Способ функциональной диагностики асинхронных электродвигателей

Изобретение относится к электротехнике. Технический результат изобретения заключается в повышении надежности и улучшении качества защиты электродвигателей за счет своевременной диагностики обмоток статора с выявлением коротких замыканий в обмотках и снижения сопротивления изоляции обмоток относительно корпуса асинхронных электродвигателей. Для этого в способе контролируются две величины - сопротивление изоляции обмоток статора относительно корпуса электродвигателя и отношение полных сопротивлений обмоток для каждой пары обмоток электродвигателя. Контролируемые величины определяются косвенным путем при помощи действующего значения тока утечки с обмоток на корпус электродвигателя и действующих значений токов или напряжений на обмотках статора электродвигателя. При этом при контроле второй величины происходит оценка не фактического значения полного сопротивления обмотки, а попарное сравнение полных сопротивлений обмоток статора электродвигателя относительно друг друга, т.е. оценка несимметрии обмоток. 3 ил.

 

Изобретение относится к электротехнике, а именно к средствам повышения надежности электроснабжения промышленных предприятий и диагностики состояния асинхронных электродвигателей.

Известен способ диагностики электродвигателей переменного тока и связанных с ними механических устройств /см. заявку РФ № 2005110648/28, МПК G01R 31/34, опубл. 20.10.2006/, при помощи которого можно реализовать диагностику межвитковых замыканий в обмотках по спектральному анализу потребляемого тока электродвигателя.

Недостатком данного способа является отсутствие возможности диагностики межфазных замыканий обмоток статора, так как частоты, характерные для межвитковых замыканий, на которых производится анализ амплитуды потребляемого тока, могут не соответствовать частотам, характерным межфазным замыканиям. Неизвестно также, каким будет результат диагностики при наличии нескольких межвитковых замыканий одновременно. При наличии помех и ложных гармоник в сети на частотах, характерных межвитковым замыканиям в обмотках статора, или при совпадении с данными частотами частот гармоник, соответствующих механическим повреждениям, результат диагностики может быть неверным.

Наиболее близким к заявляемому является способ защиты от витковых замыканий обмоток статора, по которому измеряют мгновенные значения токов и напряжений на зажимах двигателя, преобразуют их в напряжения, пропорциональные току и напряжению, измеряют скольжение двигателя, регистрируют полученные, пропорциональные току и напряжению сигналы, по ним определяют начальную фазу возникновения переходного процесса и начальное значение тока, вычисляют последующие мгновенные значения тока при исходных значениях эквивалентного активного сопротивления и эквивалентной индуктивности электродвигателя, вычисленные мгновенные значения тока сравнивают с соответствующими зарегистрированными значениями, определяют их разность и, в зависимости от ее величины, изменяют значения эквивалентного активного сопротивления и эквивалентной индуктивности до достижения разности между зарегистрированными и вычисленными значениями тока минимального значения, полученные при этом значения эквивалентного активного сопротивления и эквивалентной индуктивности электродвигателя, при измеренном значении скольжения, сравнивают с допустимыми значениями и, если они выходят за пределы допустимых значений, формируют сигнал на отключение /см. патент РФ № 2297704, МПК Н02Н 7/08, опубл. 20.04.2007/. В данном способе происходит определение эквивалентной индуктивности и эквивалентного активного сопротивления электродвигателя по математической модели схемы замещения путем минимизации разности между измеренным значением мгновенного тока на зажимах электродвигателя и вычисленным значением мгновенного тока на выходе математической модели в момент возникновения переходного процесса.

Недостатком способа является то, что эквивалентная индуктивность электродвигателя зависит от величины взаимной индуктивности статора и ротора, скольжения ротора, зазора между статором и ротором и т.д. Поэтому в данном способе нельзя определить, по какой причине произошло изменение эквивалентной индуктивности электродвигателя: по причине короткого замыкания, механического повреждения, неравномерной нагрузки на ротор или другой причине. Кроме этого, при использовании данного способа требуется знать величины эквивалентной индуктивности и эквивалентного активного сопротивления самого электродвигателя для того, чтобы установить допустимые пределы отклонения этих величин. Этот факт осложняется еще тем, что величина эквивалентной индуктивности электродвигателя не является постоянной величиной.

Технический результат изобретения - повышение надежности и улучшение качества защиты электродвигателей за счет своевременной диагностики обмоток статора с выявлением коротких замыканий в обмотках и снижения сопротивления изоляции обмоток относительно корпуса асинхронных электродвигателей.

