УСТРОЙСТВО КОНТРОЛЯ ВИТКОВЫХ ЗАМЫКАНИЙ В ОБМОТКЕ ЯКОРЯ И ИНДУКТОРА СИНХРОННОЙ МАШИНЫ Российский патент 2000 года по МПК G01R31/34 H02H7/08 

Изобретение относится к электротехнике, а именно к устройствам контроля технического состояния синхронных машин и может быть использовано для обнаружения витковых замыканий в обмотках работающей машины.

Известно устройство контроля витковых замыканий в обмотке ротора электрической машины, которое работает по принципу анализа амплитудных значений импульсов напряжения, наведенных в электромагнитном датчике, который установлен в воздушном зазоре, вблизи поверхности вращающегося возбужденного ротора генератора (патент N 1831744 кл. H 02 H 7/03, опубл. 1993 г.). Амплитуда импульсов зависит от полного тока в пазах каждой катушки, а значит, от наличия виткового замыкания в ней. Импульсы коммутируются в соответствующие ячейки памяти с последующим сравнением их амплитуд. При появлении виткового замыкания выдается сигнал во внешние устройства сигнализации и защиты. Данное устройство обладает большой чувствительностью, однако при этом необходимо размещение датчика в воздушном зазоре машины, для чего требуется внесение изменений в ее конструкцию. Кроме того, данное устройство позволяет обнаруживать витковое замыкание только в обмотке ротора машины.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков к предлагаемому устройству является устройство, реализующее способ защиты обмоток якоря и индуктора синхронной машины от витковых замыканий, основанный на измерении высокочастотных составляющих тока и напряжения в обмотке индуктора, а также тока в цепи обмотки якоря (а. с. N 1192020, кл. H 02 H 7/06, опубл. 1985 г. ). В зависимости от уровня высокочастотных составляющих в обмотке индуктора и тока нагрузки в обмотке якоря формируется сигнал на отключение нагрузки и на гашение поля, в результате чего происходит полный останов машины. Достоинствами прототипа является возможность обнаружения витковых замыканий как в обмотке ротора, так и в обмотке статора за счет наличия двух каналов получения информации. В то же время наличие датчиков в цепях обмоток машины приводит к снижению надежности работы устройства и к удорожанию технологии его изготовления. Кроме того, необходимость нескольких промежуточных преобразователей ограничивает быстродействие схемы защиты.

Изобретение направлено на снижение стоимости осуществления контроля технического состояния электрической машины, повышение надежности и быстродействия схемы защиты.

Сущность изобретения состоит в том, что от известного устройства защиты обмоток якоря и индуктора синхронной машины от витковых замыканий, содержащего блок фиксации аварийных режимов работы, устройство формирования сигнала защиты, управляемую систему возбуждения и катушку отключения нагрузки, предлагаемое устройство отличается тем, что снижение стоимости осуществления контроля технического состояния машины, повышение надежности и быстродействия схемы защиты достигается за счет введения трех датчиков электромагнитной индукции, установленных на внешней поверхности корпуса машины, по оси симметрии обмоток статора, сдвинутых относительно друг друга на 120^o, оси чувствительности которых направлены вдоль радиальной составляющей индукции внешнего магнитного поля и выходы которых подключены ко входам усилителя, выход которого подключен ко входу фильтра высокочастотных составляющих и ко входу фильтра основной гармоники, причем выход фильтра высокочастотных составляющих подключен ко входу амплитудного компаратора, выход которого подключен к первому входу блока фиксации аварийных режимов работы, а выход фильтра основной гармоники подключен ко входу компаратора высокого уровня и ко входу компаратора низкого уровня, выходы которых подключены соответственно ко второму и третьему входам блока фиксации аварийных режимов работы, выход которого подключен ко входу устройства формирования сигнала защиты, один из выходов которого подключен ко входу катушки отключения нагрузки, а второй ко входу управляемой системы возбуждения.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором представлена структурная схема предлагаемого устройства.

