CN109407000A - 交流发电机故障检测电路和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种交流发电机故障检测电路和检测方法。其中,交流发电机故障检测电路包括信号调理模块和数字逻辑模块,信号调理模块包括电感、第一电阻以及弱电相位检测器,电感与第一电阻串联,弱电相位检测器与第一电阻并联,弱电相位检测器能够将交流发电机的正弦波电压信号调理为方波数字信号并反馈给数字逻辑模块。本发明使得弱电相位检测器电路上接受的电压波动远小于发电机的电压波动范围,降低了电路设计的难度又提高了信号的抗干扰能力,使得交流发电机故障检测电路具有输入电压/频率范围宽的优点,解决了交流发电机电压范围宽的问题。本发明交流发电机故障检测方法能够缩小故障定位范围,具有故障检测能力强的优点。
Description
技术领域
本发明涉及航空发动机技术领域,尤其涉及一种交流发电机故障检测电路和旋转机械。
背景技术
目前,为保障航空发动机的可靠性和启动要求,主流航空发动机全权限电子控制***基本上均采用飞机和永磁交流发电机共同向电子控制器供电的方式,一般启动阶段由飞机供电,待发动机达到一定转速后由交流发电机供电。交流发电机安装在发动机附件机匣上,属于航线可更换单元,在出现故障后要求在20分钟之内完成更换。因此,在飞行过程中,准确检测并定位交流发电机故障,对提高FADEC故障检测率、故障隔离率以及飞行可靠性具有重要意义。
由于在整个飞行循环中,交流发电机工作转速范围宽,输出电压和频率范围也宽(30Vrms~450Vrms/350Hz~4000Hz),且故障模式较多(单相对地短路、两相对地短路、三相短路、两相短路、单相断线、两相断线、三相断线等),同时,发动机对电子控制器的体积、重量有严格的限制,给电子控制器实时检测交流发电机故障并进行故障隔离带来了难度。目前,主流电子电子控制器多采用单纯检测电子控制器AC/DC变换电路输出直流电压的方式进行故障检测,但较难判断是EEC机内电源变换电路故障还是机外交流发电机故障,更无法判断交流发电机故障模式。
为了提高航空发动机FADEC电子控制器对交流发电机的故障检测和定位能力,兼顾电子控制器尺寸重量要求,非常有必要设计一种电路简单、可靠性高、输入电压/频率范围宽、故障定位和故障模式识别能力强的电路和方法。
发明内容
为克服以上技术缺陷,本发明解决的技术问题是提供一种交流发电机故障检测电路和检测方法,具有输入电压/频率范围宽、故障检测能力强的优点。
为解决上述技术问题,本发明提供了一种交流发电机故障检测电路,其包括信号调理模块和数字逻辑模块,信号调理模块包括电感、第一电阻以及弱电相位检测器,电感与第一电阻串联,弱电相位检测器与第一电阻并联,弱电相位检测器能够将交流发电机的正弦波电压信号调理为方波数字信号并反馈给数字逻辑模块。
进一步地,方波数字信号为只有正电压信号的方波数字信号。
进一步地,还包括第二电阻,第二电阻与第一电阻并联且与弱电相位检测器串联,第二电阻的电阻值大于第一电阻的电阻值。
进一步地,第二电阻的电阻值与第一电阻的电阻值之比大于等于10。
进一步地,弱电相位检测器为光耦、三极管或运算放大器。
进一步地,信号调理模块为三个,用于将交流发电机的三相正弦波电压信号分别调理为三相方波数字信号并反馈给数字逻辑模块。
进一步地,数字逻辑模块包括计算单元和判断单元,计算单元用于将三相方波数字信号先进行两两与运算后再进行或运算以获得运算方波信号,判断单元用于将三相方波数字信号与运算方波信号进行分析来输出不同的故障指示。
进一步地,在三相方波数字信号中单相频率为0的状态下,判断单元能够输出对应的单相短路或单相断线的故障指示;在三相方波数字信号中两相频率为0的状态下,判断单元能够输出对应的两相对地短路或两相断线的故障指示;在三相方波数字信号中三相频率均为0的状态下,判断单元能够输出三相短路或三相断线的故障指示;在运算方波信号的频率与三相方波数字信号中单相频率相同的状态下,判断单元能够输出两相短路的故障指示。
本发明还提供了一种交流发电机故障检测方法,其包括:
信号调理步骤:将交流发电机的三相正弦波电压信号分别调理为三相方波数字信号;
