Индукционный преобразователь для магнитных измерений в воздушном зазоре асинхронной машины

Индукционный преобразователь для магнитных измерений в воздушном зазоре асинхронной машины

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использо-. вано, в частности, при магнитных измерениях в неоднородном, сложном по характеру распределения в пространстве магнитном поле интерференции, имеющем место в воздушном зазоре асинхронных машин со скосом пазов, работающих под нагрузкой . Суть изобретения - заключается в том, что индукционный преобразователь для магнитных измерений в воздушном зазоре асинхронной машины имеет катушку индуктивности, активная сторона которой длиной, соответствующей 0,5-1,0 длины пакета стали машины, имеет скос на 100-180 электрических градусов относительно образующей пакета стали машины в направлении обратном направлению скоса пазов ротора и расположена симметрично относительно центра пакета стали, измерительный прибор. 5 ил. Ё

СОВХОЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

rsr>s G 01 R 33/00

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР)

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

О

00 (Л

О.

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4898828/21 (22} 02,01.91 (46) 23.04.93. Бюл. М 15 (75) Д.В.Макаренко (56) Байда Л.Т., Добротворский Н.С., Душин

Е.М. и др. "Электрические измерения", Л., Энергия, 1980, стр. 268, протбтип. (54) ИНДУКЦИОННЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДЛЯ МАГНИТНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ В

ВОЗДУШНОМ ЗАЗОРЕ АСИНХРОННОЙ

МАШИНЫ (57) Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано, в частности, при магнитных измерениях в неоднородном, сложном по характеру распределения в пространстве

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано, в частности, при магнитных измерениях а неоднородном, сложном по характеру распределения в пространстве поле интерференции, имеющем место в воздушном зазоре асинхронных машин со скосом пазов, работающих под нагрузкой.

Цель изобретения — повышение надежности измерительного индукционного преобразователя при магнитных измерениях в воздушном зазоре асинхронных машин со скосом пазов, работающих под нагрузкой.

Для достижения этой цели индукционный преобразователь для магнитных измерений в воздушном зазоре асинхронной машины, содержащий маловитковую катушку индуктивности без ферромагнитного сердечника имеет длину активной стороны катушки соответствующую 0,5-1.0 длины пакета стали машины. активные стороны катушки имеют скос на 100--180 электрических

„„Я.) „„1810850 A 1 магнитном поле инте рферен ции. имеющем место в воздушном зазоре асинхронных машин со скосом пазов, работающих под нагрузкой. Суть изобретения — заключается в том, что индукционный преобразователь для магнитных измерений в воздушном зазоре асинхронной машины имеет катушку индуктивности, активная сторона которой длиной, соответствующей 0,5-1,0 длины пакета стали машины, имеет скос на 100-180 электрических градусов относительно образующей пакета стали машины в направлении обратном направлению скоса пазов ротора и расположена симметрично относительно цейтра пакета стали, измерительный прибор. 5 ил. градусов относительно образующей пакета стали-машины в направлении обратном направлению скоса пазов ротора машины и расположены симметрично относительно центра пакета стали, При этом в зоне скольжений S > Яном показания измерительного прибора должны быть увеличены в 1,06 раза, в зоне скольжений 0 S < Янцм результат измерений должен быть увеличен в 1/К«раз, где Я— текущее значение скольжения, S<>M — значение скольжения. соответствующее номинальному моменту машины, К« коэффициент скоса активных сторон индукционного преобразователя, определяемого по формуле известной для плоскопараллельных магнитных полей (напр, (31, стр. 47). з1п 0,5Дс

0,5 /Зс

Здесь| — величина скоса активных сторон индукционного преобразователя, отно1810850 сительно образующей пакета стали машины, выраженная в электрических градусах.

На фиг.1 представлен чертеж индукционного преобразователя. Здесь 1 — катушка индукционного преобразователя; 2,3- соответственно оси пазов статора, ротора; 4— измерительный прибор (милливольтметр); ! — длина пакета стали машины; Д вЂ” величина скоса активных сторон индукционного преобразователя относительно образующей пакета стали машины.

На фиг.2 представлены характерные для различных значений скольжения S полуволны результирующего магнитного поля в воздушном зазоре асинхронной машины со скосом пазов.

На фиг.3 представлены многоугольники

ЭДС Ei элементарных участков проводника, расположенного вдоль оси машины, и вектора результирующей.ЭДС этого проводника Епр, наведенных результирующим магнитным полем в воздушном зазоре асинхронной машины со скосом пазов при скольжениях а) S = О, б) S = 1.

