Устройство для измерения и регистрации угла нагрузки синхронных машин

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в электромашиностроении, электроприводе и электроэнергетике при испытаниях и эксплуатации синхронных машин. Устройство содержит датчик положения ротора, датчик основной составляющей поля машины и фазометр с регистрирующим прибором. Новым в устройстве является то, что в качестве датчика положения ротора используется бесконтактный датчик, сопряженный с выходным концом вала, а в качестве датчика основной гармонической - выпрямитель, выходы обоих датчиков соединены с входами двух блоков нормализации сигнала, выходы которых соединены с входами триггера, причем выход блока нормализации сигнала датчика углового положения соединен с входом установки триггера, а выход блока нормализации сигнала выпрямителя - с входом сброса триггера, выпрямитель выполнен по безреактивной схеме с оптоэлектронной развязкой, выход блока нормализации сигнала датчика положения ротора соединен с входом триггера через блок управления задержки сигнала, а в цифровой фазометр введены реверсивный счетчик, RS-триггер и три элемента 2И и в нем используется перестраиваемый генератор с регулируемой частотой. 4 з. п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в электромашиностроении при испытаниях синхронных машин, в электроприводе и электроэнергетике для схем автоматического регулирования и управления этими машинами.

Известно устройство для измерения и регистрации угла нагрузки синхронных машин, содержащее закрепленный на валу машины диск с равным числом чередующихся электропроводящих и изоляционных сегментов, причем электропроводящие сегменты соединены между собой электрическими перемычками, а их число равно числу пар полюсов синхронной машины, к диску от зажимов машины через две щетки, диод и токоограничивающий резистор подводится переменное напряжение, а к резистору подключен регистрирующий прибор вольтметр [1] Недостатки этого устройства заключаются в необходимости установки на валу машины специального диска, наличии скользящего контакта и существенной нелинейности шкалы регистрирующего прибора, что приводит к снижению надежности устройства и точности измерений. Принцип работы устройства не позволяет определить режим работы машины и использовать одно и то же устройство для машин разной полюсности.

Прототипом может служить устройство для измерения и регистрации угла нагрузки синхронной машины, содержащее датчик положения ротора в виде рамки прямоугольной формы, датчик основной гармонической составляющей поля машины в виде рамки синусоидальной формы, причем оба датчика имеют совпадающие плоскости и помещены в воздушном зазоре машины, выводы датчика положения ротора соединены с опорным входом, а выводы датчика поля с измерительным входом фазометра, выход которого подключен к регистрирующему прибору [2] Недостатками этого устройства, как и предыдущего, являются необходимость установки дополнительных элементов (двух рамок-датчиков) в воздушном зазоре машины, что не всегда возможно по конструктивным соображениям и требует разборки машины, невысокая точность измерения угла нагрузки, поскольку сигнал с датчика поля "засорен" зубцовыми гармоническими, невозможность использования одних и тех же датчиков для машин равного габарита одной полюсности и машин разной полюсности, поскольку число полюсов машины и диаметр воздушного зазора определяют размеры рамок-датчиков.

Цель изобретения расширение области применения устройства, обеспечение его работы с синхронными машинами различной конструкции, мощности, габаритов и полюсности, повышение точности измерения угла нагрузки, простота настройки устройства, а также индикация режима работы машины и возможность применения устройства для машин с различной частотой питания.

Цель достигается тем, что в устройстве для измерения и регистрации угла нагрузки синхронной машины, содержащем датчик положения ротора, датчик основной гармонической составляющей поля машины и фазометр с регистрирующим прибором, согласно изобретению в качестве датчика положения ротора используется бесконтактный датчик, сопряженный с концом вала, в качестве датчика основной гармонической поля двухполуперидный выпрямитель, вход которого соединен с зажимами обмотки якоря синхронной машины, выход бесконтактного датчика и выход выпрямителя соединены каждый с входами двух блоков преобразования сигналов, с выходом блока преобразования сигнала датчика положения ротора в цифровом фазометре соединен вход установки триггера, а вход сброса этого триггера соединен с выходом блока преобразования сигнала выпрямителя, блок преобразования сигнала выпрямителя выполнен по безреактивной схеме с оптоэлектронной развязкой, в цифровой фазометр введены реверсивный счетчик, RS-триггер и три элемента 2И, входы первого элемента 2И соединены с выходами разряда десятков реверсивного счетчика, а выход с входом установки RS-триггера, инверсный выход RS-триггера соединен с одним из входов второго элемента 2И, а прямой выход с одним из входов третьего элемента 2И, на вторые входы второго и третьего элементов 2И подается сигнал тактовой частоты, выход второго элемента 2И соединен с суммирующим входом реверсивного счетчика, а выход третьего элемента 2И с вычитающим входом реверсивного счетчика, входы сброса RS-триггера и реверсивного счетчика соединены с выходом блока преобразования сигнала датчика положения ротора, в цифровом фазометре применен перестраиваемый генератор с регулируемой частотой.

