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关于HTR-10GT的磁性轴承在线监测系统的
研究
Peng Hong, Shi Lei, Zhengang Shi, Meisheng Zha, Zhao Lei, Suyuan Yu
Institute of Nuclear Energy Technology (INET), Tsinghua University, China
ph02@mails.tsinghua.edu.cn
摘要:
在10MW高温气冷堆(HTR-10)的成功运行和完成一系列基于蒸汽透平循环实验计划后 ,清华大学核能与新能源技术研究院（INET）提出了在HTR-10蒸汽发 生器加上直接燃气轮机（HTR-10GT）的研究课题[1]。在这里项目，因为AMP的众多优于常规轴承的优势，主动磁轴承（AMB）被选择用于支撑发电机转子和涡轮压缩机转子在功率转换单位 [2]。为了实时监测AMB系统运行状况，并判断其工作是否正常的在线监测系统的总体结构以及各个组成部分的功能，在线监控系统AMB需要设计。整个监测系统的基于个人电脑，VI（虚拟仪器）技术开发平台运行于Windows2000操作系统上的虚拟仪器软件。整个监测系统的建立被分为了以下的三个部分：第一步，数据采集平台，从AMP系统搜集并获取所有必要的有用的数据的发展。第二步，数据分析和处理以及显示功能，获取的数据需要在时域，频域和联合时频域找到操作的特点。最后一步，基于前面的工作数据，一个诊断组件将在未来设计并运用。
简介：
HTR-10GT的设计是为了实验验证直接创造高性能工厂封闭燃气轮机循环和技术在未来的商业运用中的可能性[3]。垂直HTR-10GT的涡轮机轴旨在ＡＭＢｓ系统的支持。初步的转子动力分析表明发电机转子和涡轮压缩机转子必须通过第二弯曲临界速度（BCS）加速到额定值即15000rpm [4]。为了验证现有的原理并获得有用的数据和实际AMB系统设计HTR-10GT的经验，小型柔性转子AMB试验钻机，称为AMB-P,这是一个原型设备的AMB系统为HTR-10GT已经建造。AMB的结构和系统关键参数在图1和图2以及表1中具体显示。
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图1：AMB-P的结构
表1：AMB-P的关键参数TABLE 1:
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转子质量 |
6.128kg |
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转子长度 |
613mm |
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径向惯性矩 |
0.148kg ㎡ |
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极惯性矩 |
0.00379kg ㎡ |
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气隙 |
0.4mm |
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线圈 |
300n |
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杆面积 |
320m㎡ |
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电感 |
45.2mH |
目前正在进行是在线监测系统为AMB-P的构建，用于检测AMB系统工作并进行诊断系统是否正常运行。但是，将会有少量需要更改的措施使该监控系统适用于后面的AMB系统。在下面的部分，首先，整体在线监测系统的结构下面将详细描述其每个部分。 然后一些典型的数据操作的AMB-P通过监控系统获得将被检查和分析以显示AMB-P的运行状态。 最后，一些有用的功能将被讨论改进未来的建设中的监测系统。
发展平台:
由于VI的独特优势技术，LabVIEW（National Instruments）平台，一个基于图形编程环境的VI平台以及标准的数据软件采集和仪器控制作为方便的工具和工作台构建整个监控系统。有了这个强大的平台，我们可以在图表中编程而不是在代码中构建系统，这个平台的运用一定会方便我们的工作。另一方面，基于VI技术，LabVIEW毫无疑问地赋予系统良好的性能的可重用性，开放性和扩展性[5]。LabVIEW 7 Express，最新版本被选为系统软件平台。PCI-6023E数据采集板，一个也来自于National Instruments公司的产品，被作为系统数据采集硬件。根据要求和性能的监视系统，搭载了Windows 2000系统的个人计算机已被选中成为基础和数据处理器系统。
系统结构:
在网上监控系统这个功能方面，它可以分为几个相互关联但独立的组件。系统的结构和关系其中的每个部分在图4中显示。
传感器转换原有物理信号到标准电压信号和ADC来执行相应的采集这些标准信号的数字数据都是包括在整个监控系统中。 但这两个组件可以认为是系统的外围而不是内部组件。 如图4所示，系统的内部组件被包围通过实心矩形框架，可以分为三部分。
系统设置部分：