На фиг.4 представлены результаты анализа величины коэффициента К«, учитывающего уменьшение величины ЭДС, наведенной результирующим магнитным полем в активной стороне индукционного преобразователя при изменении ее положения в результирующем магнитном поле машины. .Фиг,4,а отображает метод анализа: при изменении величины Р< активной стороны ее длина всегда соответствует длине пакета стали машины (1, 2, 3, 4 — последовательные положения активной стороны). На фиг,4,а величина j3cK — величина скоса пазов машины, Н вЂ” напряженность результирующего магнитного поля (указана ось полуволны в зоне S = $кр), где Зкр скольжение, соответствующего критическому (максимальному) моменту. На фиг.4,б кривая " з- определена для отношения Нг/Н1(здесь Н1, Кг — соответственно напряженность магнитного поля статора, ротора), равного 0,99 при P« =

=36 эл. град., кривая -х- — для Hz/H> =

0,99 при Дк= 144 эл. град., кривая

-П вЂ” для Нг/К1= 0,8 прир«36 зл.град., кривая - (х} — для Hg/H> 0,8 при P« = 144 эл.град., кривая — для Нг/H> = О.

На фиг,5 отражена методика и результаты экспериментального исследования разработанного индукционного измерительного преобразователя. Здесь 1, 2, 3, 4, 5, 6 — номера индукционных измерительных преобразователей, имеющих различное значение Д (фиг.5,а) и соответствующих им

ЭДС нз выходе индукционного измеритель45

55 з1п 0,5Яс sin 70

0,5 Рс 1,22

После чего увеличиваем показания милливольтметра в 1/K« = 1:0,77 = 1,3 раза, что обеспечивает уровень погрешность измерения менее 1, Повышение чувствительности измерительного индукционного преобразователя при магнитных измерениях в воздушном зазоре асинхронных машин со скосом пазов, работающих под нагрузкой, основано на следующем.

На фиг,2 представлены полуволны результирующего магнитного поля в воздушном зазоре асинхронной машины со скосом пазов, работающих под нагрузкой, являющиеся характерными для рассмотренных на ного преобразователя в режиме S - 0 (фиг,5,б), в режиме Я = 1 (фиг.5,a), Заявляемое техническое решение рассмотрим на примере магнитных измерений в воздушном зазоре асинхронного электродвигателя со скосом пазов А02-31-4 (скос пазов на роторе, отношение Hz/Н1 в зоне

$ —" Якр составляет 0,95-0,97). Длину активной стороны измерительного индук"0 ционного преобразователя выберем соответствующей длине пакета стали машины (! = 88 мм). Ширину индукционного преобразователя, в соответствии с существующими рекомендациями, выберем равной полюсному делению (t = 87,9 мм).

Исходя из заявленного диапазона Д выберем среднее значение величины скоса активных сторон преобразователя Рс равной

140 зл.град. Учитывая, что воздушный зазор

20 двигателя A02 — 31 — 4 составляет 0,35 мм одновитковую катушку индукционного преобразователя без ферромагнитного сердечника будем выполнять проводом

ПЭЛ диаметром 0,06 мм. Наклеим клеем

25 индукционный преобразователь на поверхность стали статора со стороны воздушного зазора симметрично относительно центра пакета стали (фиг.1), В режимах работы двигателя соответствующих скольжениям

30 S S< м показания измерительного прибора (милливольтметра) увеличиваются в 1,06 раза, что определяет уровень погрешности менее 4%, при скольжениях 0 S < SH«, т.е, когда поле по своим характеристикам близко к плоскопараллельному показания милливольтметра увеличиваются, в соответствии с существующими рекомендациями, в 1/K«ðàç.

В рассматриваемом случае определяем

40 Кс по известной формуле:

181 )850 фиг.2 значений скольжения машины (наприМер,(4-6ф.

Из данных фиг.2 следует, что в диапазоне скольжений S $н результирующее магнитное поле следует рассматривать как неоднородное. сложное по характеру распределения в пространстве, Для магнитных измерений в таких полях следует использовать измерительные индукционные преобразователи точечных размеров с тем. чтобы свести измерение к определению индукции в одной точке (например, (2) и др,).

