Лазерное устройство для измерения воздушного зазора электрической машины
Владельцы патента RU 2469264:
Открытое акционерное общество "Институт оптико-электронных информационных технологий" (ОАО "ИОИТ") (RU)
Учреждение Российской Академии наук Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения РАН (ИТ СО РАН) (RU)
Лазерное устройство для измерения воздушного зазора электрической машины, содержащей статор и ротор, включает лазер, имеющий две грани резонатора для излучения выходного света, свет из первой грани резонатора рассеивается на поверхности ротора электрической машины и попадает обратно в лазер, модуль управления оптической частотой лазера, подключенный к лазеру и изменяющий его оптическую рабочую частоту, модуль оптического детектирования, чувствительный к выходному свету из второй грани резонатора. Интенсивность выходного света связана с расстоянием до ротора из-за интерференции в лазере между рассеянным светом от ротора и светом в лазере. Также устройство содержит модуль синхронизации с ротором, который подключен к модулю измерения расстояния, и модуль фазового накопления, который подключен к модулю синхронизации и модулю измерения расстояния и осуществляет фазовое накопление измеренных данных. Технический результат заключается в обеспечении уменьшения погрешности измерения при наличии высокого разрешения измеряемых данных. 1 ил.
Изобретение относится к электротехнике, в частности к измерению воздушного зазора электрической машины, например гидрогенератора. Кроме того, изобретение может найти применение на электромашиностроительных заводах для обеспечения 100% контроля изготавливаемых машин, а также в ремонтных и других предприятиях, например, для послеремонтного или профилактического контроля.
Известно устройство для контроля неравномерности воздушного зазора многофазных электрических машин на основе явления электромагнитной индукции при вращении ротора (Авторское свидетельство СССР №585578, кл. Н02K 15/00, G01М 15/00, 1977).
Существующее устройство для измерения воздушного зазора в электрической машине основано на анализе ЭДС индукции магнитного поля в зазоре. Недостаток этого устройства заключается в том, что неравномерность магнитного потока, т.е. разница в величине магнитного потока под различными полюсами ротора, обусловлена не только величиной воздушного зазора под каждым полюсом, но и конструктивными отличиями полюсов и наличием межвитковых замыканий в обмотке полюса. Кроме того, величина магнитного потока под каждым полюсом сглаживается влиянием соседних полюсов, количество которых зависит от конструкции электрической машины и может достигать нескольких десятков. Принцип действия этого устройства не позволяет контролировать воздушный зазор при снятии возбуждения и останове электрической машины. Указанные причины не позволяют точно оценивать величину воздушного зазора под каждым полюсом ротора и изменение воздушного зазора электрической машины при снятии возбуждения и останове.
Известно устройство, реализующее способ бесконтактного динамического измерения смещения заземленного проводящего тела, которое может применяться для измерения осевого смещения ротора вращающейся машины. Способ заключается в использовании емкостного датчика, образованного двумя параллельными проводящими пластинами, электрически изолированными одна от другой, на которые подан высокочастотный сигнал заданного напряжения, и в измерении тока, индуцируемого высокочастотным сигналом в емкостном датчике, прямо пропорционального их площади перекрытия (RU 2104478, кл. G01B 7/14, G01B 7/02, G01D 5/24, 1998).
Недостатком известного устройства является сложность монтажа на статоре вращающейся машины. Устройство необходимо устанавливать непосредственно в воздушном зазоре. Поэтому устройство подвержено повреждениям при малом зазоре между статором и ротором. Кроме того, результаты измерения сильно зависят от влажности воздуха в зазоре. Крупные электрические машины имеют встроенную в тело статора и ротора охлаждающую систему, работающую на воде. Изменение влажности в воздушном зазоре снижает достоверность измерений и надежность емкостного датчика.
Известно устройство для бесконтактного измерения воздушного зазора электрической машины (RU 2100818, кл. МПК6 G01R 31, G01B 11/14, 1997). Устройство содержит источник света, блок смещения, фотоприемник, соединенный с электрической частью блока смещения, причем механическая часть блока смещения сопряжена с источником света, фотоприемником и блоком определения положения блока смещения, блок выборки-хранения, соединенный с блоком определения положения блока смещения, и отметчик оборотов, соединенный с блоком выборки-хранения.
Недостатками данного устройства является наличие механической части блока смещения, которая отрицательно влияет на надежность работы устройства в целом, последовательный характер измерения, обусловленный тем, что устройство последовательно измеряет расстояние до каждого полюса, что приводит к увеличению времени измерения и исключает возможность измерения динамических характеристик величины воздушного зазора. Точность измерения напрямую зависит от качества изготовления и условий эксплуатации механической части блока смещения. Учитывая, что измерение воздушного зазора будет проводиться в условиях вибраций и перепадов температуры в зоне измерения, получить точные результаты измерения будет крайне сложно.
