СПОСОБ ДИАГНОСТИКИ ИНДУКТИВНЫХ ОБМОТОК Российский патент 2008 года по МПК G01R31/06 

Предлагаемое изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для определения неисправного состояния (диагностики) индуктивных обмоток (катушек) электрических машин, а также трансформаторов, пускозащитной аппаратуры, обмоток устройств автоматики и электроники.

Диагностика электротехнических устройств, содержащих индуктивные обмотки, заключается в основном путем измерения и расчета электрических параметров - полного, активного и реактивного сопротивлений, индуктивности и добротности.

Эти параметры можно рассчитать на основе измерений с помощью измерительного комплекта К-505 и его модификаций напряжения U, тока I и активной мощности тока Р и далее по формулам определяют

Z=U/I, Ом - полное сопротивление,

R=P/I²=Z·cosϕ, Ом - активное сопротивление,

, Ом - реактивное сопротивление,

cosϕ=P/S - коэффициент мощности тока,

ϕ=arccosϕ - угол сдвига фаз между током и напряжением.

Диагностика индуктивных обмоток электротехнических устройств различного назначения с помощью измерительного комплекта типа К-505 в натурных условиях не является оперативной с достаточной разрешающей способностью. Измерительный комплект не является прибором сравнительной оценки непосредственно электрических параметров заведомо исправной индуктивной обмотки и аналогичной испытуемой. Этот метод позволяет оценить состояние, например, обмоток электродвигателя при их значительных (ощутимых) нарушениях не на начальных стадиях.

Необходимость раннего выявления неисправного состояния индуктивных обмоток электродвигателей, используемых в приводах компрессоров, размещенных в неразборных корпусах бытовых и торговых холодильных агрегатах, связана прежде всего с их длительной безаварийной эксплуатацией. Поэтому в условиях цеха перед установкой ремонтного или нового электродвигателя в корпус герметичного холодильного компрессора проводится их диагностика.

Натурная (внецеховая) диагностика обмоток электропривода бытовых и торговых холодильных агрегатов и кондиционеров выполняется малыми предприятиями сервиса по заявкам заказчиков. Разнообразие электроприводов холодильной техники достаточно велико. Их основные электрические параметры значительно отличаются: по напряжению от 127 до 380 В, по мощности тока от 0,18 кВт до 5,5 кВт, по номинальной силе тока от 1,3 А до 7 А, по коэффициенту мощности тока от 0,65 до 0,86, что соответствует углу сдвига фаз между током и напряжением, не превышающим 60°. (Холодильные компрессоры, справочник, М.: Легкая промышленность, 1981, 280 с.)

При таком разнообразии электроприводов холодильных агрегатов оперативная их диагностика в натурных условиях (у заказчика) может быть выполнена прибором (устройством) сравнения, в котором используется легко перестраиваемая по сопротивлению электрическая цепь сравнения.

Наиболее распространенными приборами сравнения, предназначенными для измерения параметров элементов электрических цепей являются электрические мосты постоянного и переменного тока (С.М.Нижний. Мосты переменного тока. - М. - Л., Энергия, 1966, - 128 с.). Мосты имеют диагональ питания и диагональ нагрузки, в которую включают сравнивающее устройство (СУ) или показывающий прибор. В зависимости от режима работы диагонали нагрузки различают электрические мосты уравновешенные, неуравновешенные и квазиуравновешенные. В последних уравновешивание моста осуществляется по одной из составляющих комплексного полного сопротивления - модулю, фазе, активной или реактивной. Достигается это путем применения специальных сравнивающих устройств - детекторов частотных фазовых, амплитудных (Электротехнический справочник, в 3-х Т, Т1, под общ. ред. профессоров МЭИ В.Г.Герасимова и др. - М.: Энергия, 1980, - 520 с., стр.183-186).

Большая часть мостов переменного тока, предназначенных для измерения параметров индуктивных обмоток, работают при малых величинах токов (мосты Р50-1, УМ-3, Р556, ИИН-4). Мост ИИН-3М предназначен для лабораторных и цеховых измерений параметров индуктивных обмоток с магнитопроводом и без него. Токи небольшой величины в измерительных схемах мостов делают их малоприемлемыми для раннего выявления неисправного состояния обмоток в электроприводах компрессоров. Кроме этого, мосты имеют большой вес от 20 до 60 кг и высокую цену.