Индукционный преобразователь конечных размеров не может быть использован при магнитных измерениях в результирующем магнитном поле, имеющем место в воздушном зазоре асинхронной машины в области больших скольжений, Подраэделим проводник, расположенный вдоль оси машины, на и элементарных участков, в пределах которых можно пренебречь взаимным скосом элементарного участка проводника и фронта волны результирующего магнитного поля в области больших скольжений.

ЭДС проводника Епр определяется при любом скольжении геометрической суммой векторов ЭДС Ei элементарных участков. На фиг.3 показано определение результирующей ЭДС одного и того же проводника для

S = О (плоскопараллел ьное результирующее магнитное поле) и S = 1 (наибольшее перераспределение результирующего магнитного поля в пространстве).

Построенные многоугольники ЭДС являются характерными для рассмотренных скольжений асинхронных машин со скосом пазов (например, (6)), Из данных фиг.3 следует, что причиной резкого снижения эффективности взаимодействия проводника с результирующим магнитным полем в воздушном зазоре асинхронной машины со скосом пазов (утратой чувствительности измерительным индукционным преобразователем) в области больших скольжений является деформация (перегиб) многоугольника ЭДС Еь вследствие чего ЭДС проводника Еп> (ЭДС на выходе индукционного преобразователя) может уменьшаться в несколько раз и по этой причине не соответствовать данным магнитного поля. Физически это явление обусловлено тем, что в зоне скольжений

S > $ ом, которой соответствует в асинхронных машинах отношение напряженностей полей ротора и статора H2/Н 0,8, скос пазов приводит, в соответствии с данными фиг.2, к большой деформации формы фронта волны результирующего магнитного поля и перераспределения энергии поля вдоль фронта волны, B соответствии с (6) и др„для учета ЭДС проводника, наводимой результирующим магнитным полем, имеющим место в воздушном зазоре асинхронной машины со скосом пазов, вводится коэффициент

Еп

Кс»

l Е) I при этом для фиг,3. а коэффициент К,» - 1, 15 для фиг.3,б Кск =0,4.

Приведем в результирующем магнитном поле, имеющем место в воздушном зазоре асинхронной машины со скосом пазов при скольжении $ = 1, проводник (активные стороны измерительного индукционного преобразователя) во вращение вокруг центра пакета стали машины, делящего длину .проводника пополам, при этом в каждом положении проводника его длина должна соответствовать длине пакета стали машины (фиг.4,а). В каждом отдельно взятом положении проводника будем определять по (1) коэффициент К«, используя для этого методику, изложенную в (6J. Искомым положением будем считать такое, при котором ось проводника совпадает с осью пазов статора (Д =.О).

Положительными будем считать значения Д, имеющие место при вращении проводника из исходного положения в направлении, обратном скосу пазов ротора (при скосе пазов статора речь идет об относительном скосе пазов ротора относительно пазов статора), отрицательными — при вра40 щении в обратном направлении.

Результаты анализа приведены на фиг.4,б, Известно, что степень перераспределения результирующего магнитного поля в воздушном зазоре машины зависит от ве45 личины отношения напряженностей магнитных полей ротора (H2) и статора (Н 1). При этом для диапазона $ном < S < 1 величина отношения Н2/Н1 лежит в диапазоне

0,8 Н2/H1 0,99. Поэтому данные фиг.4,б

60 соответствуют именно этим крайним значениям величины H2/H1. Также приведены данные для Н2/H1 = О, что соответствует

$HoM > S О. Кроме этого, степень перераспределения магнитного поля в воздушном зазоре машины зависит от величины угла скоса ее пазов Д. На фиг.4,б приведены данные для P« = 36 эл.град. (значение

Рс» являющееся средним для асинхронных машин) и P« = 144 эл.град. (является предельно большим)..

1810850

Из данных фиг.4,б следует, что, вращая проводник (поворачивая вокруг центра пакета стали машины активные стороны измерительного индукционного преобразователя в соответствии с фиг,4,а в результирующем магнитном поле, имеющем место в воздушном зазоре асинхронной машины при скольжении S» S«t можно определить такое положение проводника (активных сторон преобразователя), при котором Кск проводника (чувствительность индукционного преобразователя возрастут в несколько раз(например, для Н2/Н1 = 0,99 — в шесть раз), При этом поворот проводника необходимо осуществлять в направлении обратном скосу пазов ротора (относительно статора) до значения Д равного 180 электрическим градусам (для H2/H>. 0,99). Физически это объясняется тем, что ось полуволны результирующего магнитного поля в зоне S = Яном сориентирована к образующей пакета стали машины под тем же углом и поэтому вращая проводник и располагая его под углом

