ЛАЗЕРНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ВОЗДУШНОГО ЗАЗОРА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАШИНЫ
LASER DEVICE TO MEASURE AIR GAP OF ELECTRIC MACHINE

Изобретение относится к электротехнике, в частности к измерению воздушного зазора электрической машины, например гидрогенератора. Кроме того, изобретение может найти применение на электромашиностроительных заводах для обеспечения 100% контроля изготавливаемых машин, а также в ремонтных и других предприятиях, например, для послеремонтного или профилактического контроля.
Известно устройство для контроля неравномерности воздушного зазора многофазных электрических машин на основе явления электромагнитной индукции при вращении ротора (Авторское свидетельство СССР №585578, кл. Н02K 15/00, G01М 15/00, 1977).
Существующее устройство для измерения воздушного зазора в электрической машине основано на анализе ЭДС индукции магнитного поля в зазоре. Недостаток этого устройства заключается в том, что неравномерность магнитного потока, т.е. разница в величине магнитного потока под различными полюсами ротора, обусловлена не только величиной воздушного зазора под каждым полюсом, но и конструктивными отличиями полюсов и наличием межвитковых замыканий в обмотке полюса. Кроме того, величина магнитного потока под каждым полюсом сглаживается влиянием соседних полюсов, количество которых зависит от конструкции электрической машины и может достигать нескольких десятков. Принцип действия этого устройства не позволяет контролировать воздушный зазор при снятии возбуждения и останове электрической машины. Указанные причины не позволяют точно оценивать величину воздушного зазора под каждым полюсом ротора и изменение воздушного зазора электрической машины при снятии возбуждения и останове.
Известно устройство, реализующее способ бесконтактного динамического измерения смещения заземленного проводящего тела, которое может применяться для измерения осевого смещения ротора вращающейся машины. Способ заключается в использовании емкостного датчика, образованного двумя параллельными проводящими пластинами, электрически изолированными одна от другой, на которые подан высокочастотный сигнал заданного напряжения, и в измерении тока, индуцируемого высокочастотным сигналом в емкостном датчике, прямо пропорционального их площади перекрытия (RU 2104478, кл. G01B 7/14, G01B 7/02, G01D 5/24, 1998).
Недостатком известного устройства является сложность монтажа на статоре вращающейся машины. Устройство необходимо устанавливать непосредственно в воздушном зазоре. Поэтому устройство подвержено повреждениям при малом зазоре между статором и ротором. Кроме того, результаты измерения сильно зависят от влажности воздуха в зазоре. Крупные электрические машины имеют встроенную в тело статора и ротора охлаждающую систему, работающую на воде. Изменение влажности в воздушном зазоре снижает достоверность измерений и надежность емкостного датчика.
Известно устройство для бесконтактного измерения воздушного зазора электрической машины (RU 2100818, кл. МПК6 G01R 31, G01B 11/14, 1997). Устройство содержит источник света, блок смещения, фотоприемник, соединенный с электрической частью блока смещения, причем механическая часть блока смещения сопряжена с источником света, фотоприемником и блоком определения положения блока смещения, блок выборки-хранения, соединенный с блоком определения положения блока смещения, и отметчик оборотов, соединенный с блоком выборки-хранения.
Недостатками данного устройства является наличие механической части блока смещения, которая отрицательно влияет на надежность работы устройства в целом, последовательный характер измерения, обусловленный тем, что устройство последовательно измеряет расстояние до каждого полюса, что приводит к увеличению времени измерения и исключает возможность измерения динамических характеристик величины воздушного зазора. Точность измерения напрямую зависит от качества изготовления и условий эксплуатации механической части блока смещения. Учитывая, что измерение воздушного зазора будет проводиться в условиях вибраций и перепадов температуры в зоне измерения, получить точные результаты измерения будет крайне сложно.
Наиболее близким к изобретению по технической сущности является лазерное устройство для измерения расстояния до цели (RU 2111510, кл. МПК 6 G01S 17/32, 1998), которое состоит из лазера, имеющего две грани резонатора для излучения выходного света, свет из первой грани резонатора рассеивается на поверхности цели и попадает обратно в лазер, модуль управления оптической частотой лазера, подключенный к лазеру и изменяющий его оптическую рабочую частоту, модуль оптического детектирования, чувствительный к выходному свету из второй грани резонатора, частота изменения интенсивности которого связана с расстоянием до цели из-за интерференции в лазере между рассеянным светом от цели и светом в лазере, и модуль измерения расстояния, подключенный к средству оптического детектирования.
