HALF-DIFFERENTIAL CAPACITIVE AIR GAP SENSOR FOR HYDROGENERATORS

In the paper proposed half-differential capacitive sensor for measuring the air gap between the stator core boring and the rotor poles in a powerful hydro-generator. The main parts of the sensor are a variable working capacitor and a constant working capacitor, the electrode geometry of which is sim...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2024
Автори:	Levytskyi , A., Zaitsev , I., Rassovskyi , V.
Формат:	Стаття
Мова:	Українська
Опубліковано:	Institute of Renewable Energy National Academy of Sciences of Ukraine 2024
Теми:	hydrogen generator stator core boring rotor pole air gap measurement semi-differential capacitive sen-sor.
Онлайн доступ:	https://ve.org.ua/index.php/journal/article/view/478
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Vidnovluvana energetika
Завантажити файл:

Репозитарії

Vidnovluvana energetika

_version_	1871103802755514368
author	Levytskyi , A. Zaitsev , I. Rassovskyi , V.
author_facet	Levytskyi , A. Zaitsev , I. Rassovskyi , V.
author_institution_txt_mv	[ { "author": "A. Levytskyi ", "institution": "Institute of Electrodynamics of the NAS of Ukraine, Kyiv, Ukraine" }, { "author": "I. Zaitsev ", "institution": "Institute of Electrodynamics of the NAS of Ukraine, Kyiv, Ukraine" }, { "author": "V. Rassovskyi ", "institution": "PJSC \"Ukrhydroenergo\", Vyshhorod, Ukraine." } ]
author_sort	Levytskyi , A.
baseUrl_str	https://ve.org.ua/index.php/journal/oai
collection	OJS
datestamp_date	2026-07-18T06:32:20Z
description	In the paper proposed half-differential capacitive sensor for measuring the air gap between the stator core boring and the rotor poles in a powerful hydro-generator. The main parts of the sensor are a variable working capacitor and a constant working capacitor, the electrode geometry of which is similar to the ge-ometry of the electrodes of the variable capacitor. Sensor construction is a multilayer printed circuit board with conductive and dielectric insulating layers. The variable capacitor and the constant capacitor are formed by systems of strip parallel coplanar high-potential and low-potential electrodes of equal width, between which the grounded electrodes are placed. The ratio between the width of the high-potential, low-potential and grounded electrodes in the working capacitors is chosen depending on the value of the measured nominal air gap. The length of the high-potential and low-potential electrodes of the perma-nent capacitor is determined by the size of the gap in the dielectric layer, which determines the capacity of the specified capacitor. The electric capacity is measured between the system of parallel-connected high-potential electrodes and the system of parallel-connected low-potential electrodes of the working variable capacitor, which functionally depends on the size of the air gap. The electrical capacity between the sys-tem of parallel-connected high-potential electrodes and the system of parallel-connected low-potential electrodes of a constant capacitor is measured, which functionally depends on the size of the air gap, which is determined by the thickness of the dielectric layer with a cutout in the printed circuit board. To eliminate the influence of the external environment, the ratio of the capacities of the constant and varia-ble capacitor used to determine the informative parameter. Analytical and graphical dependences for the conversion function of the sensor intended for use on a capsule hydrogen generator of the SGK538/160-70M type have been determined. Compared to analogues, the sensor has a higher measurement accuracy due to half-differential measurement scheme used, which eliminates the influence of the external envi-ronment. A sensor or a system of sensors can be used as a separate meter or as a component of monitor-ing and diagnostic systems. Ref. 14. Fig. 4.
doi_str_mv	10.36296/1819-8058.2024.3(78).132-139
first_indexed	2025-07-17T11:39:38Z
format	Article
fulltext	132 Відновлювана енергетика. №3/2024 \| Гідро-воднева енергетика УДК 621.317.39 https://doi.org/10.36296/1819-8058.2024.3(78)132-139 НАПІВДИФЕРЕНЦІАЛЬНИЙ ЄМНІСНИЙ СЕНСОР ПОВІТРЯНОГО ПРОМІЖКУ В ГІДРОГЕНЕРАТОРАХ Отримано 08 сер. 2024 р.; рекомендовано до публікації 16 вер. 2024 р. Доступно онлайн 01 жов. 2024 р. Левицький А. С.1, Зайцев Є. О.2, Рассовський В. Л.3 Автор для кореспонденції: Євген Зайцев, e-mail: zaitsev@i.ua У роботі запропоновано та досліджено напівдиференціаль- ний ємнісний сенсор для вимірювання повітряного проміжку між розточенням осердя статора й полюсами ротора в по- тужному гідрогенераторі. Основними функціональними час- тинами сенсора є змінний робочий конденсатор та постій- ний робочий конденсатор, геометрія електродів якого є подібною до геометрії електродів змінного конденсатора. Конструкція сенсора являє собою багатошарову друковану плату з провідними та діелектричними ізо- лювальними шарами. Змінний конденсатор і постійний конденсатор утворені системами рівних за ши- риною стрічкових паралельних компланарних високопотенціальних та низькопотенціальних електро- дів, між якими розміщуються заземлені