CC BY
42
УДК 53.087
Г аврина Олеся Владимировна
ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет»
Россия, Пенза
Аспирант кафедры «Автоматизированные электроэнергетические системы»
E-Mail: olesya-gavrina@rambler.ru
Бростилова Татьяна Юрьевна
ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет»
Россия, Пенза
Доцент кафедры «Автоматизированные электроэнергетические системы»
Кандидат технических наук E-Mail: tat-krupkina@yandex.ru
Шатова Юлия Анатольевна
ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет»
Россия, Пенза
Доцент кафедры «Автоматизированные электроэнергетические системы»
Кандидат технических наук E-Mail: yulia-shatova@yandex.ru
Информационно-измерительная система для измерения биений вала турбины на основе датчика с бегущим магнитным полем
Аннотация: В статье рассматривается информационно-измерительная система для измерения биений вала турбины электростанции на основе датчика с бегущим магнитным полем и персонального компьютера. Представленная информационно-измерительная система лишена ряда недостатков существующих измерительных систем. Это позволяет с большей точностью измерять биения вала турбины, не прибегая к усложнению измерительной системы, за счет использования двухкоординатного датчика с бегущим магнитным полем и персонального компьютера. Обработка выходного сигнала датчика осуществляется с помощью компьютерной модели в среде программирования MatLab. Программная основа ориентирована на использование звуковой карты в качестве аналого-цифрового и цифроаналогового преобразователей. В результате применения предлагаемых принципов записи и обработки сигнала датчика с бегущим магнитным полем при измерении биений вала турбины, заложенных в компьютерную модель, погрешность определения биений вала турбины составляет десятую долю процента. Также реализована дополнительная обработка выходных данных, позволяющая получить значения биений вала с повышенной точностью. Дополнительная обработка реализована на введении соответствующих корректировок полученных результатов на величину систематической погрешности, в зависимости от степени влияния конструктивных факторов датчика с бегущим магнитным полем.
Ключевые слова: Информационно-измерительная система; датчик; бегущее
магнитное поле; биения вала; турбина; электростанция; измерение; двухфазный режим работы; вал; компьютерная модель.
Идентификационный номер статьи в журнале 145TVN613
Olesya Gavrina
Penza State University Russia, Penza E-Mail: olesya-gavrina@rambler.ru
Tatiana Brostilova
Penza State University Russia, Penza E-Mail: tat-krupkina@yandex.ru
Yulia Shatova
Penza State University Russia, Penza E-Mail: yulia-shatova@yandex.ru
Turbine shaft beating information measuring system based on the sensor with moved magnetic field
Abstract: The power turbine shaft beating information measuring system based on the sensor with moved magnetic field and the personal computer is considered in this article. Presented information-measuring system is devoid number of shortcomings existing the measurement systems. This allows more accurately measure turbine shaft beating without resorting to complicated construction of t measuring system by using biaxial sensor with moved magnetic field and a personal computer. For processing the output signal of the sensor, the computer model developed using the programming environment is used. Software is oriented to using sound card as analog-to-digital and digital-to-analog converter. The accuracy of turbine shaft beating is a tenth of a percent as a result of the proposed principles of recording and processing the signal of sensor with moved magnetic field when measuring turbine shaft beating embedded in computer model. Also, additional processing is realized to output data to produce values of shaft beating with high accuracy. Additional processing is implemented by introducing consequent adjustments of the results on the magnitude of systematic error, depending on the degree of influence of design factors sensor with moved magnetic field.
Keywords: Information-measuring system; sensor; moved magnetic field; shaft beating; turbine; power; measurement; two-phase operation; shaft; computer model.
Identification number of article 145TVN613
Для устойчивой и эффективной работы энергоагрегатов электростанций черезвычайно важной задачей является обеспечение соосности валов турбины и генератора. При несоблюдении этого требования в процессе работы агрегата «турбина-вал-генератор» могут возникнуть биения вала. Сущность этого явления заключается в том, что геометрическая ось вала смещается от своего исходного положения. Этот режим работы характеризуется наличием избыточного ускоряющего момента на валу, что в свою очередь может повлечь за собой асинхронизацию генератора с энергосистемой.