Наиболее близким к изобретению по технической сущности является лазерное устройство для измерения расстояния до цели (RU 2111510, кл. МПК 6 G01S 17/32, 1998), которое состоит из лазера, имеющего две грани резонатора для излучения выходного света, свет из первой грани резонатора рассеивается на поверхности цели и попадает обратно в лазер, модуль управления оптической частотой лазера, подключенный к лазеру и изменяющий его оптическую рабочую частоту, модуль оптического детектирования, чувствительный к выходному свету из второй грани резонатора, частота изменения интенсивности которого связана с расстоянием до цели из-за интерференции в лазере между рассеянным светом от цели и светом в лазере, и модуль измерения расстояния, подключенный к средству оптического детектирования.
Недостатками данного устройства являются малая разрешающая способность и значительная погрешность измерения воздушного зазора электрической машины. Указанные недостатки связаны с тем, что погрешность измерения обратно пропорциональна времени накопления данных, которое напрямую зависит от требуемой разрешающей способности. Таким образом, при низкой погрешности измерения устройство будет давать малое разрешение, а при высоком разрешении измеренных данных - большую погрешность измерения.
Цель данного изобретения - расширение области применения лазерного устройства для бесконтактного измерения расстояния до поверхности вращающихся объектов и бесконтактного измерения воздушного зазора электрической машины с малой погрешностью измерения и высоким разрешением.
Цель достигается следующим образом. Лазерное устройство для измерения зазора электрической машины содержит лазер, имеющий первую и вторую грани резонатора для излучения выходного света, модуль управления оптической частотой лазера, модуль оптического детектирования, модуль измерения расстояния, модуль синхронизации, модуль накопления и фазового осреднения результата. Свет из первой грани резонатора рассеивается на поверхности ротора электрической машины и попадает обратно в лазер через первую грань резонатора. Модуль управления оптической частотой лазера подключен к лазеру и изменяет его оптическую рабочую частоту. Модуль оптического детектирования принимает свет из второй грани резонатора. Частота изменения интенсивности света из второй грани резонатора связана с расстоянием до ротора электрической машины из-за интерференции в лазере между рассеянным светом от ротора электрической машины и светом в лазере. Модуль измерения расстояния подключен к модулю оптического детектирования, вычисляет текущее расстояние до ротора электрической машины и передает его модулю накопления и фазового осреднения. Модуль синхронизации с ротором электрической машины передает сигнал, кодирующий информацию о текущем фазовом повороте ротора, в модуль накопления и фазового осреднения результата. Информация об измерении расстояния до поверхности ротора от модуля измерения расстояния синхронно с информацией о текущей фазе от модуля синхронизации с ротором поступает в модуль накопления и фазового осреднения результата. Таким образом обеспечивается измерение воздушного зазора электрической машины с высоким разрешением и низкой погрешностью.
Наличие новых блоков по сравнению с прототипом - модуля синхронизации с ротором и модуля накопления и фазового осреднения - позволяет накапливать результаты измерения в точке на поверхности ротора и получить заведомо меньшую погрешность измерения, чем у прототипа. Тем самым расширяется область применения лазерного устройства и появляется возможность использовать его для бесконтактного измерения расстояний до поверхности вращающихся объектов и бесконтактного измерения воздушного зазора электрической машины с большей точностью.
Это достигается тем, что модуль накопления и фазового осреднения синхронно принимает информацию о текущем расстоянии до ротора от модуля измерения расстояния и информацию о текущем фазовом положении ротора от модуля синхронизации с ротором. Модуль накопления и фазового осреднения осуществляет фазовое накопление и осреднение данных, полученных от модуля измерения расстояния и модуля синхронизации с ротором.
На фиг.1 представлена блок-схема лазерного устройства для измерения воздушного зазора электрической машины.
Электрическая машина состоит из статора 1 и ротора 2. Устройство для измерения воздушного зазора содержит лазер 3, содержащий первую и вторую грани резонатора 4 и 5. Излученный свет от первой грани резонатора рассеивается на поверхности ротора и попадает обратно в лазер через первую грань 4. Излученный свет от второй грани резонатора 5 попадает на модуль оптического детектирования 6. Рабочая оптическая частота лазера управляется модулем управления оптической частотой лазера 7. Модуль синхронизации с ротором 8 определяет текущее фазовое положение ротора 2 электрической машины. Модуль измерения расстояния 9 принимает управляющий сигнал от модуля управления оптической частотой лазера 7, сигнал средства оптического детектирования 6 и сигнал модуля синхронизации с ротором 8. Модуль накопления и фазового осреднения 10 принимает информацию об измерении расстояния до ротора от модуля измерения расстояния 9 синхронно с информацией о текущей фазе от модуля синхронизации с ротором 8.
Устройство работает следующим образом. Модуль управления частотой лазера 7 изменяет частоту лазерного излучения по треугольному закону. Лазер 3 имеет оптический резонатор, содержащий две расположенные напротив друг друга грани резонатора 4 и 5, каждая из которых имеет известный показатель преломления. Между гранями находится усиливающая свет среда. Для управления частотой лазера модуль управления частотой лазера 7 изменяет ток, проходящий через лазер (ток накачки). При изменении тока накачки изменяется оптическая частота, на которой работает лазер 3. Когда ток увеличивается, длина волны лазера 3 становится больше, а частота лазерного излучения уменьшается. Температура материала лазера изменяется при изменении тока, что вызывает изменение показателя преломления и изменение оптической длины пути резонатора Ld. Период модуляции тока накачки лазера определяет частоту измерения расстояния и может принимать значения от 0,1 до 10 кГц.
