способ определения коэффициента пропитки обмоток электрических машин

Формула изобретения

Способ определения коэффициента пропитки обмоток электрических машин, характеризующего степень заполнения пропиточным составом полостей обмотки, при котором у каждой обмотки из данной партии измеряют электрические параметры до пропитки и после пропитки и сушки, отличающийся тем, что в качестве электрических параметров выбраны емкости двух фаз обмотки, соединенной в звезду, которые поочередно измеряют до пропитки С_дп12, С_дп13 , С_дп23 и после пропитки С_пп12, С_пп13 , С_пп23 относительно корпуса, после чего по результатам измерений определяют коэффициент пропитки каждых двух фаз К _пр12, К_пр13,К_пр23 по формулам

,

,

,

где - эквивалентная емкость последовательно соединенных емкостей эмали и корпусной изоляции двух фаз обмотки, р - количество пазов в магнитном сердечнике; S - площадь паза; ₀=8,854187·10^-12 - электрическая постоянная; _э - диэлектрическая проницаемость эмалевой пленки провода обмотки; _к - диэлектрическая проницаемость корпусной изоляции; d_э - толщина эмалевой изоляции провода; d_к - толщина корпусной изоляции провода, после чего определяют коэффициенты пропитки каждой фазы обмотки по формулам

К_пр1=К_пр12-К_пр23+К _пр13,

К_пр2=К_пр23-К_пр13 +К_пр12,

К_пр3=К_пр13-К _пр12+К_пр23,

где К_пр1, К _пр2, К_пр3 - коэффициенты пропитки 1-й, 2-й, 3-й фазы соответственно.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электротехнике, а именно к способу определения коэффициента пропитки обмоток электрических машин, соединенных в звезду с изолированной нейтралью.

Известен способ контроля качества пропитки обмоток электрических машин, предложенный в работе [2], который заключается в измерении емкости обмотки относительно магнитного сердечника до пропитки Сдп и емкости относительно магнитного сердечника после пропитки и сушки обмотки Спп, а о качестве пропитки предложено судить по коэффициенту пропитки Кпр, определяемому из выражения

Недостатком способа-аналога является низкая точность контроля, так как величины Сдп и Спп зависят от расположения витков в обмотке, а также от того как распределился состав по корпусным полостям обмотки. При попадании одинакового количества (массы) пропиточного состав в две разные однотипные обмотки одной партии Кпр, определяемый по формуле (1), может давать существенно отличающиеся друг от друга значения. Поэтому формула (1) не позволяет объективно судить о насыщенности полостей обмотки пропиточным составом.

Наиболее близким к заявляемому способу является способ определения коэффициента пропитки обмоток, описанный в работе [2], частично устраняющий указанные выше недостатки аналога.

В способе-прототипе [2], по которому у каждой обмотки из данной партии измеряют емкости относительно корпуса до пропитки и после пропитки и сушки, одну из обмоток, произвольно выбранную из данной партии, после измерения емкости относительно корпуса до пропитки погружают в пропиточную жидкость с известной диэлектрической проницаемостью обмотки и измеряют емкость относительно корпуса, не вынимая обмотку из пропиточной жидкости, а коэффициент пропитки для каждой из оставшихся обмоток данной партии определяют по формуле

где С_дп, С_пп - емкости обмотки относительно корпуса соответственно до пропитки и после пропитки и сушки; - емкость произвольно выбранной обмотки относительно корпуса до пропитки; - емкость произвольно выбранной обмотки относительно корпуса после выдержки в пропиточной жидкости с известной диэлектрической проницаемостью до полного заполнения ею полостей обмотки; ₁ - диэлектрическая проницаемость пропиточной жидкости; ₂ - диэлектрическая проницаемость отвержденного пропиточного состава.

Недостатком способа-прототипа является необходимость у одной из произвольно выбранных обмоток измерять емкость относительно корпуса до пропитки, затем, после измерения емкости относительно корпуса до пропитки, погружать упомянутую обмотку в пропиточную жидкость с известной диэлектрической проницаемостью, и измерять емкость обмотки относительно корпуса, не вынимая обмотку из пропиточной жидкости. Введение этой операции усложняет способ.