В источниках информации не обнаружены указанные отличительны признаки, следовательно, предложенное устройство отвечает критерию существенных отличий.

На фиг.1 изображена структурная схема устройства для измерения угла нагрузки; на фиг.2 временные диаграммы, определяющие работу этого устройства; на фиг. 3 временная диаграмма работы блока управляемой задержки сигнала и схема его включения; на фиг.4 схема формирователя знака угла нагрузки и схема включения формирователя знака угла нагрузки в цифровом фазометре.

Как известно, углом нагрузки синхронной машины (СМ) называется угол между вектором ЭДС фазы в режиме ХХ и вектором напряжения этой же фазы. Вектор ЭДС ХХ совпадает с положением поперечной оси ротора (индуктора) СМ. Угол нагрузки считается положительным, если вектор ЭДС опережает вектор напряжения ( 0o < <180<SUP>оо<<0<SUP>оо < < <360<SUP>оо.+90о в генераторном режиме и 0о.-90о в двигательном режиме.

Устройство предназначено для измерения угла нагрузки в устойчивом режиме работы СМ и работает следующим образом (фиг.1). Бесконтактный датчик 1 положения ротора формирует один сигнал за каждый полный поворот ротора в тот момент, когда значение ЭДС фазы равно нулю (фиг.2а, б). Такой датчик может быть выполнен, например, с использованием фотоэлектрического, индукционного, емкостного или других принципов формирования сигнала. На валу СМ размещается подвижный элемент датчика, являющийся конструктивной принадлежностью вала (например, шпонка, которая может служить магнитным шунтом и т.д.), а на неподвижной части конструкции остальные узлы датчика (один излучатель и фотоприемник или катушка индуктивности и пр.). Блок 2 преобразования сигнала положения ротора формирует из аналогового периодического сигнала датчика стандартные по амплитуде и длительности электрические импульсы (фиг.2б), поступающие на первый вход цифрового фазометра.

Положение вектора напряжения фазы определяется датчиком 3 основной гармонической составляющей поля машины, который выполнен в виде двухполупериодного выпрямителя. Блок 4 преобразования сигнала основной гармонической составляющей при нулевом напряжении на выходе двухполупериодного выпрямителя формирует стандартные по амплитуде и длительности электрические импульсы (фиг.2в,г), которые поступают на второй вход цифрового фазометра.

Цифровой фазометр, включающий в себя триггер 5, генератор 6 счетных импульсов и счетчик 7, измеряет длительность временного интервала между моментами прихода сигналов из блоков 2 и 4 преобразования, которая однозначно соответствует углу нагрузки . Индикатор 8 отображает значение и знак этого угла.

При подаче на вход установки триггера 5 цифрового фазометра (начало измерительного интервала) сигнала о положении ротора СМ (фиг.2а,б), а на вход сброса триггера 5 цифрового фазометра сигнала о положении вектора напряжения фазы (окончание измерительного интервала, фиг.2в,г,е,ж) длительность измерительного интервала прямо пропорциональна углу нагрузки при работе СМ в генераторном режиме для машин с любым числом пар полюсов, поскольку измерительный интервал в цифровом фазометре (фиг.2д) формируется однократно на каждом полном повороте ротора, начинаясь по сигналу с датчика положения ротора (импульсы I, II, III на фиг.2б) и оканчиваясь по первому пришедшему вслед за ним сигналу от датчика основной гармонической составляющей поля машины (импульсы I, III, V на фиг.2г). Другие (четные) сигналы с датчика основной гармонической составляющей поля (импульсы II, IV на фиг.2г) не влияют на работу устройства, так как триггер цифрового фазометра уже сброшен предшествующим нечетным импульсом.

