Способ определения эксцентриситета ротора в электрической машине
METHOD OF DETERMINING ROTOR ECCENTRICITY IN ELECTRICAL MACHINE

Предполагаемое изобретение относится к электроэнергетике и может быть использовано для измерения статического эксцентриситета ротора электрической машины.
Наиболее близким к предлагаемому является способ определения эксцентриситета ротора в электрической машине, основанный на измерении емкости относительно элементов ее конструкции и формировании сигнала о наличии эксцентриситета (А.С. СССР №1332466, Официальный бюллетень №31, Опубл. 23.08.1987).
Однако устройство по этому способу обладает недостаточной чувствительностью и надежностью функционирования из-за того, что измерение емкости осуществляется относительно зубчатой поверхности сердечника ротора. В связи с этим требуется его отстройка и защита от воздействия зубчатости сердечника ротора, мощного магнитного и электрического поля в области воздушного зазора. Кроме того, установка и обслуживание датчика такого устройства невозможна без разборки электрической машины, само устройство не позволяет определять направление перемещения ротора при его эксцентриситете.
Технический результат - повышение чувствительности и надежности функционирования, расширение функциональных возможностей, а также упрощение установки и обслуживания.
Технический результат достигается тем, что емкости измеряют относительно вала ротора в четырех точках, расположенных по парно на горизонтальной и вертикальной осях его симметрии, сравнивают каждую из них с эталонной емкостью и если разность между измеренной и эталонной емкостями превысит установленную величину формируют сигнал о наличии и направлении перемещения ротора.
Предлагаемый способ заключается в том, что измерение емкости осуществляется относительно вала ротора в четырех точках, расположенных по парно на горизонтальной и вертикальной осях его симметрии. Что позволяет избавиться от воздействия зубчатости сердечника ротора, мощного магнитного и электрического поля в воздушном зазоре электрической машины, сократить до минимума длину коммутирующих проводов и четко контролировать направление перемещения ротора по горизонтальной и вертикальной оси.
Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемое техническое решение отличается от известного технического решения числом, последовательностью и назначением операций.
Сравнение заявляемого технического решения с известным техническим решением показывает, что такие операции известны. Однако использование их в указанной связи проявляет в заявляемом способе новые свойства.
Блок схема устройства для реализации предлагаемого способа изображена на фиг. 1. Это устройство представляет собой емкостные датчики 1-4 объединенные в блок 5 емкостных датчиков, которые через измерительные мосты 6-9 присоединены к фильтрам 10-13. Питание измерительных мостов 6-9 осуществляется источником 14 переменного тока, а фильтров 10-13 источником 15 постоянного тока. К выходам фильтров 10-13 подключены пороговые элементы 16-23, выхода которых, в свою очередь, подключены к блоку индикации 24 и к блоку формирования отключающего сигнала 25.
Конструкция и крепление блока 5 емкостных датчиков на корпусе электрической машины 26 показано на фиг. 2. Корпус 27 блока 5 емкостных датчиков имеет форму тора и выполняется из диэлектрического материала. Емкостные датчики 1-4 в виде металлических пластин 28-31 с помощью винтов 32 и гаек 33 закрепляются на корпусе так, как показано на фиг 2. Крепление корпуса 27 к корпусу электрической машины 26 осуществляется болтами 34, которые вставляются в отверстия 35 корпуса 27 блока 5 емкостных датчиков. Таким образом, одним электродом емкостных датчиков 1-4 являются пластины 28-31, а другим вал ротора 36 электрической машины.
В устройстве для реализации предлагаемого способа каждый из емкостных датчиков 1-4 регистрирует перемещение ротора только в своем направлении. Так емкостной датчик 1 предназначен только для контроля перемещения ротора вверх. Величина его емкости при смещении на величину d ротора 36 определяется по зависимости, приведенной на фиг. 3, где δ - величина воздушного зазора.
