СПОСОБ ЭКСТРАПОЛЯЦИИ ВНУТРЕННЕЙ ТЕМПЕРАТУРЫ СТАТОРА С МИНИМАЛЬНЫМ ВМЕШАТЕЛЬСТВОМ В РАБОТУ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАШИНЫ
METHOD OF EXTRAPOLATION OF STATOR INSIDE TEMPERATURE UPON MINIMUM INTERFERENCE WITH ELECTRICAL MACHINE OPERATION

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к стержням статора. Более конкретно, оно относится к области обнаружения дефектов стержневой обмотки статора.
Уровень техники
С работой статоров электрических машин связано несколько проблем, проявление которых может губительным образом сказываться на производительности и сроке службы машины. Установлено, что наиболее серьезными проблемами являются следующие: накопление отложений, которые засоряют каналы охлаждения стержней статора, потеря изоляции между элементарными проводниками (статорной обмотки), которые составляют стержень статора, потеря качества соединений стержней статора и потеря изоляции пластин сердечника статора.
Однако обнаружение дефектов, таких как засоряющие отложения в канале охлаждения стержня статора, может оказаться проблематичным. Системы охлаждения с циркуляцией жидкости играют ключевую роль в отношении срока службы машин с вращающимся ротором. Из-за высоких значений протекающих токов даже незначительное засорение полостей стержней статора приводит к существенному росту температуры. В этом случае стержень статора должен рассеивать большое количество тепловой энергии. Количество тепла, которое должно быть рассеяно стержнем статора, пропорционально квадрату проходящего по стержню тока и определяется следующим выражением:
где
b
P - тепловая мощность, которая должна быть рассеяна стержнем статора, Вт,
I - ток, А,
R - омическое сопротивление стержня статора.
Чтобы можно было осуществлять рассеивание тепла, в центральной части каждого стержня статора предусмотрены полости, в которых циркулирует жидкость. Производить отвод тепла позволяет теплопередача между жидкостью и радиатором.
Одной из основных проблем машин, охлаждаемых циркулирующей жидкостью, является накопление отложений на внутренних стенках указанных полостей. Это нежелательное явление приводит к снижению потока жидкости, вызывая еще больший рост температуры стержня статора, что может привести к выходу машины из строя в результате разрушения изоляционного материала.
Другой проблемой, которая связана с работой машин со стержневыми обмотками, является потеря изоляции между проводниками (например, транспонированными проводниками) стержня статора.
Каждый стержень статора выполняют из множества индивидуальных проводников, которые изолированы друг от друга (как в многожильном кабеле) для уменьшения влияния эффекта вытеснения тока (скин-эффекта). Скин-эффект (поверхностный эффект) проявляется в том, что плотность электрического тока не распределяется равномерно по поперечному сечению проводника - напротив, ток протекает преимущественно по периферии сечения проводника. Разбиение стержня статора на множество отдельных проводников имеет эффект увеличения эффективного поперечного сечения стержня или, что то же самое, уменьшения сопротивления стержня.
Разбиение стержня статора на множество изолированных проводников, как показано на фиг.2, позволяет уменьшить влияние скин-эффекта. Однако это уменьшение напрямую зависит от рабочего состояния указанной изоляции. Если происходит разрушение изолирующего материала, то отрицательное влияние скин-эффекта начинает возрастать, что приводит к увеличению электрического сопротивления и температуры. Указанное нарушение изоляции имеет место преимущественно в крайних точках стержней статора из-за возможности подвижек в этих местах, вызванных «эффектом рычага».
Еще одной проблемой, связанной с работой стержней статора, является потеря качества соединений между стержнями статора. Стержни статора соединяют друг с другом путем сварки серебряным электродом. Любое нарушение соединения приводит к снижению к.п.д. машины. Нарушение соединения вызывает увеличение сопротивления проводника, что приводит к возрастанию температуры в месте нарушения.
