Измерительный преобразователь для ёмкостного сенсора воздушного зазора в гидрогенераторе

Одним из важнейших параметров мощных гидрогенераторов является воздушный зазор между ротором и статором, и его отклонение от заданных норм является дефектом, который может привести к серьёзным авариям. Поэтому величину и форму зазора необходимо контролировать как во время осмотров, так и при эксплуатации машины. Целью данной работы являлась разработка вторичного измерительного преобразователя, обеспечивающего точность и разрешающую способность, для ёмкостного сенсора зазора, образованного компланарными параллельными электродами.

Рассматриваются особенности измерения воздушного зазора в мощных гидрогенераторах, а также существующие современные методы и средства измерений. Показано, что для измерения зазора в гидрогенераторах одним из наиболее подходящих средств является измеритель, в состав которого входит ёмкостный сенсор, устанавливаемый на расточке сердечника статора. Серийно выпускаемые измерители зазора с ёмкостными сенсорами по своим некоторым характеристикам не всегда подходят для использования в гидрогенераторах.

Предложен вторичный измерительный преобразователь с улучшенными характеристиками для ёмкостного сенсора зазора, образованного компланарными параллельными электродами.

Преобразователь разработан на основе уравновешенной компенсационно-мостовой измерительной цепи с формированием управляющего воздействия по фазе сигнала неравновесия. Приведена структурная схема преобразователя и описан алгоритм её работы. Рассмотрен процесс формирования в схеме измерительного выходного сигнала, пропорционального рабочей ёмкости сенсора.

Применение ёмкостного сенсора с компланарными параллельными электродами и предложенного вторичного измерительного преобразователя позволит обеспечить высокую точность и разрешающую способность при измерении воздушного зазора.

1. Алексеев, Б.А. Определение состояния (диагностика) крупных гидрогенераторов. – 2-е изд., стер. / Б.А. Алексеев – М.: Изд-во НЦ ЭНАС, 2002. – 144 с.

2. Левицький, А.С. Контроль стану потужних гідрота турбогенераторів за допомогою ємнісних вимірювачів параметрів механічних дефектів / А.С. Левицький, Г.М. Федоренко, О.П. Грубой. – К.: Ін-т електродинаміки НАН України, 2011. – 242 с.

3. Cerpinska, M. Dynamic air gap chance of lowspeed generator considering thermal expansion, centrifugal force and magnetic force effects / M. Cerpinska, R. Elmanis-Helmanis // Latvian journal of physics and technical sciences. – 2017. – No. 5. – P. 26–37. DOI: 10.1515/lpts-2017-0031

4. Adamowski, J.С. Ultrasonic dynamic airgap monitoring system for large hydro-generators / J.C. Adamowski [et al.] // In IEEE Joint UFFC, EFTF and PFM Symposium, 2013, Prague, Czech Republic. 21–25 July 2013. – P. 1311–1314. DOI: 10.1109/ULTSYM.2013.0335

5. Kokoko, O. Analysis of air-gap influence on a large hydro generator’s parameters using sud-den symmetrical short-circuit test / O. Kokoko [et al.] // In 2015 IEEE International Electric Machines & Drives Conference (IEMDC). 10–13 May 2015. – P. 102–107. DOI: 10.1109/IEMDC.2015.7409044

6. VM™6.1 Capacitive Air Gap Measuring Chains. User’s Manual. VibroSystM, Canada, 2017, 12 p.

7. 4000 Series Air Gap Sensor System Datasheet Bently Nevada Machinery Condition Monitoing. BentlyNevada, Nevada USA, 2019, 18 p.

8. Iris power capacitive air gap sensors. Iris Power, Canada, 2016, 4 p.

9. Air Gap Measuring System LS 120-121 Transducers & ILS 730-731 Conditioners. Vibro-Meter SA, Switzerland, 2012, 4 p.

10. Левицький, А.С. Визначення функції перетворення ємнісного сенсора повітряного зазору в гідрогенераторі СГК 538/160-70М / А.С. Левицький, Є.О. Зайцев, Б.А. Кромпляс // Праці Інституту електродинаміки Національної академії наук. – 2016. – № 43. – С. 134–136.

11. Джежора, А.А. Электроемкостные преобразователи и методы их расчета / А.А. Джежора. – Минск: Белорусская наука. – 2008. – 305 с.

12. Xiaohui, H. Planar capacitive sensors – designs and applications / H. Xiaohui, Y. Wuqiang // Sensor Review. – 2010. – No. 30(1). – P. 24–39. DOI: 10.1108/02602281011010772

13. Mamishev, A.V. Interdigital Sensors and Transducers / A.V. Mamishev [et al.] // Proceeding of the IEEE. – 2004. – Vol. 92, no. 5. – P. 808–845. DOI: 10.1109/JPROC.2004.826603

14. Yonggang, H. Analysis of a concentric coplanar capacitor for epidermal hydration sensing. Sensors and Actuators / H. Yonggang [et al.] // A203: Physical. – 2013. – P. 149–153. DOI: 10.1016/j.sna.2013.08.037

15. Amr, N.A. Improved interdigital sensors for structural health monitoring of composite retrofit systems / N.A. Amr, W. Wael // Journal of Reinforced Plastics and Composite. – 2011. – No. 30(7). – P. 621–629. DOI: 10.1177/0731684411399944

16. Chen, T. Capacitive sensors for measuring complex permittivity of planar and cylindrical structures / T. Chen. – Iowa: Iowa State University. – 2012. – 204 p.

17. Sheiretov, Y. Modeling of Spatially Periodic Dielectric Sensors in the Presence of a Top Ground Plane Bounding the Test Dielectric / Y. Sheiretov, M. Zahn // IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation. – 2005. – Vol. 12, no. 5. – P. 993–1004. DOI: 10.1109/TDEI.2005.1522192

18. Xiaobei, Li. Design Principles for Multicuhannel Fringing Electric Field Sensors / Li. Xiaobei [et al.] // IEEE Sensors journal. – 2006. – Vol. 6, no. 2. – P. 434– 440. DOI: 10.1109/JSEN.2006.870161

19. Chen, T. Analysis of a concentric coplanar capacitive sensor for nondestructive evaluation of multilayered dielectric structures / T. Chen, N. Bowler // IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation. – 2010. – Vol. 17, no. 4. – P. 1307–1318. DOI: 10.1109/TDEI.2010.5539703

20. Новик, А.И. Особенности построения измерительных цепей для работы с ёмкостными датчиками / А.И. Новик [и др.] // Технічна електродинаміка. – 2005. – № 1. – С. 66–70.

21. Zaitsev, Ie.O. Research of a Capacitive Distance Sensor to Grounded Surface / Ie.O. Zaitsev [et al.] // Telecommunications and Radio Engineering. – 2019. – Vol. 78, no. 2. – P. 173–180. DOI: 10.1615/TelecomRadEng.v78.i2.80