Временная диаграмма, приведенная на фиг.2, соответствует двухполюсной машине (2p 2). В случае четырехполюсной машины (2p 4) бесконтактный датчик 1 положения ротора формирует один сигнал и, следовательно, один измерительный интервал цифрового фазометра на два периода изменения положения вектора ЭДС (нечетные импульсы на фиг. 2б), а канал датчика 3 основной гармонической составляющей поля формирует за один полный оборот ротора четыре импульса (импульсы I, II, III, IV на фиг.2г), из которых в работе устройства используется лишь импульс I, сбрасывающий триггер 5 цифрового фазометра, а импульсы II, III и IV не используются, так как триггер 5 цифрового фазометра уже сброшен импульсом I. Работа устройства с машинами большей полюсности (2p 6, 8 и т.д.) аналогична.

При выбранном способа подачи сигналов от датчиков 1, 3 на входы цифрового фазометра в случае устойчивого двигательного режима работы СМ длительность измерительного интервала соответствует углу изм, значение которого находится в пределах 90о.180о (фиг.2е,ж,з). Переход к общепринятому представлению значения угла нагрузки с учетом знака при выбранном способе подачи сигналов на входы цифрового фазометра происходит по следующим соотношениям: (1) Если изменить порядок соединения датчиков 1, 3 с входами триггера 5 цифрового фазометра, т. е. на вход установки подать сигнал с датчика 3 основной гармонической составляющей поля машины, а на вход сбро- са сигнал с датчика 1 положения ротора, то в случае двухполюсной машины (2p 2) работоспособность устройства сохраняется, но вычисление угла нагрузки подчиняется следующему правилу: (2) При данном варианте подключения датчиков 1, 3 к входам цифрового фазометра вид выражений (2), позволяющих вычислить значение угла нагрузки, зависит от полюсности СМ. По этой причине для обеспечения универсальности предлагаемого устройства сигнал с датчика 1 положения ротора поступает на вход установки триггера 5 цифрового фазометра, а сигнал с датчика 3 основной гармонической составляющей поля машины подается на вход сброса триггера 5 цифрового фазометра, что обеспечивает работу устройства с машинами различной полюсности как в генераторном, так и в двигательном режимах их работы при использовании соотношений (1).

Сигнал основной гармонической составляющей поля СМ поступает на вход цифрового фазометра через датчик, выполненный в виде двухполупериодного выпрямителя, и блок преобразования, обеспечивающий, помимо прочего, гальваническую развязку силовых цепей и измерительной схемы. Для повышения точности измерений путем предотвращения фазовых сдвигов, вносимых в тракт сигнала основной гармонической составляющей поля в случае использования в качестве гальванической развязки измерительного трансформатора, данный узел выполнен на основе быстродействующего фотодиодного оптрона с напряжением изоляции, соответствующим напряжению СМ.

Для точной работы устройства необходимо обеспечить правильное пространственное положение неподвижных элементов бесконтактного датчика положения ротора относительно корпуса СМ, достигаемое в процессе механической юстировки. Юстировка проводится при работе машины в режиме ХХ, когда вектор ЭДС и вектор основной гармонической составляющей поля совпадают ( нагр 0о). Для упрощения настройки путем исключения необходимости механического перемещения бесконтактного датчика относительно оси фазы обмотки якоря СМ сигнал с этого датчика поступает на вход цифрового фазометра через блок управляемой задержки сигнала, выполненный на основе одновибратора. При этом датчик устанавливается произвольно, а сама процедура юстировки сводится к получению отсчета изм 0о в режиме ХХ путем подстройки длительности импульса одновибратора в цепи задержки сигнала датчика положения ротора (фиг.3).

Для представления измеренного значения угла нагрузки в общепринятом виде (0о.+90о для устойчивого генераторного и 0о.-90о для устойчивого двигательного режима СМ) в цифровой фазометр введен блок формирования знака и значения угла нагрузки в соответствии с выражениями (1), включающий в себя RS-триггер и реверсивный счетчик с необходимыми элементами управления их работой (фиг.4).

