Способ и устройство измерения вращающего момента электрической машины переменного тока
Владельцы патента RU 2321834:
Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Кубанский государственный аграрный университет" (RU)
Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в электротехнике, в частности для измерения вращающего момента электрических машин переменного тока. Способ заключается в измерении путем измерения деформации упругого элемента с помощью тензорезисторов, включенных по схеме измерительного тензометрического моста и тензореле, а в качестве упругого элемента используют зубец сердечника статора электрической машины. При этом производят измерение деформации зубца на изгиб и компенсируют ЭДС, наводимую магнитным полем машины в проводниках тензорезисторов, для исключения влияния магнитного поля машины на электрический сигнал. Устройство содержит упругий элемент, тензорезисторы, расположенные на упругом элементе и включенные по схеме измерительного тензометрического моста, тензореле, измеряющее упругие деформации. Тензорезисторы расположены с двух сторон зубца сердечника статора, в зонах с однородным магнитным полем парами, и включены в плечи измерительного тензометрического моста встречно-последовательно. Технический результат заключается в увеличении точности измерения вращающего момента электрических машин переменного тока. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.
Изобретение относится к электротехнике, в частности к способам и устройствам измерения вращающего момента электрических машин переменного тока.
Известен способ тензорезисторов для измерения вращающего момента [Жерве Г.К. Промышленные испытания электрических машин. - 4-е изд. - Л.: Энергоатомиздат, 1984, с.125]. Способ предусматривает использование четырех тензорезисторов, наклеенных на упругий вал электрической машины под углом 45° к оси вала и включенных в смежные плечи измерительного моста. Измеряемый вращающий момент пропорционален величине упругой деформации вала.
Недостатком способа является использование скользящих контактов для передачи электрического сигнала вращающихся тензорезисторов на стационарное тензореле.
Известно устройство для измерения силы [пат. RU 2047084, G01B 7/16, опубл. 1995.10.27] с помощью тензореле и тензорезисторов на основе измерения упругих деформаций, вызванных действием силы. Упругие деформации пропорциональны измеряемой силе.
Недостатком устройства является невозможность его применения для измерения вращающего момента электрической машины в условиях воздействия на тензорезисторы сильных внешних магнитных полей вследствие искажения сигнала от тензорезисторов под воздействием внешнего поля.
Наиболее близким к заявленному способу измерения вращающего момента является патент RU 2276448 C1, H02P 1/50 (2006.01), где представлен способ измерения вращающего момента электрической машины переменного тока путем измерения деформации упругого элемента с помощью тензорезисторов, включенных по схеме измерительного тензометрического моста и тензореле. В качестве упругого элемента использованы детали крепления электрической машины к основанию.
Недостатком способа является его низкая точность, вызванная тем, что в качестве упругого элемента использованы лапы электрической машины, где упругие деформации проявляются слабо, и тем, что измеряются деформации растяжения и сжатия этих лап. Известно [Литвак В.И. Тензореле. - М.: Машиностроение, 1989], что более высокой точностью обладают тензореле, измеряющие деформацию балки на изгиб.
Наиболее близким к заявленному устройству для реализации способа измерения вращающего момента является патент RU 2276448 C1, H02P 1/50 (2006.01), где представлено устройство для реализации способа измерения вращающего момента электрической машины переменного тока, содержащее упругий элемент, тензорезисторы, расположенные на упругом элементе и включенные по схеме измерительного тензометрического моста, тензореле, измеряющее упругие деформации. В устройстве использованы два тензорезистора, наклеенные на лапы электрической машины как на упругие элементы и включенные в смежные плечи измерительного тензометрического моста. Схема тензореле содержит следующие блоки: упругий элемент, тензорезисторы, наклеенные на упругий элемент и включенные в измерительную схему, источник питания, усилитель, измерительный орган.
Недостатками устройства являются невысокая точность, вызванная использованием в качестве упругого элемента лап электрической машины и отсутствием мер по компенсации влияния внешнего магнитного поля на электрический сигнал от тензорезисторов.
Технической задачей является увеличение точности измерения вращающего момента электрических машин переменного тока.
Решение задачи достигается тем, что в способе измерения вращающего момента электрических машин переменного тока путем измерения деформации упругого элемента с помощью тензорезисторов, включенных по схеме измерительного тензометрического моста и тензореле, согласно изобретению в качестве упругого элемента используют зубец сердечника статора электрической машины, производят измерение деформации зубца на изгиб и производят компенсацию ЭДС, наводимой магнитным полем машины в проводниках тензорезисторов, для исключения влияния магнитного поля машины на электрический сигнал тензорезисторов.
Реализация способа осуществляется устройством измерения вращающего момента электрической машины переменного тока, содержащим упругий элемент, тензореле, измеряющее упругие деформации, тензорезисторы, расположенные на упругом элементе и включенные по схеме измерительного тензометрического моста, согласно изобретению тензорезисторы расположены с двух сторон зубца сердечника статора в зоне с однородным магнитным полем парами и включены в плечи измерительного тензометрического моста встречно-последовательно.
Полезным результатом применения способа является увеличение точности измерения вращающего момента за счет использования упругого элемента с ярко выраженными упругими деформациями, замены измерения упругой деформации на растяжение и сжатие измерением деформации на изгиб, а также применением компенсации влияния внешнего магнитного поля на результаты измерений.
Полезным результатом применения устройства является увеличение точности измерения вращающего момента, что достигается за счет применения более чувствительного способа тензометрирования упругой деформации на изгиб и компенсации действия ЭДС, наводимой внешним магнитным полем в проводниках цепи тензорезисторов.