Для контроля положения вала турбины в настоящее время применяются информационно-измерительные системы (ИИС), основанные на установке двух датчиков измерения расстояния до поверхности вала. Перемещение вала определяется по двум перпендикулярным направлениям. Использование двух датчиков, во-первых, усложняет измерительную систему, а, во-вторых, снижает точность измерений при наличии «эллипсности» вала. В зависимости от величин биения и «эллипсности» вала погрешность измерения может быть весьма значительной [3].
ИИС на базе датчика с бегущим магнитным полем лишена указанного недостатка. Датчик представляет собой статор электромагнитной системы (ЭМС), роль ротора датчика выполняет контролируемый вал, положение которого в любой момент времени контролируется. Особенностью такой системы является то, что ее исходным состоянием является симметричное расположение вала относительно датчика. Всякое нарушение симметрии системы приводит к изменению выходного сигнала - переменного напряжения, несущего информацию об измеряемых величинах: амплитуде, пропорциональной значению, и фазе, указывающей направление смещения вала [9]. Таким образом, датчик для измерения биений вала турбины является двухкоординатным. Это позволяет использовать его вместо нескольких однокоординатных датчиков и существенно упростить ИИС.
ИИС на базе датчика с бегущим магнитным полем может работать в двух режимах. В случае двухфазного режима работы ИИС состоит из двухфазного генератора, электромагнитной системы с датчиком, фазовращателя опорного напряжения и фазометра [1]. В случае однофазного режима работы источником питания служит однофазный генератор. Кроме фазовращателя опорного напряжения и фазометра, ИИС в данном случае содержит фазовращатель синусного (косинусного) напряжения и сумматор. С помощью суммирования напряжений синусной и косинусной обмоток получаем напряжение датчика. Таким образом, при одинаковых внешним воздействиям на датчик, выходные напряжения при одно- и двухфазном режиме работы являются идентичными. В дальнейшим целесообразно рассматривать ИИС, работающей в двухфазном режиме.
Структурная схема ИИС на базе датчика с бегущим магнитным полем и персонального компьютера представлена на рисунке 1.
Рис. 1. Структурная схема ИИС на базе датчика с бегущим магнитным полем и
персонального компьютера
Структурная схема включает в себя:
• блок задания исходных данных, которыми выступают параметры напряжений двухфазного генератора, подающиеся на выход цифро-аналогового преобразователя (ЦАП) (аналогово-цифрового преобразователя (АЦП));
среду программирования;
блок программного обеспечения;
ЦАП (АЦП);
датчик с бегущим магнитным полем;
программное обеспечение обработки информации и сохранения данных в файле;
блок вывода информации.
Для реализации ИИС использовался опытный образец датчика с бегущим магнитным полем, на который подаются напряжения питания 1В частотой 1кГц, сдвинутые относительно друг друга на 90 градусов, и персональный компьютер, управление звуковой картой которого, как и обработкой выходного напряжения датчика с бегущим магнитным полем, осуществляет да-файл среды программирования МаїЬаЬ. Конструктивные элементы опытного образца датчика представлены на рисунке 2, где 1 - внешняя крышка; 2 - электромагнитная система с обмотками датчика; 3 - крепежные шайбы.
Способ установки датчика (обмотка и внешняя крышка сняты) на контролируемый вал представлен на рисунке 3.
*'2_. Ы'
Рис. 2. Конструктивные элементы опытного Рис■ 3 Способ Установки датчика (обмотка „
^ % внешняя крышка сняты)
образца датчика ^ 7
на контролируемый вал
Для реализации ИИС на базе датчика с бегущим магнитным полем и персонального компьютера использована среда программирования MatLab с одновременным учетом программного обеспечения блоков расширения Data Acquisition Toolbox. Программное обеспечение среды программирования MatLab предусматривает ввод данных непосредственно в текст программы и в виде диалогового окна ввода и вывода информации. Программная основа блоков расширения Data Acquisition Toolbox ориентирована на использование в качестве ЦАП (АЦП) звуковой карты персонального компьютера [10-11].
Принцип записи и обработки сигнала датчика с бегущим магнитным полем при измерении биений вала турбины следующий.