електроди. Співвідношення між шириною високопотенціаль- ного, низькопотенціального та заземленого електродів у робочих конденсаторах вибране залежно від величини вимірюваного номінального зазору. Довжина високопотенціальних та низькопотенціальних електродів постійного конденсатора визначається розмірами вирізу в діелектричному шарі, який ви- значає ємність зазначеного конденсатора. Вимірюється електрична ємність між системою парале- льно з’єднаних між собою високопотенціальних електродів і системою паралельно з’єднаних між собою низькопотенціальних електродів робочого змінного конденсатора, яка функціонально залежить від ве- личини повітряного зазору. Вимірюється електрична ємність між системою паралельно з’єднаних між собою високопотенціальних електродів і системою паралельно з’єднаних між собою низькопотенціа- льних електродів постійного конденсатора, яка функціонально залежить від величини повітряного проміжку, що визначається товщиною діелектричного шару з вирізом в друкованій платі. Усунення впливу зовнішнього середовища досягається за рахунок того, що у вторинному вимірювальному пере- творювачі як інформативний параметр визначається відношення вказаних значень ємності. Визна- чено аналітичні та графічні залежності для функції перетворення сенсора, призначеного для викорис- тання на капсульному гідрогенераторі типу СГК538/16070М. Сенсор в порівнянні з аналогами має вищу точність вимірювання завдяки застосуванню напівдиференціальної схеми вимірювання, яка усуває вплив зовнішнього середовища. Сенсор або система сенсорів можуть бути використані як окремий ви- мірювач, так і як складова частин систем моніторингу та діагностики. Біб. 14. Рис. 4. Ключові слова: гідрогенератор, розточення осердя статора, полюс ротора, повітряний зазор, вимірю- вання, напівдиференціальний ємнісний сенсор. 1 д-р. техн. наук https://orcid.org/0000-0002-0146-9498 2 д-р. техн. наук https://orcid.org/0000-0003-3303-471Х 3 головний інженер https://orcid.org/0009-0002-1666-3063 1, 2 Інститут електродинаміки НАН Укра- їни, м. Київ, Україна 3 ПрАТ «Укргідроенерго», м. Вишгород, Україна 133 Відновлювана енергетика. №3/2024 \| Гідро-воднева енергетика HALF-DIFFERENTIAL CAPACITIVE AIR GAP SENSOR FOR HYDROGENERATORS Received Aug. 08, 2024; accepted Sep. 16, 2024 Available online Oct. 01, 2024 Levytskyi A.1, Zaitsev I.2, Rassovskyi V.3 Author for correspondence: Ievgen Zaitsev, e-mail: zaitsev@i.ua In the paper proposed half-differential capacitive sensor for meas- uring the air gap between the stator core boring and the rotor poles in a powerful hydro-generator. The main parts of the sensor are a variable working capacitor and a constant working capaci- tor, the electrode geometry of which is similar to the ge-ometry of the electrodes of the variable capacitor. Sensor construction is a multilayer printed circuit board with conductive and dielectric insulating layers. The variable capacitor and the constant capacitor are formed by systems of strip parallel coplanar high-potential and low-potential electrodes of equal width, between which the grounded electrodes are placed. The ratio between the width of the high-poten- tial, low-potential and grounded electrodes in the working capacitors is chosen depending on the value of the measured nominal air gap. The length of the high-potential and low-potential electrodes of the perma-nent ca- pacitor is determined by the size of the gap in the dielectric layer, which determines the capacity of the specified capacitor. The electric capacity is measured between the system of parallel-connected high-potential electrodes and the system of parallel-connected low-potential electrodes of the working variable capacitor, which function- ally depends on the size of the air gap. The electrical capacity between the sys-tem of parallel-connected high- potential electrodes and the system of parallel-connected low-potential electrodes of a constant capacitor is measured, which functionally depends on the size of the air gap, which is determined by the thickness of the die- lectric layer with a cutout in the printed circuit board. To eliminate the influence of the external environment, the ratio of the capacities of the constant and varia-ble capacitor used to determine the informative parameter. Ana- lytical and graphical dependences for the conversion function of the sensor intended for use on a capsule hydrogen generator of the SGK538/160-70M type have been determined. Compared to analogues, the sensor has a higher measurement accuracy due to half-differential measurement scheme used, which eliminates the influence of the external envi-ronment. A sensor or a system of sensors can be used as a separate meter or as a component of monitor-ing and diagnostic systems. Ref. 14. Fig. 4. Keywords: hydrogen generator, stator core boring, rotor pole, air gap, measurement, semi-differential capacitive sensor. Перелік використаних скорочень та позначень: ПП – повітряний проміжок ГГ – гідрогенератор Вступ і постановка завдання. Одним із найважливіших параметрів, який значною мірою впливає на ефектив- ність роботи потужного гідрогенератора (ГГ), є повітря- ний проміжок (ПП) між