Недостатками данного устройства являются малая разрешающая способность и значительная погрешность измерения воздушного зазора электрической машины. Указанные недостатки связаны с тем, что погрешность измерения обратно пропорциональна времени накопления данных, которое напрямую зависит от требуемой разрешающей способности. Таким образом, при низкой погрешности измерения устройство будет давать малое разрешение, а при высоком разрешении измеренных данных - большую погрешность измерения.
Цель данного изобретения - расширение области применения лазерного устройства для бесконтактного измерения расстояния до поверхности вращающихся объектов и бесконтактного измерения воздушного зазора электрической машины с малой погрешностью измерения и высоким разрешением.
Цель достигается следующим образом. Лазерное устройство для измерения зазора электрической машины содержит лазер, имеющий первую и вторую грани резонатора для излучения выходного света, модуль управления оптической частотой лазера, модуль оптического детектирования, модуль измерения расстояния, модуль синхронизации, модуль накопления и фазового осреднения результата. Свет из первой грани резонатора рассеивается на поверхности ротора электрической машины и попадает обратно в лазер через первую грань резонатора. Модуль управления оптической частотой лазера подключен к лазеру и изменяет его оптическую рабочую частоту. Модуль оптического детектирования принимает свет из второй грани резонатора. Частота изменения интенсивности света из второй грани резонатора связана с расстоянием до ротора электрической машины из-за интерференции в лазере между рассеянным светом от ротора электрической машины и светом в лазере. Модуль измерения расстояния подключен к модулю оптического детектирования, вычисляет текущее расстояние до ротора электрической машины и передает его модулю накопления и фазового осреднения. Модуль синхронизации с ротором электрической машины передает сигнал, кодирующий информацию о текущем фазовом повороте ротора, в модуль накопления и фазового осреднения результата. Информация об измерении расстояния до поверхности ротора от модуля измерения расстояния синхронно с информацией о текущей фазе от модуля синхронизации с ротором поступает в модуль накопления и фазового осреднения результата. Таким образом обеспечивается измерение воздушного зазора электрической машины с высоким разрешением и низкой погрешностью.
Наличие новых блоков по сравнению с прототипом - модуля синхронизации с ротором и модуля накопления и фазового осреднения - позволяет накапливать результаты измерения в точке на поверхности ротора и получить заведомо меньшую погрешность измерения, чем у прототипа. Тем самым расширяется область применения лазерного устройства и появляется возможность использовать его для бесконтактного измерения расстояний до поверхности вращающихся объектов и бесконтактного измерения воздушного зазора электрической машины с большей точностью.
Это достигается тем, что модуль накопления и фазового осреднения синхронно принимает информацию о текущем расстоянии до ротора от модуля измерения расстояния и информацию о текущем фазовом положении ротора от модуля синхронизации с ротором. Модуль накопления и фазового осреднения осуществляет фазовое накопление и осреднение данных, полученных от модуля измерения расстояния и модуля синхронизации с ротором.
На фиг.1 представлена блок-схема лазерного устройства для измерения воздушного зазора электрической машины.
Электрическая машина состоит из статора 1 и ротора 2. Устройство для измерения воздушного зазора содержит лазер 3, содержащий первую и вторую грани резонатора 4 и 5. Излученный свет от первой грани резонатора рассеивается на поверхности ротора и попадает обратно в лазер через первую грань 4. Излученный свет от второй грани резонатора 5 попадает на модуль оптического детектирования 6. Рабочая оптическая частота лазера управляется модулем управления оптической частотой лазера 7. Модуль синхронизации с ротором 8 определяет текущее фазовое положение ротора 2 электрической машины. Модуль измерения расстояния 9 принимает управляющий сигнал от модуля управления оптической частотой лазера 7, сигнал средства оптического детектирования 6 и сигнал модуля синхронизации с ротором 8. Модуль накопления и фазового осреднения 10 принимает информацию об измерении расстояния до ротора от модуля измерения расстояния 9 синхронно с информацией о текущей фазе от модуля синхронизации с ротором 8.