При работе ИИС биений вала относительно оси корпуса на величину d под углом а относительно горизонта соответствует появлению напряжения на выходе ИИС, величина которого будет пропорциональна смещению:
к ■ d.
Фазовый сдвиг выходного напряжения относительно опорного будет равен пространственному углу смещения вала:
Ф.
выых
Синусная и косинусная обмотки датчика получают питание от персонального компьютера по средствам выводов звуковой карты по двум каналам. Косинусная обмотка по первому каналу получает питание синусным напряжением
Uc (t)= Um sinM) =
синусная обмотка по второму каналу получает питание синусным напряжением, сдвинутым по фазе относительно напряжения косинусной обмотки на 90 град
us(t) = Um sin(®t - 900 ).
При работе измерительной системы в статическом режиме амплитуда выходного напряжения равномерной обмотки будет пропорционально смещению вала d. Значение начальной фазы выходного напряжения зависит от параметров датчика и направления смещения вала
и
вых
Umebx fa +
Ф вых )*
В динамическом режиме работы абсолютное значение биения вала изменяется во времени по периодическому закону. Такой закон изменения биения вала характерен для устройств с кривошипно-шатунным механизмом. Частота изменения биения определяется скоростью вращения вала. В реальных условиях скорость вращения может изменяться от нуля до нескольких тысяч оборотов в минуту. Тогда частота изменения биения:
fd = l • n • 2 л —, d 60
где fd - частота изменения смещения вала, Гц;
n - скорость вращения вала, об/мин;
l - коэффициент, имеющий целочисленное значение.
Мгновенное значение выходного напряжения изменяется по следующему закону во времени:
ивых
(t) = p •d (t) • UebnM • sin (at + a(t)),
где p - коэффициент пропорциональности, зависящий от функции преобразования датчика биений;
UebXM - максимальное значение выходного напряжения датчика;
Ю = 2Kf - угловая частота питающего напряжения датчика.
Выходное напряжение подается на первый канал входа звуковой карты. На второй канал звуковой карты подается одно из входных напряжений датчика с бегущим магнитным полем, являющиеся опорным, и относительно которого изменяется фаза выходного напряжения. Это сделано с целью исключения погрешности передачи напряжений звуковой картой.
Двухканальный АЦП звуковой карты оцифровывает напряжения, поданные на ее вход. По умолчанию частота дискретизации звуковой карты компьютера равна 41 кГц.Программа расширения Data Acquisition Toolbox - Simulink среды «MatLab» позволяет изменять частоту дискретизации от стандартной частоты 41 кГц до частоты 120 кГц. Для обработки напряжений опытного датчика использовалась частота дискретизации 96 кГц.
Таким образом, информация о входных напряжениях на выходе звуковой карты носит цифровой характер. Для графического представления цифровых значений напряжений, записанных в файл, используются вертикальные отрезки, длины которых пропорциональны мгновенному значению соответствующего напряжения.
На рисунке 4 представлены временные диаграммы цифровых значений напряжений с учетом приведенного выше допущения.
Частота следования импульсов равна частоте дискретизации, т.е. 96 кГц. Программа, составленная для обработки оцифрованных напряжений, позволяет вычислить максимальное цифровое значение напряжения ивцм путем последовательного сравнения значений за
период (рисунок 4). Цифровое значение этого напряжения пропорционально смещению вала. Фазовый сдвиг между опорным и выходным напряжениями пропорционален отрезку времени между моментами перехода мгновенных значений напряжений через нуль (рисунок 4).
Рис. 4. Временные диаграммы цифровых значений выходного и опорного напряжений
Так как обработке подлежат оцифрованные напряжения, момент перехода напряжения через нуль зафиксировать без дополнительной обработки информации невозможно. Программа предусматривает подсчет целого числа периодов между первым положительным значением опорного напряжения и первым положительным значением выходного напряжения.
Далее вычисляются доли периода частоты дискретизации по следующей методике (рисунок 5). Фиксируется значение ивц], затем - значение иц. Период следования импульсов определяется частотой дискретизации
1
/а
где Та - период частоты / дискретизации.