полюсами ротора та поверхнею розточення осердя статора. Цей параметр є критично ва- жливим для забезпечення стабільної роботи машини, оскільки навіть незначні відхилення можуть істотно впли- нути на електромагнітні характеристики та надійність гід- рогенератора, його функціональність і продуктивність. У міжнародних і державних нормативних документах [1, 2] зазначено, що ПП в гідрогенераторах в діаметрально протилежних точках розточення осердя статора мають відрізнятися один від одного не більше, ніж на ±20 %, якщо заводськими інструкціями не передбачені більш жорсткі норми. Суворе дотримання вимог під час вигото- влення, монтажу й експлуатації гідрогенератора дає змогу підвищити надійність та довговічність машини. Для забезпечення достовірного контролю ПП в ГГ на цей час найширше використовуються автоматизовані вимі- рювачі на базі ємнісних сенсорів (ЄС), що виконані в фо- рмі пластини, яка закріплюється на розточенні осердя 1 Dr. of Tech Science https://orcid.org/0000-0002-0146-9498 2 Dr. of Tech Science https://orcid.org/0000-0003-3303-471Х 3 Chief Engineer https://orcid.org/0009-0002-1666-3063 1, 2 Institute of Electrodynamics of the NAS of Ukraine, Kyiv, Ukraine 3 PJSC "Ukrhydroenergo", Vyshhorod, Ukraine. 134 Відновлювана енергетика. №3/2024 \| Гідро-воднева енергетика статора [3]. Ємнісні сенсори мають відносно високі мет- рологічні характеристики, нечутливі до впливу потуж- них електромагнітних полів, а діапазон їх робочих тем- ператур визначається лише характеристиками матеріалів, з яких вони виготовлені. Ємнісні сенсори легко піддаються розрахунку та відтворенню, у тому чи- слі при масовому і серійному виробництві, нескладні у виготовленні й налагодженні. Достатня інформатив- ність контролю ПП з використанням системи ємнісних сенсорів, особливо для контролю форми розточення статора, досягається завдяки встановленню необхідної кількості сенсорів. Найвідоміші світові компанії, які се- рійно випускають ємнісні вимірювачі ПП для ГГ: VibroSystm (Канада) [4, 5], Bently Nevada (США) [6], Iris Power (Канада, США) [7], Meggitt SA (Швейцарія) [8]. Аналіз науково-технічних джерел показав, що зазначені компанії не публікують даних щодо геометрії електродів ємнісних сенсорів і даних з оцінки впливу конструктивних розмірів осердя статора і полюсів ротора ГГ, а також фізи- чних параметрів зовнішнього середовища, зокрема во- логості, на функцію їх перетворення (залежність зміни ви- хідної величини від зміни вхідних параметрів). В ІЕД НАН України було створено і досліджено ряд ємнісних сенсо- рів ПП в ГГ, в який мінімізовано вплив таких факторів, як індукція магнітного поля в ПП [9, 10] і вплив кривизни по- люса ротора [11, 12]. Водночас на основі результатів дос- ліджень впливу параметрів зовнішнього середовища на функцію перетворення ємнісних сенсорів встановлено, що він є відомим фактором, який призводить до виник- нення додаткової похибки, яка здебільшого обумовлена зміною температури та вологості повітряного середо- вища, що оточує ємнісний сенсор ПП у гідрогенераторі. Дослідження впливу параметрів зовнішнього середо- вища на ємнісні сенсори ПП, запропонованих у [9‒12], не проводились, а інформація для ємнісних сенсорів інших компаній відсутня. Тому виконання завдання мінімізації впливу зовнішніх параметрів на результат вимірювання значення ПП ємнісними сенсорами в гідрогенераторах [9‒12] є актуальним. Для цього слід удосконалити конст- рукцію електродів сенсора шляхом застосування напів- диференціальної схеми вимірювання, що дозволить під- вищити їхню стійкість до впливу повітряного середовища в гідрогенераторах. Метою цієї роботи є визначення характеристик напівди- ференціального ємнісного сенсора повітряного промі- жку в гідрогенераторах, в якому мінімізовано похибку вимірювання, зумовлену впливом параметрів повітря- ного середовища в гідрогенераторі. Основна частина. Під час вимірювання переміщень і ро- змірів, таких як вимірювання ПП в потужних гідрогене- раторах, важливо зменшити вплив неінформативних па- раметрів на результати вимірювань, наприклад температурних змін геометричних розмірів електродів вимірювального конденсатора, змін температури й во- логості середовища в робочих проміжках сенсорів. Для зменшення цього впливу оптимальним та ефективним є застосування диференціальної схеми вимірювання [13, 14]. У цьому разі сенсор складається з двох частин, при- чому ємність одної частини зі збільшенням вимірюваль- ного параметра збільшується, а іншої – зменшується, і навпаки. Інформативним параметром диференціаль- ного сенсора є відношення значень ємності складових частин. Така схема вимірювання ємності сенсора змен- шує вплив на результати вимірювань зовнішніх факто- рів, як-от коливання температури або вологості, оскі- льки ці фактори впливають на вимірювану ємність обох частин однаково. Але для сучасного перспективного се- нсора ПП, описаного в [11] диференціальну схему вимі- рювання застосувати неможливо. Тому пропонується створити напівдиференціальний сенсор, додавши в конструкцію сенсора поряд зі змінним робочим конден- сатором постійний конденсатор з електродами, геомет- рично подібними змінному конденсатору. Схему вимірювання ПП ємнісним