Кроме того, по способу-прототипу определяют усредненный коэффициент пропитки обмоток, но этим способом невозможно определить распределенность пропиточного состава по фазам обмотки, которая в большинстве электрических машин соединена в звезду с изолированной нейтралью, что снижает информативность и точность контроля качества пропитки.

Технической задачей, на которую направлено изобретение, является упрощение способа, повышение его информативности и точности.

Поставленная техническая задача решается тем, что в способе определения коэффициента пропитки обмоток электрических машин, характеризующем степень заполнения пропиточным составом полостей обмотки, при котором у каждой обмотки из данной партии измеряют электрические параметры до пропитки и после пропитки и сушки, в качестве электрических параметров выбирают емкости двух фаз обмотки, соединенной в звезду, которые поочередно измеряют до пропитки С_дп12, С_дп13, С_дп23 и после нее С_пп12, С_пп13, С_пп23 относительно корпуса, после чего по результатам измерений определяют коэффициент пропитки каждых двух фаз К_пр12, К _пр13, К_пр23 по формулам

где - эквивалентная емкость последовательно соединенных емкостей эмали и корпусной изоляции двух фаз обмотки, p - количество пазов в магнитном сердечнике; S - площадь паза; ₀=8,854187·10^-12 - электрическая постоянная; _э - диэлектрическая проницаемость эмалевой пленки провода обмотки; _к - диэлектрическая проницаемость корпусной изоляции; d_э - толщина эмалевой изоляции провода; d_к - толщина корпусной изоляции провода. После чего определяют коэффициенты пропитки каждой фазы обмотки по формулам

где K_пр1, K_пр2, К _пр3 - коэффициенты пропитки 1-й, 2-й, 3-й фаз соответственно.

На фиг 1. схематически представлена обмотка трехфазной электрической машины, соединенная звездой с изолированной нейтралью. Позициями 1, 2, 3 обозначены выводы фаз обмотки, позицией 4 обозначена нейтраль обмотки.

На фиг.2 представлено сечение обмотки в одном из пазов, представляющее слоистую систему.

Она состоит из проводов обмотки 5, покрытых слоем эмали 6, корпусной изоляции 7, поверхности паза 8, воздушных полостей между поверхностью обмотки и корпусной изоляцией 9 и воздушных полостей между корпусной изоляцией и поверхностью паза 10, магнитного сердечника (корпус) 11.

На фиг.3 изображены емкости обмотки относительно корпуса, которым является магнитный сердечник статора электрической машины, представлены в виде слоистого плоского конденсатора до пропитки (фиг.3,А) и после нее (фиг.3,Б). На фиг.3,А и фиг.3,Б введены те же обозначения, только на фиг.3,Б вместо позиций 9 и 10 введены позиции 12 и 13, так как воздушные полости обмотки 9 и 10 после пропитки и сушки частично заполняются пропиточным составом. В связи с этим позициями 12 и 13 обозначены те же слои 9 и 10, но заполненные статистически распределенными по этим слоям частицами пропиточного состава. Фиг.1, фиг.2 и фиг.3 служат для пояснения сущности изобретения.

Сущность способа заключается в следующем.

Обмотки трехфазных электрических машин обычно соединяют звездой (см. фиг.1).

В способе-прототипе выводы фаз 1, 2, 3 соединяют между собой и до пропитки измеряют емкость обмотки Сдп относительно магнитного сердечника. После пропитки и сушки обмотки вновь соединяют выводы 1, 2, 3 между собой и измеряют емкость обмотки Спп. Затем по формуле (2), используя результаты всех измерений, описанных в способе-прототипе, определяют интегральный усредненный коэффициент пропитки обмотки. Между тем качество пропитки оценивается не только этим усредненным интегральным коэффициентом пропитки, но и тем, насколько равномерно распределился пропиточный состав по полостям обмотки.

