Патент на изобретение №2383029

(54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ТОКА ЩЕТОК ЩЕТОЧНО-КОНТАКТНОГО АППАРАТА СИНХРОННЫХ ГЕНЕРАТОРОВ

(57) Реферат:

Изобретение относится к измерительной технике. Технический результат: обеспечение возможности измерения значения тока щеток и среднего отклонения, характеризующего стабильность тока в скользящем контакте щетки. Сущность: способ характеризуется использованием бесконтактного датчика тока в виде размыкаемого магнитопровода с магниточувствительным элементом, расположенным в зазоре магнитопровода. Сигнал датчика тока подается на аналого-цифровой преобразователь. Минимальная частота дискретизации F_д при измерении тока щетки составляет

где f_p – частота вращения ротора синхронного генератора, D_k – диаметр контактного кольца, а – размер щетки в направлении вращения (по касательной) контактного кольца. Измеренные с частотой дискретизации значения тока щетки суммируют в течение времени, кратного одному обороту вала ротора генератора. Полученную сумму делят на общее количество измерений. Затем находят разницу между полученным средним значением тока и значением каждого измерения. Суммируют абсолютные значения разницы и делят полученную сумму на количество измерений для получения значения среднего отклонения. 3 ил.

Область применения

Изобретение относится к токоизмерительным приборам для контроля токораспределения между щетками щеточно-контактных аппаратов синхронных аппаратов при их обслуживании и настройке. Изобретение описывает способ и устройство, которые позволяют настраивать щеточно-контактный аппарат синхронного генератора на основе объективных данных о величине тока и стабильности тока конкретных щеток.

Уровень техники

Щеточно-контактный аппарат синхронных генераторов обеспечивает подачу постоянного тока от неподвижных токоведущих частей цепи возбуждения к вращающейся обмотке возбуждения ротора генератора посредством скользящего контакта. Неподвижная часть аппарата включает траверсу с установленными на ней щеткодержателями и щетками. Предполагается, что параллельно включенные щетки работают как линейные резисистивные элементы, и поэтому ток любой щетки контактного аппарата постоянен и повторяет форму суммарного тока ротора. По этой причине для контроля тока щеток применяются токовые клещи постоянного тока.

Осциллографирование тока щеток, работающих в составе щеточно-контактного аппарата синхронного генератора, указывает на то, что ток носит нестабильный, явно выраженные импульсный характер. Пример осциллограммы тока щетки приведен на Фиг. 1. Такой ток нельзя называть постоянным даже в первом приближении. Ток представляет собой последовательность случайных импульсов одной полярности разной амплитуды и длительности. По этой причине измерение тока щеток с использованием любых промышленно выпускаемых клещей постоянного тока дает нестабильные и недостоверные результаты.

Способ измерения тока такими приборами заключается в аналого-цифровом преобразовании мгновенного значения сигнала, получаемого после усиления первичного сигнала магниточувствительного элемента, расположенного в зазоре размыкаемого магнитопровода. Измерение среднего значения случайного сигнала в значительной степени определяется периодом усреднения и количеством измерений, проведенных за период усреднения.

Строго говоря, исходя из элементарного определения значения тока как количества электричества, прошедшего через проводник за 1 с, измерение импульсного тока должно сводиться к интегрированию импульсов за период 1 с. Существует два способа интегрирования импульсов тока щетки и, соответственно, два основных способа измерения тока щетки щеточно-контактного аппарата: аналоговый и цифровой. Аналоговый способ измерения заключается в интегрировании сигнала аналоговым сумматором с последующим аналого-цифровым преобразованием результирующего сигнала. Точность измерения таким способом зависит от спектрального состава импульсов, составляющих измеряемый сигнал, и постоянной времени интегратора. Кроме того, при таком способе измерения полностью теряется возможность определить степень стабильности тока щетки.

Второй способ, цифровой, заключается быстром аналого-цифровом преобразовании сигнала, непосредственно полученного от первичного преобразователя. Такой способ реализован в большинстве цифровых клещей постоянного тока.

Из-за ошибочного представления о том, что ток отдельной щетки щеточно-контактного аппарата синхронного генератора является постоянным, не разрабатывалось специальных способов для его измерения, а использовались способы, реализованные в стандартных измерительных приборах для постоянного тока.