сенсором, наведеним в [11], показано на рис. 1, а, де: 1 – ємнісний сенсор з систе- мою електродів, 2 – розточення осердя статора ГГ, 3 – по- люс ротора. Зі зміню відстані VARd між загальною площи- ною електродів сенсорів і поверхнею полюса ротора змінюється електрична ємність VARC між електродами се- нсора. На рис. 1, б наведено розміщення такого сенсора ПП на зубці статора гідрогенератора типу СГК538/160-70М. а б Рис. 1. Схема вимірювання ПП в ГГ ємнісним сенсором Fig. 1. Scheme of measuring the air gap in the hydrogen generator with a capacitive sensor 135 Відновлювана енергетика. №3/2024 \| Гідро-воднева енергетика До складу сенсора (рис. 2) входять стрічкові, паралельні між собою і перпендикулярні твірній розточення осердя статора високо-потенціальні електроди 1, низько-поте- нціальні електроди електроди 2 та додатковий заземле- ний електрод 3. Додатковий електрод 3 розташований навколо високо-потенціальних і низько-потенціальних електродів та між ними. Електроди 1, 2 і 3 розміщені в одній площині й відокремлені один від одного діелект- ричними проміжками 4. Інформативною ємністю про величину ПП є ємність C12VAR між системою електродів 1 і 2, яка змінюється зі зміною відстані dVAR між загальною площиною електро- дів 1, 2 і 3 та поверхнею полюса ротора 7. Як показано в [11], ця ємність визначається за формулою (1). L2VAR L1VAR L= N (b +s +b ) s s b b b b b 2 2 2 1 1 1 3 4 2 1 2 h L3VAR Рис. 2. Система електродів змінного робочого конденсатора Fig. 2. Electrode system of variable working capacitor VAR VAR0 r 12VAR 2VAR VAR VAR th th = ln , th th 2 πs π(s+ 2b) + 4d 4dε ε C NL π(s+ 2b) πsπ 4 4d 4d       (1) де 0ε = 8,8542 × 10-12 Ф/м – діелектрична проникність вакууму, rε – відносна діелектрична проникність пові- тря, b – ширина високо-потенціального 1 та низько-по- тенціального електродів 2, s – відстань між електро- дом 1 і електродом 2, L2VAR – довжина низько- потенціального електрода 2, dVAR – відстань між загаль- ною площиною електродів 1, 2 , 3 і полюсом ротора, N – кількість елементарних сенсорів, утворених елект- родами 1 і 2 при паралельному з’єднанні. Довжина електрода 1 вибрана з умови = +L L l1VAR 2VAR 3VAR2 ,  AGnoml d3VAR ( AGnomd – номінальна ве- личина ПП в ГГ) [11]. Конструктивно сенсор [11] є багатошаровою друкова- ною платою з провідними шарами, між якими розмі- щено ізолювальні діелектричні шари. У верхньому про- відному шарі, орієнтованому до полюса ротора, сформовано систему електродів робочого сенсора, єм- ність якого змінюється зі зміною ПП. Два інші провідні шари є заземленими. Для мінімізації впливу зовніш- нього середовища на результат вимірювання ПП у стру- ктуру сенсора ПП [11] пропонується додати нові про- відні та ізолювальні шари, з використанням яких сформувати постійний конденсатор з постійним повіт- ряним проміжком, який буде частиною напівдиферен- ціального конденсатора. На рис. 3 наведено запропоновану конструктивну схему напівдиференціального конденсатора. A d C O N 1 2 3 4 5 6 7 Рис. 3. Схема напівдиференціального ємнісного сенсора ПП Fig. 3. Half-differential capacitive air gap sensor construction Сенсор (рис. 3) складається з: тонкого провідного шару 1, в якому сформовано електроди робочого змінного 136 Відновлювана енергетика. №3/2024 \| Гідро-воднева енергетика конденсатора; ізолювального діелектричного шару 2; тонкого заземленого провідного шару 3; ізолювального діелектричного шару 4; тонкого провідного шару 5, в якому сформовано електроди постійного кондесатора; діелектричнрго ізолювального шару 6 з прорізом; заземленого провідного шару 7. Товщина діелектричного шару 6 визначає величину відстані dCON між загальною площиною електродів постійного конденсатора и заземленим провідним шаром 7. Ширина A прорізу в шарі 6 вибрана з урахуванням необхідності забезпечити механічну міцність сенсора та можливість вільної вентиляції сенсора (проходження охо- лоджуючого повітря), визначається технологією виготов- лення і матеріалами сенсора (в реальній конструкції має величину в кілька міліметрів). Постійний конденсатор (рис. 4) зроблено максимально подібним до змінного конденсатора сенсора ПП [11]. Він також містить систему високо-потенціальних 1 і ни- зько-потенціальних електродів 2 з розміщеним між ними заземленим додатковим електродом 3. Кількість елементарних конденсаторів у системі електродів пос- тійного конденсатора така сама, як у змінному, – N . Ширина високо-потенціальних і низько-потенціальних електродів в обох конденсаторах дорівнює b , а відс- тань між електродом 1 і електродом 2 – s . L2CON L1CON L= N (b +s +b ) s s b b b b b 2 2 2 1 1 1 3 4 2 1 2 h L3CON Рис. 4. Система електродів постійного робочого конденсатора Fig. 4. Electrode system of permanent working capacitor Довжина L1CONST високо-потенціального електрода 1 у постійному конденсаторі вибрана з умови L A1CON , а довжина L2CON низько-потенціальйного електрода 2 – з умови 1CON 2CON 2VAR 1VAR L L L L = Електрична ємність C12CON постійного конденсатора вимірюється між системою електродів 1 і 2, розрахову- ється аналогічно до ємності змінного інформативного конденсатора       2 πs π(s+ 2b) + 4d 4dε ε C NL π(s+ 2b) πsπ 4 4d 4d CON CON0 12CON 2CON CON CON r th