СПОСОБ АКУСТИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ ИЗОЛЯЦИИ ОБМОТОК АСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ Российский патент 2011 года по МПК G01N29/11 

Изобретение относится к технике электрических измерений и предназначено для диагностики изоляции обмоток асинхронных электродвигателей.

Известен способ диагностики состояния изоляции асинхронного электродвигателя (АД) определением ее сопротивления, заключающийся в том, что к изоляционной конструкции прикладывают постоянное напряжение, измеряют через 15 и 60 с после подачи напряжения ток через изоляцию, по которому судят о степени ее неоднородности, и измеряют сопротивление изоляции в те же моменты времени (Мегомметры промышленные. [Электронный ресурс]. - Электрон. дан. - М., 2010. - Режим доступа: http://www.chauvin-arnoux.ru/MEGOMETERS.htm. - Загл. с экрана).

Основным недостатком этого способа является отсутствие возможности прогнозирования остаточного срока службы АД на разных этапах эксплуатации в различных условиях температуры, влажности и вибрации, так как при реализации способа невозможно достоверно установить степень старения изоляции, а следовательно, электрическую и механическую прочность и оставшийся ресурс работы, что обусловлено зависимостью сопротивления изоляции обмоток АД от температуры, увлажнения, характера изоляции, причем сопротивление изоляции обмоток АД может изменяться от 10 до 1000 раз.

Известен импульсный способ оценки изоляции, заключающийся в том, что заряжают конденсатор от напряжения высоковольтного трансформатора и разряжают на обмотку АД, измеряют тангенс угла диэлектрических потерь, по значению которого судят о степени старения изоляции (Системы диагностики изоляции. [Электронный ресурс]. - Электрон. дан. - М., 2010. - Режим доступа: http://www.pergam.ru. - Загл. с экрана).

Основным недостатком данного способа является отсутствие возможности прогнозирования остаточного срока службы АД на разных этапах эксплуатации в различных условиях температуры, влажности и вибрации вследствие зависимости токов в изоляции от ее увлажнения и ряда других факторов.

Известен способ диагностики состояния изоляции АД, при котором измеряют величины индекса поляризации (PI=R_{при t=600 сек}/R_{при t=60 сек}), коэффициент диэлектрической абсорбции (DAR=R_{при t=60 сек}/R_{при t=30 сек}), коэффициент диэлектрического разряда (DD=I_{при t=60 сек}/U·С_из), величины времени релаксации (τ=R_из·C_из) и по всем четырем параметрам судят о состоянии изоляции АД (Mohammed Hanif, Principles & Applications of Insulation Testing with DC. IEP-SAC Journal 2004-2005, p.57-63).

Недостатком данного способа является то, что совокупность результатов приводит к плохо интерпретируемой картине дальнейшего прогноза остаточного срока службы АД.

Известен способ испытания изоляции повышенным напряжением, при котором предварительно прогревают АД, подвергают проверке каждую цепь, подавая на нее повышенное напряжение промышленной частоты плавно или ступенчато от однофазного пробивного трансформатора. Результаты испытаний считают удовлетворительными, если в результате проверки не произошло пробоя изоляции (Зеленченко А.П. Устройства диагностики тяговых двигателей электрического подвижного состава. - М., 2002. - С.7).

Недостатком данного способа является то, что чрезмерно длительное приложение напряжения ведет к порче изоляции.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ определения свойств изоляции электроустановки, по которому генерируют синусоидальные электрические колебания заданной промышленной частоты и определяют граничную частоту, на которой величина активного сопротивления изоляции становится равной величине омического сопротивления изоляции, измеряют на этой или большей частоте тангенс угла полных потерь и емкость изоляции, определяют активное сопротивление току абсорбции, абсорбционную емкость, тангенс угла абсорбции, тангенс угла диэлектрических потерь, тангенс угла абсорбции, тангенс угла омических потерь и судят по величинам активного сопротивления току абсорбции, абсорбционной емкости, тангенса угла абсорбции о свойствах низкочастотных поляризаций, по величине тангенса угла диэлектрических потерь - о диэлектрических свойствах изоляции, по величине тангенса угла омических потерь - о проводящих свойствах изоляции электроустановки на рабочем напряжении промышленной частоты (авторское свидетельство SU 1476406, МПК⁴ G01R 31/00).