Цифровое интегрирование сигнала, образованного последовательностью импульсов различной длительности и амплитуды, должен производиться по формуле:

, где n1 – число измерений за 1 с, i_k – текущее измеренное цифровое значение тока.

Синхронные генераторы характеризуются стабильной скоростью вращения ротора. Данный факт является одной из причин, что случайные процессы в скользящем контакте, являющиеся причиной формирования нестабильного импульсного тока каждой щетки, повторяются на каждом обороте ротора генератора. На приведенной осциллограмме (см. Фиг. 1) тока щетки щеточно-контактного аппарата, работающего на частоте вращения 3000 об/мин (50 Гц), виден период повторения сигнала, точно равный 20 мс. Так как за 1 с ротор делает ровно 50 оборотов, цифровое интегрирование сигнала за 1 с не значительно увеличивает точность по сравнению с интегрированием за 1 оборот. В то же время частота вращения роторов синхронных гидрогенераторов в зависимости от конструкции может быть от 46,9 до 1500 об/мин (см. Справочник по электрическим машинам, В двух томах, Под общей редакцией д.т.н. И.П.Копылова и к.т.н. Б.К.Клокова, М. «ЭНЕРГОАТОМИЗДАТ», 1988.), т.е. для некоторых конструкций гидрогенераторов за 1 с ротор делает меньше одного оборота. Таким образом, в некоторых случаях интегрирование сигнала за 1 с или кратный период может дать неверные результаты.

По указанной причине при измерении тока щетки щеточно-контактного аппарата любого синхронного генератора цифровым способом следует задавать период интегрирования как равный или кратный полному обороту ротора генератора.

Из уровня техники известно устройство для контроля токораспределения щеточно-контактного аппарата электрической машины [Патент RU 2157033], состоящее из токоизмерительной головки в виде составного магнитопровода с датчиком Холла, размыкающего механизма, микроконтроллера на основе процессора, цифробуквенного индикатора, отличающееся тем, что магнитопровод выполнен в виде кольца с внешним диаметром не более 30 мм, с внутренним диаметром не менее 15 мм, распиленного по радиусам -60°, -90°, 150°, сектор между радиусами -90° и 150° является замыкателем, в зазоре -60° расположен датчик Холла, магнитопровод расположен на расстоянии не менее 200 мм от кнопки привода размыкающего механизма, в устройство введена микросхема энергонезависимой памяти, а цифробуквенный индикатор выполнен двухстрочным.

Данное устройство выбрано в качестве ближайшего аналога.

Устройство представляет собой цифровые токоизмерительные клещи постоянного тока. Устройство состоит из токоизмерительной головки в виде составного магнитопровода с датчиком Холла, размыкающего механизма, микроконтроллера на основе процессора, цифробуквенного индикатора. Отличительными особенностями устройства являются геометрические размеры размыкаемого магнитопровода, расстояние размыкаемого магнитопровода от кнопки привода размыкающего механизма (не менее 200 мм), а также наличие в схеме устройства микросхемы энергонезависимой памяти и двухстрочного цифробуквенного дисплея.

Расположение магнитопровода на расстоянии не менее 200 мм от руки оператора обеспечивает возможность контроля труднодоступных щеток. Объем энергонезависимой памяти 8К обеспечивает запись токораспределения щеточно-контактных аппаратов 15 крупных электрических машин с максимальным числом щеток на каждом полюсе – 256. К недостаткам устройства следует отнести то, что устройство измеряет мгновенное значение постоянного тока, которое может значительно отличаться от среднего значения, что снижает точность оценки токовой нагрузки конкретной щетки, устройство не позволяет оценить стабильность тока щетки, устройство ориентировано исключительно на «праворуких» людей (левшам с ним работать неудобно).

Целью данного изобретения является устранение данных недостатков и создание способа измерения среднего тока щеток щеточно-контактных аппаратов синхронных генераторов для получения достоверной информации о режиме работы щеток и создание специализированного устройства для контроля тока и стабильности тока щеток щеточно-контактных аппаратов синхронных генераторов.