Наконец, потеря изоляции статорных пластин представляет собой еще одну проблему, касающуюся работы стержня статора. Сердечник статора машины выполнен в виде пакета пластин из листовой стали, которые отделены друг от друга посредством изоляционного материала. Такая сборная конструкция позволяет снизить до приемлемого уровня токи Фуко, причиной возникновения которых является мощное магнитное поле, создаваемое полюсами ротора. Если в каких-то местах происходит потеря изоляционного материала, то в области такого нарушения происходит увеличение токов Фуко и локальное возрастание температуры. Такой рост температуры вредным образом сказывается на показателях работы машины, а, если произойдет расплавление металла, то это может даже привести к выходу машины из строя.
Всякий раз, когда возникает одна из вышеупомянутых проблем, в местах повреждений происходит локальное увеличение температуры внутри статора. Для обнаружения вышеупомянутых дефектов предлагалось решение, заключающееся в установке внутри статора большого числа датчиков температуры, по сигналам которых можно было бы составить карту температур, охватывающую целиком всю внутреннюю часть статора. Такая тепловая карта позволила бы определить возможную причину дефекта путем обнаружения в области охвата карты одной или нескольких точек с аномальным ростом температуры.
К сожалению, такое теоретическое решение трудно осуществимо в фактических условиях работы стержней статора. Хорошо известно, что мощные электромагнитные поля и токи, циркулирующие в стержнях статора, являются причиной возникновения высоких температур. Поэтому число температурных датчиков внутри статора будет ограничено тем обстоятельством, что придется соблюдать осторожность при монтаже проводов, приходящих к указанным датчикам. Более того, количество необходимых монтажных проводников может представлять угрозу безопасности для операторов машин, а также помешать надлежащей работе самой машины.
Хотя при изготовлении машины в ней и может быть установлено какое-то ограниченное количество указанных датчиков, последующая установка даже одного дополнительного датчика потребует проведения работ с непомерно высокими затратами. Например, такое добавление включало бы операцию по открыванию статора и в определенных случаях имело бы дополнительные нежелательные последствия, связанные с аннулированием гарантии производителя машины.
Следовательно, существует потребность в системе и способе, которые с наименьшими затратами позволяют производить обнаружение локального роста температуры, свидетельствующего о наличии дефектов статора.
Кроме того, существует потребность в системе и способе, которые позволяют осуществлять раннее обнаружение дефектов статора без вмешательства в работу машины, так чтобы могли быть предприняты действия, направленные на исправление ситуации.
Раскрытие изобретения
Предлагаемая система предоставляет возможность исчерпывающим образом осуществлять измерения и диагностику всех вышеуказанных проблем посредством множества распределенных датчиков. Система осуществима в силу ограниченного количества подводящих проводников и материалов, которые необходимы для приведения системы в действие при приемлемой стоимости.
Система предоставляет оператору уверенность в надлежащей работе машины и позволяет осуществлять контроль правильности ее функционирования во время действия системы. Такой непрерывный контроль предоставляет возможность оператору в соответствующие моменты вмешиваться в работу машины и тем самым ограничить число случаев серьезных и затратных аварий. Тем самым увеличивается и прибыль, приносимая машиной, за счет увеличения производительности и безопасности работы персонала.
На фиг.1 видно, что на каждый стержень статора машины можно установить, по меньшей мере, один датчик и, таким образом, осуществлять обнаружение засорения полости каждого из стержней статора машины, а также обнаружение разрушения изоляции между проводниками стержня статора путем измерения его температуры, когда машина находится в нормальных рабочих условиях.
В соответствии с первым широким аспектом настоящего изобретения предлагается способ определения внутренней температуры заданной области статора электрической машины, не требующий вмешательства в работу самой машины, включающий в себя следующие этапы: получение градиента температуры между внутренней стенкой статора и наружной стенкой статора; получение данных измерения температур в точках на наружной стенке статора; определение путем экстраполяции соответствующих внутренних температур статора с использованием данных измерений градиента температуры и температуры наружной стенки.