Лазер 3, закрепленный на статоре 1, испускает луч через первую грань резонатора 4 по направлению к поверхности вращающегося ротора 2 через технологический канал, обеспечивающий оптический доступ к поверхности ротора 2. Отражаясь от поверхности ротора 2, луч возвращается в резонатор через грань 4. Частота отраженного света в момент времени t и частота генерируемого лазером света связаны соотношением (1):
где Fотр - частота отраженного света;
F - частота генерируемого лазером света в момент времени t;
t - текущее время;
dt - время хождения луча до поверхности ротора и обратно:
dt=2L/c,
где L - расстояние до поверхности ротора;
с - скорость света.
В результате интерференции в резонаторе лазера 3 отраженного света со светом с текущей рабочей частотой лазера возникает дополнительная частота биения, пропорциональная расстоянию до поверхности ротора 2. Переизлученный второй гранью резонатора 5 свет, содержащий дополнительную частоту биения, попадает на оптический детектор 6. Средство оптического детектирования 6 детектирует низкочастотную составляющую оптического сигнала и передает в модуль измерения расстояния 9. Модуль измерения расстояния 9 вычисляет расстояние до ротора и результат вычисления передает на вход модуля накопления и фазового осреднения 10.
Модуль синхронизации с ротором 8 генерирует сигнал, в котором закодировано текущее фазовое смещение ротора. Сигнал от модуля синхронизации 8 поступает в модуль накопления и фазового осреднения данных 10, где производится фазовое накопление данных для уменьшения погрешности измерения.
Модуль накопления и фазового осреднения результатов 10 синхронно запоминает сигнал от модуля измерения расстояния 9, кодирующий расстояние до ротора и сигнал от модуля синхронизации с ротором 8, кодирующий фазовое смещение ротора. Для каждого полюса ротора происходит накопление и фазовое осреднение измеренного расстояния. В результате модуль накопления и фазового осреднения 10 формирует информацию о текущей форме ротора - зависимость расстояния от измерительного устройства до поверхности ротора в зависимости от фазового положения ротора. Расстояние от измерительного устройства до поверхности статора измеряется любым известным способом, размер зазора определяется вычитанием расстояния до ротора из расстояния до статора в точке установки измерительного устройства. Модуль накопления и фазового осреднения результатов вычисляет значение воздушного зазора в данной точке. Информация из модуля накопления и фазового осреднения результатов может быть передана на экран оператора и в информационную систему электростанции.
Применение заявляемого изобретения для измерения зазора электрической машины позволяет получить точность в 4 раза лучше, чем при использовании устройства, выбранного в качестве прототипа с аналогичной оптико-электронной базой. Для оценки взято, что фазовое осреднение осуществлялось на основе данных, полученных в процессе 20 оборотов ротора. Необходимое для этого время составляет 9-10 секунд. Такой промежуток времени оказывается меньше времени переходных процессов при эксплуатации электрических машин. Например, увеличение нагрузки на агрегат на 20% происходит за 40-50 секунд, а остановка и запуск - за 30-50 минут.
Использование заявляемого изобретения позволяет проводить измерения воздушного зазора электрической машины, обеспечивать 100% контроль изготавливаемых электрических машин. Изобретение может найти применение на электромашиностроительных заводах для обеспечения 100% контроля изготавливаемых машин, а также в ремонтных и других предприятиях, например, для послеремонтного или профилактического контроля.
Устройство применимо для измерений воздушного зазора в электрических машинах, где расстояние от возможного места установки устройства до зоны измерения L меньше или равно 15 м, необходимая погрешность измерения меньше 1×10-4 м, а частота измерений меньше или равна 10 кГц.
С помощью данного устройства были проведены измерения воздушного зазора в электрических машинах на Саяно-Шушенской ГЭС при частоте вращения ротора 2,8 Гц, линейная скорость поверхности ротора составляла 105 м/с. Погрешность измерения не превысила 1×10-4 м.
Лазерное устройство для измерения воздушного зазора электрической машины, содержащей статор и ротор, включающее лазер, имеющий две грани резонатора для излучения выходного света, свет из первой грани резонатора рассеивается на поверхности ротора электрической машины и попадает обратно в лазер, модуль управления оптической частотой лазера, подключенный к лазеру и изменяющий его оптическую рабочую частоту, модуль оптического детектирования, чувствительный к выходному свету из второй грани резонатора, интенсивность света из второй грани резонатора связана с расстоянием до ротора из-за интерференции в лазере между рассеянным светом от ротора и светом в лазере, модуль измерения расстояния, подключенный к модулю оптического детектирования, отличающееся тем, что устройство содержит модуль синхронизации с ротором, который подключен к модулю измерения расстояния, и модуль фазового накопления, который подключен к модулю синхронизации и модулю измерения расстояния и осуществляет фазовое накопление измеренных данных.
