高温超导电机转子励磁绕组的失超遥测系统设计及实验研究

时间：2024-07-28

连广坤，李会涛，3，陈彪，侯哲，张路明，孙丹丹

(1. 中国科学院电工研究所，北京 100190； 2. 上海电气集团上海电机厂有限公司，上海 200240；3. 中国科学院大学，北京 100049)

0 引言

超导材料的零电阻效应，应用于电机的电磁线可使电机的效率大大提高，同时可使电机的电流密度设计值较高，从而获得较高的功率密度[1-2]。此外，较低温超导的液氦环境，高温超导材料仅需运行于液氮环境，更易实现且具有更好的经济性[3]。因此，高温超导电机在对体积重量、效率要求较高的电力推进及新能源发电等领域展现出良好的应用前景[4-5]。

现有研究结果表明，高温超导带材的稳定性与环温、流通电流、周边磁场特性、机械振动等多个条件相关，上述任何一个条件不满足均可产生不可恢复性失超故障，可见失超检测系统是超导电机可靠运行的关键环节[6-8]。然而，当前高温超导电机的研究多集中于超导线圈制备工艺、电机系统结构、运行控制等方面，针对超导运行状态检测的文献相对较少，文献[9-14]采用温升信号检测、电压信号检测、压力信号检测、流速信号检测、超声波检测、桥式电路检测和有源功率检测法等进行超导带材失超检测。然而，上述检测方法仅从理论上验证了判断失超的可行性，实际超导电机系统中，传感器的布置及检测响应时间均与具体系统结构相关，上述方法并不具备普适性。

中国科学院电工研究所与上海电机厂合作于2017年并成功研制出500 kW高温超导同步发电机，该电机转子励磁绕组采用第二代YBCO高温超导带材绕制，定子则为常规电机定子。针对该超导电机，通过检测超导线圈端电压、液氮液位、超导体环温以实现更有效、更快速的失超检测。首先，结合该电机超导环境的实现方式，进行了系统的总体方案设计，基于此设计的检测电路，最后通过实验验证了该系统用于失超检测的可行性。

1 系统总体设计

1.1 超导环境的建立

高温超导电机超导线圈的工作温度必须维持在一定的低温环境下。采用液氮浸泡开放式冷却方法，通过液氮传输耦合器向转子内部通入液氮，利用真空杜瓦与外界热隔离，并采用低漏热玻璃纤维环氧树脂复合材料扭矩管传递力矩，使运行温区维持在77 K。电机以一定速度转动时，由于离心力的作用，液氮会在杜瓦内部形成液环，如图1所示。当液氮量足够时，超导线圈会全部浸泡在液氮之中，完成超导环境的建立。

图1 旋转状态下液位示意图

1.2 传感器布置

失超电压信号能够最快反映超导线圈的失超状况，实时性很好，是预警失超的第一道防线。液氮液位的高低决定了超导线圈能否处于液氮环境中并达到超导态，因此需要实时检测超导电机内部液氮的液位，保证超导电机的安全运行。根据液环的分布特性，在适宜的位置安装检测电阻，如图2所示。在进行液位检测的同时，通过布置温度传感器，检测电机内部的温度，反映电机内部发热状况，并根据此信号判断液氮的消耗趋势、循环状态。超导电机内部温度的检测是对前面两个物理量检测的统一反馈，具有校验作用。

图2 液位检测电阻安装示意图

1.3 系统结构图

整个系统的结构图如图3所示，检测元件安装于超导电机内部，通过信号线引出，与检测电路板连接。检测电路板置于环氧盒内以增加其紧固性，环氧盒与供电集电环并排安装于超导电机轴端，通过供电集电环将24 V直流电传输给旋转部分电路板，同时地面计算机进行实时数据接收、显示。

图3 系统结构图

2 检测原理与电路设计

2.1 线圈端电压检测

超导线圈由长度约为218 m的第二代YBCO高温超导带材绕制而成，在实际运行阶段，超导线圈浸泡在密封的液氮环境中不会有温度超过临界点的情况发生。因此，只要通过超导线圈的电流不超过临界电流，即可确保线圈不发生局部失超。根据超导线圈长度计算得到的失超电压信号为毫伏级，因此可采用双极性放大器的单级放大电路，检测正负电压信号波动。电路原理图如图4所示，选用精密低功耗的INA129仪器放大器，具有高共模抑制比、高输入阻抗、低噪声、低线性误差、低失调漂移等特点。设计放大电阻R1为820 Ω，放大器的放大倍数为：

A=1+49.4 kΩ/R1=61.2

(1)

图4 电压检测电路

2.2 液氮液位检测

液氮液位检测是确保超导线圈处于液氮环境中，是超导线圈能够达到超导态的先决条件。将液氮的液位界面处差异的检测转化为液氮温度与气态氮温度差异的检测可以简化检测装置，也可以通过电路设计提高检测的精度。使用碳膜电阻作为检测元件，并采用三线制检测提高检测精度，电路原理图如图5所示。基于理想运算放大器虚断、虚短的性质以及MOS管漏极电流、源极电流相等的性质设计30 mA电压控制镜像恒流源，放大器选用具有低偏移电压、零漂移、低噪声、高直流精度等特点的OPA2188运算放大器，电阻选用高精度电阻以提高整个系统的测量精度。