В соответствии с другим широким аспектом настоящего изобретения предлагается система для определения внутренней температуры заданной области статора электрической машины, не требующая вмешательства в работу самой машины, содержащая множество датчиков температуры, установленных на наружной стенке статора электрической машины для измерения температуры наружной стенки; блок обработки данных, включающий в себя блок памяти для хранения данных градиента температуры, модуль анализа для приема данных температур наружной стенки и расчета внутренних температур с использованием данных градиента температуры и модуль связи для приема данных температур наружной стенки от множества датчиков температуры.
Краткое описание чертежей
Отличительные признаки и преимущества изобретения будут более понятны из последующего подробного описания и прилагаемых чертежей, где:
фиг.1 схематически изображает расположение датчиков на наружной стенке статора в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения;
фиг.2 схематически изображает известный из уровня техники стержень статора с изолированными проводниками;
фиг.3 представляет собой соответствующий настоящему изобретению снимок экрана графического интерфейса системы, содержащий карту температур;
фиг.4 схематически изображает расположение внутренних и наружных датчиков внутри и снаружи статора в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения;
фиг.5 представляет собой карту температур для обнаружения дефектов в каналах охлаждения, при этом координата Y (%) соответствует высоте стенки статора, а координата Х (номер паза) соответствует номеру паза;
фиг.6 представляет собой карту температур для обнаружения потери изоляции между проводниками, при этом координата Y (%) соответствует высоте стенки статора, а координата Х (номер паза) соответствует номеру паза;
фиг.7 представляет собой карту температур для обнаружения потери качества соединений стержней статора, при этом координата Y (%) соответствует высоте стенки статора, а координата Х (номер паза) соответствует номеру паза;
фиг.8 изображает алгоритм соответствующего настоящему изобретению способа определения внутренней температуры заданной области статора электрической машины, не требующего вмешательства в работу самой машины;
фиг.9 представляет собой блок-схему соответствующей настоящему изобретению системы для определения внутренней температуры заданной области статора электрической машины, не требующей вмешательства в работу самой машины.
Осуществление изобретения
Поскольку наружная стенка сердечника статора открыта для доступа и выполнена из металла с высокой теплопроводностью, настоящее изобретение заключается в размещении на ней в заранее выбранных местах необходимого количества датчиков температуры. Это может быть сделано в рамках приемлемых затрат либо во время изготовления статора, либо после его изготовления в том месте, где эксплуатируется электрическая машина. Простота доступа к наружной стенке позволяет всего за несколько часов провести изменения в системе датчиков статора без необходимости разборки машины.
Эти заранее выбранные места должны находиться в «тепловом соответствии» с теми внутренними точками, тепловой контроль которых необходимо осуществить. Другими словами, должна быть измерена тепловая поправка (или градиент), которую необходимо применять и которая учитывает разницу теплового состояния внутренней точки, для которой предусмотрен датчик температуры, и наружной точки, на которой установлен сам наружный датчик. Каждая температура заданной внутренней точки находится в соответствии с измеренной температурой соответствующей наружной точки.
Тогда, зная указанный температурный градиент, можно, решая обратную задачу, применить градиент к каждой наружной точке статора, на которой размещен наружный датчик температуры, и сделать заключение о «реальной» температуре соответствующей точки или соответствующей внутренней зоны статора.
Если на внутренней стенке полости стержня статора накапливаются отложения или имеет место засорение иного типа, датчики, установленные в крайних точках стержней статора, во время работы машины обнаружат рост температуры, а также точное место возникновения проблемы.
Действия, направленные ни исправление ситуации при обнаружении увеличения температуры стержня статора, заключаются во введении растворителя с целью растворения указанных отложений. В эффективности работы растворителя можно затем убедиться, проверяя, вернулась ли температура стержня статора к нормальному уровню.