Недостатком вышеописанного способа является отсутствие возможности прогнозирования остаточного срока службы АД на разных этапах эксплуатации в различных условиях температуры, влажности и вибрации по определяемым свойствам изоляции.

Задачей настоящего изобретения является обеспечение прогнозирования остаточного срока службы АД на разных этапах эксплуатации в различных условиях температуры, влажности и вибрации.

Поставленная задача решается тем, что в способе акустической диагностики изоляции обмоток АД, при котором генерируют синусоидальные электрические колебания заданной частоты, согласно изобретению частоту синусоидальных электрических колебаний выбирают равной 5 кГц, усиливают электрические колебания, прикладывают их к обмотке статора АД, чтобы в обмотке статора АД протекал ток величиной 1 ампер, принимают акустические колебания с поверхности корпуса статора АД, преобразуют их в электрические колебания, усиливают, сравнивают их со сгенерированными синусоидальными электрическими колебаниями, определяют коэффициент затухания принятых акустических колебаний в изоляции статора АД, по величине коэффициента затухания определяют модуль упругости пропиточного материала изоляции статора АД, по зависимостям модуля упругости от времени теплового старения изоляции определяют номинальное значение модуля упругости. Затем как частное от деления номинального значения модуля упругости на значение модуля упругости определяют нормированное значение модуля упругости, по которому с учетом режима эксплуатации АД судят об остаточном ресурсе АД.

Кроме того, используют режимы эксплуатации АД при температурах изоляции 90°С, или 75°С, или 50°С.

Прогнозирование остаточного срока службы АД на разных этапах эксплуатации в различных условиях температуры, влажности и вибрации обусловлено следующей совокупностью операций по контролю состояния пропиточного материала изоляции в различных режимах эксплуатации в процессе теплового старения.

Частоту синусоидальных электрических колебаний выбирают равной 5 кГц, поскольку экспериментально установлено, что оптимальная частота синусоидального диагностического тока составляет 5 кГц и отклонение от нее приводит к большему затуханию звука.

Предложенный способ акустической диагностики изоляции обмоток АД поясняется чертежом, где на фиг.1 представлены графики 1, 2, 3 зависимостей модуля упругости Е от времени теплового старения τ изоляции системы ПЭТВ (провод) + КП-34 (компаунд); на фиг.2 приведено определение остаточного ресурса АД через изменение значения нормированного модуля упругости изоляционного материала в обмотке статора асинхронного двигателя E_норм в процессе старения изоляции; на фиг.3 схематично изображено устройство для акустической диагностики изоляции обмоток АД, реализующее способ.

Кроме этого на чертеже дополнительно обозначено следующее:

- E_{доп 1}, E_{доп 2}, E_{доп 3} - предельно допустимые значения модуля упругости изоляции, после которых происходит ее пробой, полученные для соответствующих времен отказа τ_o1, τ_o2, τ_o3, АД;

- E_ном - номинальное значения модуля упругости изоляции для графиков 1, 2, 3, полученное для τ=0;

- режимы эксплуатации: график 1 получен при температуре 90°С, 2 - при температуре 75°С, 3 - при температуре 50°С;

- E_норм - текущее нормированное значение модуля упругости изоляционного материала в обмотке статора АД;

- τ_х1, τ_х2, τ_х3 - прогнозные оценки времени работы АД по состоянию изоляции при различных режимах эксплуатации;

- τ_o1, τ_o2, τ_o3 - прогнозные оценки времени эксплуатации АД в режимах эксплуатации в соответствии с графиками 1, 2, 3.

Предлагаемый способ реализуется в устройстве для акустической диагностики изоляции обмоток АД, которое содержит последовательно соединенные измерительную карту 4, усилитель 5, щиток 6 асинхронного электродвигателя, обмотку 7 статора АД, акустический преобразователь 8, усилитель 9. Выход усилителя 9 подсоединен ко входу измерительной карты 4, выход которой соединен с усилителем 5.

Устройство также содержит последовательно соединенные шину PCI 10, материнскую плату 11, программный пакет 12 и блок 13 задания значений λ, ρ, c, E_ном и режимов эксплуатации. Вход шины PCI 10 соединен со вторым выходом измерительной карты 4. Измерительная карта 4 расположена на материнской плате 11.