Устройство работает следующим образом. Модуль управления частотой лазера 7 изменяет частоту лазерного излучения по треугольному закону. Лазер 3 имеет оптический резонатор, содержащий две расположенные напротив друг друга грани резонатора 4 и 5, каждая из которых имеет известный показатель преломления. Между гранями находится усиливающая свет среда. Для управления частотой лазера модуль управления частотой лазера 7 изменяет ток, проходящий через лазер (ток накачки). При изменении тока накачки изменяется оптическая частота, на которой работает лазер 3. Когда ток увеличивается, длина волны лазера 3 становится больше, а частота лазерного излучения уменьшается. Температура материала лазера изменяется при изменении тока, что вызывает изменение показателя преломления и изменение оптической длины пути резонатора Ld. Период модуляции тока накачки лазера определяет частоту измерения расстояния и может принимать значения от 0,1 до 10 кГц.
Лазер 3, закрепленный на статоре 1, испускает луч через первую грань резонатора 4 по направлению к поверхности вращающегося ротора 2 через технологический канал, обеспечивающий оптический доступ к поверхности ротора 2. Отражаясь от поверхности ротора 2, луч возвращается в резонатор через грань 4. Частота отраженного света в момент времени t и частота генерируемого лазером света связаны соотношением (1):
отр
где F - частота отраженного света;
F - частота генерируемого лазером света в момент времени t;
t - текущее время;
dt - время хождения луча до поверхности ротора и обратно:
dt=2L/c,
где L - расстояние до поверхности ротора;
с - скорость света.
В результате интерференции в резонаторе лазера 3 отраженного света со светом с текущей рабочей частотой лазера возникает дополнительная частота биения, пропорциональная расстоянию до поверхности ротора 2. Переизлученный второй гранью резонатора 5 свет, содержащий дополнительную частоту биения, попадает на оптический детектор 6. Средство оптического детектирования 6 детектирует низкочастотную составляющую оптического сигнала и передает в модуль измерения расстояния 9. Модуль измерения расстояния 9 вычисляет расстояние до ротора и результат вычисления передает на вход модуля накопления и фазового осреднения 10.
Модуль синхронизации с ротором 8 генерирует сигнал, в котором закодировано текущее фазовое смещение ротора. Сигнал от модуля синхронизации 8 поступает в модуль накопления и фазового осреднения данных 10, где производится фазовое накопление данных для уменьшения погрешности измерения.
Модуль накопления и фазового осреднения результатов 10 синхронно запоминает сигнал от модуля измерения расстояния 9, кодирующий расстояние до ротора и сигнал от модуля синхронизации с ротором 8, кодирующий фазовое смещение ротора. Для каждого полюса ротора происходит накопление и фазовое осреднение измеренного расстояния. В результате модуль накопления и фазового осреднения 10 формирует информацию о текущей форме ротора - зависимость расстояния от измерительного устройства до поверхности ротора в зависимости от фазового положения ротора. Расстояние от измерительного устройства до поверхности статора измеряется любым известным способом, размер зазора определяется вычитанием расстояния до ротора из расстояния до статора в точке установки измерительного устройства. Модуль накопления и фазового осреднения результатов вычисляет значение воздушного зазора в данной точке. Информация из модуля накопления и фазового осреднения результатов может быть передана на экран оператора и в информационную систему электростанции.
Применение заявляемого изобретения для измерения зазора электрической машины позволяет получить точность в 4 раза лучше, чем при использовании устройства, выбранного в качестве прототипа с аналогичной оптико-электронной базой. Для оценки взято, что фазовое осреднение осуществлялось на основе данных, полученных в процессе 20 оборотов ротора. Необходимое для этого время составляет 9-10 секунд. Такой промежуток времени оказывается меньше времени переходных процессов при эксплуатации электрических машин. Например, увеличение нагрузки на агрегат на 20% происходит за 40-50 секунд, а остановка и запуск - за 30-50 минут.
Использование заявляемого изобретения позволяет проводить измерения воздушного зазора электрической машины, обеспечивать 100% контроль изготавливаемых электрических машин. Изобретение может найти применение на электромашиностроительных заводах для обеспечения 100% контроля изготавливаемых машин, а также в ремонтных и других предприятиях, например, для послеремонтного или профилактического контроля.
-4
Устройство применимо для измерений воздушного зазора в электрических машинах, где расстояние от возможного места установки устройства до зоны измерения L меньше или равно 15 м, необходимая погрешность измерения меньше 1×10 м, а частота измерений меньше или равна 10 кГц.
-4
С помощью данного устройства были проведены измерения воздушного зазора в электрических машинах на Саяно-Шушенской ГЭС при частоте вращения ротора 2,8 Гц, линейная скорость поверхности ротора составляла 105 м/с. Погрешность измерения не превысила 1×10 м.