测量回路的阻尼系数ε过小。解决该问题的最直接有效的解决办法就是提高转速测量回路的阻尼系数，以降低过冲甚至消除过冲现象的发生。以便于现场操作维护为准则，该文设计了三种提高测量回路阻尼系数的方案，如下所示：

3.1 方案一：串联阻尼电阻

可以通过在测量回路上串联阻尼电阻Rs提高回路阻尼系数，如图5所示。

根据图6可知，在增加阻尼电阻Rs之后传递函数为：

图6 方案一：串联阻尼电阻后的电路图

(5)

由式(5)可得增加阻尼电阻后的回路阻尼系数ε和无阻尼自然频率ωn分别为：

(6)

由式(6)可知，提高阻尼电阻Rs的阻值就可以提高阻尼系数，降低过零时过冲幅值。以上一小节的数据为例进行计算，当回路串联7 kΩ的电阻后，回路的阻尼系数ε由0.079提升至1.001，测量回路的阻尼特性得到了明显的改善。

3.2 方案二：并联阻尼电阻

可以通过在频率检测端并联阻尼电阻Rp来提高回路阻尼系数，如图6所示。

根据图6可知，在增加阻尼电阻Rp之后传递函数为：

(7)

由式(7)可得增加阻尼电阻后的回路阻尼系数ε和无阻尼自然频率ωn分别为：

(8)

由式(8)可知，通过改变Rp的阻值就能改变阻尼系数的值。当Rp远大于传感器内阻R时式(8)可近似为：

(9)

根据式(9)可知，并联的阻尼电阻Rp越小，回路的阻尼系数越大。以上一小节的数据为例进行计算，当回路并联1 kΩ的电阻后，回路的阻尼系数ε由0.079提升至1.136，测量回路的阻尼特性得到了明显的改善。

3.3 方案三：串联和并联阻尼电阻

结合方案一和方案二的效果，可以同时串联Rp和并联阻尼电阻Rp提高回路阻尼系数，如图7所示：

图7 方案二：并联阻尼电阻后的电路图

图8 方案三：串联和并联阻尼电阻后的电路图

根据图7可知，在增加阻尼电阻Rs和Rp之后传递函数为：

(10)

由式(10)可得增加阻尼电阻后的回路阻尼系数ε和无阻尼自然频率ωn分别为：

(11)

由式(11)可知选择不同的串并联电阻不仅可以改变阻尼系数，还提高了自然频率从而提高传感器回路的响应带宽。以上一小节的数据为例进行计算，当回路串联1 kΩ且并联1.5 kΩ的电阻后，回路的阻尼系数ε由0.079 1提升至1.026 5，无阻尼自然频率ωn从为26 352 rad/s提升至37 884 rad/s，测量回路的阻尼特性得到了非常明显的改善，且传感器回路的响应带宽也大大提升。

图9和图10分别是三种方案的频域响应波特图和单位阶跃响应时域曲线，从结果中可以看出，三种方案均对改善测量回路的阻尼特性有着明显的效果。

图9 系统频域响应波特图

图10 系统单位阶跃响应时域图

4 仿真测试验证

为了验证上述所提的三个解决方案的效果，采用某型燃机的低压压气机磁电式转速传感器、高速频率响应中继器、各标准型号的若干电阻、电容、RockWell Control Logix 1756 系列PLC及相关I/O采集卡搭建了模拟转速测量的硬件及采集电路，同时采用高频采集示波器Fluke 190监测转速传感器输入信号的波形，其硬件电路结构如图11所示。将以上搭建的硬件采集电路应用在转速传感器标定用的高速旋转测速齿轮上(如图12所示)，相关操作均按照最新国家计量技术规范中对磁电式转速传感器校准[10]要求执行。

图11 仿真验证硬件测试电路

图12 仿真验证使用的测速齿轮

原系统(未加任何电阻)的转速传感器输出波形信号及调理后的信号如图13所示，可看出随着转速升高，当频率升至667 Hz(即对应转速6670 rpm)时，由于回路阻尼系数很小，转速信号极在过零点处产生过冲并振荡，振荡幅值超过滞环比较器阈值，造成频率检测翻倍。为了增加回路阻尼系数，按照上述方案三的策略，在回路中串联一个1 kΩ的电阻，同时在频率检测端并联一个1.5 kΩ的电阻。增加电阻后转速传感器的输出波形信号及调理后的信号如图14所示。从结果中可以看到，增加电阻后，回路阻尼系数增加，过冲现象消失，控制系统频率采集正常，转速翻倍故障排除。

图13 原回路转速传感器输出波形信号(A信号)及调理后的信号(B信号)

图14 增加电阻后转速传感器输出波形信号(A信号)及调理后的信号(B信号)

5 结论

该文针对某型燃气轮机转速测量翻倍故障问题，基于磁电式转速传感器测量原理，建立了转速测量回路的数学模型，从机理上分析了转速测量值翻倍的原因，并提出了有效地改进措施方案，得到的结论如下：

(1)对于非连续的测速齿，传感器输出信号并非连续的类正弦波形式，而是在波峰回到零点后会继续在零位停留一段时间。随着转速的升高，传感器输出信号幅值和变化率也随之升高，因测量回路阻尼系数很小，转速信号极易在过零点处产生过冲并振荡，振荡幅值超过滞环比较器阈值时就会造成频率检测错误，这是转速测量翻倍故障产生的直接原因。

(2)为了减少回路信号的过冲现象，分别设计了三种提高测量回路阻尼系数的方案。实验表明，所设计的方案极大地改善测量回路的阻尼特性，有效地避免了转速信号过冲现象的发生，从根本上避免了转速测量值翻倍现象的发生。