th = ln , th th (2) де L2CON – довжина 136низько-потенціального елект- рода 2 постійного конденсатора, dCON – відстань між за- гальною площиною електродів 1, 2, 3 постійного конде- нсатора і провідним шаром 7 (рис. 3). Як відомо з [13, 14], в разі застосування напівдиферен- ціальної схеми вимірювання фізичних величин інфор- мативні параметри P визначаються як відношення єм- ності C12VAR змінного і ємності C12CON постійного конденсаторів, які входять до складу сенсора. В цьому разі можливі два варіанти визначення інформативного параметра P , як відношення ємності змінного і постій- ного конденсаторів. Розглянемо ці випадки. Випадок 1. C P = C 12VAR 12CON 1 . Підставимо значення ємності конденсаторів і отримаємо значення P1 у вигляді функ- ції від dVAR VAR VAR0 2VAR 12VAR VAR VAR 12CON CON CON0 2CON CON CON r 1 r th th ln th th th th ln th th 2 2 πs π(s+ 2b) + 4d 4dε ε NL π(s+ 2b) πsπ 4 C 4d 4d P = C πs π(s+ 2b) + 4d 4dε ε NL π(s+ 2b) πsπ 4 4d 4d       = =       VAR VAR 2VAR VAR VAR 2CON CON CON CON CON th th ln th th th th ln th th . 2 2 πs π(s+ 2b) + 4d 4d π(s+ 2b) πs 4 L 4d 4d L πs π(s+ 2b) + 4d 4d π(s+ 2b) πs 4 4d 4d       =       (3) 137 Відновлювана енергетика. №3/2024 \| Гідро-воднева енергетика Якщо в (3) виділити постійний коефіцієнт =       2 L K πs π(s+ 2b) + 4d 4d L π(s+ 2b) πs 4 4d 4d 2VAR CON CON 2CON CON CON 1 th th ln th th , то формула (3) набуде вигляду       = 2 πs π(s+ 2b) + 4d 4d P K π(s+ 2b) πs 4 4d 4d VAR VAR VAR VAR 1 1 th th ln th th . (4) Випадок 2. −C C P = C 12VAR 12CON 12CON 2 . CON CONVAR VAR0 r 0 r 2VAR 2CON 12VAR 12CON VAR VAR CON CON 2 12CON CON CON0 r 2CON th thth th ln ln th th th th th th ln 22 πs π(s+ 2b)πs π(s+ 2b) ++ 4d 4d4d 4dε ε ε ε NL NL π(s+ 2b) πs π(s+ 2b) πsπ π4 4 C C 4d 4d 4d 4d P = C πs π(s+ 2b) + 4d 4dε ε NL π          − − =    CON CON th th 2 π(s+ 2b) πs 4 4d 4d =    VAR VAR 2VAR VAR VAR CON CON 2CON CON CON th th ln th th 1 th th ln th th 2 2 πs π(s+ 2b) + 4d 4d L π(s+ 2b) πs 4 4d 4d πs π(s+ 2b) + 4d 4d L π(s+ 2b) πs 4 4d 4d       = −       (5) Якщо в (5) виділити постійний коефіцієнт 2VAR 2 VAR VAR 2CON VAR VAR th th ln th th 2 L K πs π(s+ 2b) + 4d 4d L π(s+ 2b) πs 4 4d 4d =       , то формулу (5) можна записати як       = − 2 πs π(s+ 2b) + 4d 4d P K π(s+ 2b) πs 4 4d 4d VAR VAR 2 2 VAR VAR th th ln 1 th th . (6) Як видно з формул (4) і (6), інформативні параметри на- півдиференціального ємнісного сенсора повітряного проміжку залежать тільки від зміни відстані між загаль- ною площиною електродів змінного конденсатора та не залежать від зміни параметрів зовнішнього середо- вища. Висновки 1. Розроблено конструкцію ємнісного напівдиференціа- льного ємнісного сенсора повітряного проміжку в поту- жних гідрогенераторах, в якому за рахунок викорис- тання як інформативного параметра відношення змінної інформативної ємності до постійної, вбудованій в конструкцію сенсора, усунено вплив на точність вимі- рювання параметрів зовнішнього середовища сенсора. 2. Отримані теоретичні результати дають можливість проєктувати / створювати реальні конструкції сенсорів з використанням сучасних технологій. 3. Використання сенсора дозволить підвищити точність вимірювання повітряних проміжків у гідрогенераторах під час роботи машин, коли змінюється температура і відносна вологість повітряного середовища, що оточує сенсор ПП. 4. Запропонований сенсор може бути використаний на капсульних гідрогенераторах типу СГК 538/160-70М Ки- ївської та Канівської ГЕС. Робота виконана за держбюджетною темою «Розши- рення функціональних можливостей та підвищення 138 Відновлювана енергетика. №3/2024 \| Гідро-воднева енергетика метрологічних характеристик засобів вимірювання в системах моніторингу і діагностування в електрое- нергетиці» Шифр «ПАРАМЕТР-Д», реєстраційний но- мер (0122U000136) та проєктом Національного фонду досліджень України «Моделі і засоби підвищення ефек- тивності роботи гідро- та гідроакумулювальних еле- ктростанцій для балансування ОЕС України в умовах ринку електричної енергії та особливих технологічних обмежень» з виконання наукових досліджень і розро- бок «Наука для відбудови України у воєнний та повоєн- ний періоди» (номер 2022.01/0069). ПОСИЛАННЯ 1. ISO 19283:2020 (E). Condition monitoring and diagnostics of machines – Hydroelectric generating units. ISO copyright office:Geneva, Switzerland, 2020. 70 с. 2. СОУ-Н ЕЕ 20.302:2020. Норми випробування елект- рообладнання. М-во енергетики та захисту довкілля України. Офіц. вид. ПрАТ "НЕК "Укренерго". 238 с. 3. Левицький А. С., Федоренко Г. М., Грубой О. П. Конт- роль стану потужних гідро- та турбогенераторів за допомогою ємнісних вимірювачів параметрів меха- нічних дефектів. Київ: Ін-т електродинаміки НАН Ук- раїни, 2011. 242 с. 4. Air Gap monitoring (Rotor/Stator). VM™ Air Gap. URL: https://www.vibrosystm.com /en/product/ vm_air_ gap. Accessed at 13.07.2024. 5. VM3 & VM5 Airflow For Capacitive Air Gap Measuring Chains. URL: https://library.vibrosystm.com/en/Datasheets/9628- 25D6A-110.pdf. Accessed at May 13.07.2024. 6. 4000 Series Air Gap Sensor System. Datasheet. Bently Nevada Machinery Condition Monitoring. [Online]. Available: https://dam.bakerhughes.com/m/4dfdaa01abf81f67/o riginal/4000-Series-Air-Gap-Sensor-System-Datasheet- 167885-pdf.pdf. Accessed at 13.07.2024. 