Устройство для контроля тока щетки щеточно-контактного аппарата синхронного генератора
Полезная модель относится к токоизмерительным приборам для контроля токораспределения между щетками щеточно-контактных аппаратов синхронных аппаратов при их обслуживании и настройке. 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. Устройство для контроля тока щетки, содержащее токоизмерительную головку в виде составного магнитопровода с датчиком Холла, размыкающий механизм, аналого-цифровой преобразователь, микроконтроллер и/или процессор, средство индикации, клавиши управления, отличается тем, что содержит управляемый тактовый генератор, функцией которого является формирование синхронизирующих импульсов с частотой, равной частоте вращения ротора синхронного генератора, также содержит сумматор, суммирующий регистрируемые сигналы в период между сихронизирующими 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.
Область применения
Полезная модель относится к токоизмерительным приборам для контроля токораспределения между щетками щеточно-контактных аппаратов синхронных аппаратов при их обслуживании и настройке.
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. Неподвижную часть аппарата включает траверсу с установленными на ней щеткодержателями и щетками.
Предполагается, что параллельно включенные щетки работают как линейные резистивные элементы, и поэтому ток любой щетки контактного аппарат 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 выраженный 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 промышленной 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 магнито-чувствительного 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 секунду, измерение импульсного тока должно сводиться к интегрированию импульсов за период 1с. 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 секунду, 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 секунду ротор делает меньше одного оборота. Таким образом, в некоторых случаях интегрирование сигнала за 1 секунду 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 цифро-буквенного 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).
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 устройства
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 DК , длина окружности составляет 
DK. Если размер щетки в направлении вращения составляет а, то полное перекрытие окружности происходит при проведении 
последовательных измерении. 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 расстояние, равное ее длине в направлении скольжении, необходимо провести два измерения.
Исходя из вышеизложенного, минимальная частота дискретизации FД при измерении тока щетки щеточно-контактного аппарата синхронного генератора цифровым методом должна составлять
, где
fP - частота вращения ротора синхронного генератора,
DK - 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
Работа заявленного устройства основана на том, что определяют время периода усреднения, кратный одному обороту вала ротора генератора, а минимальная частота дискретизации определяется из формулы:
, где
fP - частота вращения ротора синхронного генератора,
DK - диаметр контактного кольца,
a - размер щетки в направлении вращения (по касательной) контактного кольца;
затем производят суммирование всех значений, делят полученную сумму на общее количество измерений, затем находят разницу между полученным средним значением и каждым измерением, суммируют абсолютные значения разницы между средним значением и каждым значением и делят полученную сумму на количество измерений. В результате такого способа измерения тока в устройстве получают значение тока щетки и среднее отклонение, характеризующее стабильность тока в скользящем контакте конкретной щетки.
Заявленный технический результат достигается за счет того, что в устройстве для контроля тока щетки, содержащем токоизмерительную головку в виде составного магнитопровода с датчиком Холла, размыкающий механизм, аналого-цифровой преобразователь, микроконтроллер и/или процессор, средство индикации, клавиши управления, отличием является то, что оно содержит управляемый тактовый генератор, функцией которого является формирование синхронизирующих импульсов с частотой, равной частоте вращения ротора синхронного генератора, также содержит сумматор, суммирующий регистрируемые сигналы в период между сихронизирующими 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 повернуть размыкаемый магнитопровод, а также 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), изготовленного 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 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 равному или кратному периоду вращения ротора синхронного генератора.
1. Устройство для контроля тока щетки, содержащее токоизмерительную головку в виде составного магнитопровода с датчиком Холла, размыкающий механизм, аналого-цифровой преобразователь, микроконтроллер и/или процессор, средство индикации, клавиши управления, отличающееся тем, что содержит управляемый тактовый генератор, функцией которого является формирование синхронизирующих импульсов с частотой, равной частоте вращения ротора синхронного генератора, также содержит сумматор, суммирующий регистрируемые сигналы в период между сихронизирующими 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.
2. Устройство для контроля тока щетки по п.1, отличающееся тем, что 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.
