Способ контроля замыкания листов активной стали сердечников электрических машин и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для диагностики и контроля работы электрических машин. Способ контроля основан на создании кольцевого потока с малой индукцией и измерения его искажений путем сканирования всей поверхности расточки сердечника с помощью электромагнитного индуктивного датчика. При этом измеряют сдвиг фаз между напряжением в измерительном датчике и напряжением, наводимым кольцевым магнитным потоком в опорном датчике, который установлен на бездефектном участке сердечника, и судят о замыкании листов сердечника по разности фаз. Устройство для реализации указанного способа контроля содержит обмотку намагничивания, устройство для регулирования тока в ней, датчики, каждый из которых выполнен в виде катушки, намотанной на тонкий листовой сердечник из ферромагнитного материала с высокой магнитной проницаемостью. Выходы датчиков подключены к независимым входам фазоизмерителя. Изобретение направлено на повышение чувствительности способа и повышение однозначности интерпретации и достоверности результата. 2 с.п. ф-лы, 5 ил.

Предлагаемое изобретение относится к области электротехники и предназначено для диагностики и контроля электрических машин.

Известен способ контроля замыканий листов активной стали сердечника электрических машин методом кольцевого намагничивания, основанный на создании в сердечнике кольцевого магнитного потока промышленной частоты с магнитной индукцией B=1,0 Тл в течение 90 минут или B=1,4 Тл в течение 45 минут [1,2,3] При этом дефекты выявляются по их перегреву относительно средней температуры сердечника.

Недостатками этого способа контроля являются: 1) высокая трудоемкость операции контроля; 2) необходимость использования нестандартного, крупногабаритного большей мощности (1,5-3 МВА для генераторов 300-800 МВт) испытательного оборудования; 3) опасность повреждения сердечника в процессе испытаний при наличии дефектов; 4) трудность выявления дефектов на дне паза сердечника при контроле сердечника с уложенной обмоткой.

Известен метод контроля, основанный на создании кольцевого магнитного потока промышленной частоты, но с малой индукцией (B=0,1 Тл) и измерении его искажений в местах замыканий, в частности измерений величины эдс, наводимой в специальных датчиках [4] (прототип). Недостатком этого метода является необходимость точной компенсации эдс, наводимой в датчике на бездефектном участке, для обеспечения нужной чувствительности [4] Предлагаемое изобретение позволяет существенно увеличить чувствительность метода и повысить однозначность интерпретации и достоверность результатов.

Сущность предлагаемого изобретения (способа контроля) заключается в том, что на статоре контролируемой электрической машины (синхронного генератора, синхронного или асинхронного двигателя) размещается намагничивающая обмотка, питающаяся от сети переменного тока промышленной частоты, содержащая несколько (например, от 5 до 15) витков и потребляющая из сети 220 В ток порядка 4-8 А. На поверхность расточки статора устанавливаются два датчика, причем один из них на предложенном бездефектном участке (если этот датчик случайно все же попадает на дефектный участок, это выявится в ходе измерений). С помощью другого датчика проводится сканирование всей поверхности расточки статора.

На фиг.1 приведена векторная диаграмма, поясняющая принцип метода контроля, где использованы следующие обозначения: Ф_о кольцевой магнитный поток, E_g эдс, наводимая кольцевым магнитным потоком в датчике над бездефектным участком, E_k эдс, наводимая кольцевыми магнитным потоком в короткозамкнутом контуре, I_k ток, циркулирующий в к.з. контуре под действием кольцевого магнитного потока, Ф_о, Ф_кз магнитный поток, создаваемый током в к.з. контуре, E_ф эдс, создаваемая в датчике магнитным потоком Фкз, Eg результирующая эдс в датчике в зоне к.з. контура. Когда оба датчика расположены над бездефектными участками, эдс каждого из индуктивных датчиков сдвинута на 90^o от вектора магнитного потока. В то же время, эдс обоих датчиков совпадают между собой по фазе. В том случае, когда один из датчиков располагается в месте замыкания листов активной стали, в контуре, который образуется в короткозамкнутых листах кольцевым магнитным потоком, наводится эдс Е_кз и протекает ток I_кз (совпадающий по фазе с Е_кз, так как сопротивление контура имеет активный характер), создающий магнитный поток Ф_кз. В датчике, расположенном над дефектным участком, результирующая эдс создается двумя составляющими эдс, сдвинутыми под углом 90^o E_g от кольцевого магнитного потока и E_gкз от магнитного потока, создаваемого короткозамкнутым контуром. В результате вектор, характеризующий наводимую в датчике над дефектным участком эдс, сдвинут по фазе относительно неподвижного датчика.