Технический результат достигается тем, что в способе функциональной диагностики асинхронных электродвигателей, заключающемся в измерении мгновенных значений токов в обмотках и напряжений на зажимах двигателя, преобразовании их в напряжения, пропорциональные току и напряжению, регистрации полученных сигналов, отличается тем, что дополнительно производят измерение мгновенного значения тока утечки в проводнике, соединяющем корпус электродвигателя с главным заземляющим контуром питающей подстанции, которое преобразуют в напряжение, пропорциональное току, и регистрируют, по полученным данным определяют сопротивление обмоток относительно корпуса электродвигателя, сравнивают его с минимально допустимым значением и, в случае если сопротивление меньше допустимого, формируют информационное сообщение или сигнал на отключение электродвигателя, также определяют несимметрию обмоток, определяемую отношением полных сопротивлений обмоток для каждой пары обмоток статора электродвигателя, и, в случае если значение несимметрии для какой-либо пары обмоток электродвигателя превышает максимально допустимое, также формируют информационное сообщение или сигнал на отключение электродвигателя.

Сущность способа заключается в том, что контролируются две величины - сопротивление изоляции обмоток статора относительно корпуса электродвигателя и отношение полных сопротивлений обмоток для каждой пары обмоток электродвигателя.

Принцип контроля сопротивления изоляции обмоток асинхронного электродвигателя относительно его корпуса приведен на фиг.1. Корпус электродвигателя гальванически соединяется с главным заземляющим контуром подстанции проводником (в сетях с глухозаземленной нейтралью корпус электродвигателя можно соединить с нейтралью силового питающего трансформатора), в котором производится измерение мгновенного значения тока в процессе работы электродвигателя при помощи устройства. Зная действующие значения напряжений U_A, U_B и U_C, подаваемые на обмотки статора электродвигателя, и тока утечки с корпуса на заземляющий контур I_ут, можно определить сопротивление изоляции обмоток асинхронного электродвигателя относительно его корпуса.

Полученное сопротивление сравнивают с минимальным допустимым значением сопротивления и, в случае если сопротивление изоляции обмоток асинхронного электродвигателя относительно его корпуса меньше допустимого, формируют информационное сообщение или сигнал на отключение электродвигателя от сети для предотвращения появления короткого замыкания или электроопасной ситуации. Анализируя скорость снижения данного сопротивления в процессе эксплуатации асинхронного электродвигателя, можно подготовиться заранее к его замене или ремонту.

Диагностика замыканий в обмотках статора заключается в анализе несимметрии полных сопротивлений обмоток в процессе работы электродвигателя, которая может возникнуть в результате появления как межвитковых, так и межфазных замыканий в статоре. Используя уравнения асинхронной машины с короткозамкнутым ротором в установившемся режиме /см. Копылов, И.П. Электрические машины: Учеб. для вузов [Текст] / И.П.Копылов // - М.: Высш. шк., 2002-607 с./, можно выполнить попарное сравнение полных сопротивлений обмоток статора электродвигателя относительно друг друга при условии отсутствия несимметрии напряжения в сети, к которой подключен данный электродвигатель. При этом сравнение полных сопротивлений обмоток для электродвигателя, в котором обмотки соединены треугольником, можно выполнить по формулам:

где Z_s1, Z_s2, Z_s3 - полные сопротивления обмоток статора электродвигателя;

I_s1, I_s2, I_s3 - действующие значения токов, потребляемые соответствующими обмотками.

То есть при соединении обмоток треугольником, отношение полных сопротивлений для каждой пары обмоток можно получить через обратное отношение действующих значений токов, потребляемых обмотками.

А для электродвигателя, в котором обмотки статора соединены звездой, сравнение полных сопротивлений обмоток можно выполнить по формулам:

где Z_s1, Z_s2, Z_s3 - полные сопротивления обмоток статора электродвигателя;

U_S1, U_S2, U_S3 - действующие значения напряжений на обмотках электродвигателя;

С - величина, одинаковая для всех обмоток, определяемая наличием противо-ЭДС в электродвигателе (при холостом ходе электродвигателя данная величина стремится к нулю).

Учитывая, что мгновенные величины токов и напряжений в статоре изменяются в соответствии с промышленной частотой 50 Гц, усреднение этих величин и получение их действующих значений производится в течение временного интервала не менее 0,02 с.

При использовании данного способа необходимо выполнять измерение токов в обмотках и напряжений на зажимах электродвигателя, как показано на фиг.2. При соединении обмоток электродвигателя звездой значения U_s1, U_s2, и U_s3 можно получить, измерив фазные напряжения, подаваемые на электродвигатель, и напряжение между общим концом звезды обмоток и заземляющим контуром питающей подстанции.

Таким образом, если несимметрия обмоток, получаемая из отношения полных сопротивлений для какой-либо пары обмоток электродвигателя, превышает максимально допустимое, то также формируют информационное сообщение или сигнал на отключение электродвигателя от питающей сети. Анализируя скорость увеличения несимметрии обмоток электродвигателя в процессе его работы, можно заранее предотвратить появление коротких замыканий в электродвигателе и подготовиться к его замене или ремонту.