Техническим результатом способа является обеспечение возможности измерения значения тока щеток и среднего отклонения, характеризующего стабильность тока в скользящем контакте конкретной щетки.

Техническим результатом устройства является обеспечение возможности достоверного измерения среднего тока каждой щетки, а также численно оценивать степень его стабильности, то есть его отличия от постоянного, а также в возможности более эргономично пользоваться левой рукой, что удобно для левшей.

Краткое описание чертежей

На Фиг. 1 показан пример осциллограммы тока щетки (ток щетки равен 30 А) – измерение обычными методами.

На Фиг. 2 показана схема устройства, где 1 – проводник с током, 2 – неподвижная часть измерительного магнитопровода, 3 – замыкатель, подвижная часть измерительного магнитопровода, 4 – магниточувствительный датчик Холла, 5 – тяга привода размыкающего механизма, 6 – продольная штанга, 7 – цанговый зажим, 8 – корпус, 9 – кнопка привода размыкающего механизма, 10 – индикатор, 11 – измерительная головка в развернутом на 180° положении.

На Фиг. 3 показана электрическая блок-схема устройства, где 1 – проводник с током, 2,3 – измерительный составной магнитопровод, 4 – датчик Холла, 12 – элемент питания, 13 – индикатор, 14 – клавиатура, 15 – стабилизатор тока датчика Холла, 16 – аналого-цифровой преобразователь, 17 – процессор, 18 – последовательный порт ввода-вывода, 19 – энергонезависимая память, 20 – источник опорного напряжения, 21 – преобразователи напряжения, 22 – источник питания, 23 – сумматор, 24 – кварцевый генератор тактовых импульсов.

Сущность изобретения

Достоверность и точность измерения цифровым способом, основанным на интегрировании входного сигнала, в значительной степени зависит от частоты дискретизации цифровых измерений. Чем выше частота дискретизации, тем достовернее измеряется сигнал, тем точнее производится измерение. При измерении тока щетки щеточно-контактного аппарата синхронного генератора необходимо обеспечить надежное последовательное перекрытие скользящей поверхностью щетки окружности контактного кольца за один полный оборот ротора.

Если диаметр контактного кольца равен D_K, длина окружности составляет D_K. Если размер щетки в направлении вращения составляет а, то полное перекрытие окружности происходит при проведении последовательных измерений. Если число измерений будет меньше указанного числа, то существует вероятность пропуска короткого импульса большой амплитуды, что снижает точность интегрирования полного сигнала за один оборот. Для обеспечения достоверного измерения необходимо обеспечить двойное перекрытие, означающее, что за время прохождения скользящей поверхностью щетки расстояния, равного ее длине в направлении скольжения, необходимо провести два измерения.

Исходя из вышеизложенного минимальная частота дискретизации F_д при измерении тока щетки щеточно-контактного аппарата синхронного генератора цифровым методом должна составлять

где

f_р – частота вращения ротора синхронного генератора,

D_K – диаметр контактного кольца,

a – размер щетки в направлении вращения (по касательной) контактного кольца. При измерении тока щетки щеточно-контактного аппарата синхронного генератора необходимо знать степень стабильности электрического скользящего контакта, т.е. численно оценивать, насколько ток щетки отличается от постоянного, среднего тока щетки. Для этого целесообразно использовать статистический параметр «среднее отклонение», являющийся мерой разброса множества данных. Данный параметр рассчитывается по формуле:

где

n – число измерений,

– среднее значение массива данных.

Заявленный технический результат достигается за счет того, что способ измерения тока щетки щеточно-контактного аппарата синхронного генератора, характеризующийся использованием бесконтактного датчика тока в виде размыкаемого магнитопровода с магниточувствительным элементом, расположенным в зазоре магнитопровода, сигнал которого подается на аналого-цифровой преобразователь, отличающийся тем, что минимальная частота дискретизации F_д при измерении тока щетки составляет

где f_p – частота вращения ротора синхронного генератора, D_K – диаметр контактного кольца, а – размер щетки в направлении вращения (по касательной) контактного кольца;

измеренные с частотой дискретизации значения тока щетки суммируют в течение времени, кратного одному обороту вала ротора генератора, делят полученную сумму на общее количество измерений, затем находят разницу между полученным средним значением тока и значением каждого измерения, суммируют абсолютные значения. В результате такого способа измерения тока получают значение тока щетки и среднее отклонение, характеризующее стабильность тока в скользящем контакте конкретной щетки.

