Спосіб непрямого визначення статичного ексцентриситету повітряного зазору в синхронних машинах та пристрій для його реалізації

Реферат: Винахід може бути використаний під час проведення заходів з контролю якості та сертифікації, а також для діагностики та моніторингу технічного стану синхронних машин на електромашинобудівних та електромашиноремонтних підприємствах. Спосіб належить до класу електромагнітних методів діагностики статичного ексцентриситету в електричних машинах. Для визначення наявності та величини статичного ексцентриситету в синхронній машині потрібно перевести її в генераторний режим при зниженому значенні стуму збудження, виміряти величини амплітуд певних гармонік ЕРС обмотки статора та порівняти одержані величини з еталонними, що визначені заздалегідь. Особливістю запропонованого способу є те, що вимірювання проводять в режимі холостого ходу без розбору конструкції машини. Пристрій UA 103259 C2 (12) UA 103259 C2 для визначення статичного ексцентриситету повітряного зазору в синхронних машинах містить датчик вимірювання часової характеристики ЕРС фази обмотки статора синхронної машини, аналізатор часових і просторових гармонік для визначення амплітуд гармонік ЕРС, блок порівняння, обчислювальний пристрій та індикатор. UA 103259 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Винахід належить до електромашинобудування, а саме до способів визначення та контролю величини статичного ексцентриситету повітряного зазору в синхронних машинах. Винахід може бути використаний під час проведення заходів з контролю якості та сертифікації синхронних машин на електромашинобудівних та електромашиноремонтних підприємствах. Крім того, винахід можна використовувати для діагностики та моніторингу технічного стану синхронних машин, а також при проведенні планових та позапланових ремонтів. Відомий спосіб непрямого контролю ексцентриситету електричної машини, який ґрунтується на аналізі контрольованого сингалу, що формується як відношення максимального амплітудного значення змінної складової до середнього значення другої похідної зубцевої гармоніки ЕРС, яка наводиться магнітним полем розсіювання в датчику, розташованому на корпусі електричної машини при її роботі в режимі холостого ходу [1]. Недоліком зазначеного способу є низька точність визначення величини ексцентриситету повітряного зазору внаслідок екранування вимірюваного магнітного поля корпусом електричної машини, а також неможливість визначення статичного ексцентриситету повітряного зазору. Найбільш близьким до запропонованого є спосіб та пристрій визначення статичного та динамічного ексцентриситету повітряного проміжку синхронних машин, який базується на аналізі часових та просторових гармонік ЕРС, яка наводиться в спеціальних вимірювальних обмотках, розташованих на статорі синхронної машини [2]. Недоліком цього винаходу є необхідність демонтажу та розбору конструкції синхронної машини або навіть зміни її конструкції з метою встановлення вимірювальних обмоток. Крім того, зазначений спосіб має низьку точність через вплив на гармоніки ЕРС реакції якоря та насичення магнітопроводу синхронної машини. Під терміном "ексцентриситет ротора" розуміють зміщення осі ротора відносно осі розточки статора електричної машини обертового руху. Розрізняють статичний ексцентриситет, коли поверхня ротора концентрична відносно осі його обертання та динамічний ексцентриситет, коли присутня неспіввісність поверхні ротора з віссю його обертання. Запропонований спосіб стосується виключно статичного ексцентриситету ротора при паралельному зміщенні осі ротора відносно осі розточки статора. Відносне значення статичного ексцентриситету визначається наступною формулою:   min ,   max max  min де max , min - відповідно максимальне та мінімальне значення повітряного зазору. Статичний ексцентриситет ротора в синхронній машині викликає появу додаткових, а також підсилює існуючі вищі гармоніки магнітного поля. Це, в свою чергу, призводить до викривлення часових залежностей напруги та струму в обмотках статора, появі вібрації корпусу машини, появі сили одностороннього магнітного тяжіння, яка призводить до ще значнішого збільшення ексцентриситету і підвищеного зносу підшипників. Задачею винаходу є створення способу непрямого виявлення наявності