Рис. 5. Методика определения уточненного значения перехода через ноль выходного напряжения
Отрезок времени от момента времени значения и ц до момента пересечения прямой, приведенной на рисунке 5, оси времени пропорционален и вц1, тогда как отрезок времени от момента пересечения прямой оси времени до первого цифрового положительного значения напряжения и вц2 пропорционален этому напряжению. Тогда отрезок времени, пропорциональный фазовому сдвигу, можно вычислить следующим образом
_ т' Та ^ ^оп ^вц •
Фазовый сдвиг, равный пространственному углу направления смещения вала, вычисляется по формуле:
2' л
а ц ~ ^ф •
Та
Подобная коррекция значения направления смещения вала обусловлена тем, что частота питания датчика биений меньше частоты дискретизации в число раз, равное
/а
отношению этих частот------.
/
Если фазовый сдвиг определять количеством полных периодов частоты дискретизации между моментами перехода цифровых значений через нуль, то погрешность измерения фазового сдвига будет достаточно высокой. Для частоты дискретизации 96 кГц и частоты питания датчика 960 Гц погрешность измерений составит 2 процента. Предложенная технология вычисления длины отрезка времени, пропорционального фазовому сдвигу, позволяет определять угол направления биения с погрешностью, равной десятой доле процента.
Кроме того, блок программного обеспечения обработки информации и сохранения данных в файле позволяет повысить точность измерения биений вала турбины. Это достигается путем введения соответствующих корректировок полученных результатов на величину систематической погрешности, в зависимости конструктивных ПАРАМЕТРЫ датчика с бегущим магнитным полем. Конструктивные факторы и их влияние на систематическую погрешность определенны в результате применения разработанной имитационной модели для исследования ИИС для измерения биений вала турбины на основе датчика с бегущим магнитным полем[2, 4-8].
Таким образом, предложенная ИИС обеспечивает измерение биений вала турбины с высокой степенью точности. Значение погрешности измерений биений вала турбины в динамическом режиме будет зависеть от соотношения скорости вращения вала, частоты питающего напряжения и частоты дискретизации сигнала.
ЛИТЕРАТУРА
1. Гаврина О.В., Шатова Ю.А./ Анализ двухфазного режима работы
информационно-измерительной системы на основе датчика биений вала с бегущим магнитным полем// Современные проблемы науки и образования. -2013. - №2 - http://www.science-education.ru/108-8942;
2. Гаврина О.В./ Влияние дискретности количества витков секций обмоток
электромагнитной системы на погрешность информационно-измерительной системы на основе датчика биений вала с бегущим магнитным полем// Энергосбережение, электромагнитная совместимость и качество в электрических сетях. -2013.-с.12-14;
3. Гаврина О.В./ Измерения биений валов. Методы, средства, эффективность//
Электронный научный журнал APRIORI. Серия: Естественные и технические науки. - 2013. - №1 - http://apriori-joumal.ru/seria2/1-2013/Gavrina.pdf;
4. Гаврина О.В./Определение влияния точности изготовления пазов магнитопровода на погрешность информационно-измерительной системы на основе датчика биений вала с бегущим магнитным полем// Техника и технологии: роль в развитии современного общества.-2013.-с.30-32;
5. Гаврина О.В./ Определение погрешностей информационно-измерительной системы для измерения биений вала с помощью имитационной модели// Математическое и компьютерное моделирование в решении задач строительства, техники, управления и образования.-2013.-с.29-33;
6. Гаврина О.В./ Применение имитационной модели для исследования информационно-измерительной системы измерения биений вала// Математическое и компьютерное моделирование в решении задач строительства, техники, управления и образования.-2013.-с.27-29;
7. Гарина О.В./ Погрешность информационно-измерительной системы на основе датчика биений вала, вызванная неортогональностью напряжений генератора// Энергосбережение, электромагнитная совместимость и качество в электрических сетях. -2013.-с.14-17;
8. Гаврина О.В./Погрешность информационно-измерительной системы на основе датчика биений вала, вызванная неточностью установки датчика// Техника и технологии: роль в развитии современного общества.-2013.-с.32-34;
9. Горячев В.Я., Гаврина О.В., Чапчиков Ю.К., Шатова Ю.А./ Анализ систематической погрешности информационно-измерительной системы на основе датчика биений вала с бегущим магнитным полем// Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. - 2013. - №1 -С.46-57;
10. Новгородцев А.Б./ Расчет электрических цепей в MATLAB: Учебный курс. -СПб.: Питер, 2004. - 250 с.: ил.;
11. Потемкин В.Г./ MATLAB 6: среда проектирования инженерных приложений. -М.: ДИАЛОГ-МИФИ, 2003 - 448с.