图5 液氮液位检测电路

2.3 温度检测

超导电机内部温度反应了电机的功耗状况以及内部的温度变化趋势，可通过此数据分析电机的运行状态，判断液氮的消耗趋势和循环状态。温度检测采用四线制PT100铂热电阻作为检测元件，同时设计零温度系数1 mA恒流源，通过检测PT100端电压的变化，反映电阻值的变化，继而反映温度的变化情况。

设计的零温度系数1 mA恒流源原理如图6所示，其基本原理是根据芯片LM334D的2号与3号管脚之间稳压。在一定温度下，流过1号管脚的设置电流ISET与流过3号管脚的偏置电流IBIAS呈倍数关系，而对于LM334D具有正温度系数，对于硅二极管IN457具有负温度系数，基于电阻适当的倍数关系，可使得两者的温漂影响相互抵消。

图6 零温漂系数恒流源电路

将PT100端电压信号进行适当倍数的一级放大，即可得到温度检测电路的原理图，如图7所示。通过对R1和R2取适当阻值，得到1 mA的恒流源。设计放大电阻R3为2 kΩ，放大器的放大倍数为：

A=1+49.4 kΩ/R3=25.7

(2)

图7 温度检测电路

2.4 无线传输模块设计

考虑到超导电机旋转状态下的实时监测，采用了无线传输的方式，选择低功耗芯片E05-MLE132A-V4.0实现串行数据的收发。传输原理图如图8所示。

图8 信号传输原理图

考虑到多模块多路信号的传输，设计信号切换电路匹配该新芯片的串行数据收发。基本原理是利用计数器计数接通不同路的信号，在每一路信号接通时间内进行采样，最后在一个扫描周期内，将所有信号串行发送到地面端。

3 检测装置的设计、精度校核与安装

3.1 检测装置的设计

为了将各个检测模块形成统一的实用检测装置，需要着重考虑检测装置的设计。将不同模块的检测电路设计制作于一块电路板上，不同的检测模块独立分布，同时进行便于安装的环形设计。此外，还需进行故障排除等相关设计工作，最后得到环形电路板如图9所示。

图9 环形检测装置

3.2 检测装置的精度校核

为了保证超导电机运行过程中检测装置的测量精度符合要求，需要对电路板的精度进行校核。通过精密电压源在电压检测模块施加电压，测量放大器的输出电压，校核结果如表1所示，电压检测模块设计放大倍数为61.2，放大器的最大误差为1.24%，检测精度符合测试要求。

表1 电压检测模块校核结果 mV

在液位测量模块接入426 Ω的碳膜电阻，电路板通电之后，测量电阻两端的电压即可得到流过电阻的电流，校核结果如表2所示。液位模块采用30 mA恒流源，根据校核结果，恒流源的最大误差为0.43%，检测精度符合测试要求。

表2 液位检测模块校核结果

在温度测量模块接入100 Ω的标准电阻，电路板通电之后，测量电阻两端的电压即可得到流过电阻的电流，校核结果如表3所示。温度模块采用1 mA恒流源，根据校核结果，恒流源的最大误差为1.5%，检测精度符合测试要求。

表3 温度检测模块校核结果

3.3 检测装置的安装

根据电机轴的尺寸，设计合适的安装盒用于将电路板固定于超导电机轴，实现同步旋转，同时采用集电环进行该电路较大功耗的供电。实际安装结果如图10所示。

图10 电路板安装

4 实验结果分析

4.1 线圈端电压检测

在电机的稳定运行过程中，检测线圈的端部电压信号，其中4极绕组共12个检测点，电压的失超报警阈值为1 μV/cm(对应电压值为21.8 mV)。由图11可以看出，端部电压信号虽然有所波动，但总体的趋势依然较为明显，所有线圈的端部电压值均在1 μV/cm以内，未发生失超。

图11 线圈电压检测曲线

4.2 液氮液位检测

超导电机在加励磁电流之前，需要确保转子内部形成液环，使线圈浸于液氮内部。如图12所示，此图反应了在开始通入液氮预冷到形成液环的过程中碳膜电阻阻值的变化趋势，当阻值达到445 Ω以上时，表明线圈已经处于液氮中。根据碳膜电阻阻值的变化趋势，可以实时控制液氮的输入量，保证电机的安全稳定运行。

图12 液位检测曲线

4.3 温度检测

电机内部温度检测采用PT100作为检测元件，PT100的温度检测虽然反应较慢，但精度较高，能够实时反应温度变化。当PT100处于液氮中温度变化稳定后，通过对比标准的液氮温度值77 K，可知误差小于1 K。图13反映了从开始预冷到电机稳定运行过程中的温度变化。温度参考点一直保持在273 K，反映了电路板的高测量精度，其余11个检测点在的检测温度保持在77 K左右。

图13 温度检测曲线