ДАТЧИК ПОЛОЖЕНИЯ РОТОРА ВЫСОКОВОЛЬТНОГО СИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ

Техническое решение относится к области электротехники и может быть использовано в устройствах плавного пуска и регулирования скорости высоковольтных синхронных электродвигателей большой мощности.
Известно, что величина вращающего момента синхронного электродвигателя зависит от угла сдвига вектора тока статора и магнитного потока, создаваемого током обмотки возбуждения, т.е. от положения ротора электродвигателя относительно обмоток статора. При этом для успешного разворота синхронного электродвигателя из не подвижного состояния при большом статическом моменте на валу (например, шаровых мельниц) следует иметь ток в тех обмотках статора, которые создают наибольший вращающий момент. Выбор требуемых обмоток статора электродвигателя может быть выполнен с помощью датчика положения ротора.
Известно большое многообразие датчиков положения ротора двигателя, построенных на применении в качестве измерительных элементов датчиков Холла, реагирующих на изменение магнитного потока, а также оптических элементов, реагирующих на изменение интенсивности светового луча. Датчики положения ротора двигателя с применением оптических элементов более распространены из-за большей чувствительности и более простой конструкции.
Из известных технических решений с применением оптических элементов наиболее близким по достигаемому результату является выключатель поворотный дискретный фотоэлектрический ПДФ-9 производства ИТЦ «ЛаборКомплекс Сервис» (http://www.laborant.ru/eltech/08/6/5/07-00.htm), который наряду с информацией о положении ротора относительно обмоток статора выдает также сигнал о частоте его вращения.
Данное техническое решение принято за прототип.
Известное техническое решение представляет собой неподвижный корпус с светоизлучателями и светоприемниками и вращающийся диск с прорезями сочлененный с валом электродвигателя. Три светоизлучателя со светоприемниками располагаются на одной вертикали неподвижного корпуса, а на вращающемся диске расположены прорези протяженностью 180 эл. град, сдвинутые друг относительно друга на 120 эл. град.
Недостатком прототипа являются его ограниченные функциональные возможности по следующим причинам:
1. Трудность, а иногда и не возможность (например, из-за отсутствия свободного конца вала) его пристройки к валам высоковольтных электродвигателей, диаметры которых в несколько раз превышают размеры самого датчика
2. Малая чувствительность к перемещению зубцов диска из-за сравнительно большого диаметра светового пучка светодиодов, что в тихоходных высоковольтных электродвигателях, имеющих большое число пар полюсов (до 30 и более) и соответственно большое число переключений каналов датчика положения в пределах одного оборота двигателя, требует значительного увеличения диаметра зубчатого диска и общих габаритных размеров датчика.
Например, низкооборотный синхронный электродвигатель с номинальной скоростью 100 об/мин имеет 30 пар полюсов и для получения допустимой угловой погрешности измерения положения ротора электродвигателя по отдельным фазам 3-5 электрических градуса, соответствующей диаметру светового пучка 1 мм, диаметр диска следует увеличить до размера, превышающего 1 м.
Технический результат предлагаемого устройства заключается в расширении функциональных возможностей датчика положения ротора с целью его применения для управления высоковольтными синхронными электродвигателями большой мощности.
Указанный технический результат достигается тем, что в датчике положения ротора высоковольтного синхронного электродвигателя, содержащем подвижный диск с прорезями и неподвижный измерительный блок, на котором с одной стороны подвижного диска размещены светоизлучатели, а с другой стороны - светоприемники, образующие оптопары, светоизлучатели выполнены в лазерном исполнении и размещены друг от друга на расстоянии 120±n*360 электрических градуса, где n=0, 1, 2, 3…, причем оптопары, расположены по линии окружности, а подвижный диск выполнен разъемным со ступицей с внутренним диаметром равным диаметру вала электродвигателя или соединительной муфты агрегата. Также линия разъема подвижного диска проходит через прорези диска, неподвижный измерительный блок и подвижный диск снабжены отверстиями для сочленения друг с другом через дополнительные втулки на время транспортировки и монтажа, а неподвижный измерительный блок установлен на кронштейне с возможностью закрепления к корпусу или к фундаменту электродвигателя.