Если произошло разрушение изоляции стержня статора, датчик, который установлен в крайней точке стержня статора, обнаружит рост температуры.
После того, как проблема будет обнаружена, можно определить необходимые корректирующие действия и предотвратить повреждение машины. После выполнения указанных корректирующих действий убедиться в их эффективности можно, проверив, что температура стержня статора одинакова во всех точках.
При использовании предлагаемой системы в настоящее время, когда число устанавливаемых датчиков достигает в пределе многих сотен и даже нескольких тысяч, установка одного датчика в каждое из мест соединений делает возможным определение качества сварного соединения каждого стержня статора.
Если возникает нарушение в одной из точек соединения, то установленный на этой точке (или вблизи ее) датчик обнаружит увеличение температуры.
После обнаружения проблемы следует предпринять корректирующие действия с целью предотвращения выхода машины из строя. После выполнения указанных корректирующих действий убедиться в их эффективности можно, проверив, что температура в рассматриваемой точке соединения нормальная.
Согласно фиг.4, можно установить датчики 41 на наружную стенку 42 сердечника статора, который составлен из листов 43 магнитного железа, разделенных изоляцией 44, с целью образования матрицы датчиков по всей длине статора. При такой системе можно производить измерение температуры в множестве точек поверхности, что позволяет во время работы машины осуществлять обнаружение и устанавливать место возникновения нежелательных потерь от токов Фуко.
Если происходит разрушение изоляции, то токи Фуко увеличиваются, а локальная температура возрастает. Датчики, установленные на данной части статора, обнаружат рост температуры. Кроме того, алгоритм интерполяции устанавливает то место, где температура имеет наибольшее значение, что является показателем нарушения изоляции. Внутри сердечника 45 стержни 46 статора вставлены в пазы 47 статора, при этом стержни 46 содержат пучки 48 из множества медных проводников, изолированные изоляторами 49, причем собранный стержень 46 дополнительно заизолирован обмотанной вокруг него тканью 50 со смоляной пропиткой. Полупроводящий материал 50 обмотан вокруг собранного стержня статора для теплопередачи и заземления. Между гильзами вставлен внутренний датчик 51 для измерения градиента температуры совместно с датчиком 41.
Принцип работы системы основан на вводе данных и их анализе компьютерной программой, предназначенной для сбора данных и обработки восстановленного сигнала, поступающего от группы последовательно соединенных датчиков температуры. В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения все датчики температуры соединены последовательно и подключены к одной и той же паре проводников, к которой добавлен третий проводник для подвода питания. Такой 3-проводной кабель содержит линию питания, линию земли и линию передачи данных. Последовательное соединение датчиков температуры дает возможность установить на внутренней или наружной стенке сердечника статора около сотни датчиков и образовать матрицу точек, распределенных вокруг сердечника.
Одна из крайних точек последовательной цепочки датчиков подключена к устройству сбора данных, которое позволяет считывать температуру каждого из датчиков матрицы. Программа конфигурации и сбора данных компьютера позволяет локализовать физическое место каждого датчика и считывать их температуры. Различная обработка данных этих температур позволяет осуществить множество разных видов анализа. Например, можно построить тепловую карту стенки статора в различные моменты времени и при различных состояниях машины, экстраполируя температуры на точки, лежащие между точками измерения.
Результат такого картирования даст возможность пользователю определить местоположение горячих точек стенки статора, происхождение которых вызвано коротким замыканием между слоями проводников, что является признаком нарушения изоляции, которое может привести к крупной аварии. Раннее обнаружение проблем такого типа позволит предпринять исправляющие действия до того, как машине будет причинен более серьезный ущерб. После применения таких исправляющих действий можно дополнительно убедиться в их эффективности, проверив, что произошло выравнивание температур во всех точках стенки статора.
Далее, сначала будет описан принцип измерения градиента температуры и температуры стержней статора.