Для реализации данного способа можно использовать цифровое устройство, выполненное на основе программируемого микроконтроллера, функциональная схема которого приведена на фиг.3. Устройство включает в себя восемь входных блоков 1-8, четыре из которых используются для измерения напряжения, а остальные для измерения тока, а также измерительно-управляющий блок 9, входы которого подключены к выходам входных блоков, и блок переключения диапазонов 10, управляющий масштабирующими усилителями входных блоков, вход которого подключен к измерительно-управляющему блоку, а выходы подключены к входным блокам. Входные блоки по току используют для измерения тока беспроводные датчики тока с линейной характеристикой. Управляющий выход измерительно-управляющего блока соединяют с входом исполнительного блока релейной защиты (ИБРЗ) 11, который выполняет функцию отключения диагностируемого электродвигателя, вследствие чего его управляющий выход подключают к соответствующим контактам участка «сеть-электродвигатель» 12. Блок ИБРЗ подбирается с учетом технических характеристик асинхронного электродвигателя (например, по номинальной мощности). Измерительные входы и токовые датчики входных блоков подключают к нужным местам участка «сеть-электродвигатель» в соответствии с фиг.1 и фиг.2. Измерительно-управляющий блок подключают двунаправленной связью к персональному компьютеру (ПК) 13, который используется для настройки устройства и выполняет функцию расширенной диагностики, заключающейся в примерном прогнозе появления коротких замыканий и определении неисправной обмотки в электродвигателе.

Способ осуществляется следующим образом. Необходимые мгновенные значения токов и напряжений снимают на зажимах электродвигателя и подают на входные блоки устройства 1-8, которые, в свою очередь, преобразовывают их в напряжения, пропорциональные току и напряжению, с последующим ослаблением либо усилением. Преобразованные в напряжения сигналы подаются на аналого-цифровой преобразователь микроконтроллера в измерительно-управляющий блок 9, который по измеренным значениям токов и напряжений определяет значение сопротивления изоляции обмоток электродвигателя относительно его корпуса и отношение полных сопротивлений обмоток для каждой пары обмоток статора асинхронного электродвигателя. В процессе измерений измерительно-управляющий блок устройства постоянно передает данные блоку переключения диапазонов 10, необходимые для выполнения функции автоматического масштабирования входных сигналов, получаемых с входных блоков. При уменьшении сопротивления изоляции обмоток относительно корпуса ниже критического уровня или превышении несимметрии обмоток допустимого значения, микроконтроллер измерительно-управляющего блока 9 сформирует сигнал на отключение блоку ИБРЗ 11 или информационное сообщение о неисправности (в соответствии с настройками устройства), которое отобразится на индикаторах устройства и на экране персонального компьютера 13.

Предлагаемый способ позволяет получить достоверный результат диагностики коротких замыканий в обмотках статора асинхронных электродвигателей даже при искаженном несинусоидальном напряжении в сети с присутствием различных гармоник. Кроме того, в данном способе производится постоянный контроль целостности изоляции обмоток относительно корпуса электродвигателя, без которого результат диагностики межвитковых и межфазных замыканий может быть неверным. Дополнительным достоинством способа является простота в реализации, связанная с отсутствием необходимости измерения частоты вращения или скольжения ротора электродвигателя, так как это не влияет на результат диагностики, что позволяет с большей надежностью использовать данный способ в случаях, когда ротор электродвигателя находится под неравномерной нагрузкой. Таким образом, перечисленные достоинства способа в целом позволяют повысить электро- и пожаро-безопасность, а также надежность электроснабжения предприятий.

Способ функциональной диагностики асинхронных электродвигателей, заключающийся в измерении мгновенных значений токов в обмотках и напряжений на зажимах двигателя, преобразовании их в напряжения, пропорциональных току и напряжению, регистрации полученных сигналов, отличающийся тем, что дополнительно производят измерение мгновенного значения тока утечки в проводнике, соединяющем корпус электродвигателя с главным заземляющим контуром питающей подстанции, которое преобразуют в напряжение, пропорциональное току, и регистрируют, по полученным данным определяют сопротивление обмоток относительно корпуса электродвигателя, сравнивают его с минимально допустимым значением, и в случае, если сопротивление меньше допустимого, формируют информационное сообщение или сигнал на отключение электродвигателя, также определяют несимметрию обмоток, определяемую отношением полных сопротивлений обмоток для каждой пары обмоток статора электродвигателя, и в случае, если значение несимметрии для какой-либо пары обмоток электродвигателя превышает максимально допустимое, также формируют информационное сообщение или сигнал на отключение электродвигателя.