Обмотка электрической машины, размещенная в пазы магнитного сердечника, представляет собой слоистую систему (см. фиг.1). Так как толщина d_э эмалевой изоляции 6 провода 5, толщина d_к корпусной изоляции 7, и суммарная толщина d_в воздушных полостей между поверхностью обмотки и корпусной изоляцией 9 и воздушных полостей между корпусной изоляцией и поверхностью паза 10 пренебрежительно малы и составляют несколько микрон, то емкость обмотки относительно корпуса можно с пренебрежительно малой погрешностью представить в виде слоистого плоского конденсатора (см. фиг.3). Если до пропитки соединить между собой выводы фаз 1 и 2 (фиг.1) и измерить емкость этих двух фаз относительно магнитного сердечника до пропитки С_дп12, а затем повторить эту же процедуру с выводами 1-3 и 2-3 и измерить до пропитки емкости двух соответствующих фаз С_дп13 и С_дп23, то эти емкости, поскольку они соединены последовательно, можно записать, в соответствии с фиг.2, в виде следующих соотношений:

где С_э12, С_э13, С _э23 - емкости слоя эмаль-изоляции у двух фаз 1-2, 1-3, 2-3 соответственно, С_к12, С_к13, С_к23 - емкости слоя корпусной изоляции у двух фаз 1-2, 1-3, 2-3 соответственно, С_в12, С_в13, С_в23 - суммарные емкости воздушных слоев 9 и 10 (фиг.3) у двух фаз 1-2, 1-3, 2-3 соответственно.

Так как у однотипных обмоток количество пазов, в которых расположены две фазы обмотки, площадь паза, толщина d_э эмалевой и толщина корпусной d_к изоляции одинаковые, то следует принять, что С_э12 =С_э13=С_э23=С_э(13) и С_к12 =С_к13=С_к23=Ск (14).

Учитывая соотношения (13) и (14), выражения (10), (11) и (12) можно переписать в виде

Для плоского конденсатора можно записать

где р - количество пазов в магнитном сердечнике статора, _э, _к, _в - диэлектрические проницаемости эмали, корпусной изоляции, воздуха соответственно, ₀=8,854187817·10^-12 - электрическая постоянная; С_в12, С_в13, С_в23 - суммарные емкости воздушных слоев 9 и 10 (фиг.2) двух фаз 1-2, 1-3, 2-3 соответственно. Подставив выражения (18), (19), (20), (21), (22) в формулы (15), (16), (17) и учитывая, что диэлектрическая проницаемость воздуха _в=1, можно записать

Из выражений (23), (24) и (25) следует

После пропитки и сушки обмоток объемы полостей 12 и 13 частично заполняются пропиточным составом, имеющим диэлектрическую проницаемость _п (см. фиг.3,Б). Так как пропиточный состав не полностью заполняет объемы полостей 12 и 13, а статистически распределен по полостям 12 и 13, то в упомянутых полостях образуется бинарная статистическая смесь, состоящая из частиц пропиточного состава и частиц воздуха, с диэлектрической проницаемостью *. Диэлектрическая проницаемость бинарной смеси * подчиняется распределению Лихтенеккера-Ротера [3], в соответствии с которым можно записать для фаз 1-2 в виде

где V_п12 - объем, который занимают частицы пропиточного состава в слоях 11 и 12,

V₁₂-V_п12 - объем воздуха в слоях 12 и 13, ₁₂* - диэлектрическая проницаемость статистической смеси в слоях 12 и 13 фаз 1-2.

Учитывая, что диэлектрическая проницаемость воздуха _в=1, a ln _в=0, выражение (29) можно записать в виде

В выражении (30) отношение есть не что иное, как коэффициент пропитки K_пр12 объемов полостей фаз 1-2, характеризующий степень заполнения объема полостей V₁₂ пропиточным составом.