7. Iris Power AGTracII. [Online]. Available: https://irispower.com/wp-content/uploads /2016/11/Iris-Power-Air-Gap-Condition-Monitoring- AGTracII-Brochure.pdf. Accessed at 13.07.2024. 8. LS121 and ILS731 air-gap measurement system. [Online]. Available: https://catalogue.meggittsensing.com/wp- content/uploads/2020/12/DS_LS121_ILS731-en.pdf. Aaccessed at 13.07.2024. Accessed at 13.07.2024. 9. Zaitsev I., Levytskyi A., Bereznychenko V., Rassovskyi V. (2024) Air gap sensors for hydro generators and tech- niques for air-gap eccentricity fault detection and esti- mation. In: Power systems research and operation: Se- lected problems III / editors: Kyrylenko O. and other., vol 512. Springer, Cham. Pp 111–131. DOI:10.1007/978- 3-031-44772-3_16. 10. Bereznychenko V., Zaitsev I., Levytskyi A., Rassovskyi V. Electrocapacitive air gap sensor with parallel coplanar electrodes for hydrogenerators condition monitoring systems. In: 2023 IEEE 5th International Conference on Modern Electrical and Energy System (MEES): Proc. of international conference. 27–30 Sept. 2023, Kremen- chuk, Ukraine. Pp. 1–4. DOI: 10.1109/MEES61502.2023.10402422. 11. Левицький А. С., Рассовський В. Л., Зайцев Є. О. Єм- нісний сенсор з системою компланарних електродів для вимірювання повітряного зазору в гідрогенера- торах. Технічна електродинаміка. 2023. №. 3. C. 80– 85. DOI: https://doi.org/10.15407/techned2023.03.080. 12. Zaitsev I., Levytskyi A., Bereznychenko V., Zakusilo S., Rassovskyi V. Application of air gap sensor for improved fault detection and diagnostics tools for hydro generators condition monitoring systems. In: 2023 IEEE KhPI Week on Advanced Technology (KhPIWeek-2023): Proc. of international conference. 7–10 Oct. 2023, Kharkiv, Ukraine. Pp. 1–6, DOI: 10.1109/KhPIWeek61412.2023.10312877. 13. Гриневич Ф. Б., Новик А. И. Измерительные компен- сационно-мостовые устройства с емкостными датчи- ками. Киев: Наук. думка. 1987. 112 с. 14. Неболюбов Е. Ю., Новик А.И. Электронные преобра- зователи для работы с емкостными датчиками (ана- логовые и цифровые) Техн. электродинаміка. 2015. № 3. С. 67–74. REFERENCES 1. ISO 19283:2020 (E). Condition monitoring and diagnos- tics of machines – Hydroelectric generating units. ISO copyright office:Geneva, Switzerland, 2020. 70 с. 2. SOU-N EE 20.302:2020. Norms of electrical equipment testing. Ministry of Energy and Environmental Protec- tion of Ukraine. Publication of PJSC "NEC "Ukrenergo". 238 p. (Ukr.) 3. Levitsky A. S., Fedorenko H. M., Gruboy O. P. Control of the state of powerful hydro- and turbogenerators with the help of capacitive meters of parameters of mechan- ical defects. Kyiv: Institute of Electrodynamics of the Na- tional Academy of Sciences of Ukraine, 2011. 242 p. (Ukr.) 4. Air Gap monitoring (Rotor/Stator). VM™ Air Gap. URL: https://www.vibrosystm.com /en/product/ vm_air_gap. Accessed at 13.07.2024. 5. VM3 & VM5 Airflow For Capacitive Air Gap Measuring Chains. URL: https://library.vi- brosystm.com/en/Datasheets/9628-25D6A-110.pdf. Accessed at May 13.07.2024. https://www.vibrosystm.com/en/product/vm_air_gap https://www.vibrosystm.com/en/product/vm_air_gap https://library.vibrosystm.com/en/Datasheets/9628-25D6A-110.pdf https://library.vibrosystm.com/en/Datasheets/9628-25D6A-110.pdf https://dam.bakerhughes.com/m/4dfdaa01abf81f67/original/4000-Series-Air-Gap-Sensor-System-Datasheet-167885-pdf.pdf https://dam.bakerhughes.com/m/4dfdaa01abf81f67/original/4000-Series-Air-Gap-Sensor-System-Datasheet-167885-pdf.pdf https://dam.bakerhughes.com/m/4dfdaa01abf81f67/original/4000-Series-Air-Gap-Sensor-System-Datasheet-167885-pdf.pdf https://irispower.com/wp-content/uploads/2016/11/Iris-Power-Air-Gap-Condition-Monitoring-AGTracII-Brochure.pdf https://irispower.com/wp-content/uploads/2016/11/Iris-Power-Air-Gap-Condition-Monitoring-AGTracII-Brochure.pdf https://irispower.com/wp-content/uploads/2016/11/Iris-Power-Air-Gap-Condition-Monitoring-AGTracII-Brochure.pdf https://doi.org/10.15407/techned2023.03.080 https://www.vibrosystm.com/en/product/vm_air_gap https://www.vibrosystm.com/en/product/vm_air_gap https://library.vibrosystm.com/en/Datasheets/9628-25D6A-110.pdf https://library.vibrosystm.com/en/Datasheets/9628-25D6A-110.pdf 139 Відновлювана енергетика. №3/2024 \| Гідро-воднева енергетика 6. 4000 Series Air Gap Sensor System. Datasheet. Bently Nevada Machinery Condition Monitoring. [Online]. Available: https://dam.bakerhughes.com/m/4dfdaa01abf81f67/o riginal/4000-Series-Air-Gap-Sensor-System-Datasheet- 167885-pdf.pdf. Accessed at 13.07.2024. 7. Iris Power AGTracII. [Online]. Available: https://irispower.com/wp-content/uploads /2016/11/Iris-Power-Air-Gap-Condition-Monitoring- AGTracII-Brochure.pdf. Accessed at 13.07.2024. 8. LS121 and ILS731 air-gap measurement system. [Online]. Available: https://catalogue.meggittsens- ing.com/wp-content/up- loads/2020/12/DS_LS121_ILS731-en.pdf. Aaccessed at 13.07.2024. Accessed at 13.07.2024. 