"+ Д = 180 эл.град," мы тем самым располагаем его параллельно фронту волны результирующего магнитного поля, При этом для повышения чувствительности индукцион ного преобразователя скос активных сторон его катушки (направление вращения проводника на фиг,4,а) должен выполняться в направлении обратном скосу пазов ротора относительно пазов статора, так как именно в этом направлении всегда располагается ось полуволны результирующего магнитного поля (фиг.2). Значение Н2!Н1 = 0,99 при

S» Яно практически никогда в асинхронных машинах не имеет место (это предельное значение) и, следовательно,,Вс =

= 180 эл.град. — это предельное значение

Рс. Обычно в асинхронных машинах со скосом пазов при S = S«< имеет место

Н2/H1 = 0,97, что определяют величину Кск скошенной активной стороны катушки близкой к 0,9, и следовательно, осуществив скос активных сторон индукционного преобразователя в обратном направлении скосу пазов ротора в режиме S» S«M мы от утраты информации преобразователя конечных размеров, перейдем к измерениям в сложных по характеру распределения в пространстве неоднородных магнитных полях с достаточной для практических полей точностью, Из фиг.4,б следует, что и при малых значениях H2/Н1 скос активных сторон индукционного преобразователя позволяет очень существенно повысить его чувствительность и при этом необходимый уровень

45 г п О.БДс

0,5 Рс

Д может быть уменьшен вплоть до

100 эл.град., хотя и прежнее значение Рс =

= 180 эл.град. дает удовлетворительный результат, физически возможность значительного повышения Кс» в зоне Н2/Н1 =0,80 при значительно меньших значенияхрс по сравнению с зоной значений H2/Н1 — 1 обьясняется тем, что меньшим значениям H2/H> соответствует и меньшее перераспределение в пространстве результирующего магнитного поля.

Из (1) известно, что у проектируемых в настоящее время тесламетров уровень погрешности магнитных измерений составляет 5% (при этом речь идет о простых по распределению в пространстве полях). Как следует из фиг.4,б в зоне S» Я«м для того, чтобы выйти на уровень погрешности, не превышающей 5% (относительная погрешность) результат измерений должен быть увеличен в 1,06 раза.

Из изложенного следует, что в асинхронных машинах со скесом пазов в зоне скольжений S» Яно величина скоса акти вн ых сторон индукционного и реобразователя, необходимая для повышения чувствительности индукционного преобразователя при магнитных измерениях в результирующем магнитном поле, имеющего место в воздушном зазоре машины, определяется диапазоном P = 100-180 эл,град., при этом меньшие значения Рс выбираются для машин с небольшим уровнем H2/Н1, в рассматриваемой зоне скольжений, большие значенияpc — для машин с Н2/Н 1, Индукционный преобразователь должен симметрично расположен относительно центра пакета стали машины и скос его активных сторон осуществляется в направлении обратном скосу пазов ротора относительно пазов статора (фиг.1). Результат измерений должен быть увеличен в 1,06 раза.

В диапазоне скольжений 0 < S < Я«м следует воспользоваться методикой обычно принятой для плоскопараллельного поля, т.е, результат измерений должен быть уве личен в Кск раз, где в соответствии с (3), В электрических машинах речь идет о взаимном скосе пазов обмоток статора и ротора. Поэтому иногда выполняют скос на статоре, На во всех случаях речь идет о скосе пазов активных сторон преобразователя в направлении обратном направлению ско1810850 са пазов ротора относительно пазов статора.

На фиг,1 графически отражено разработанное техническое решение повышения чувствительности измерительного индукционного преобразователя, предназначенного для магнитных измерений в воздушном зазоре асинхронных машин со скосом пазов, Экспериментальное исследование заявляемого технического решения показало, что даже в асинхронных машинах малой мощности индукционный преобразователь может быть выполнен одновитковым и при этом не требуется усиления выходного сигнала. Объясняется этом тем. что в разработанном решении длина активной стороны индукционного преобразователя во много раз превышает длину активной стороны точечного индукционного преобразователя.

Активные стороны полного индукционного преобразователя могут как соответствовать полной длине пакета стали машины, так и быть меньше ее, Диапазон рациональных значений длины активной стороны преобразователя соответствует 0,5-;,1,0 t, так как выполнение активной стороны преобразователя длиной соответствующей менее

0,51, потребует применения дополнительных преобразователей.