Чтобы измерить градиент G температуры, следует измерить температуру в двух различных точках, т.е.:
Tb(x,t1): температура, зарегистрированная внутренним датчиком, расположенным на изоляционном слое стержня (х) статора в данное время (t1).
Ts (x,t1): температура, зарегистрированная наружным датчиком, расположенным на наружной стенке статора, напротив паза стержня (х) статора в данное время (t1).
Тогда градиент (G) температуры вычисляется следующим образом:
G=Tb(x,t1)-Ts(x, t1).
Кроме того, при измерении Тb(х,t1) и Ts(х,t1) должна быть известна развиваемая тепловая нагрузка P(t1). Измерение тепловой нагрузки позволит определять значение температуры Tb(x,t1) каждого из стержней статора при помощи наружных датчиков в любой заданный момент времени (t) и при любой заданной тепловой нагрузке P(t):
Tb(х,t)=Ts(х,t)+(G×P(t)/P(t1))
Отличительные особенности и преимущества настоящего изобретения будут более понятны из описания следующих вариантов его осуществления.
Вначале согласно фиг.5 будет описан соответствующий настоящему изобретению первый пример осуществления системы обнаружения дефектов в каналах охлаждения, в которой используется способ, заключающийся в измерении температур.
Полное и даже частичное засорение каналов охлаждения стержней статора приводит к потере эффективности системы охлаждения, вызывая увеличение температуры стержня статора.
Система и способ, соответствующие настоящему изобретению, позволяют обнаруживать нарастание температуры дефектного стержня. Это нарастание в обычных условиях увеличивалось бы во времени и имело бы место по всей длине стержня.
На каждом из стержней установлены два наружных датчика, при этом один из них расположен в верхней части сердечника статора, а другой в нижней части сердечника статора. Температурный рост сигналов от наружных датчиков стержня (х) по сравнению с другими стержнями означает, что в каналах охлаждения присутствует дефект.
При построении карты температур вдоль всей длины дефектного стержня обнаруживается наличие более теплой зоны. С течением времени, по мере того как происходит накопление засоряющих отложений и теряется эффективность каналов охлаждения, указанная зона становится все более горячей.
На фиг.5, 6 и 7 представлены карты температур для различных примеров, на которых:
координата Y(%) показывает высоту стенки статора, при этом 0% соответствует нижней части стенки, 100% - верхней части стенки;
координата Х(%) показывает номер паза. В каждой машине имеется множество пазов (для укладки стержней) и они пронумерованы от 1 до ххх;
цветовая шкала температур показывает соответствие цвета точек карты температурам.
На фиг.6 показан пример обнаружения нарушения изоляции между проводниками. Нарушение изоляции между проводниками обычно возникает в ограниченной зоне, там, где в стержне появляются механические напряжения, то есть в месте соединения, где стержень входит в сердечник статора.
Следовательно, такой дефект можно обнаружить прежде, чем он перерастет в крупную аварию. Проблема такого рода отображается на тепловой карте в виде зоны с повышенной температурой на одном из концов стержня, при этом к другому концу температура постепенно снижается.
На фиг.7 показан пример обнаружения потери качества соединения стержней статора. Стержни статора в общем случае соединяются сваркой. Когда стержни подвергаются механическим, электрическим, химическим и тепловым нагрузкам, указанные соединения постепенно теряют качество, их сопротивление может увеличиваться, что приводит к локальному увеличению температуры. Настоящее изобретение позволяет осуществлять измерение температуры каждого из указанных соединений.
На фиг.7 также показан пример обнаружения потери изоляции пластин статора. Чтобы осуществлять обнаружение потери изоляции статорных пластин, необходимо в определенных местах установить достаточное количество наружных датчиков. Потеря изоляции статорных пластин вызывает на тепловой карте появление зоны повышенных температур.
Используя настоящее изобретение и составляя карту температур внутренней стенки статора, можно легко осуществлять обнаружение и локализацию участков потери изоляции.