та визначення величини статичного ексцентриситету повітряного зазору в синхронних машинах, за яким, завдяки аналізу гармонічного складу безпосередньо кривої ЕРС фази основної обмотки статора синхронної машини, досягається збільшення точності, а також спрощення та здешевлення пристрою вимірювання величини статичного ексцентриситету повітряного зазору. Поставлена задача вирішується завдяки тому, що згідно з способом непрямого визначення статичного ексцентриситету повітряного зазору синхронної машини, який полягає у визначенні амплітуд певних гармонік ЕРС фази обмотки статора синхронної машини при її роботі в режимі генератора без навантаження та при зменшеному значенні струму збудження, потрібно порівняти одержані значення амплітуд гармонік з заздалегідь відомими значеннями цих же амплітуд без наявності ексцентриситету повітряного зазору, знайти величини відхилення та після підстановки зазначених величин в регресійну модель визначити значення ексцентриситету. Суть запропонованого способу полягає в тому, що для визначення величини статичного ексцентриситету повітряного проміжку синхронної машини запропоновано використовувати регресійну модель, змінні параметри якої є діагностичними ознаками. Спосіб застосовують таким чином. Синхронну машину переводять в режим генератора. Для ліквідування впливу характеру навантаження на розподіл електромагнітного поля в активній зоні синхронної машини і на гармонічний склад кривої ЕРС фази обмотки статора машину переводять в режим холостого ходу. Щоб мінімізувати вплив нелінійних властивостей феромагнітного осердя (наприклад, насичення) струм збудження обмотки ротора зменшують до 1 UA 103259 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 такої величини, при якій значення ЕРС фази обмотки статора лежить на лінійному відрізку характеристики холостого ходу (наприклад, струм збудження приймається на рівні 25 % від його значення в номінальному режимі роботи синхронної машини). Вимірюють величини амплітуд першої, третьої, дев'ятої та зубцевої гармоніки. Порівнюють ці величини з заздалегідь відомими (еталонними) значеннями амплітуд зазначених гармонік, одержаними при відсутності статичного ексцентриситету. Еталонні значення знаходять або в результаті чисельного розрахунку електромагнітного поля, наприклад, за допомогою методу скінчених елементів, або експериментально, використовуючи еталонний зразок ідентичної синхронної машини. Для кожної з зазначених гармонік знаходять відхилення величини амплітуди від еталонного значення. Підставляють знайдені значення відхилення в регресійну модель окремо для кожної гармоніки. Регресійна модель описується рівнянням   k1  3  k 2  2  k 3   v  k 4 , v v де ε - величина статичного ексцентриситету, %; Δv - величина відхилення гармоніки відносно еталонного значення, %; k1 k2, k3, k4 - коефіцієнти, що визначаються для кожної гармоніки окремо; ν - номер гармоніки (наприклад, 1, 3, 9, зубцева). Параметри регресійної моделі Δv, k1 k2, k3, k4 є діагностичними ознаками. Визначене за регресійною моделлю значення статичного ексцентриситету вважається достовірним тільки у разі, якщо це значення однакове або близьке за величиною для всіх зазначених гармонік (першої, третьої, дев'ятої та зубцевої). Суть винаходу пояснюється зображеною на кресленні блок-схемою одного з варіантів пристрою, що реалізує запропонований спосіб. Пристрій для непрямого визначення статичного ексцентриситету синхронної машини складається з датчика для вимірювання часової характеристики ЕРС 1, аналізатора гармонік для визначення амплітуд вищенаведених гармонік ЕРС 2, блока порівняння 3, обчислювального пристрою 4, індикатора 5. Як датчик для вимірювання часової характеристики ЕРС може бути використаний датчик однофазної змінної напруги, що працює за технологією замкненого контуру (ефект Холла), або за електронною технологією (магнітне кого і датчик Холла не використовуються). Такий датчик має забезпечувати гальванічну розв'язку від кола вимірювання. Аналізатор гармонік для визначення амплітуд гармонік ЕРС повинен сприймати та обробляти сигнал в частотному діапазоні 0…20 кГц та мати відповідний інтерфейс для зв'язку з комп'ютером чи накопичувачем інформації. Блоки 1 та 2 можуть бути об'єднані в один пристрій, що відомий як "Аналізатор якості