Ширина индукционного преобразователя выбирается, исходя из существующих рекомендаций, близкой к полюсному делению машины.

Результаты экспериментальной проверки разработанного способа представлены на фиг,5л. На фиг,5,а приведена схема опыта, суть которого заключалась в том, что в воздушном зазоре асинхронной машины со скосом пазов располагалось шесть плоских одновитковых измерительных индукционных преобразователей одной и той же ширины, При этом/3,. преобразователя ¹ 4 равнялся нулю, N- 3/3, = 60 эл.град., ¹ 2—

Pc = 120 эл.град., ¹ 1 — Д = 180 эл, град„№ 5Д = — 60 эл. град., N- 6 — Д = — 120 эл.град.

В режиме S = О (фиг.5,б) наибольшее значение ЭДС, в соответствии с существующими представлениями, измеряет преобразователь ¹ 4 (P --О).

В режиме S = 1 (фиг.5,в) в исследованной машине с малым уровнем величины отношения Н2/Н1 наибольшее значение ЭДС уже измеряет не преобразователь 4,а преобразователь ¹ 2 (/3, -- 120 эл.град.), что полностью соответствует результатам теоретического анализа.

Разработанное изобретение представляет собой решение актуальной проблемы так как:

1. Асинхронные электрические машины

5 со скосом пазов составляют основу парка электрических машин у нас в стране и за рубежом.

2. Магнитные измерения в воздушном зазоре таких машин нужны не только при их

10 экспериментальном исследовании, но, что не менее важно, они необходимы в микропроцессорных системах "векторного управления" асинхронными электроприводами (напр;, (7Д, В основу векторного управления

15 многих систем заложено непосредственное измерение величины магнитного потока в воздушном зазоре асинхронного эл. двигателя, при этом необходимо с высокой степенью точности судить по данным

20 магнитных измерений о величине магнитного потока при любом скольжении, Как отмечалось выше, это можно сделать в . двигателях со скосом пазов либо используя большое количество точечных индукцион25 ных преобразователей, выходной сигнал которых должен быть усилен и проинтегрирован (для этого необходимо соответствующее количество усилителей, интеграторов, либо последовательное переключение пре30 образователей на вход одного усилителя и т,д„затем анализ данных, их суммирование и т.д„что делает систему управления громоздкой, снижает ее быстродействие и точность), Предлагаемое решение позволяет

35 обойтись одним, конечных размеров, маловитковым преобразователем, не требую.щем усиления выходного сигнала.

Преимущества разработанного решения:

40 1. При измерениях в неоднородных, сложных по характеру распределения магнитных полях, имеющих место в воздушном зазоре асинхронных машин со скосом пазов позволяет вместо большого числа точеч45 ных, многовитковых, требующих усиления выходного сигнала индукционных преобразователей воспользоваться одним преобразователем,. простой конструкции, не требующим усиления выходного сигнала, 50 что резко упрощает и ускоряет технологию магнитных измерений. повышает надежность индукционного преобразователя.

2. Может быть использовано во всех диапазонах скольжения.

55 3. Используемый индукционный преобразователь является плоским, маловитковым, конечных размеров, что упрощает технологию его изготовления.

Все изложенное позволяет сделать вывод, что разработанное техническое реше12

11 ние позволяет повысить чувствительность индукционного преобразователя, упростить и удешевить технологию. магнитных измерений в воздушном зазоре асинхронных машин со скосом пазов, Формула из о 6 рете н и я

Индукционный преобразователь для магнитных измерений в воздушном зазоре асинхронной машины, содержащий катушку индуктивности, отличающийся тем, что. с целью повышения надежности индукционного преобразователя, активная сторона катушки с длиной, соответствующей

0,5-1,0 длины пакета стали машины, имеет

5 скос на 100-180 эл.град. относительно образующей пакета стали машины в направлении, обратном направлению скоса пазов ротора относительно пазов статора, и расположена симметрично относительно цент10 ра пакета стали.

1810850 ПР а

1810850 а) Ясл

0 A/0 3бО j9c, ул aped, -l

5

5

Составитель Д.макаренко

Техред M.Ìîðãåíòàë Корректор Е.Папп

Редактор Т.Иванова

Заказ 1444 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035. Москва, Ж-35. Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент". г. Ужгород. ул.Гагарина 101