Патентный поиск не выявил применения зубцов сердечника статора в качестве упругого элемента, испытывающего упругие деформации на изгиб, для измерения вращающего момента электрической машины переменного тока, что позволяет судить об изобретательском уровне предложенных способа и устройства.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена схема расположения тензорезисторов в пазах сердечника статора для случая, когда не требуется компенсация ЭДС, наводимой в проводниках цепи тензорезисторов; на фиг.2 - схема расположения тензорезисторов для случая, когда требуется компенсация названной ЭДС; на фиг.3 - функциональная блок-схема устройства измерения вращающего момента электрической машины переменного тока.
Способ измерения вращающего момента электрической машины переменного тока реализуется следующим образом. При работе электрическая машина развивает вращающий момент, действующий на ротор и на статор с одинаковой величиной, но во взаимно противоположных направлениях. Основное действие момента на статор прикладывается к зубцам сердечника, в результате чего те испытывают действие упругой деформации на изгиб в тангенциальном направлении. В двигательном режиме работы электрической машины изгиб производится в сторону, противоположную вращению ротора; в генераторном - в направлении вращения ротора. Средняя величина силы, вызывающей упругую деформацию, пропорциональна вращающему моменту. Упругие деформации зубца вызывают деформации растяжения и сжатия тензорезисторов, в результате чего их электрические сопротивления изменяются. Изменение сопротивлений фиксируется тензореле и является мерой измеряемого вращающего момента.
Устройство для реализации способа измерения вращающего момента электрической машины переменного тока содержит зубец сердечника статора 1 электрической машины переменного тока, на который с двух сторон (в двух соседних пазах) наклеены тензорезисторы 2 и 3, содержащие чувствительный элемент из проводника в форме зигзага, где можно выделить продольные 4 и поперечные 5 участки, чувствительный элемент соединен с тензореле проводниками 6 и 7, размещенными в пазах в тангенциальном направлении. Проводники 6 и 7 соединены с измерительным тензометрическим мостом 8, выход которого соединен с усилителем 9, а выход усилителя 9 соединен с измерительным блоком 10, подающим сигнал на измерительный механизм 11, при этом блоки 8, 9 и 10 соединены с блоком питания 12, который соединен с источником электроэнергии 13.
Тензорезисторы расположены в зоне действия магнитного поля паза. Это поле наводит электродвижущую силу (ЭДС) в проводниках, расположенных в тангенциальном направлении. В зависимости от конфигурации паза 1 и степени насыщения зубцовой зоны магнитным полем суммарная ЭДС на свободных концах проводников 6 и 7 может равняться нулю или иметь некоторую величину. Результирующая ЭДС отсутствует при однородном магнитном поле по высоте паза, поскольку суммарная длина проводников 5, 6 и 7, расположенных в тангенциальном прямом и обратном направлениях в магнитном поле сердечника статора одинакова и суммарная ЭДС в этих проводниках равна нулю. ЭДС на свободных концах проводников 6 и 7 имеет место при неоднородном магнитном поле по высоте паза, когда в верхних участках 5 чувствительного элемента наводится ЭДС другой величины и начальной фазы, чем на элементах равной длины нижних участков чувствительного элемента и в проводниках 6 и 7. На вертикальных участках чувствительного элемента ЭДС практически не наводится, поскольку они расположены вдоль силовых линий магнитного поля, к тому же в соседних проводниках ДС направлены навстречу друг другу. Результирующая ЭДС вызывает искажения в работе измерительного тензометрического моста и нуждается в компенсации. В этом случае должно применяться устройство по фиг.2, где тензорезисторы устанавливаются идентичными парами и в каждой паре включаются последовательно-встречно. В этом случае происходит компенсация ЭДС в цепи тензорезисторов, поскольку ЭДС на отдельных идентичных участках чувствительного элемента оказываются включенными встречно и уравновешивают друг друга. Каждая пара тензорезисторов составляет плечи тензометрического моста 8.
В заявленном устройстве могут быть использованы известные тензореле (фиг.3). Тензореле работает следующим образом. При изменении вращающего момента электрической машины переменного тока тензорезисторы 2 и 3 изменяют свое электрическое сопротивление, вызывая сигнал на выходе измерительного тензометрического моста 8, пропорциональный измеряемому моменту. Этот сигнал усиливается усилителем 9 и подается на вход измерительного блока 10, преобразующего сигнал к виду, требуемому измерительным механизмом 11, и подающего преобразованный сигнал на измерительный механизм 11 (показывающий или регистрирующий прибор) для воспроизведения. Измерительный мост 8, усилитель 9 и измерительный блок 10 нуждаются в источниках электроэнергии, в качестве которых выступает блок 12, подключенный к источнику электроэнергии 13.
1. Способ измерения вращающего момента электрической машины переменного тока путем измерения деформации упругого элемента с помощью тензорезисторов, включенных по схеме измерительного тензометрического моста и тензореле, отличающийся тем, что в качестве упругого элемента используют зубец сердечника статора электрической машины, производят измерение деформации зубца на изгиб и компенсируют ЭДС, наводимую магнитным полем машины в проводниках тензорезисторов, для исключения влияния магнитного поля машины на электрический сигнал.
2. Устройство для реализации способа измерения вращающего момента электрической машины переменного тока, содержащее упругий элемент, тензорезисторы, расположенные на упругом элементе и включенные по схеме измерительного тензометрического моста, тензореле, измеряющее упругие деформации, отличающееся тем, что тензорезисторы расположены с двух сторон зубца сердечника статора в зонах с однородным магнитным полем парами и включены в плечи измерительного тензометрического моста встречно-последовательно.