运算步骤:将三相方波数字信号先进行两两与运算后再进行或运算以获得运算方波信号;
判断步骤:将三相方波数字信号与运算方波信号进行分析来输出不同的故障指示。
进一步地,判断步骤包括:
若三相方波数字信号中单相频率为0,则判定故障为对应的单相短路或单相断线;
若三相方波数字信号中两相频率为0,则判定故障为对应的两相对地短路或两相断线;
若三相方波数字信号中三相频率均为0,则判定故障为三相短路或三相断线;
若运算方波信号的频率与三相方波数字信号中单相频率相同,则判定故障为两相短路。
由此,基于上述技术方案,本发明交流发电机故障检测电路通过在信号调理模块中采用电感与电阻串联分压的模式,使得弱电相位检测器电路上接受的电压波动远小于发电机的电压波动范围,降低了电路设计的难度又提高了信号的抗干扰能力,使得交流发电机故障检测电路具有输入电压/频率范围宽的优点,解决了交流发电机电压范围宽的问题。本发明交流发电机故障检测方法能够缩小故障定位范围,具有故障检测能力强的优点。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解,构成本申请的一部分,本发明的示意性实施例及其说明仅用于解释本发明,并不构成对本发明的不当限定。在附图中:
图1为本发明交流发电机故障检测电路实施例的电路示意图;
图2为利用本发明交流发电机故障检测电路获得的各信号波形对比图;
图3为本发明交流发电机故障检测电路应用于具体实施例的结构示意图。
具体实施方式
下面通过附图和实施例,对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
本发明的具体实施方式是为了便于对本发明的构思、所解决的技术问题、构成技术方案的技术特征和带来的技术效果有更进一步的说明。需要说明的是,对于这些实施方式的说明并不构成对本发明的限定。此外,下面所述的本发明的实施方式中涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
在本发明交流发电机故障检测电路一个示意性的实施例中,如图1所示,交流发电机故障检测电路包括信号调理模块和数字逻辑模块FPGA,信号调理模块包括电感L1、第一电阻R1以及弱电相位检测器T1,电感L1与第一电阻R1串联,弱电相位检测器T1与第一电阻R1并联,弱电相位检测器T1能够将交流发电机的正弦波电压信号调理为方波数字信号并反馈给数字逻辑模块FPGA。
在该示意性的实施例中,通过在信号调理模块中采用电感L1与第一电阻R1串联分压的模式,使得弱电相位检测器T1的电路上接受的电压波动远小于发电机的电压波动范围,降低了电路设计的难度又提高了信号的抗干扰能力,使得交流发电机故障检测电路具有输入电压/频率范围宽的优点,解决了交流发电机电压范围宽的问题。
交流发电机一般采用8对极,工作转速范围可达3000转/分至30000转/分,输出电压有效值范围可达30V至450V,若采用现有的普通电阻分压发热量巨大,若采用现有的小信号放大则需要设计有正负电源供电的放大电路和迟滞比较电路,且较难进行强电和弱电隔离,而本发明交流发电机故障检测电路中采用电感和电阻的串联方式进行分压,由于电感只消耗无功功率,调理电路可在保证信号幅值的同时,大大降低发热功耗。
下面利用公式来说明弱电相位检测器T1的电路上接受的电压波动远小于发电机的电压波动范围的原理如下:
交流发电机的输出电压与转速成正比例关系,其最大输出电压公式为:
Em=NBS
式中:
Em为交流发电机最大输出电压;
N为线圈匝数;
B为磁场强度;
S为线圈有效面积;
ω为交流发电机角速度。
电感的阻抗为:
ZL1=2πL
电阻R1上分得的电压为:
随着Em增大,ZL1远大于R1,因此电阻R1上分得的电压可近似为:
由于ZL1和Em都和角速度ω成比例,因此VR1可近似为定值,由于弱电相位检测器T1与第一电阻R1并联,因此弱电相位检测器T1的电路上接受的电压也可近似为定值。
