Способ и устройство для измерения тока ротора генератора с бесщеточным возбуждением

Изобретение относится к испытаниям электрических машин, а именно к способам измерения тока ротора мощных синхронных генераторов с бесщеточным возбуждением, в том числе сверхпроводниковых.

Известно устройство для измерения тока ротора генератора с бесщеточным возбуждением (патент RU 66821), которое содержит канал передачи данных от датчика Холла, расположенного внутри вала устройства.

Наиболее близким аналогом способа измерения тока ротора генератора с бесщеточным возбуждением является [патент на изобретение RU №2011203, МПК 5 G01R 31/34, опубл. 15.04.1994] способ измерения тока ротора генератора с бесщеточным возбуждением, включающий измерение тока возбуждения возбудителя, напряжения обмотки ротора генератора, частоту вращения ротора. Ток I_P ротора генератора находят как функцию от измеренных величин:

I_P=(1/С_КЗ)⋅(i²_BB-(С_ХХ⋅(f_H/f)⋅U_P)²)^0,5,

где i_BB - ток возбуждения возбудителя; U_P - напряжение обмотки ротора генератора; f - частота вращения ротора; f_H, С_КЗ, С_ХХ - постоянные.

Средствами ближайшего аналога возможно осуществить измерения тока ротора генератора с бесщеточным возбуждением.

Однако у предложенного ближайшего аналога есть ряд недостатков:

- средствами ближайшего аналога не представляется возможным непосредственно измерить ток ротора генератора, а приходится измерять ток возбуждения возбудителя, напряжение обмотки ротора генератора и частоту вращения ротора, по этим данным происходит расчет тока ротора генератора на ЭВМ; таким образом, на каждом этапе измерения и расчета в значение тока ротора генератора вносится весомая погрешность;

- при измерении напряжения обмотки ротора генератора используются измерительные кольца, представляющие собой вращающиеся электрические контактные соединения, подверженные неизбежному износу и старению, что снижает качество измерений и надежность всей системы определения тока ротора генератора.

В основу изобретения поставлена задача усовершенствования способа измерения тока ротора генератора с бесщеточным возбуждением, в котором за счет реализации новой совокупности существенных признаков обеспечивается непосредственное, более точное и надежное измерение тока ротора генератора.

Поставленная задача решается за счет того, что согласно способу измерения тока ротора генератора с бесщеточным возбуждением, включающему измерение тока возбуждения возбудителя, частоты вращения ротора, осуществляют непосредственное измерение тока ротора генератора в узле бесконтактного измерения тока, для чего формируют магнитное поле, величина которого пропорциональна току ротора, преобразуют магнитное поле в электрический сигнал и без дополнительного канала передачи данных передают его на контроллер.

Способ измерения тока ротора генератора с бесщеточным возбуждением не предполагает использование вращающихся токосъемных контактов и не требует прокладки дополнительных оперативно-измерительных цепей, что упрощает процесс реализации изобретения и способствует снижению себестоимости всей системы измерения тока ротора генератора.

Устройство, реализующее предлагаемый способ измерения тока ротора генератора с бесщеточным возбуждением, содержит индуктор, выполненный с возможностью формирования магнитного поля с величиной, пропорциональной току ротора, и установленный на роторе с возможностью вращения вместе с ротором, а также датчик магнитного поля, расположенный на корпусе генератора с возможностью определения величины магнитного поля индуктора.

Реализация способа представлена на фиг. 1.

На одном общем для всех электрических машин и устройств валу 15 находятся ротор турбины или лопасти ветрогенератора 1, ротор генератора переменного тока 2 с вращающейся обмоткой ротора 3, индуктор 4, предназначенный для создания магнитного поля, величина которого пропорциональна току ротора, вращающийся выпрямитель 8, возбудитель 9.

Возбудитель 9 представляет собой обращенный синхронный генератор переменного тока, который имеет неподвижную обмотку возбуждения возбудителя 10, подключенную к неподвижному выпрямителю 12, который подключен к подвозбудителю, выполненному в виде дисковой машины с редкоземельными магнитами 13. Вращающаяся обмотка ротора 3, индуктор 4, предназначенный для создания магнитного поля, величина которого пропорциональна току ротора генератора переменного тока, вращающийся выпрямитель 8 и возбудитель 9 связаны между собой электрическими цепями постоянного и переменного тока.

В цепь тока возбуждения возбудителя включен цифровой амперметр для отображения тока возбуждения возбудителя 11, с общим для всех электрических машин и устройств валом 15 связан тахогенератор 14, предназначенный для измерения оборотов n₂.

Рядом с индуктором 4, предназначенным для создания магнитного поля, величина которого пропорциональна току ротора, расположен датчик магнитного поля на эффекте Холла 5, подключенный к контроллеру 6 с дисплеем 7 для отображения тока ротора генератора. На фиг. 2 представлена конструкция и взаимное расположение индуктора и датчика магнитного поля на эффекте Холла 5, расположенного на корпусе генератора так, что между датчиком магнитного поля и витками вращающегося индуктора имеется зазор.

Индуктор представляет собой тороидальный каркас, изготовленный из стеклотекстолита и выполненный в виде диска с отверстиями под обмотки и контактные шпильки для подключения индуктора, на котором по окружности тороида в радиальном направлении расположены витки обмоток. Обмотки выполнены одножильным медным отожженным проводом с фиксированным шагом.

Способ осуществляется следующим образом.

Пример реализации способа. С помощью цифрового амперметра 11 измеряется ток возбуждения возбудителя, тахогенератором 14 измеряются обороты вала n₂. Измерение тока ротора генератора переменного тока 2 осуществляется с помощью индуктора 4, предназначенного для создания магнитного поля, величина которого пропорциональна току ротора, возле которого на корпусе генератора расположен датчик магнитного поля на эффекте Холла 5. Таким образом, магнитное поле, создаваемое индуктором, пропорционально постоянному току вращающейся обмотки ротора 3. После преобразования датчиком 5 магнитного поля, созданного током обмотки ротора 3, сигнал поступает в контроллер 6, где преобразуется в значение тока обмотки ротора и отображается на дисплее 7.

Необходимо отметить, что предлагаемый способ измерения тока ротора генератора не нуждается в дополнительном канале передачи данных, а реализующее этот способ устройство не чувствительно к воздействию внешних намагничивающих факторов.

Предложенные способ и устройство измерения тока ротора генератора с бесщеточным возбуждением позволяют повысить точность, надежность и живучесть всей системы измерений, кроме того, такой подход позволяет использовать ее в качестве оборудования, предназначенного для диагностики технического состояния генераторов с бесщеточным возбуждением.