9. Zaitsev I., Levytskyi A., Bereznychenko V., Rassovskyi V. (2024) Air gap sensors for hydro generators and techniques for air-gap eccentricity fault detection and estimation. In: Power systems research and operation: Selected problems III / editors: Kyrylenko O. and other., vol 512. Springer, Cham. Pp 111–131. DOI:10.1007/978-3-031-44772-3_16. 10. Bereznychenko V., Zaitsev I., Levytskyi A., Rassovskyi V. Electrocapacitive air gap sensor with parallel coplanar electrodes for hydrogenerators condition monitoring systems. In: 2023 IEEE 5th International Conference on Modern Electrical and Energy System (MEES): Proc. of international conference. 27–30 Sept. 2023, Kremen- chuk, Ukraine. Pp. 1–4. DOI: 10.1109/MEES61502.2023.10402422. 11. Levytskyi A. S., Rassovskyi V. L., Zaitsev I. O. A capacitive sensor with a system of coplanar electrodes for meas- uring the air gap in hydrogen generators. Technical elec- trodynamics. 2023. No. 3. C. 80–85. DOI: https://doi.org/10.15407/techned2023.03.080. (Ukr.) 12. Zaitsev I., Levytskyi A., Bereznychenko V., Zakusilo S., Rassovskyi V. Application of air gap sensor for improved fault detection and diagnostics tools for hydro genera- tors condition monitoring systems. In: 2023 IEEE KhPI Week on Advanced Technology (KhPIWeek-2023): Proc. of international conference. 7–10 Oct. 2023, Kharkiv, Ukraine. Pp. 1–6. DOI: 10.1109/KhPIWeek61412.2023.10312877. 13. Grinevich F. B., Novik A. I. Measuring compensation- bridge devices with capacitive sensors. Kyiv: Nauk. dumka. 1987. 112 p. (Rus.) 14. Nebolubov E. Yu., Novik A. I. Electronic converters for working with capacitive sensors (analog and digital) Tech. electrodynamics. 2015. No. 3. Pp.67–74. (Rus.) https://dam.bakerhughes.com/m/4dfdaa01abf81f67/original/4000-Series-Air-Gap-Sensor-System-Datasheet-167885-pdf.pdf https://dam.bakerhughes.com/m/4dfdaa01abf81f67/original/4000-Series-Air-Gap-Sensor-System-Datasheet-167885-pdf.pdf https://dam.bakerhughes.com/m/4dfdaa01abf81f67/original/4000-Series-Air-Gap-Sensor-System-Datasheet-167885-pdf.pdf https://irispower.com/wp-content/uploads/2016/11/Iris-Power-Air-Gap-Condition-Monitoring-AGTracII-Brochure.pdf https://irispower.com/wp-content/uploads/2016/11/Iris-Power-Air-Gap-Condition-Monitoring-AGTracII-Brochure.pdf https://irispower.com/wp-content/uploads/2016/11/Iris-Power-Air-Gap-Condition-Monitoring-AGTracII-Brochure.pdf https://doi.org/10.15407/techned2023.03.080
id	veorgua-article-478
institution	Vidnovluvana energetika
keywords_txt_mv	keywords
language	Ukrainian
last_indexed	2026-07-19T01:13:59Z
publishDate	2024
publisher	Institute of Renewable Energy National Academy of Sciences of Ukraine
record_format	ojs
resource_txt_mv	veorgua/e8/ec76ad74d66930c63893f332486742e8.pdf
spelling	veorgua-article-4782026-07-18T06:32:20Z HALF-DIFFERENTIAL CAPACITIVE AIR GAP SENSOR FOR HYDROGENERATORS НАПІВДИФЕРЕНЦІАЛЬНИЙ ЄМНІСНИЙ СЕНСОР ПОВІТРЯНОГО ПРОМІЖКУ В ГІДРОГЕНЕРАТОРАХ Levytskyi , A. Zaitsev , I. Rassovskyi , V. hydrogen generator, stator core boring, rotor pole, air gap, measurement, semi-differential capacitive sen-sor. гідрогенератор, розточення осердя статора, полюс ротора, повітряний зазор, вимірювання, напівдиференціальний ємнісний сенсор. In the paper proposed half-differential capacitive sensor for measuring the air gap between the stator core boring and the rotor poles in a powerful hydro-generator. The main parts of the sensor are a variable working capacitor and a constant working capacitor, the electrode geometry of which is similar to the ge-ometry of the electrodes of the variable capacitor. Sensor construction is a multilayer printed circuit board with conductive and dielectric insulating layers. The variable capacitor and the constant capacitor are formed by systems of strip parallel coplanar high-potential and low-potential electrodes of equal width, between which the grounded electrodes are placed. The ratio between the width of the high-potential, low-potential and grounded electrodes in the working capacitors is chosen depending on the value of the measured nominal air gap. The length of the high-potential and low-potential electrodes of the perma-nent capacitor is determined by the size of the gap in the dielectric layer, which determines the capacity of the specified capacitor. The electric capacity is measured between the system of parallel-connected high-potential electrodes and the system of parallel-connected low-potential electrodes of the working variable capacitor, which functionally depends on the size of the air gap. The electrical capacity between the sys-tem of parallel-connected high-potential electrodes and the system of parallel-connected low-potential electrodes of a constant capacitor is measured, which functionally depends on the size of the air gap, which is determined by the thickness of the dielectric layer with a cutout in the printed circuit board. To eliminate the influence of the external environment, the ratio of the capacities of the constant and varia-ble capacitor used to determine the informative parameter. Analytical and graphical dependences for the conversion function of the sensor intended for use on a capsule hydrogen generator of the SGK538/160-70M type have been determined. Compared to analogues, the sensor has a