Таким образом, появление разности фаз между эдс датчиков является признаком замыкания листов активной стали. Сканируя всю поверхность расточки статора, выявляют зоны, где появляется разность фаз, если таковые имеются, которые и являются зонами замыканий листов активной стали.

Предлагаемый способ контроля был проверен экспериментально на натурном макете сердечника и искусственно введенными дефектами. При этом на макете были сопоставлены результаты традиционных испытаний методом кольцевого намагничивания при индукции B= 1,0 Тл и предлагаемым способом. Экспериментальные испытания подтвердили высокую эффективность предлагаемого способа контроля, возможность его использования для выявления ранних стадий повреждений сердечников статоров машин переменного тока, особенно внутренних дефектов (в пазу, в спинке статора), которые не всегда эффективно выявляются традиционным тепловым способом контроля.

Предлагаемый способ был опробован при контроле действующих генераторов, находящихся в ремонте в условиях электростанций. С помощью предлагаемого способа был проведен контроль железа генераторов ТВС-30, двух генераторов ТВВ-320, генератора ТГВ-300 и двигателя АТД-4000. Проведенные испытания подтвердили применимость предлагаемого способа контроля в эксплуатационных условиях.

При испытаниях статора турбогенератора ТГВ-300 при помощи предлагаемого способа были выявлены многочисленные дефекты, имеющиеся в активной стали, в том числе и те, которые не были выявлены с помощью регламентных тепловых испытаний.

Для реализации предлагаемого способа контроля разработано специализированное устройство контроля.

Известное устройство [4] (прототип) обладает следующими недостатками. Устройство основано на использовании индуктивных датчиков без ферромагнитных сердечников для измерения периферического магнитного потока. Датчики без сердечника имеют сравнительно низкую чувствительность. Кроме того, устройство основано на использовании двух датчиков, включенных встречно, из которых один является сканирующим измерительным, а другой компенсирует эдс, наводимую периферическим магнитным потоком в рабочем датчике. Однако осуществить это очень сложно в связи с тем, что кольцевой магнитный поток не постоянен по всей окружности расточки статора.

Отмеченные недостатки устраняются в предлагаемом устройстве. Датчики устройства выполнены с сердечником из ферромагнитного материала с высокой магнитной проницаемостью. Эскиз датчика, поясняющий его конструктивное выполнение и расположение на сердечнике, приведен на фиг.2, где использованы следующие обозначения: 1 катушка провода; 2 ферромагнитный сердечник; 3 - зубцы статора турбогенератора. Такое исполнение и расположение датчика существенно увеличивает его чувствительность, так как магнитный поток Ф_gкз, создаваемый током в короткозамкнутом контуре, замыкается не через воздушный зазор между двумя зубцами, а по сердечнику датчика, что увеличивает величину потока Ф_gкз, а следовательно, и величину эдс E_gкз, наводимую в датчике этим потоком (фиг.1).

В предлагаемом устройстве, как и в прототипе, используются два датчика. Однако в предлагаемом устройстве не требуется того, чтобы величины эдс, наводимых в них кольцевым периферическим магнитным потоком Ф_о (фиг.2), были бы равны, так как в соответствии с предлагаемым способом, в отличие от прототипа, датчики включены не встречно в последовательной цепи, а подключены к независимым входам измерителя сдвига фаз.

На фиг. 3 показано предлагаемое устройство с такими обозначениями: 4 - статор турбогенератора; 5 намагничивающая обмотка; 6 устройство для регулировки тока в намагничивающей обмотке; 7 измерительный датчик; 8 - опорный датчик; 9 измеритель сдвига фаз; 10 аналого-цифровой преобразователь; 11 ПЭВМ; 12 блок перемещения измерительного датчика. Измеритель сдвига фаз выполнен по известным схемам. В частности, функциональная схема, использованная в предлагаемом устройстве, приведена на фиг.4. Измеритель сдвига фаз работает следующим образом.

Сигналы с датчиков поступают на входы нормирующих усилителей 13, усиливающих сигналы до амплитуды, достаточной для работы остальной схемы. Далее после диодного преобразователя 14 сигнал поступает на вход триггера Шмитта 15, построенного на цифровой микросхеме. С выхода триггера Шмитта сигнал в виде прямоугольных импульсов поступает на вход широтно-импульсного преобразователя 16. ШИ-преобразователь, прямоугольные импульсы с 2-х триггеров Шмитта одинаковой частоты и скважности, но разные по фазе, преобразует в последовательность импульсов, в которых информация о разности фаз измерительного и опорного сигнала заложена в длительности импульсов и пауз между ними.