Аналогичные выражения можно записать для слоев 12 и 13 (фиг.3,Б) для фаз 1-3 и 2-3

Если после пропитки и сушки измерить емкости C_пп12, C_пп13, С_пп23 двух соответствующих фаз относительно корпуса и учесть, что пропиточный состав, диэлектрическая проницаемость которого _п, статистически распределился по объемам зазоров d₁₂, d₁₃, d₂₃, то емкости слоев 12 и 13 в соответствующих двух фазах можно представить выражениями

Подставив в уравнения (15), (16) и (17) вместо С_в12, С_в13, С_в23 величины C_п12, C_п13, С_п23, можно записать выражения для емкостей C_пп12, C _пп13, С_пп23

Из соотношений (36), (37), (38) выразим зазоры d₁₂, d₁₃, d₂₃

Так как после пропитки и сушки зазоры d₁₂, d₁₃, d₂₃ в контролируемой обмотке не изменились, то можно приравнять правые части выражений (26), (27), (28) к правым частям соответствующих выражений (39), (40), (41), получим

Из соотношений (42), (43), (44) выразим , , и, преобразовав полученные выражения, запишем

где - эквивалентная емкость последовательно соединенных емкостей эмали и корпусной изоляции.

Выразим из соотношений (30), (31), (32) коэффициенты пропитки K_пр12, K _пр13, К_пр13 соответствующих фаз 1-2, 1-3, 1 и 2-3, получим

Подставив в выражения (49), (50) и (51) значения , , из соотношений (45), (46), (47), получим

Коэффициенты пропитки К_пр12 , K_пр13, К_пр23 являются среднестатистической характеристикой пропитки соответствующих двух фаз, и их величины можно определить из выражений

где K_пр1, К_пр2 , К_пр3 - коэффициенты пропитки фаз 1, 2 и 3.

Решив систему уравнений (55), (56), (57), относительно коэффициентов пропитки фаз К_пр1, К_пр2, К_пр3 , получим

где С_дп, С_пп - емкости обмотки относительно корпуса соответственно до пропитки Пример. Производилось определение коэффициентов пропитки обмоток статоров асинхронного электрического двигателя типа 4А112М по способу-прототипу и по заявляемому способу. По способу-прототипу до пропитки и после пропитки измерялись емкости всех трех фаз обмоток, соединенных в звезду, относительно магнитного сердечника статора на частоте электрического поля f=1000 Гц мостом Е2-12. Результаты измерений емкостей произвольно выбранных обмоток до пропитки и после нее приведены в таблице 1.

Таблица 1
№ пп	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
С дп, пФ	2430	2475	2480	2425	2470	2440	2450	2450	2470	2490
Спп, пФ	4009	4087	3720	3370	3581	3782	2480	3381	3754	3361
Кпр	1	0,56	0,44	0,35	0,40	0,46	0,36	0,34	0,45	0,31

Произвольно выбранный статор № 1 с погружали в бинарную жидкость диоксан-вода с диэлектрической проницаемостью ₁=2,23. У погруженной в жидкость обмотки измеряется емкость относительно статора. Она равна . По результатам измерений обмотки № 1 определяют отношение

Обмотки статоров пропитываются лаком КП-34 струйно-капельным методом. После сушки обмоток при температуре полимеризации компаунда КП-34, равной 160°С, измерялись емкости обмоток относительно статора С_пп. По результатам измерений обмотки № 1 статора и контролируемых обмоток статоров определяют коэффициенты пропитки обмоток по выражению (2)

Диэлектрическая проницаемость отвержденного пропиточного компаунда КП-34 равняется ₂= _п=4,2.

Одновременно с этим по заявляемому способу определяли у тех же обмоток коэффициенты пропитки соответственных двух фаз K_пр12, K_пр13 , К_пр23 по формулам (52), (53), (54), а затем коэффициенты пропитки каждой из фаз K_пр1, K_пр2, К _пр3, используя выражения (58), (59) и (60).

Предварительно по выражению (6) определяли величину С_экв , исходя из следующих обмоточных данных:

р=36; S=0,5375×10^-2 м²; d_э=0,7×10 ^-3 м; d_к=1×10^-3 м; _э=3,85; _к=5,92

Экспериментальные значения, необходимые для определения коэффициентов пропитки, и результаты контроля по заявляемому способу внесены в таблицу 2.