此部分仅包含系统设置组件。 在此组件中，系统设置包括数据通道的数量输入端子配置为通道，输入的最大和最小值测量期望的信号，以及采样率和每一个样本读写的指定每个通道的时间。 这个组件模块的图表显示在图2。
图2：系统的框图设置组件
根据监控系统，有九个通道，从ai0到ai8在PCI-6023E数据采集板，用于数字数据采集。在这些通道中，ai0和ai1是分别指定收集数据-X轴方向和Y方向位移信号转子轴心在AMB-1的定位位置; ai2和ai3用于收集数据的相同信号的AMB-2定位位置; ai4用于收集数据轴向位移信号; ai5以收集转速信号的数据转子;并指定其余三个通道收集设置振动信号的数据分别对应AMB-P三个方向。
输入端子组件配置设置为参考单个中端模式。电压信号输入PCI-6023E数据采集板均在标准化范围内从-5v到5v。每个的采样率通道设置为10kHz，这对于监控系统是足够的，根据第一弯曲临界频率为300Hz。
数据监控和分析部分：
这部分包含两个子部分，一个在线监控功能，另一种执行离线数据重放和分析任务。
在线子部分包括三个组件：第一个组件显示转子轴心的轨迹图中两个AMB所在的位置和转子的实时转速。这个组件还具有存储所有的功能计算机上的九个通道的数据硬盘。此组件的前面板为如图3所示。第二个组件能够显示径向和轴向位移信号，通过在时域和在频域上分析它们的在线FFT算法。第三个组件可以显示设置振动信号的时域和频域的信号。
离线子部分包括两个组件：一个是重放单个的存储数据和播放速率，开始时间和周期的时间都可以由用户设置和更改;另一种是分析这些存储的数据频率和联合时频域。后来组件完成分析离线和它的分析方法不像前面使用的简单的FFT算法在线使用子部分。通过FFT算法，我们可以只得到平均光谱特性信号，但不能确定开始时间和任何包括这个信号的频谱分量的持续时间。总之，FFT算法没有时间位置函数[6]。因此为了避免这种直接频率分析的缺点，一些JTFA（联合时间 - 频率分析）方法，如STFT（短时傅立叶变换），WVD（Wigner-Ville分布）和WT（Wavelet变换）[7]用于对这个组件中存储的数据的高级分析。现在，这个离线分析组件仍然存在一步一步构建其复杂性和困难性。
诊断部分：
诊断组件是计划在监控系统设计的高级组件，其中可以评估控制的AMB系统的控制效果并指示现有或潜在故障。 这部分是基于所有前部分监控系统和取决于大量的AMB系统的操作经验。所以这个组件还没有被建造，但它当然会是监控系统的一个目标。
随着这个系统的不断发展，许多其他功能如显示并分析控制电流信号将会在未来加入。 到目前为止，前两部分已经完成主要和后续工作已经开展从中我们得到了一些有用的信息和AMB-P系统的操作特性。
图3：在线子部件的第一个组件的前面板
图4：在线监测系统的功能结构
实验分析：
PID方法由于其强大和设施完备已被用于设计控制器的AMB-P[8]。在实验中AMB-P通过了第一个BCS，主要构建监测系统中监控AMB-P的状态的整个操作过程，特别是传递第一个BCS的时间。
AMB-P达到其第一弯曲模式当其转速约为305Hz时。在这段时候，在轴心的轨道，显然两个AMB所在的位置并不规则和是发散的，如图5所示。然而，轨道都在绿色里面圈。这意味着最大振动轴中心位置的振幅较小于0.12mm，并在绿色圆圈所表示的区域内。
为了消除噪音，切比雪夫带通滤波器已经应用于滤波四径向位移信号组成轨道的轴心。四个滤波的光谱此时的径向位移信号如图6所示
当转速达到约320H，轴心的轨道变得规则和收敛，如图7所示。这表示AMB-P已经通过它第一个BCS稳定。相应的光谱在在图8中示出了320Hz的速度。
通过在线监控系统，我们可以看到控制性能AMB-P非常令人满意。两个时域和频域信息的转子以及整个设置都可以在实验中同时观察，以及动态数据也可以存储在计算机硬盘供以后离线分析。原始物理信号离线分析存储的数据频率和接头时间频率域显示轨道的轴中心以及转速信号和存储信号数据重播存储数据显示径向和轴向移位信号和分析他们频域显示设置振动信号和分析他们在频率域诊断组件系统设置数字数据收集传感器在线监测系统结构
图5：轴心的轨道转速为305Hz 图6：四个滤波径向的频谱位移信号在305Hz
图7：轴心的轨道转速为320Hz
图8：四个滤波径向的光谱位移信号在320Hz
结论：
在本文中，我们已经详细的讨论过了构建在线监控系统AMBs及其应用AMB-P的传递第一个BCS的实验。通过在线监控系统，我们可以容易地和清楚地知道AMB的操作状态包括轴的轨迹在内的运行状态中心，这是最重要的指示操作，四个径向位移信号和它们的光谱在其通过期间第一个BCS。监控系统不仅有助于我们知道AMB-P的操作系统的实时状态也提高了控制器的设计性和操作的可靠性。
由于空间限制，设置振动信号和它们的光谱在这里没有显示纸。我们将会考虑采集控制电流信号来帮助我们了解控制效果更明显施工系统和监控系统的完成。完成基本功能后组件，诊断组件将认真研究和建设进一步的工作。
参考文献
[1] Yuanhui Xu, Kaifen Zuo. Overview of the10 MW high temperature gas cooledreactor-test module project. NuclearEngineering and Design, 218(2002) 13-23
[2] Institut
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