УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТОКА РОТОРА СИНХРОННЫХ ГЕНЕРАТОРОВ С БЕСЩЕТОЧНЫМ ВОЗБУЖДЕНИЕМ

Область применения
Устройство может быть использовано в качестве датчика тока ротора для регулирования режимом возбуждения генератора, также для диагностики состояния роторной обмотки [Н02К 13/00, Н02К 13/10].
Уровень техники
Бесщеточный возбудитель состоит из синхронного генератора обращенного типа и диодного вращающегося выпрямителя. Конструктивно якорь обращенного генератора размещен на одном валу с выпрямительным узлом, собранным по мостовой схеме.
Электроды вентилей со стороны постоянного тока электрически соединены с токоподводом, расположенным в центральном отверстии вала.
Токоподвод состоит из двух медных полустержней (положительной и отрицательной полярности), изолированных друг от друга межстержневой стеклотекстолитовой прокладкой.
Для контроля напряжения возбуждения на валу ротора возбудителя установлены контактные кольца, электрически соединенные с полустержнями токоподвода в центральном отверстии вала ротора, и комплект щеток.
Особенности конструкции бесщеточного возбудителя усложняют задачу точного измерения тока ротора.
Известны способы расчета тока ротора из его зависимости от напряжения возбуждения, частоты вращения и других факторов [1, 2]. Основным недостатком данного способа, как и всякого косвенного метода, является зависимость от точности математической модели и точности коэффициентов, измеренных при специальных экспериментах.
На эксплуатируемых генераторах с бесщеточной системой возбуждения (БСВ) контроль тока ротора производится с помощью индукционных датчиков [3]. Датчик представляет собой индукционную катушку с разомкнутым сердечником, установленную с зазором в несколько миллиметров вблизи поверхности вала ротора, по которой проходят токонесущие шпильки выпрямленного тока от возбудителя.
Формирование сигнала во всех системах контроля тока ротора, основанных на неподвижных индукционных датчиках основано на законе электромагнитной индукции.
Суть закона электромагнитной индукции заключается в том, что «ЭДС индукции в замкнутом контуре равна скорости изменения магнитного потока, пронизывающего контур», т.е.:
i
е=-dФ/dt.
Напряжение в обмотке датчика зависит от скорости изменения магнитного потока в локальной зоне его чувствительности, ограниченной конструкцией его магнитопровода. Поэтому, при прохождении мимо датчика токоведущей шпильки с постоянным током, в датчике формируется синусообразный сигнал (два последовательных импульса противоположной полярности). Так как регистрируемый сигнал представляет собой производную магнитного потока по времени, получение информации о токе в конкретной токоведущей шпильке сводится к интегрированию данного сигнала. Корректное вычисление интеграла до получения достоверного значения тока в шпильке невозможно виду многофакторности проходящих процессов. На показания индукционной системы влияют намагниченность вала ротора, изменения геометрии зазора вследствие тепловых расширений ротора турбоагрегата, малейшие изменения скорости вращения ротора и другие причины. Точно отградуировать чувствительность датчика по току в шпильке также невозможно, учитывая тот факт, что, строго говоря, ток в контролируемой шпильке не абсолютно постоянный, а представляет собой часть выпрямленной синусоиды. По указанным причинам регистрируемые сигналы датчиков могут достоверно использоваться только с целью детектирования наличия или отсутствия тока в токоведущих шпильках. Поэтому основным применением данного способа контроля является обнаружение дефектов в вентилях вращающегося выпрямителя.
Параллельное применение нескольких датчиков не создает возможности получения сигнала тока ротора, с достоверностью, достаточной для целей автоматического регулирования. Задача анализа формы тока ротора при таком типе источника сигнала абсолютно не имеет основ для практической реализации.
Преимуществом и отличием заявленного изобретения от данного аналога является то, что в заявленном изобретении обеспечивается прямое измерение магнитного поля создаваемого токопроводящими шинами, расположенными в центральном отверстии ротора, при этом регистрируемый первичным датчиком сигнал не зависит от частоты вращения, вибрационного состояния ротора, намагниченности магнитопроводов.
Размещение магниточувствительного элемента непосредственно в ротор полностью исключает зависимость регистрируемого сигнала от внешних факторов: вибрации, скорости вращения ротора и пр., а зависит от его расположения и ориентации относительно элементов ротора. Чувствительность датчика и может быть отградуирована
перед установкой в ротор в независимом источнике магнитного поля, после чего датчик может использоваться для контроля абсолютного значения тока ротора в любой момент времени, то есть для анализа формы тока.
Технический результат данной полезной модели состоит в возможности измерения тока ротора с разрешением по времени менее одного оборота ротора, получения сигнала, пропорционального току ротора, не зависящего от скорости вращения ротора, а также осциллограммы тока ротора генератора для анализа его спектра и диагностики состояния электрической цепи роторов генератора и возбудителя.
Краткое описание чертежей
На Фиг.1 показано конструктивное расположение и ориентация магниточувствительного элемента, где 1 - вал ротора, 2, 3 - медные полустержни токоподвода, 4 - цилиндрическая изоляция, 5 - изоляционная прокладка, 6 - магниточувствительный датчик.
Сущность устройства
Заявляемый технический результат достигается за счет того, что устройство для измерения тока ротора синхронных генераторов с бесщеточным возбуждением содержит магниточувствительный элемент, предназначенный для помещения в изоляционную прокладку между полустержнями токоподводов на оси вала ротора, причем вектор чувствительности магниточувствительного элемента перпендикулярен оси ротора и параллелен плоскости изоляционной прокладки.