Таблица 2
№ пп	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
С дп12,пФ	1600	1620	1660	1590	1630	1600	1590	1670	1610	1650
Сдп13 , пФ	1590	1650	1640	1630	1620	1630	1630	1600	1650	1640
Сдп23, пФ	1620	1640	1625	1610	1600	1670	1640	1650	1680	1650
Спп12, пФ	2897	2557	2642	2771	2372	2773	2173	2626	2649	2364
Спп13, пФ	2882	2972	2615	2653	2433	2679	2394	2558	2681	2514
Спп23, пФ	2926	3356	2542	2513	2773	2657	2639	2740	2589	2446
Кпр12	1	0,42	0,43	0,47	0,34	0,51	0,28	0,42	0,46	0,33
Кпр13	1	0,56	0,43	0,45	0,37	0,46	0,35	0,45	0,45	0,39
Кпр23	1	0,7	0,41	0,42	0,51	0,43	0,44	0,47	0,40	0,36
Кпр1	1	0,28	0,45	0,50	0,20	0,54	0,19	0,40	0,51	0,36
Кпр2	1	0,56	0,41	0,44	0,48	0,48	0,37	0,44	0,41	0,30
Кпр3	1	0,84	0,41	0,40	0,54	0,38	0,51	0,50	0,39	0,42

Из сравнения результатов, приведенных в таблице 1, и результатов, приведенных в таблице 2, можно сделать следующие выводы.

Имитация 100% пропитки путем погружения обмотки № 1 в невязкую жидкость как по способу-прототипу, так и по заявляемому способу дает одинаковые результаты, показывающие, что в обмотке № 1 действительно произошло полное заполнение пор и капилляров пропиточной жидкостью. Как следует из таблицы 1, обмотка № 2 имеет наибольший коэффициент пропитки среди всех обмоток партии, который в соответствии со способом-прототипом равен 0,56.

В то же время по заявляемому способу обмотка № 2 имеет самую большую неравномерность распределения пропиточного состава и в фазе 1 наблюдается один из самых низких коэффициентов пропитки, равный 0,28. Так как надежность обмотки определяется самым слабым звеном, то низкий коэффициент пропитки 0,28 в фазе 1 обмотки указывает на низкое качество обмотки. Наиболее качественно пропитаны, как это следует из таблицы 2, обмотки № 3, № 4 и № 8, так как пропиточный состав в этих обмотках равномерно распределился по фазам обмотки, а коэффициенты пропитки фаз этих обмоток имеют высокие значения.

Таким образом, заявляемый способ по сравнению со способом-прототипом имеет следующие преимущества.

В заявляемом способе устранены присутствующие в способе-прототипе операции: погружение одной из партий контролируемых обмоток в невязкую жидкость с известной диэлектрической проницаемостью, измерение у этой обмотки емкости относительно корпуса перед погружением и после него, и процедура вычисления отношения емкостей у погруженной обмотки к емкости той же обмотки до погружения, что упрощает заявляемый способ.

В заявляемом способе стало возможным определять не только усредненный коэффициент пропитки, но и распределение пропиточного состава по фазам обмотки, что по сравнению со способом-прототипом существенно повышает информативность и точность контроля.

Список использованной литературы

1. Кондратьева Н.Г. и др. Оценка возможности использования электрической емкости обмотки статоров для контроля качества пропитки статоров электродвигателей низкого напряжения. - Электротехническая промышленность. Серия "Электрические машины", вып. 5/75, 1977.

2. А.с. № 1241361. Способ определения коэффициента пропитки обмоток электрических машин / Г.В.Смирнов, Г.Г.Зиновьев. - Опубл. 30.06.86. Бюл. № 24 - прототип.

3. Смирнов Г.В. Надежность изоляции обмоток электротехнических изделий. - Томск: Изд-во Том. ун-та. 1990. - стр.131.