作为对上述实施例的改进,如图1所示,交流发电机故障检测电路还包括第二电阻R2,第二电阻R2与第一电阻R1并联且与弱电相位检测器T1串联,第二电阻R2的电阻值大于第一电阻R1的电阻值。第二电阻R2的设置能够保护弱电相位检测器T1,避免电压突然增大对弱电相位检测器T1的破坏。当然,也可以优选地与第一电阻R1并联设置限压元件D1,弱电相位检测器T1的接地线路上也可以设置第三电阻来保护电路。优选地,第二电阻R2的电阻值与第一电阻R1的电阻值之比大于等于10。
在上述实施例中,弱电相位检测器T1可以为光耦,光耦内部三极管导通,输出高电平,反之输出低电平,从而将交流发电机的正弦波电压信号调理为只有正电压的方波数字信号,当然,弱电相位检测器T1也可以为三极管或运算放大器。
优选地,如图1和图2所示,信号调理模块为三个,用于将交流发电机的三相正弦波电压信号VA、VB、VC分别调理为三相方波数字信号TPA、TPB、TPC并反馈给数字逻辑模块FPGA,从而满足数字逻辑模块FPGA的输入电压要求。数字逻辑模块FPGA直接接受三相方波数字信号TPA、TPB、TPC,可免去传统频率处理电路的迟滞比较电路,同时避免了双电源供电的需求。
以图1所示的实施例为例,交流发电机具有三相电压VA、VB、VC,三相电压信号调理模块完全相同,以其中A相为例进行介绍。电感L1和电阻R1构成串联分压电路,由于R2阻值远大于R1,因此在分析R1两端电压时不考虑R2。R1两端电压经R2限流后驱动光耦内部的发光二极管,当R1两端电压为正且大于光耦开启电压时,光耦内部三极管导通,输出高电平,反之输出低电平,从而将交流发电机波形调理为只有正电压的数字信号波形,如图2所示。由于光耦三级管存在导通压降,故数字信号电压波形为最小值为0V,最大值约2.7V的方波。由于光耦开启电流的存在,光耦输出方波的占空比小于50%。
对于如何判断故障模式,在一个优选的实施例中,数字逻辑模块FPGA包括计算单元和判断单元,计算单元用于将三相方波数字信号先进行两两与运算后再进行或运算以获得运算方波信号TPS,即:
TPS=TPA*TPB+TPB*TPC+TPA*TPC
判断单元用于将三相方波数字信号与运算方波信号进行分析来输出不同的故障指示。
判断单元如何判断故障模式,具体地或优选地,在三相方波数字信号中单相频率为0的状态下,判断单元能够输出对应的单相短路或单相断线的故障指示;在三相方波数字信号中两相频率为0的状态下,判断单元能够输出对应的两相对地短路或两相断线的故障指示;在三相方波数字信号中三相频率均为0的状态下,判断单元能够输出三相短路或三相断线的故障指示;在运算方波信号的频率与三相方波数字信号中单相频率相同的状态下,判断单元能够输出两相短路的故障指示。该判断模式能够缩小故障定位范围,具有故障检测能力强的优点。
下面将其应用于图3的实施例为例,来说明本发明在FADEC电子控制器中的应用。图3中模块X代表FADEC电子控制器,D代表图1中的信号调理电路,对交流发电机输出的三相电压信号进行调理转换为三相方波;图3中模块O代表FADEC电子控制器中的FPGA或其他数字逻辑电路,接收模块D输出的三相方波作为输入,并对三相方波进行逻辑运算,从而判断交流发电机运行状态,在交流发电机发生故障时,进行故障识别和故障隔离。
由此,本发明交流发电机故障检测电路具有以下优点:
1.不仅能够检测故障,还能够判断交流发电机的故障模式;
2.能够缩小故障定位范围;
3.利用电感和电阻串联,使得信号调理电压不随交流发电机电压变化而大幅变化,提高了信号的可靠性;
4.电路元器件简单,降低了成本,体积小、重量轻,且提高了可靠性;
5.利用逻辑电路CMOS或TTL电平的门限特性,避免了迟滞比较电路的使用,同时避免了双电源供电的需求;
6.交流发电机的三相电压频率信号的可靠性远高于传统单相电压频率信号的可靠性,可大幅提高高压转子转速和超转保护输入信号的可靠性。
7.采用光耦可以将交流发电机输出的高电压与FADEC电子控制器的低电压电路进行隔离,保障内部电子电路的安全,且不易受外部电磁环境干扰。
本发明根据交流发电机故障检测电路的故障检测模式相应地提供了一种交流发电机故障检测方法,其包括
信号调理步骤:将交流发电机的三相正弦波电压信号分别调理为三相方波数字信号;
运算步骤:将三相方波数字信号先进行两两与运算后再进行或运算以获得运算方波信号;