higher measurement accuracy due to half-differential measurement scheme used, which eliminates the influence of the external envi-ronment. A sensor or a system of sensors can be used as a separate meter or as a component of monitor-ing and diagnostic systems. Ref. 14. Fig. 4. У роботі запропоновано та досліджено напівдиференціальний ємнісний сенсор для вимірювання повітряного проміжку між розточенням осердя статора й полюсами ротора в потужному гідрогенераторі. Основними функціональними частинами сенсора є змінний робочий конденсатор та постійний робочий конденсатор, геометрія електродів якого є подібною до геометрії електродів змінного конденсатора. Конструкція сенсора являє собою багатошарову друковану плату з провідними та діелектричними ізолювальними шарами. Змінний конденсатор і постійний конденсатор утворені системами рівних за шириною стрічкових паралельних компланарних високопотенціальних та низькопотенціальних електродів, між якими розміщуються заземлені електроди. Співвідношення між шириною високопотенціального, низькопотенціального та заземленого електродів у робочих конденсаторах вибране залежно від величини вимірюваного номінального зазору. Довжина високопотенціальних та низькопотенціальних електродів постійного конденсатора визначається розмірами вирізу в діелектричному шарі, який визначає ємність зазначеного конденсатора. Вимірюється електрична ємність між системою паралельно з’єднаних між собою високопотенціальних електродів і системою паралельно з’єднаних між собою низькопотенціальних електродів робочого змінного конденсатора, яка функціонально залежить від величини повітряного зазору.&nbsp; Вимірюється електрична ємність між системою паралельно з’єднаних між собою високопотенціальних електродів і системою паралельно з’єднаних між собою низькопотенціальних електродів постійного конденсатора, яка функціонально залежить від величини повітряного проміжку, що визначається товщиною діелектричного шару з вирізом в друкованій платі. Усунення впливу зовнішнього середовища досягається за рахунок того, що у вторинному вимірювальному перетворювачі як інформативний параметр визначається відношення вказаних значень ємності. Визначено аналітичні та графічні залежності для функції перетворення сенсора, призначеного для використання на капсульному гідрогенераторі типу СГК538/16070М. Сенсор в порівнянні з аналогами має вищу точність вимірювання завдяки застосуванню напівдиференціальної схеми вимірювання, яка усуває вплив зовнішнього середовища. Сенсор або система сенсорів можуть бути використані як окремий вимірювач, так і як складова частин систем моніторингу та діагностики. Біб. 14. Рис. 4. Institute of Renewable Energy National Academy of Sciences of Ukraine 2024-09-30 Article Article application/pdf https://ve.org.ua/index.php/journal/article/view/478 10.36296/1819-8058.2024.3(78).132-139 Vidnovluvana energetika ; No. 3(78) (2024): Scientific and applied Journal renewable energy ; 132-139 Возобновляемая энергетика; ##issue.no## 3(78) (2024): Scientific and applied Journal renewable energy ; 132-139 Відновлювана енергетика; № 3(78) (2024): Науково-прикладний журнал Відновлювана енергетика; 132-139 2664-8172 1819-8058 10.36296/1819-8058.2024.3(78) uk https://ve.org.ua/index.php/journal/article/view/478/387 Copyright (c) 2024 A. Levytskyi , I. Zaitsev , V. Rassovskyi https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0
spellingShingle	hydrogen generator stator core boring rotor pole air gap measurement semi-differential capacitive sen-sor. Levytskyi , A. Zaitsev , I. Rassovskyi , V. HALF-DIFFERENTIAL CAPACITIVE AIR GAP SENSOR FOR HYDROGENERATORS
title	HALF-DIFFERENTIAL CAPACITIVE AIR GAP SENSOR FOR HYDROGENERATORS
title_alt	НАПІВДИФЕРЕНЦІАЛЬНИЙ ЄМНІСНИЙ СЕНСОР ПОВІТРЯНОГО ПРОМІЖКУ В ГІДРОГЕНЕРАТОРАХ
title_full	HALF-DIFFERENTIAL CAPACITIVE AIR GAP SENSOR FOR HYDROGENERATORS
title_fullStr	HALF-DIFFERENTIAL CAPACITIVE AIR GAP SENSOR FOR HYDROGENERATORS
title_full_unstemmed	HALF-DIFFERENTIAL CAPACITIVE AIR GAP SENSOR FOR HYDROGENERATORS
title_short	HALF-DIFFERENTIAL CAPACITIVE AIR GAP SENSOR FOR HYDROGENERATORS
title_sort	half-differential capacitive air gap sensor for hydrogenerators
topic	hydrogen generator stator core boring rotor pole air gap measurement semi-differential capacitive sen-sor.
topic_facet	hydrogen generator stator core boring rotor pole air gap measurement semi-differential capacitive sen-sor. гідрогенератор розточення осердя статора полюс ротора повітряний зазор вимірювання напівдиференціальний ємнісний сенсор.
url	https://ve.org.ua/index.php/journal/article/view/478
work_keys_str_mv	AT levytskyia halfdifferentialcapacitiveairgapsensorforhydrogenerators AT zaitsevi halfdifferentialcapacitiveairgapsensorforhydrogenerators AT rassovskyiv halfdifferentialcapacitiveairgapsensorforhydrogenerators AT levytskyia napívdiferencíalʹnijêmnísnijsensorpovítrânogopromížkuvgídrogeneratorah AT zaitsevi napívdiferencíalʹnijêmnísnijsensorpovítrânogopromížkuvgídrogeneratorah AT rassovskyiv napívdiferencíalʹnijêmnísnijsensorpovítrânogopromížkuvgídrogeneratorah

HALF-DIFFERENTIAL CAPACITIVE AIR GAP SENSOR FOR HYDROGENERATORS

Репозитарії

Схожі ресурси