Устройство дополнительно может содержать усилитель и аналого-цифровой преобразователь сигнала, расположенные в центральном отверстии ротора. Устройство для измерения тока ротора синхронных генераторов с бесщеточным возбуждением может быть выполнено с возможностью передачи сигнала тока ротора в цифровом виде по скользящему контакту через щеточный аппарат или по бесконтактному оптическому или радиоканалу. В качестве магниточувствительного элемента может использоваться датчик Холла.
В изоляционную прокладку (5) (см. Фиг.1) между полустержнями токоподвода (2) и (3) на оси вала (1) ротора вставляют магниточувствительный элемент (6), например датчик Холла, вектор чувствительности которого перпендикулярен оси ротора и параллелен плоскости изоляционной прокладки.
При данном расположении и ориентации магниточувствительного элемента (6) магнитные поля тока обоих полустержней (2, 3) направлены в одном направлении и складываются.
Магниточувствительный элемент (6) формирует электрический сигнал пропорциональный току ротора с разрешением по времени, ограниченным частотной характеристикой преобразователя. Данный сигнал не зависит от скорости вращения ротора и других внешних факторов.
Усиление и аналого-цифровое преобразование сигнала осуществляется в электронном блоке, который располагают в центральном отверстии ротора. Электрическое питание может осуществляться с помощью дополнительных контактных колец или встроенного генератора переменного тока, выполненного в виде катушек, расположенных на роторе и неподвижных постоянных магнитов, расположенных в плоскости катушек.
Сигнал тока ротора в цифровом виде может передаваться как по скользящему контакту через щеточный аппарат, так и по бесконтактному оптическому или радиоканалу. По данному сигналу производят прямое измерение магнитного поля создаваемого токопроводящими шинами, расположенными в центральном отверстии ротора, при этом регистрируемый первичным датчиком сигнал не зависит от частоты вращения, вибрационного состояния ротора, намагниченности магнитопроводов.
Один оборот - это 20 мс (для электросети с частотой в 50 Гц). Поскольку датчик производит измерения непрерывно, ограничения по скорости начинаются с момента, когда начинается преобразование сигнала в цифру и организация передачи его наружу.
Например, при скорости оцифровки АЦП, с частотой 250 кГц, за один оборот можно сделать 50000 измерений.
Скорость передачи сигнала во внешние устройства в значительной степени зависит от выбранного способа передачи. В зависимости от способа передачи она может быть различна. В принципе, можно организовать передачу данных и такой же дискретностью, но она совершенно не нужна. Передавать сигнал со скоростью дискретизации 25 кГц (500 измерений на оборот) достаточно просто, например, используя схемотехнические решения, используемые при передаче звукового стереосигнала в бесконтактных наушниках для компьютера (частота дискретизации сигнала стереозвука - 44,1 кГц).
В результате обеспечивается возможность измерения тока ротора с разрешением по времени менее одного оборота ротора, получения сигнала, пропорционального току ротора, не зависящего от скорости вращения ротора, а также осциллограммы тока ротора генератора для анализа его спектра и диагностики состояния электрической цепи роторов генератора и возбудителя.
Первичная обработка сигнала должна проводиться в электронном блоке, расположенном внутри центрального отверстия вала ротора. При этом для усиления сигнала можно использовать резистивно управляемые усилители, например AD620, и программно
управляемы усилители, например AD526. Оцифровка сигнала может осуществляться аналогоцифровым преобразователем, например AD7895. Управление АЦП, а также формирование сигнала в цифровом виде может осуществляться микропроцессором, например PIC16с74.
Возможно несколько способов выведения сигнала во внешние цепи управления, например, выведение сигнала через отдельные контактные кольца и токосъемные сигнальные щетки, аналогичные кольцам, предназначенным для измерения напряжения на обмотке ротора.
Также возможно выведение усиленного аналогового сигнала через измерительные контактные кольца и выведение сигнала тока в цифровом виде через измерительные кольца.
Также возможно выведение сигнала через контактные кольца и измерительные щетки, предназначенные для измерения напряжения в обмотке ротора с использованием изолированных высокочастотных трансформаторов, расположенных на сигнальных проводниках по обе стороны скользящего контакта и использующих участок измерительной цепи для передачи сигнала тока с высокочастотной несущей.
Выведение усиленного аналогового сигнала тока ротора возможно с применением амплитудно-частотной модуляции, а выведение сигнала тока ротора в цифровом виде возможно за счет применения частотно-импульсной модуляции.
Также возможно выведение сигнала тока ротора в цифровом виде бесконтактным образом через элементы, расположенные в торцевой области центрального отверстия вала.
Выведение цифрового сигнала тока ротора возможно осуществить, например, по оптическому каналу с помощью одного или нескольких параллельно включенных светодиодов, расположенного в торце центрального отверстия вала и фотодиода (фотодиодов), расположенного неподвижно в области светового пятна светодиода (светодиодов).
Выведение цифрового сигнала тока ротора по радиоканалу возможно осуществить посредством расположения передающего устройства или его антенны в торце центрального отверстия вала.
Источники информации:
1. Поляков В.И. Измерение тока ротора генератора с бесщеточным возбуждением. Электрические станции, 2001, №2, с.59-61
2. Патент 2011203 (РФ) Способ измерения тока ротора генератора с бесщеточным возбуждением.
3. United States Patent 4164705 Brushless exciter fault indicator system.