Устройство контроля витковых замыканий в обмотке якоря и индуктора синхронной машины содержит три электромагнитных датчика 1, 2, 3, размещенных на внешней поверхности корпуса машины, сдвинутых относительно друг друга на 120^o, по оси симметрии обмоток статора и оси чувствительности которых ориентированы вдоль радиальной составляющей индукции внешнего магнитного поля машины, а их выходы подключены ко входу усилителя 4. Выход усилителя 4 подключен ко входу фильтра высокочастотных составляющих 5 и ко входу фильтра основной гармоники 6. Выход фильтра высокочастотных составляющих 5 связан через амплитудный компаратор 7 с первым входом блока фиксации аварийных режимов работы 8, а выход фильтра основной гармоники 6 подключен ко входу компаратора высокого уровня 9 и ко входу компаратора низкого уровня 10, выходы которых подключены соответственно ко второму и третьему входам блока фиксации аварийных режимов работы 8. Выход блока фиксации аварийных режимов работы 8 подключен к входу устройства формирования сигнала защиты 11, выдающим сигнал на отключение нагрузки в катушку отключения нагрузки 12 и в управляемую систему возбуждения 13 синхронного генератора 14.

Работа устройства заключается в следующем.

Известно, что пространственный гармонический анализ внешнего магнитного поля (ВМП) электрических машин является надежной основой для выявления многих отклонений от нормального или "идеального" их состояния (Волохов С.А., Добродеев П.Н., Кильдишев А.В. Диагностирование обрыва стержня клетки ротора асинхронного электродвигателя. //Электротехника, 1998, N2, с. 13-15). Поэтому в качестве диагностического признака витковых замыканий в обмотке якоря и индуктора синхронной машины используются появляющиеся изменения в ее ВМП, а именно изменения в спектральном составе индукции. По закону электромагнитной индукции на выходе датчиков 1-3, в качестве которых используются преобразователи индукционного типа, появляется переменный электрический сигнал, спектральный состав которого полностью соответствует спектру индукции ВМП. Сигналы с датчиков поступают на вход усилителя 4, с выхода которого усредненный и усиленный до уровня, необходимого для устойчивой работы фильтров сигнал поступает на входы фильтров высших гармоник 5 и основной гармоники 6. Фильтр высокочастотных составляющих настроен на граничную частоту, при которой гарантируется подавление основной гармоники, и выпрямленный сигнал с его выхода, соответствующий значению высших гармоник, поступает на вход амплитудного компаратора 7, порог срабатывания которого соответствует напряжению с датчика, при котором уровень высших гармоник индукции ВМП является предельно допустимым. Фильтр основной гармоники 6 представляет собой узкополосный фильтр с полосой пропускания 50 Гц, с выхода которого выпрямленный сигнал поступает на вход компаратора высокого уровня 9 и на вход компаратора низкого уровня 10. Необходимо заметить, что уровень основной гармоники индукции ВМП будет определяться характером нагрузки.

В первом случае, при активно-индуктивном характере нагрузки, уровень основной гармоники поля будет уменьшаться вследствие размагничивающего действия реакции якоря. Во втором случае, при активно-емкостном характере нагрузки, уровень основной гармоники поля будет увеличиваться вследствие намагничивающего действия реакции якоря. Поэтому при увеличении тока нагрузки до некоторого максимального допустимого значения, в первом случае, уровень основной гармоники будет уменьшаться до некоторого минимального допустимого значения, а во втором случае - увеличиваться до некоторого максимального допустимого значения. При максимальном допустимом значении тока нагрузки техническое состояние конкретного типа машины идентифицируется еще как исправное.

При исправном состоянии генератора и работе его на максимально допустимую нагрузку на выходе фильтров 5, 6 образуются сигналы, недостаточные для срабатывания компараторов 7, 9, 10, и на выходе блока фиксации аварийных режимов работы 8 устанавливается сигнал низкого уровня. При появлении витковых замыканий в обмотке индуктора в спектре индукции ВМП значительно увеличивается амплитуда и состав высокочастотных гармоник, что приводит к превышению сигналом на выходе фильтра 5 порога срабатывания компаратора 7, в результате чего компаратор 7 срабатывает, и на его выходе образуется сигнал высокого уровня.