Усилителем 5 выдается усиленный синусоидальный сигнал 14, а усилителем 9 - усиленный принимаемый сигнал 15.

Способ акустической диагностики изоляции обмоток АД осуществляют следующим образом.

Генерируют синусоидальные электрические колебания, частоту f которых выбирают равной 5 кГц.

Усиливают электрические колебания, прикладывают их к обмотке 7 статора АД так, чтобы в обмотке 7 статора АД протекал ток величиной 1 ампер, поскольку определение величины диагностического тока проводят исходя из нижеследующего.

Оценивают потери полезного сигнала в статоре на магнитострикционный эффект. Напряженность магнитного поля длинного провода с током определяют по формуле

где H - напряженность магнитного поля, А/м;

i - ток, А;

a - расстояние между проводниками паза обмотки статора, м

(Кошкин Н.И., Ширкевич М.Г. Справочник по элементарной физике. - М.: Наука, 1975. - С.156).

При синусоидальном диагностическом токе амплитудой порядка 1 А и усредненном расстоянии между проводниками паза обмотки статора a=10^-3 м величина H≈1,6·10² А/м. При таком диагностическом токе и напряженности магнитного поля потерями акустической энергии на магнитострикцию можно пренебречь. При увеличении силы диагностического тока свыше 1 А магнитострикционный эффект начинает оказывать заметное влияние на полезный сигнал, следовательно, силу тока, пропускаемого через обмотки статора, устанавливают на уровне 1 А.

Принимают акустические колебания с поверхности корпуса статора АД, преобразуют их в электрические колебания, усиливают, сравнивают их со сгенерированными синусоидальными электрическими колебаниями. Определяют коэффициент затухания α акустических колебаний в изоляции АД.

По значению коэффициента затухания α определяют по формуле (2) модуль упругости Е пропиточного материала изоляции статора АД, поскольку известно, что модуль упругости Е изоляции в обмотке статора асинхронного двигателя зависит от параметров акустических колебаний в изоляции (Перепечко И.И. Акустические методы исследования полимеров. - М.: Химия, 1973. - С.10);

где ρ - плотность изоляции статора АД;

c - скорость распространения акустической волны в изоляции статора АД;

α - коэффициент поглощения акустических колебаний в изоляции статора АД;

λ - длина волны акустических колебаний;

π=3,14.

При этом величины c, f, λ связаны между собой соотношением

Плотность изоляции определяют из отношения ее массы к объему, а скорость - из следующего соотношения:

где z - импеданс (акустическое сопротивление) изоляции

(Крауткремер И. Ультразвуковой контроль материалов: справ. изд., пер. с нем / И.Крауткремер, Г.Крауткремер. - М.: Металлургия, 1991. - С.28).

В свою очередь импеданс можно найти по следующей формуле:

где p - акустическое давление, создаваемое звуком;

ν - колебательная скорость

(Ермолов И.Н. Теория и практика ультразвукового контроля. - М.: Машиностроение, 1981. - С.27).

По зависимостям модуля упругости от времени теплового старения изоляции определяют номинальное значение модуля упругости E_ном для конкретного режима, что основано на экспериментальных данных по модулю упругости Е различных типов изоляции в функции времени при тепловом старении асинхронных двигателей серии 4А мощностью 1,5 кВт (фиг.1). Эксперименты проводились до отказа АД (пробой изоляции).

Из соотношения между номинальным значением модуля упругости E_ном, измеренным модулем упругости Е изоляционного материала в обмотке 7 статора АД и нормированным значением E_норм модуля упругости определяют нормированное значение модуля упругости E_норм для конкретного режима:

При этом при реализации способа используют режимы эксплуатации АД при температурах изоляции 90°С, или 75°С, или 50°С.

Определяют необходимые условия эксплуатации АД и по графику 1, или 2, или 3 определяют прогнозные оценки времени работы АД по состоянию изоляции при различных режимах эксплуатации τ_х1, τ_х2, τ_х3, находят остаточный ресурс τ_ост1, τ_ост2, τ_ост3 работы АД в конкретных условиях эксплуатации по соотношениям

поскольку определение остаточного ресурса АД в процессе теплового старения изоляции приведено на фиг.2, которая получена из фиг.1 с учетом замены величины Е на E_норм.