Рецензент: Горячев Владимир Яковлевич, заведующий кафедрой
«Автоматизированные электроэнергетические системы», д.т.н., ФГБОУ высшего профессионального образования «Пензенский государственный университет», Россия, г. Пенза.
REFERENCES
1. Gavrina O.V., Shatova Ju.A./ Analiz dvuhfaznogo rezhima raboty informacionno-
izmeritel'noj sistemy na osnove datchika bienij vala s begushhim magnitnym polem// Sovremennye problemy nauki i obrazovanija. - 2013. - №2 - http://www.science-education.ru/108-8942;
2. Gavrina O.V./ Vlijanie diskretnosti kolichestva vitkov sekcij obmotok
jelektromagnitnoj sistemy na pogreshnost' informacionno-izmeritel'noj sistemy na osnove datchika bienij vala s begushhim magnitnym polem// Jenergosberezhenie, jelektromagnitnaja sovmestimost' i kachestvo v jelektricheskih setjah.-2013.-s.12-14;
3. Gavrina O.V./ Izmerenija bienij valov. Metody, sredstva, jeffektivnost'// Jelektronnyj
nauchnyj zhurnal APRIORI. Serija: Estestvennye i tehnicheskie nauki. - 2013. - №1 - http://apriori-journal.ru/seria2/1-2013/Gavrina.pdf;
4. Gavrina O.V./Opredelenie vlijanija tochnosti izgotovlenija pazov magnitoprovoda na
pogreshnost' informacionno-izmeritel'noj sistemy na osnove datchika bienij vala s begushhim magnitnym polem// Tehnika i tehnologii: rol' v razvitii sovremennogo obshhestva.-2013.-s.30-32;
5. Gavrina O.V./ Opredelenie pogreshnostej informacionno-izmeritel'noj sistemy dlja
izmerenija bienij vala s pomoshh'ju imitacionnoj modeli// Matematicheskoe i komp'juternoe modelirovanie v reshenii zadach stroitel'stva, tehniki, upravlenija i obrazovanij a.-2013.-s.29-33;
6. Gavrina O.V./ Primenenie imitacionnoj modeli dlja issledovanija informacionno-izmeritel'noj sistemy izmerenija bienij vala// Matematicheskoe i komp'juternoe modelirovanie v reshenii zadach stroitel'stva, tehniki, upravlenija i obrazovanija.-2013.-s.27-29;
7. Garina O.V./ Pogreshnost' informacionno-izmeritel'noj sistemy na osnove datchika bienij vala, vyzvannaja neortogonal'nost'ju naprjazhenij generatora// Jenergosberezhenie, jelektromagnitnaja sovmestimost' i kachestvo v jelektricheskih setjah.-2013.-s.14-17;
8. Gavrina O.V./Pogreshnost' informacionno-izmeritel'noj sistemy na osnove datchika bienij vala, vyzvannaja netochnost'ju ustanovki datchika// Tehnika i tehnologii: rol' v razvitii sovremennogo obshhestva.-2013.-s.32-34;
9. Gorjachev V.Ja., Gavrina O.V., Chapchikov Ju.K., Shatova Ju.A./ Analiz sistematicheskoj pogreshnosti informacionno-izmeritel'noj sistemy na osnove datchika bienij vala s begushhim magnitnym polem// Izvestija vysshih uchebnyh zavedenij. Povolzhskij region. Tehnicheskie nauki. - 2013. - №1 - S.46-57;
10. Novgorodcev A.B./ Raschet jelektricheskih cepej v MATLAB: Uchebnyj kurs. -SPb.: Piter, 2004. - 250 s.: il.;
11. Potemkin V.G./ MATLAB 6: sreda proektirovanija inzhenernyh prilozhenij. - M.: DIALOG-MIFI, 2003 - 448s.