При появлении витковых замыканий в якорной обмотке, когда генератор работает на активно-емкостную нагрузку, амплитуда основной гармоники, выделенная фильтром 6, увеличится, в результате чего сигнал на входе компаратора высокого уровня 9 превысит порог его срабатывания, соответствующего максимальному допустимому значению тока при таком характере нагрузки. В этом случае превышение амплитуды основной гармоники выше максимального допустимого значения, рассчитанного для конкретного типа машины, вызывает срабатывание компаратора максимального значения 9, на выходе которого образуется сигнал высокого уровня.

В том случае, когда генератор работает на активно-индуктивную нагрузку, появление витковых замыканий в обмотке якоря приведет к уменьшению основной гармоники, выделенной фильтром 6 ниже минимального допустимого значения, соответствующего максимальному допустимому значению тока при таком характере нагрузки, что вызовет срабатывание компаратора минимального значения 10 и образование на его выходе сигнала высокого уровня.

В случае наличия хотя бы одного сигнала высокого уровня на входах блока фиксации аварийных режимов работы 8, который представляет собой логическую схему ИЛИ, на его выходе также образуется сигнал высокого уровня, что является для устройства формирования сигнала защиты 11 командой для формирования сигнала на гашение поля в систему возбуждения 13 и на катушку отключения нагрузки 12, после чего происходит полный останов машины.

Для настройки порогов срабатывания компараторов 7, 9, 10, соответствующих максимальному и минимальному допустимому значению основной гармоники индукции ВМП при различных характерах нагрузки для конкретного типа машины, используется известная математическая модель (Романов В.В., Смирнов В.А. Расчет индукции на внешней поверхности корпуса турбогенератора // Электричество, 1984, N8, с. 8-13).

Учет характера нагрузки осуществляется при расчете порогов срабатывания компараторов 7, 9, 10, путем ввода в формулу для расчета амплитудного значения радиальной составляющей основной гармоники индукции на поверхности корпуса машины уравнения, связывающего величину индукции в воздушном зазоре и линейную тоновую нагрузку (Рябуха В.И. Оптимизация проектирования электрических машин. - Л.: Изд-во Ленингр. ун-та, 1984, с.15).

Предлагаемое устройство контроля витковых замыканий в обмотке якоря и индуктора предназначено для контроля технического состояния машины, работающей на номинальную нагрузку. Принцип работы устройства основан на анализе амплитудных значений высокочастотных и основной гармоник индукции внешнего магнитного поля, наведенных в электромагнитных датчиках, установленных на внешней поверхности корпуса машины. Изменяя уровни срабатывания компараторов можно настроить устройство на любой тип синхронной машины. Технический результат заключается в меньшей стоимости, повышенной надежности и быстродействии. 1 ил.

Устройство контроля витковых замыканий в обмотке якоря и индуктора синхронной машины, содержащее блок фиксации аварийных режимов работы, устройство формирования сигнала защиты, управляемую систему возбуждения и катушку отключения нагрузки, отличающееся тем, что в устройство введены три датчика электромагнитной индукции, установленные на внешней поверхности корпуса машины, по оси симметрии обмоток статора, сдвинутые относительно друг друга на 120^o, оси чувствительности которых направлены вдоль радиальной составляющей индукции внешнего магнитного поля и выходы которых подключены ко входам усилителя, выход которого подключен ко входу фильтра высокочастотных составляющих и ко входу фильтра основной гармоники, причем выход фильтра высокочастотных составляющих подключен ко входу амплитудного компаратора, выход которого подключен к первому входу блока фиксации аварийных режимов работы, а выход фильтра основной гармоники подключен одновременно ко входу компаратора высокого уровня и ко входу компаратора низкого уровня, выходы которых подключены соответственно ко второму и третьему входам блока фиксации аварийных режимов работы, выход которого подключен ко входу устройства формирования сигнала защиты, один из выходов которого подключен ко входу катушки отключения нагрузки, а второй - ко входу управляемой системы возбуждения.