Параметричний ємнісний вимірювальний перетворювач повітряного зазору між ротором і статором обертових електричних машин

Abstract

Обґрунтовано, що виходячи з міркувань забезпечення універсальності та зменшення собівартості побудови засобів вимірювання повітряного зазору між ротором та статором обертових електричних машин доцільним є застосування вимірювальних перетворювачів повітряного зазору у значення вихідної постійної напруги. Такий вимірювальний перетворювач дозволить реалізувати засіб вимірювання на базі серійних мікроконтролерів з вбудованим АЦП напруги. Показано, що найпридатнішим для використання разом з електричними машинами в процесі їх промислової експлуатації є ємнісні сенсори повітряного зазору. Проте, через відносно низьку чутливість зазначеного класу первинних вимірювальних перетворювачів їх використання спільно із серійними вторинними перетворювачами типу «ємність–напруга» має обмеження, що посилюються необхідністю забезпечення можливості адаптації засобу вимірювання до широкого класу обертових електричних машин з різним номінальним значенням повітряного зазору між ротором і статором. Враховуючи зазначені обставини, запропоновано конструкцію вторинного вимірювального перетворювача типу «ємність–напруга», що характеризується змінним коефіцієнтом підсилення, відносно простим конструктивним виконанням та низьким значенням додаткової внесеної похибки. Це дозволить вирішити задачу узгодження вимірювального сигналу між сенсором повітряного зазору та наявними аналого-цифровими перетворювачами напруги, якими, зазвичай комплектуються сучасні мікроконтролери. Розроблено математичну модель запропонованого вторинного вимірювального перетворювача, отриману шляхом подальшого розвитку методу розрахунку випрямлячів Терентьєва (метод монограм), що дозволило адаптувати його для розрахунку випрямлячів з низьким значенням вхідної напруги живлення та малим значенням струмів навантаження. Отримано математичну модель вимірювального перетворювача повітряного зазору між ротором та статором обертових електричних машин в напругу, що є послідовним з’єднанням ємнісного сенсора повітряного зазору та запропонованого вторинного вимірювального перетворювача типу «ємність–напруга». Адекватність математичної моделі підтверджено експериментально.

The paper substantiates that based on the considerations of ensuring the versatility and reducing the cost of construction of measuring the air gap between the rotor and stator of rotating electric machines, it is advisable to use measuring transducers of air gap in the value of the output DC voltage. Such a measuring transducer will allow you to implement a measuring instrument based on serial microcontrollers with built-in voltage ADC. It is shown that the most suitable for use in conjunction with electric machines in the process of their industrial operation are capacitive air gap sensors. However, due to the relatively low sensitivity of this class of primary measuring transducers, their use in conjunction with serial secondary transducers such as "capacitance - voltage" has serious limitations, exacerbated by the need to adapt the measuring instrument to a wide class of rotating electric machines with different nominal air values the clearance between the rotor and the stator. Given these circumstances, it was proposed to design a secondary measuring transducer type "capacitance-voltage", characterized by variable gain, relatively simple design and low value of additional error, which will solve the existing problem of matching the measuring signal between the sensor and the sensor existing analog-to-digital voltage converters, which are usually equipped with modern microcontrollers. A mathematical model of the proposed secondary measuring instrument obtained by further development of the Terentyev rectifier calculation method (monogram method) was developed, which allowed adapting it for calculation of rectifiers with low value of input supply voltage and small value of load currents. A mathematical model of the air gap measuring transducer between the rotor and the stator of rotating electric machines into voltage is obtained, which is a series connection of the capacitive air gap sensor and the proposed secondary measur-ing transducer of the "capacitance-voltage" type. The adequacy of the mathematical model was confirmed experimentally.

Обосновано, что исходя из соображений обеспечения универсальности и уменьшения себестоимости по-строения средств измерения воздушного зазора между ротором и статором вращающихся электрических ма-шин целесообразно применение измерительных преобразователей воздушного зазора в значение выходного постоянного напряжения. Такой измерительный преобразователь позволит реализовать измеритель на базе серийных микроконтроллеров со встроенным АЦП напряжения. Показано, что наиболее подходящим для использования совместно с электрическими машинами в процессе их промышленной эксплуатации являются емкостные сенсоры воздушного зазора. Однако из-за относительно низкой чувствительности указанного класса первичных измерительных преобразователей их использование совместно с серийными вторичными преобразователями типа «емкость–напряжение» имеет серьезные огра-ничения, которые усиливаются необходимостью обеспечения возможности адаптации средства измерения к широкому классу вращающихся электрических машин с различным номинальным значением воздушного просве-та между ротором и статором. Учитывая указанные обстоятельства, предложена конструкция вторичного измерительного преобразователя типа «емкость–напряжение», характеризующегося переменным коэффици-ентом усиления, относительно простым конструктивным исполнением и низким значением дополнительной внесенной погрешности. Это позволило решить существующую проблему согласования измерительного сигна-ла между сенсором воздушного зазора и существующими аналого-цифровыми преобразователями напряжения, которыми, как правило, комплектуются современные микроконтроллеры. Разработана математическая модель предложенного вторичного измерительного преобразователя, полу-ченная путем дальнейшего развития метода расчета выпрямителей Терентьева (метод монограмм), что по-зволило адаптировать его для расчета выпрямителей с низким значением входного напряжения питания и ма-лым значением токов нагрузки. Получена математическая модель измерительного преобразователя воздушного зазора между ротором и статором вращающихся электрических машин в напряжение, представляющего собой последовательное со-единение емкостного сенсора воздушного зазора и предложенного вторичного измерительного преобразовате-ля типа «емкость–напряжение». Адекватность математической модели подтверждена экспериментально.