Блок формирования знака работает следующим образом. RS-триггер сбрасывается общим сигналом "Сброс" устройства, при этом устанавливается состояние выходов триггера 1 и Q 0, индикатор знака выключен, что соответствует положительным значениям угла нагрузки, а счетные импульсы поступают на суммирующий вход реверсивного счетчика цифрового фазометра через логический элемент 9 типа 2И. После снятия сигнала "Сброс" реверсивный счетчик работает в режиме суммирования и формирует положительные значения угла нагрузки 0о < < +90о. По достижении реверсивным счетчиком состояния "90" сигналы с выходов "8" и "1" разряда десятков реверсивного счетчика через логический элемент 10 типа 2И устанавливают RS-триггер (Q 1, 0), включается индикатор отрицательного знака угла нагрузки, а реверсивный счетчик переходит в режим вычитания, поскольку счетные импульсы поступают теперь на его вычитающий вход через логический элемент 11 типа 2И. При этом формируются отрицательные значения угла нагрузки в диапазоне -90о.0о в соответствии с выражениями (1).

При различных номинальных частотах работы СМ равным значениям угла нагрузки соответствуют различные значения длительности измерительного интервала, формируемого в цифровом фазометре. Для обеспечения работоспособности регистрирующих узлов и индикатора предлагаемого измерителя угла нагрузки с синхронными машинами для различных номинальных частот питающего напряжения в устройстве используется перестраиваемый генератор, частота которого задается пропорциональной частоте питающего напряжения СМ.

Предлагаемое устройство обеспечивает определение значения угла нагрузки при отклонениях рабочей частоты СМ от номинальной. Для этого в устройство введен режим работы "калибровка", при котором осуществляется настройка частоты внутреннего генератора цифрового фазометра в соответствии с текущей частотой питающего напряжения СМ. В режиме "калибровка" длительность измерительного интервала цифрового фазометра устанавливается равной периоду питающего напряжения СМ.

Формула изобретения

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ И РЕГИСТРАЦИИ УГЛА НАГРУЗКИ СИНХРОННЫХ МАШИН, содержащее датчик положения ротора, датчик основной гармонической составляющей поля машины и фазометр с регистрирующим прибором, отличающееся тем, что в качестве датчика положения ротора использован бесконтактный датчик, сопряженный с выходным концом вала, в качестве датчика основной гармонической составляющей поля двухполупериодный выпрямитель, в качестве фазометра цифровой счетчик с управляющим триггером и генератором счетных импульсов, вход двухполупериодного выпрямителя соединен с зажимами обмотки якоря синхронной машины, выход бесконтактного датчика и выход выпрямителя соединены каждый с входами двух блоков преобразования сигналов, с выходом блока преобразования сигнала датчика положения ротора в цифровом фазометре соединены вход сброса счетчика и вход установки триггера, а вход сброса этого триггера соединен с выходом блока преобразования сигнала выпрямителя, выход триггера соединен с управляющим входом счетчика, выход генератора со счетным входом счетчика, к выходу счетчика в качестве регистрирующего прибора подключен цифровой индикатор.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что блок преобразования сигнала двухполупериодного выпрямителя выполнен по безреактивной схеме с оптоэлектронной развязкой.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что выход блока преобразования сигнала датчика положения ротора соединен с входом фазометра через блок управляемой задержки сигнала.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в цифровой фазометр введены реверсивный счетчик, RS-триггер и три элемента 2И, входы первого элемента 2И соединены с выходами разряда десятков реверсивного счетчика, а выход с входом установки RS-триггера, инверсный выход RS-триггера соединен с одним из входов второго элемента 2И, а прямой выход с одним из входов третьего элемента 2И, на вторые входы второго и третьего элементов 2И подается сигнал тактовой частоты, выход второго элемента 2И соединен с суммирующим входом реверсивного счетчика, а выход третьего элемента 2И с вычитающим входом реверсивного счетчика, входы сброса RS-триггера и реверсивного счетчика соединены с выходом блока преобразования сигнала датчика положения ротора.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в цифровом фазометре применен перестраиваемый генератор с регулируемой частотой.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано для измерения угла сдвига .фаз между напряжением сети и током нагрузки электрических сетей

Изобретение относится к области фазовых измерений и может быть использовано преимущественно при аттестации аттенюаторов как обычных, так и программно управляемых

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в радиотехнических устройствах различного назначения

Изобретение относится к радиоизмерительной технике и может быть использовано для измерения угла сдвига фаз между двумя периодическими электрическими сигналами

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для контроля фазового угля при чередовании фаз питающих фидеров для стрелочных переводов на железнодорожном транспорте
Наверх