Наиболее близким по своей сути является способ диагностики индуктивных обмоток, принятый за прототип, путем сравнения их полных сопротивлений, измеренных с помощью мостовой схемы сравнения, показанной на фиг.1. (Электротехнический справочник в 3-х Т. Т1. Под общ. ред. профессоров МЭИ В.Г.Герасимова и др. - М.: Энергия, 1980. - 520 с., рис.5-7е, стр.185)

В способе-прототипе мостовая схема сравнения (фиг.1) состоит из:

Z_A, Z_B - комплексные полные сопротивления индуктивных обмоток соответственно испытуемой и заведомо исправной (плечо сравнения),

СУ - сравнивающее устройство,

W_A и W_B - числа витков двух секций вторичной обмотки однофазного трансформатора, являются плечами отношения.

Мостовая схема характеризуется постоянной разностью фаз ϕ_А-ϕ_В=0.

В уравновешенном режиме, ток в СУ равен нулю и .

В способе-прототипе полное комплексное сопротивление испытуемой индуктивной обмотки электродвигателя компрессора сравнивается с комплексным полным сопротивлением заведомо исправной индуктивной обмотки электродвигателя в приводе аналогичного компрессора. Вместо него можно использовать изготовленные аналоги индуктивных обмоток электродвигателей однотипных компрессоров. Это является существенным недостатком способа-прототипа при использовании его во внецеховых условиях сервисными малыми предприятиями. При этом затруднена балансировка мостовой схемы, если возникает необходимость расчета составляющих комплексного полного сопротивления неисправной обмотки.

Задачей предлагаемого технического решения способа диагностики индуктивных обмоток является расширение возможности способа сравнения с использованием измерительной схемы сравнения, в которой плечо сравнения может содержать легко регулируемые по величине активное и реактивное емкостное сопротивление.

Поставленная цель достигается тем, что электрическая схема, показанная на фиг.2, с помощью которой реализуется способ, содержит: амперметр 1 и испытуемую индуктивную обмотку 2, соединенные последовательно с плечем сравнения 3, содержащим активное 4 и реактивное емкостное 5 с переменными величинами сопротивлениями, трехфазный трансформатор 6 с регулируемым напряжением вторичных обмоток, соединенных по схеме «звезда» с нулевым проводником; линейный проводник 7 (фаза В) вторичной обмотки трансформатора 6 подключен к свободному концу испытуемой индуктивной обмотки 2 с амперметром 1, линейный проводник 8 (фаза С) вторичной обмотки трансформатора 6 подключен к свободному концу электрической цепи плеча сравнения 3; вывод нейтрального (нулевого) проводника 9 вторичной обмотки трансформатора 6 подключен через сравнивающее устройство - амперметр 10 к узлу соединения плечей 2 и 3. Линейный проводник 11 (фаза А) вторичной обмотки трансформатора 6 не используется.

Измерения по прилагаемому способу осуществляют следующим образом. В обесточенной измерительной схеме устройства отключают плечо сравнения 3 от линейного проводника 8 вторичной обмотки трехфазного трансформатора 6, устанавливают регулятор напряжения вторичных обмоток в нулевое положение. Подключают к линейному проводнику 7 вторичной обмотки трансформатора 6 измерительной схемы одну из заведомо исправных обмоток одно- или трехфазного электродвигателя компрессора холодильника или кондиционера. Подключают схему устройства к трехфазной сети, регулятором устанавливают такую величину вторичного напряжения, при которой возникает номинальная величина тока в заведомо исправной обмотке 2 электродвигателя компрессора, отсчитываемая по амперметру 1. Далее обесточивают измерительную схему, подключают плечо сравнения 3 к линейному проводнику 8 вторичной обмотки трансформатора 6, вновь подключают сеть, изменяют величины сопротивления резистора 4 и емкости конденсатора 5 до тех величин, при которых ток в нулевом проводнике 9, измеряемый амперметром 10, не станет равным нулю. Полученные величины сопротивления резистора 4 и емкости конденсатора 5 плеча сравнения 3 записывают в базу данных. База данных и элементы плеча сравнения 3 используются при диагностических работах в условиях заказчика.

Сущность предлагаемого способа диагностики индуктивных обмоток наглядно можно продемонстрировать с помощью векторной диаграммы напряжений и токов, показанной на фиг.3.

При наличии нейтрального (нулевого) проводника векторная диаграмма трехфазных напряжений симметричная с углом сдвига фаз, равным 120°. Вектор полного тока в испытуемой обмотке 2 (фаза В), отстающий относительно вектора напряжения этой фазы, т.к. он имеет индуктивный характер. Вектор полного тока в плече сравнения 3 (фаза С), опережающий относительно вектора напряжения этой фазы, т.к. он имеет емкостный характер.