判断步骤:将三相方波数字信号与运算方波信号进行分析来输出不同的故障指示。
该方法易于实施,具有较高的可靠稳定性。进一步地,判断步骤包括:
若三相方波数字信号中单相频率为0,则判定故障为对应的单相短路或单相断线;
若三相方波数字信号中两相频率为0,则判定故障为对应的两相对地短路或两相断线;
若三相方波数字信号中三相频率均为0,则判定故障为三相短路或三相断线;
若运算方波信号的频率与三相方波数字信号中单相频率相同,则判定故障为两相短路。
该故障检测方法能够缩小故障定位范围,具有故障检测能力强的优点。
以上结合的实施例对于本发明的实施方式做出详细说明,但本发明不局限于所描述的实施方式。对于本领域的技术人员而言,在不脱离本发明的原理和实质精神的情况下对这些实施方式进行多种变化、修改、等效替换和变型仍落入在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种交流发电机故障检测电路,其特征在于,包括信号调理模块和数字逻辑模块(FPGA),所述信号调理模块包括电感(L1)、第一电阻(R1)以及弱电相位检测器(T1),所述电感(L1)与所述第一电阻(R1)串联,所述弱电相位检测器(T1)与所述第一电阻(R1)并联,所述弱电相位检测器(T1)能够将交流发电机的正弦波电压信号调理为方波数字信号并反馈给所述数字逻辑模块(FPGA)。
2.根据权利要求1所述的交流发电机故障检测电路,其特征在于,所述方波数字信号为只有正电压信号的方波数字信号。
3.根据权利要求1所述的交流发电机故障检测电路,其特征在于,还包括第二电阻(R2),所述第二电阻(R2)与所述第一电阻(R1)并联且与所述弱电相位检测器(T1)串联,所述第二电阻(R2)的电阻值大于所述第一电阻(R1)的电阻值。
4.根据权利要求3所述的交流发电机故障检测电路,其特征在于,所述第二电阻(R2)的电阻值与所述第一电阻(R1)的电阻值之比大于等于10。
5.根据权利要求1所述的交流发电机故障检测电路,其特征在于,所述弱电相位检测器(T1)为光耦、三极管或运算放大器。
6.根据权利要求1~5任一项所述的交流发电机故障检测电路,其特征在于,所述信号调理模块为三个,用于将所述交流发电机的三相正弦波电压信号分别调理为三相方波数字信号并反馈给所述数字逻辑模块(FPGA)。
7.根据权利要求6所述的交流发电机故障检测电路,其特征在于,所述数字逻辑模块(FPGA)包括计算单元和判断单元,所述计算单元用于将所述三相方波数字信号先进行两两与运算后再进行或运算以获得运算方波信号,所述判断单元用于将所述三相方波数字信号与所述运算方波信号进行分析来输出不同的故障指示。
8.根据权利要求7所述的交流发电机故障检测电路,其特征在于,在所述三相方波数字信号中单相频率为0的状态下,所述判断单元能够输出对应的单相短路或单相断线的故障指示;在所述三相方波数字信号中两相频率为0的状态下,所述判断单元能够输出对应的两相对地短路或两相断线的故障指示;在所述三相方波数字信号中三相频率均为0的状态下,所述判断单元能够输出三相短路或三相断线的故障指示;在所述运算方波信号的频率与所述三相方波数字信号中单相频率相同的状态下,所述判断单元能够输出两相短路的故障指示。
9.一种交流发电机故障检测方法,其特征在于,包括:
信号调理步骤:将交流发电机的三相正弦波电压信号分别调理为三相方波数字信号;
运算步骤:将所述三相方波数字信号先进行两两与运算后再进行或运算以获得运算方波信号;
判断步骤:将所述三相方波数字信号与所述运算方波信号进行分析来输出不同的故障指示。
10.根据权利要求9所述的交流发电机故障检测方法,其特征在于,所述判断步骤包括:
若所述三相方波数字信号中单相频率为0,则判定故障为对应的单相短路或单相断线;
若所述三相方波数字信号中两相频率为0,则判定故障为对应的两相对地短路或两相断线;
若所述三相方波数字信号中三相频率均为0,则判定故障为三相短路或三相断线;
若所述运算方波信号的频率与所述三相方波数字信号中单相频率相同,则判定故障为两相短路。
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