Далее, ШИ-дешифратор 17 преобразует импульсный сигнал в постоянный, пропорциональный разности фаз сигналов опорного и измерительного датчиков.

Коэффициент усиления усилителя 18 выбран таким образом, чтобы получить показания индикаторов, соответствующие сдвигу фаз в градусах. С дифференциального усилителя сигнал поступает на аналого-цифровой преобразователь 19 с выходом на цифровой светодиодный индикатор 20. АЦП работает по принципу двойного интегрирования. Цикл измерения состоит из трех фаз: интегрирования сигнала, разрядки интегрирующего конденсатора и автоматической коррекции нуля. Метод двойного интегрирования позволяет получить результаты с высокой точностью. Для исключения температурной погрешности в АЦП используются прецизионные резисторы, а полевой транзистор работает в термостабильной точке. Устройство содержит блок перемещения рабочего датчика по зубцам статора.

Эскиз блока перемещения (позиция 12 на фиг.3) приведен на фиг.5 (как пример возможного выполнения). На фиг.5 показано, что устройство состоит из трех перемещающихся кареток (21), на одной из которых размещен измерительный датчик (7) и электродвигатель, связанный через редуктор с колесами каретки. (Возможен вариант размещения трех измерительных датчиков на каждой на кареток. В этом случае устройство принципиально не изменяется за исключением того, что должен использоваться трехканальный измеритель сдвига фаз). Все три каретки связаны между собой телескопическими раздвигающимися трубами (22), что позволяет выставить их таким образом, чтобы они были расположены в вершинах правильного треугольника строго на поверхности расточки статора, являющейся по отношению к треугольнику описанной окружностью. Перемещение кареток вдоль продольной оси осуществляется включением двигателя каретки, перевод каретки измерительного датчика на следующий паз осуществляется поворотом блока на одно зубцовое деление после завершения продольного перемещения вдоль паза (зубца) статора на полную длину активной стали сердечника. Управление перемещением блока 12, проведением измерений и увязкой точки измерений с ее координатами (номер зубца и расстояние от края активной стали) осуществляется ЭВМ.

Подготовка устройства к работе проводится в соответствии с предлагаемым способом контроля: наносится обмотка, создающая кольцевой магнитный поток, и через регулирующий автотрансформатор включается в сеть переменного тока (обычно в пределах 4-8 А). В расточке статора устанавливается устройство перемещения датчика контроля, обычно так, чтобы контроль начинался с первого зубца. Одновременно опорный датчик устанавливается на предположительно бездефектный участок. Устройство работает следующим образом. Сигналы с обоих датчиков поступают на независимые входы измерителя сдвига фаз. Выходной сигнал измерителя сдвига фаз (пропорциональный углу сдвига фаз или нулевой на бездефектный участок) подается на вход преобразовательного блока, который нормализует его в сигнал 0-10 В постоянного тока или 0-5 мА. С выхода преобразовательного блока сигнал поступает на аналого-цифровой преобразователь, а с него непосредственно на управляющую ПЭВМ и фиксирует номер зубца и удаление устройства перемещения от края активной стали сердечника. Все данные накапливаются на запоминающем устройстве ПЭВМ. После завершения процесса измерений ПЭВМ высвечивает на экране развертку поверхности расточки статора с выделением (цветом, тоном, штриховкой или каким-либо другим образом) детекторных участков, если таковые имеются с указанием фазового сдвига, соответствующего каждому дефекту. Если дефектов не обнаружено печатается, соответствующее сообщение.

Формула изобретения

1. Способ контроля замыкания листов активной стали сердечников электрических машин, основанный на создании кольцевого потока с малой индукцией и измерении его искажений путем сканирования всей поверхности расточки с помощью электромагнитного индуктивного датчика, отличающийся тем, что при сканировании измерительным датчиком поверхности расточки статора измеряют сдвиг фаз между напряжением, наводимым кольцевым магнитным потоком в измерительном датчика, и напряжением, наводимым кольцевым потоком в опорном датчике, установленном на бездефектном участке сердечника, и определяют зоны, в которых возникает разность фаз между напряжениями в датчиках, по которой судят о замыкании листов активной стали.

2. Устройство для контроля замыканий листов активной стали сердечников электрических машин, содержащее обмотку намагничивания, устройство для регулировки тока в намагничивающей обмотке, два датчика, анологоцифровой преобразователь, ПЭВМ, блок перемещения измерительного датчика, отличающееся тем, что датчики выполнены в виде катушки, намотанной на тонкий листовой сердечник из ферромагнитного материала с высокой магнитной проницаемостью, а выходы датчиков подключены к независимым входам измерителя сдвига фаз.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5