Любому полному току I_Bi, соответствующему полному сопротивлению конкретной индуктивной обмотки 2, можно подобрать с помощью резистора 4 и конденсатора 5 плеча сравнения величину полного тока I_Ci, вектор которого опережает вектор напряжения на такой угол, при котором векторы токов находятся в противофазе с векторами токов .

Если , , , то геометрическая сумма каждой пары векторов окажется равной нулю, ток в нейтральном (нулевом) проводнике 9, измеряемый амперметром 10, станет равным нулю. Это показатель исправного состояния индуктивной обмотки.

Такое состояние измерительной схемы соответствует уравновешенному режиму мостовой схемы. По известным величинам активного сопротивления резистора 4 и емкости конденсатора 5 легко рассчитать составляющие полного сопротивления индуктивной обмотки 2, если такая необходимость возникает. Формулы для расчета параметров индуктивной обмотки.

Полное сопротивление индуктивной обмотки 2 и фазные напряжения

, U_B=U_c=Z_c·I_c,

активное и реактивное сопротивление индуктивной обмотки 2

R_К=Z_к·cos(60-ϕ°_с); X_K=Z_K·sin(60-ϕ°_с),

угол сдвига фаз между векторами тока и напряжения обмотки 2

ϕ°_K=60-ϕ°_c, , .

Если вектор полного тока, например, отстает от вектора напряжения на величину ϕ_B3=60°, то противофазный ему вектор тока направлен вдоль вектора напряжения . В этом случае в плече сравнения 3 конденсатор 5 не используется. Если угол сдвига фаз ϕ_B более 60°, то уравновешивание измерительной схемы может быть выполнено с помощью индуктивной катушки в плече сравнения 3.

На практике у всех электродвигателей встроенных электроприводов компрессоров холодильников и кондиционеров угол сдвига фаз между векторами тока и напряжения при номинальных токах меньше 60°. Поэтому нет необходимости использования в плече сравнения 3 индуктивной катушки.

Предлагаемое техническое решение способа диагностики индуктивных обмоток электродвигателей электроприводов, встроенных в неразъемные корпуса компрессоров холодильников и кондиционеров, позволяет определить нарушения электроизоляции, приводящие к незначительным коротким замыканиям на ранних стадиях, когда такие нарушения чаще всего проявляется при деформациях обмоток от нагрева их токами равных или более номинальных. Использование электропитания измерительной схемы сравнения, реализующей способ, от двух фаз вторичной обмотки трехфазного трансформатора позволило в плечо сравнения включать резистор и конденсатор и отказаться от объектов сравнения заведомо исправных обмоток электроприводов компрессоров однотипных холодильных агрегатов при диагностических работах в условиях заказчика.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для определения неисправного состояния индуктивных обмоток электрических машин. Технический результат: расширение возможности сравнительной оценки с помощью измерительной схемы сравнения при номинальных и более токах, при которых могут проявляться неявно выраженные неисправности обмоток. Сущность: схема сравнения, с помощью которой реализуется способ, содержит трехфазный трансформатор. К двум вторичным обмоткам трехфазного трансформатора с регулируемым напряжением подключается испытуемая обмотка и электрическая цепь «сравнения», содержащая резистор и конденсатор. В нейтральный проводник включают индикатор тока. По отсутствию тока в нулевом проводнике судят об исправном состоянии испытуемой обмотки. 3 ил.

Способ диагностики индуктивных обмоток, заключающийся в сравнении при номинальном токе полного сопротивления испытуемой индуктивной обмотки и полного сопротивления исправной однотипной индуктивной обмотки, отличающийся тем, что сравнение полного сопротивления испытуемой индуктивной обмотки выполняют путем включения ее с амперметром к первой фазе с регулируемым напряжением вторичной обмотки трехфазного трансформатора, во вторую фазу вторичной обмотки с регулируемым напряжением этого трансформатора включают электрическую цепь «сравнения», полное сопротивление которой равно полному сопротивлению исправной однотипной обмотке и содержащей последовательно соединенные резистор с переменной величиной сопротивления и конденсатор с переменной величиной емкости, а в нейтральный проводник вторичной обмотки трансформатора включают индикатор тока и по отсутствию тока в нем судят об исправном состоянии испытуемой обмотки.