Сущность предлагаемого технического решения заключается в применении лазерного датчика, позволяющего с большой точностью определить положение ротора тихоходных многополюсных высоковольтных синхронных электродвигателей большой мощности и сравнительно просто, используя разъемный диск, пристроить датчик положения ротора к валу системы синхронный электродвигатель - агрегат, не разъединяя их. Благодаря предварительному жесткому сочленению неподвижного измерительного блока с подвижным диском через дополнительные втулки при монтаже датчика удается сохранить необходимые зазоры между вращающимся диском и частями измерительной головки и при не монолитной конструкции датчика.
Для пояснения предлагаемого технического решения на фиг. 1, фиг. 2, фиг. 3 представлены соответственно виды спереди, сбоку и сзади датчика положения ротора.
Датчик положения ротора высоковольтного синхронного электродвигателя" содержит подвижный диск 5 с прорезями и неподвижный измерительный блок 1, на котором с одной стороны подвижного диска размещены светоизлучатели, а с другой стороны - светоприемники, образующие оптопары 2, 3, 4. Оптопары расположены по линии окружности, и размещены друг от друга на расстоянии (120±n*360) электрических градуса, где n=0, 1, 2, 3…. Светоизлучатели выполнены в лазерном исполнении, а подвижный диск 5 выполнен разъемным со ступицей 6 с внутренним диаметром равным диаметру вала двигателя или ступицы соединительной муфты агрегата; линия разъема 7 подвижного диска 5 проходит через прорези диска. Неподвижный измерительный блок 1 и подвижный диск 5 снабжены отверстиями 8 для сочленения друг с другом через дополнительные втулки 9, 10 на время транспортировки и монтажа. Неподвижный измерительный блок 1 установлен на кронштейне 11 с возможностью закрепления к фундаменту 12 электродвигателя.
Работа датчика положения основана на модуляции светового потока, направленного от лазерного светоизлучателя через диск с прорезями на светоприемник. При воздействии светового потока на светоприемник в момент его прохождения через прозрачный участок при вращении диска с выхода датчика снимается сигнал «1». Если световой поток подается на непрозрачный участок и светоприемник затемнен, на выходе выключателя - сигнал «0».
Установка датчика положения ротора после транспортировки на свободном участке вала электродвигателя или ступице полумуфты, обращенной к электродвигателю, производится следующим образом:
- подвижный диск после транспортировки разделяется на 2 части вывинчиванием болтов на их стыке (по линии разъема) и устанавливается на валу двигателя или на ступице полумуфты с последующим их скреплением вывинченными ранее болтами;
- неподвижный измерительный блок датчика положения через втулки соединяется с подвижным диском;
- неподвижный кронштейн соединяется с фундаментом двигателя и измерительным блоком таким образом, чтобы зазоры между элементами измерительного блока и диска не изменились после снятия втулок.
Начальное положение диска устанавливается, например, следующим образом:
- после закрепления кронштейна датчика положения ротора к фундаменту двигателя подвижный диск освобождается от втулок и в две фазы двигателя при снятой с его вала нагрузке и наличии возбуждения подается постоянный ток. Ротор электродвигателя устанавливается в положение, когда его вращающий момент равен моменту холостого хода электродвигателя, т.е. достаточно мал.
m
- ослабить крепление диска на валу двигателя и, поворачивая его относительно оси вращения вала двигателя, установить в положение на границе появления сигнала в одном из измерительных каналов датчика положения ротора, что будет соответствовать установке вала электродвигателя в положение, соответствующее, например, углу опережения открывания тиристоров инвертора выпрямительно-инверторного преобразователя частоты в β=0.
m
В дальнейшем при вращении вала электродвигателя сигналы на выходе отдельных измерительных каналов датчика будут появляться также в β=0 со сдвигом на 120 эл. град.
Предлагаемый датчик положения ротора высоковольтного синхронного электродвигателя предполагается использовать в изготавливаемых ОАО «ВНИИР» устройствах УБПВД-С с зависимым выпрямительно-инверторным преобразователем частоты, предназначенных для поочередного плавного пуска высоковольтных электродвигателей вентиляторов, насосов, шаровых мельниц (до 12 двигателей от одного пускового устройства).