6
Схема измерительного моста 6 приведена на фиг. 4. Измерительный мост 6 содержит два активных резистора 37 и 38, а также подстроечный конденсатор 39, который для данного измерительного моста является эталонной емкостью. С его помощью осуществляется балансировка измерительного моста 6 с емкостным датчиком 1 перед введением устройства в работу таким образом, чтобы напряжение U на выходе измерительного моста 6 было равно нулю. Для питания измерительного моста 6 используется источник переменного тока 14 со стабилизованной частотой и напряжением. Конструкция измерительных мостов 7-9, их подключение и балансировка выполняется аналогично.
Фильтры 10-13 полосовые и настроенные на частоту источника переменного тока 14. Их использование позволяет избавиться от влияния на работу устройства диагностики эксцентриситета ротора различного рода наводок. Конструктивно они могут выполняться как в аналоговом, так и в цифровом исполнении.
cp1
cp2
cp1
cp2
cp1
cp2
6
1
2
6
Пороговые элементы 16-23 представляют собой электронные или электромеханических реле. Пороги срабатывания пороговых элементы 16, 18, 20 и 22, а также 17, 19, 21 и 23 принимается равными U и U соответственно, где U и U - напряжения на выходе фильтров 10-13. Величины U и U выбираются по зависимости U=f(d) на фиг. 5 при величине смещения ротора по вертикали на величину d и d, где напряжения U на выходе фильтра 6.
6
cp1
6
отс
отс
1
Из фиг. 1 видно, что смещение по вертикали вверх приводит к уменьшению расстояния между пластиной датчика 1 и поверхностью вала. В тоже время устройство не должно работать при смещении вниз, когда расстояния между пластиной датчика 1 и поверхностью вала увеличивается. В результате при d=2δ напряжение на выходе фильтра будет равно U. Чтобы устройство реагировало только на перемещение ротора вверх порог срабатывания пороговых элементов 16, 18, 20 и 22 следует принимать равным U=Uk, где k - коэффициент отстройки. Этому напряжению по фиг. 5 соответствует смещение ротора на d вверх.
2
2
cp2
6
2
В тоже время величина максимальной величины смещения ротора вверх не должна превышать d=0,85δ. Это обусловлена наличием у любой электрической машины технологического эксцентриситета, который обычно составляет порядка (0,1-0,15)δ, То есть смещение ротора вверх более чем на величину d сопровождается задеванием сердечника ротора за сердечник статор и их повреждением. Чтобы этого не происходило порог срабатывания пороговых элементов 16, 18, 20 и 22 следует принимать равным напряжению U, которое определяется по зависимости U=f(d) и величине смещения d.
Блок индикации 24 предназначен для отображения информации о наличии и величине смещения ротора электрической машины и может представлять собой, например, табло на светодиодных индикаторах.
Блок формирования отключающего сигнала 25 может быть выполнен в виде электрического или электронного реле.
cp1
Если в электрической машине эксцентриситет ротора отсутствует, то емкости датчиков 1-4 одинаковы, а напряжения на выходе фильтров 10-13 не превышают порога срабатывания U пороговых элементов 16-23. Поэтому сигнал на выходе пороговых элементов 16-23 отсутствует, электрическая машина продолжает работать, а блок индикации выдает информацию об отсутствии смещения ротора.
cp1
cp2
Если ротор начинает сдвигаться по вертикали вверх, то емкость датчика 1 увеличивается, В результате на выходе измерительного моста 6 и фильтра 10 напряжение возрастает. И если оно превысит порог срабатывания U порогового элемента 16, то пороговый элемент сформирует сигнал о наличии и направления смещения. Блок 24 отразит информацию «СМЕЩЕНИЕ ВВЕРХ». Если при дальнейшем смещении ротора напряжение на выходе фильтра 10 превысит порог срабатывания U порогового элемента 17, то этот пороговый элемент сформирует сигнал о величине и направления смещения, а также на отключение электрической машины с помощью блока 25. Блок 24 отразит информацию «СМЕЩЕНИЕ ВВЕРХ». При смешении вниз, влево и вправо устройство работает аналогично.
Технико-экономическая эффективность предлагаемого способа заключается в возможности разработки устройства диагностики, которое за счет расширения функциональных возможностей и области применения, а также повышение чувствительности позволяет своевременно выявить наличие и величину эксцентриситета ротора, а следовательно сократить размеры повреждения машины и перерасход электроэнергии, а также стоимость и время послеаварийного ремонта.