електроенергії". Цей пристрій повинен виконувати вимірювання строго у відповідності з ГОСТ 13109-97. Функції блоків 3, 4 та 5 може виконувати персональний комп'ютер, що використовує спеціальне програмне забезпечення. Всі згадані пристрої обов'язково повинні бути сертифіковані, тестовані, відповідати діючим стандартам та повинні забезпечувати необхідну точність вимірювань. Пристрій працює наступним чином. Вихідний сигнал (ЕРС фази обмотки статора синхронної машини) сприймається датчиком 1, розкладається в гармонічний ряд з визначенням амплітуд гармонік аналізатором 2, величини амплітуд заданих гармонік порівнюються з відповідними еталонними значеннями блоком 3, обчислювальний пристрій 4 визначає величину відхилення амплітуд кожної з гармонік ї обчислює величину статичного ексцентриситету повітряного зазору за регресійною моделлю по кожній гармоніці. В разі співпадіння обчисленої величини ексцентриситету за всіма визначеними гармоніками індикатор 5 відображає результат величини статичного ексцентриситету повітряного зазору. Такий пристрій дозволяє забезпечити достатньо високий і конкурентоспроможний рівень техніки. Зокрема, високу надійність роботи та енергоекологічну ефективність. Створення і впровадження даного пристрою дозволяє вирішити конкретну науково-технічну задачу - виявлення наявності та визначення величини статичного ексцентриситету повітряного зазору в синхронних машинах, з технічним результатом, описаним в попередньому абзаці. Таким чином, у порівнянні з прототипом, запропонований спосіб непрямого визначення статичного ексцентриситету синхронної машини дозволяє збільшити точність визначення величини ексцентриситету, оскільки фактори, які найбільше впливають на гармонічний склад кривої фазної ЕРС (навантаження та насичення феромагнітного осердя), або ліквідовані або нівельовані. Запропонований спосіб не потребує введення в середину конструкції синхронної машини додаткових вимірюючих елементів, що значно спрощує і здешевлює пристрій 2 UA 103259 C2 5 10 15 20 визначення статичного ексцентриситету повітряного зазору, а також дозволяє не демонтувати синхронну машину і не розбирати її конструкцію. Посилання: 1. SU 1072196, Н02K15/16. Способ косвенного контроля динамического эксцентриситета электрической машины / В.Н. Минаков - Опубл. 07.02.1984. - Бюл. № 5 2. ЕР 1455436, Η 02 К 15/16, 2004. Method and apparatus for processing;ais for eccentricity detection in a synchronous machine / Tu Xuan-Mai; Simond Jean-Jacques - Опубл. 08.09.2004. Бюл. № 37 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 1. Спосіб непрямого визначення статичного ексцентриситету повітряного зазору в синхронних машинах, при якому вимірюють величини амплітуд ЕРС, що наводиться в обмотках статора синхронної машини, який відрізняється тим, що синхронну машину переводять в режим генератора на холостому ходу при пониженому струмі збудження, вимірюють часову характеристику ЕРС фази основної обмотки статора, аналізують гармоніки - розкладають в гармонійний ряд і визначають відповідні амплітуди першої, третьої, дев'ятої та зубцевої гармонік, порівнюють величини амплітуд вказаних гармонік з еталонними для кожної з зазначених гармонік, одержаними при відсутності статичного ексцентриситету, знаходять відхилення і розраховують величину статичного ексцентриситету за регресійною моделлю окремо для кожної гармоніки   k1  3  k 2  2  k 3     k 4 ,   де  - величина статичного ексцентриситету, %;   - величина відхилення гармоніки відносно еталонного значення, %; 25 30 k1,k 2,k 3,k 4 - коефіцієнти, що визначаються для кожної гармоніки окремо;  - номер гармоніки (1, 3, 9 та зубцева). 2. Пристрій для визначення статичного ексцентриситету повітряного зазору в синхронних машинах, який містить датчик вимірювання часової характеристики ЕРС, аналізатор часових та просторових гармонік ЕРС, який відрізняється тим, що датчик вимірювання часової характеристики ЕРС підключений до виводів фази основної статорної обмотки та з'єднаний послідовно з аналізатором часових та просторових гармонік ЕРС, блоком порівняння, який виконаний з можливістю порівняння величин амплітуд гармонік з еталонними, обчислювальним пристроєм та індикатором. Комп’ютерна верстка І. Скворцова Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3