На фиг.8 представлен способ определения температуры заданной внутренней области статора электрической машины без вмешательства в работу самой машины. На первом этапе 81 получают градиент температуры между внутренней стенкой статора и наружной стенкой статора. На втором этапе 83 получают данные измерения температур в точках наружной стенки статора. На последнем этапе 85, используя градиент температуры и данные измерения наружных температур, путем экстраполяции получают соответствующие внутренние температуры статора.
На дополнительных этапах, используя данные расположения датчиков температуры и экстраполированные значения внутренних температур, можно получить тепловую карту статора. Данные расположения датчиков температуры могут быть получены, исходя из адреса каждого наружного датчика температуры в сети передачи данных. Для определения положения датчика (для каждого из наружных датчиков температуры) может быть использована таблица отображения или иная зависимость, ставящая в соответствие сетевой адрес и местоположение датчика.
На фиг.9 представлена система для определения температуры заданной внутренней области статора электрической машины без вмешательства в работу самой машины. Показан ряд датчиков 91а, 91b, 91с, 91d температуры, которые подлежат установке на наружную стенку статора электрической машины для измерения его наружной температуры. В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения датчики 91 соединены последовательно и связаны с блоком 93 обработки данных. Блок обработки данных включает в себя модуль 95 связи для приема данных температуры от датчиков 91. Модуль 95 связи может также принимать другие данные, связанные с измерением температур, такие как адрес датчика и/или данные положения датчика.
Блок 93 обработки данных также включает в себя модуль 97 памяти для хранения данных градиента температуры между внутренней стенкой статора и наружной стенкой статора. В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения градиенты температур могут быть заранее вычислены, а затем загружены в модуль 97 памяти по каналу обмена данными. В других вариантах осуществления градиент температуры может быть вычислен, исходя из данных измерения внутренней и наружной температуры посредством датчиков 91, а затем сохранен в модуле 97 памяти. Модуль 97 памяти может также содержать и другие данные, например, диапазон нормальных температур, который может использоваться блоком 93 обработки данных для контроля работы статора.
Модуль 99 анализа, входящий в блок 93 обработки данных, принимает данные температур наружной стенки статора и параметры, сохраненные в модуле 97 памяти, и использует их для расчета внутренних температур статора. Кроме того, модуль 99 анализа использует данные внутренних температур, например, для осуществления мероприятий, направленных на исправление аномальной ситуации, на основе отклонения измеренных температур от области нормальных температур. Блок 101 управления, который связан со статором, получает от блока 93 команды на осуществление корректирующих действий. Блок 101 управления может также быть связан с блоком 103 формирования аварийного сигнала, который реагирует на управляющие команды, поступающие от блока 101.
В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения блок 93 обработки данных может также включать видео модуль (не показан) для формирования тепловой карты на основе данных внутренних температур и данных расположения датчиков температуры. В этом случае, как вариант осуществления модуль 97 памяти может хранить таблицу «адрес-положение», что позволяет вычислять данные местоположения датчика, исходя из данных его адреса и с помощью указанной таблицы. Дополнительно система может содержать блок 105 отображения для показа тепловой карты, сформированной блоком 93 обработки данных.
Для специалиста в данной области должно быть понятно, что в форму и детали осуществления изобретения могут быть внесены многочисленные изменения. Соответственно, вышеприведенное описание и прилагаемые чертежи следует рассматривать как материалы, лишь иллюстрирующие изобретение, которое ими не ограничивается. Также должно быть понятно, что описание имеет целью охватить любые модификации, варианты применения или адаптацию настоящего изобретения, которые, в общем, находятся в русле принципов данного изобретения и содержат такие отступления от приведенного описания, которые укладываются в рамки известной или общепринятой практики в той области, к которой изобретение относится, насколько это может касаться сформулированных существенных признаков, и не выходят за границы объема изобретения, установленные прилагаемой формулой изобретения.