Для других типов изоляции и АД определение остаточного ресурса проводят аналогично.

Устройство для акустической диагностики изоляции обмоток АД работает следующим образом. В измерительной карте 4 генерируется синусоидальный электрический сигнал с частотой 5 кГц, который усиливается в усилителе 5, поступает на щиток 6, с него - на обмотку 7 статора. В обмотке 7 статора электрический сигнал преобразуется в акустический сигнал, который проходит последовательно через изоляцию провода, воздушный зазор и сталь статора.

Акустические колебания воспринимаются преобразователем 8 и преобразуются в нем в электрические колебания. Электрические колебания усиливаются в усилителе 9 и поступают в измерительную карту 4.

Программным пакетом 12 с учетом данных блока 13 определяются коэффициент затухания α, модуль упругости Е, номинальное значение модуля упругости E_ном и нормированное значение модуля упругости E_норм для конкретного типа изоляции. Программным пакетом 12 с учетом условий эксплуатации АД при температуре 90°С, 75°С или 50°С по экспериментальным графикам 1, 2, 3 (фиг.2) по изменению нормированного модуля упругости E_норм изоляционного материала в обмотке статора асинхронного двигателя в процессе старения изоляции определяется остаточный ресурс работы АД τ_ост1, τ_ост2, τ_ост3 по формулам (7-9).

Таким образом, предложенное изобретение позволяет осуществить прогнозную оценку ресурса работы АД на основе прогнозирования ресурса изоляции обмоток.

Использование: для акустической диагностики изоляции обмоток асинхронного электродвигателя. Сущность: заключается в том, что генерируют синусоидальные электрические колебания заданной частоты, при этом частоту синусоидальных электрических колебаний выбирают равной 5 кГц, усиливают электрические колебания, прикладывают их к обмотке статора асинхронного электродвигателя так, чтобы в обмотке статора асинхронного электродвигателя протекал ток величиной 1 ампер, принимают акустические колебания с поверхности корпуса статора асинхронного электродвигателя, преобразуют их в электрические колебания, усиливают, сравнивают их со сгенерированными синусоидальными электрическими колебаниями, определяют коэффициент затухания принятых акустических колебаний в изоляции статора асинхронного электродвигателя, по величине коэффициента затухания определяют модуль упругости пропиточного материала изоляции статора асинхронного электродвигателя, по зависимостям модуля упругости от времени теплового старения изоляции определяют номинальное значение модуля упругости, затем как частное от деления номинального значения модуля упругости на значение модуля упругости определяют нормированное значение модуля упругости, по которому с учетом режима эксплуатации асинхронного электродвигателя судят об остаточном ресурсе асинхронного электродвигателя. Технический результат: обеспечение возможности прогнозирования остаточного срока службы асинхронного электродвигателя на разных этапах эксплуатации в различных условиях температуры, влажности и вибрации. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ акустической диагностики изоляции обмоток асинхронного электродвигателя, при котором генерируют синусоидальные электрические колебания заданной частоты, отличающийся тем, что частоту синусоидальных электрических колебаний выбирают равной 5 кГц, усиливают электрические колебания, прикладывают их к обмотке статора асинхронного электродвигателя так, чтобы в обмотке статора асинхронного электродвигателя протекал ток величиной 1 А, принимают акустические колебания с поверхности корпуса статора асинхронного электродвигателя, преобразуют их в электрические колебания, усиливают, сравнивают их со сгенерированными синусоидальными электрическими колебаниями, определяют коэффициент затухания принятых акустических колебаний в изоляции статора асинхронного электродвигателя, по величине коэффициента затухания определяют модуль упругости пропиточного материала изоляции статора асинхронного электродвигателя, по зависимостям модуля упругости от времени теплового старения изоляции определяют номинальное значение модуля упругости, затем как частное от деления номинального значения модуля упругости на значение модуля упругости определяют нормированное значение модуля упругости, по которому с учетом режима эксплуатации асинхронного электродвигателя судят об остаточном ресурсе асинхронного электродвигателя.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют режимы эксплуатации асинхронного электродвигателя при температурах изоляции 90°С, или 75°С, или 50°С.