Способ может быть реализован на основе следующего устройства.

Устройство для контроля тока щетки, содержащее токоизмерительную головку в виде составного размыкаемого магнитопровода с датчиком Холла, размыкающий механизм, микроконтроллер, средство индикации, клавиши управления, отличающееся тем, что содержит микроконтроллер, энергонезависимую память, управляемый тактовый генератор, функцией которого является установление частоты дискретизации и периода интегрирования сигнала в течение времени, точно равного или кратного периоду вращения ротора синхронного генератора, также содержит сумматор, суммирующий регистрируемые сигналы в период между синхронизирующими импульсами, а размыкаемый механизм выполнен в виде магнитопровода и вынесен от клавиш управления на расстояние не менее 200 мм, с возможностью поворота вокруг продольной оси устройства.

Магнитопровод размещен на продольной штанге, функцией которой является возможность поворота размыкаемого магнитопровода вокруг продольной оси, при этом тяга привода размыкающего механизма проходит по оси штанги. Это позволяет более эргономично ориентировать размыкаемый магнитопровод и пользоваться левой рукой, что удобно для левшей.

Магнитопровод выполнен из ферромагнитного материала.

Устройство работает следующим образом. Вокруг проводника с током (1) (см. Фиг.2), величину которого требуется определить, создается кольцевое магнитное поле. Магнитное поле концентрируется в магнитопроводе (2, 3), изготовленном из ферромагнитного материала, имеющего большое значение магнитной проницаемости. Магниточувствительный элемент (4) на основе датчика Холла формирует электрический сигнал, который подается на аналого-цифровой преобразователь (16) (см. Фиг.3). Питание отдельных элементов всей электрической схемы осуществляется от элемента питания (12) (аккумулятор или батарея). Для уменьшения взаимного влияния отдельных элементов цифровой схемы их питание осуществляется через стабилизатор (15), представляющий собой гальванически развязанный высокочастотный преобразователь постоянного напряжения (DC-DC преобразователь). Для точного цифрового измерения уровня сигнала используется высокостабильный источник опорного напряжения (20), который позволяет численно оценивать степень стабильности тока. Измеренные сигналы в цифровом виде поступают на сумматор (23) и процессор (17), в которых производятся расчеты измеряемых величин. Работа всей цифровой схемы синхронизируется кварцевым генератором (24). Управляемый генератор (24) тактовых импульсов формирует импульсы с частотой, равной скорости вращения вала ротора синхронного генератора. Тактовые импульсы ограничивают время работы сумматора (23) и определяют количество сигналов, используемых для расчета среднего тока и среднего отклонения. Результат расчета отражается на индикаторе (13). Для передачи информации во внешние устройства используется последовательный порт ввода-вывода (18). Возможность достоверного измерения среднего тока каждой щетки обеспечивается за счет установления частоты дискретизации, позволяющей гарантированно измерить мгновенное значение тока щетки в любой точке контакта траектории скольжения, и интегрирования сигнала в течение времени, точно равного или кратного периоду вращения ротора синхронного генератора.

Формула изобретения

Способ измерения тока щетки щеточно-контактного аппарата синхронного генератора, характеризующийся использованием бесконтактного датчика тока в виде размыкаемого магнитопровода с магниточувствительным элементом, расположенным в зазоре магнитопровода, сигнал которого подается на аналого-цифровой преобразователь, отличающийся тем, что минимальная частота дискретизации F_д при измерении тока щетки составляет

где f_р – частота вращения ротора синхронного генератора, D_k – диаметр контактного кольца, а – размер щетки в направлении вращения (по касательной) контактного кольца;
измеренные с частотой дискретизации значения тока щетки суммируют в течение времени, кратном одному обороту вала ротора генератора, делят полученную сумму на общее количество измерений, затем находят разницу между полученным средним значением тока и значением каждого измерения, суммируют абсолютные значения разницы и делят полученную сумму на количество измерений для получения значения среднего отклонения.

РИСУНКИ