устройство для оценки и прогнозирования технического состояния изоляции обмоток электродвигателя

Формула изобретения

Устройство для оценки и прогнозирования технического состояния изоляции обмоток электродвигателя, содержащее генератор прямоугольных импульсов, предназначенный для соединения с обмоткой электродвигателя, отличающееся тем, что в него введены блок согласования, аналого-цифровой преобразователь, микроконтроллер, внешняя память данных, внешняя память программ, клавиатура и жидкостно-кристаллический индикатор, при этом первый вход аналого-цифрового преобразователя и вход согласующего устройства последовательно связаны с выводом обмотки электродвигателя, причем первый, второй, третий, четвертый и пятый входы микроконтроллера соединены соответственно с выходами аналого-цифрового преобразователя, генератора прямоугольных импульсов, внешней памяти данных, внешней памяти программ и клавиатуры, а первый, второй, третий и четвертый выходы микроконтроллера соединены соответственно со вторым входом аналого-цифрового преобразователя, с входами генератора прямоугольных импульсов, внешней памяти данных и жидкостно-кристаллического индикатора.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для диагностики изоляции обмоток трехфазных электродвигателей.

Известно устройство для диагностирования обмоток электрических машин, содержащее генератор прямоугольных импульсов, формирующий и подающий импульсы прямоугольной формы с заданными параметрами на обмотку исследуемой электрической машины, три дифференциатора, обрабатывающих полученный сигнал, ключ, выходной блок и вольтметр, отображающий результат измерения. Выход генератора прямоугольных импульсов соединен с началом обмотки. Конец обмотки электрической машины подключен к входу первого дифференциатора. Выход первого дифференциатора связан с входом второго дифференциатора и первой входной клеммой ключа. Выход второго дифференциатора соединен с входом третьего дифференциатора и второй входной клеммой ключа. Выход третьего дифференциатора подсоединен к третьей входной клемме ключа. Выходная клемма ключа соединена с входом выходного блока. С выходного блока измерительная информация подается на вольтметр (см. Белоусова Н.В., Калявин В.П., Мозгалевский А.В. Опыт тестового диагностирования обмоток электрических машин. - Л.: ЛДНТП, 1989. - С.19-21, рис.6).

Это устройство позволяет получить диагностический параметр, с помощью которого после математической обработки определяются такие характеристики, как сопротивление и емкость обмотки электрической машины относительно корпуса. В то же время, состояние изоляции, в основном, зависит от параметров межвитковой изоляции, таких как межвитковое сопротивление и межвитковая емкость. В связи с этим результаты диагностики с использованием рассматриваемого устройства имеют низкую достоверность и точность оценки состояния изоляции. Кроме того, у данного устройства отсутствует функция прогнозирования остаточного срока службы диагностируемого объекта.

Устройство для оценки технического состояния изоляции обмоток электродвигателя, используемое в качестве прототипа, содержит генератор прямоугольных импульсов, предназначенный для соединения с началом обмотки исследуемого электродвигателя, усилитель-ограничитель, измеритель периода, пиковый детектор, блок управления, индикатор режима, блок хранения аналогового сигнала, вольтметр. Начало обмотки электродвигателя связано с выходом генератора прямоугольных импульсов, а конец обмотки электродвигателя связан с параллельными входами усилителя-ограничителя и пикового детектора. Выход усилителя-ограничителя соединен с входом измерителя периода. Первый, второй и третий входы блока управления соединены, соответственно, с выходами измерителя периода, пикового детектора, генератора прямоугольных импульсов. Первый и второй выходы блока управления соединены, соответственно, с входами блока хранения аналогового сигнала и блока индикации. Вольтметр присоединен к выходу блока хранения аналогового сигнала (см. патент РФ №2208234, МПК⁷ G 01 R 31/12, 31/14).

Это устройство позволяет измерять такие параметры как амплитуда первого положительного полупериода, амплитуда второго положительного полупериода, величины первого и второго периода. В то же время судить о техническом состоянии изоляции асинхронного двигателя на основе анализа значений этих четырех параметров, обеспечить диагностику и прогнозирование остаточного ресурса работы изоляции электродвигателя затруднительно. Информативность и наглядность, которые могли бы быть обеспечены при наличии функции прогнозирования остаточного ресурса работы и выражения результатов в абсолютных единицах - часах, сутках, месяцах, у данного устройства отсутствуют. При этом использование вольтметра как внешнего измерительного элемента устройства приводит к снижению точности оценки технического состояния изоляции обмоток электродвигателя вследствие того, что параметры применяемых элементов устройства - наличие переходного сопротивления контактов, сопротивления проводников, класс точности вольтметра - далеки от эталонных значений.

Предлагаемым изобретением решается задача обеспечения выполнения диагностики и прогнозирования остаточного ресурса работы изоляции электродвигателя, а также повышения точности оценки и прогнозирования технического состояния изоляции электродвигателя.

Для достижения этого технического результата в устройство для оценки и прогнозирования технического состояния изоляции обмоток электродвигателя, введены блок согласования, аналого-цифровой преобразователь, микроконтроллер, внешняя память данных, внешняя память программ, клавиатура и жидкостно-кристаллический индикатор. При этом первый вход аналого-цифрового преобразователя и вход согласующего устройства последовательно связаны с выводом обмотки электродвигателя. Первый, второй, третий, четвертый и пятый входы микроконтроллера соединены соответственно с выходами аналого-цифрового преобразователя, генератора прямоугольных импульсов, внешней памяти данных, внешней памяти программ и клавиатуры. Первый, второй, третий и четвертый входы микроконтроллера соединены соответственно со вторым входом аналого-цифрового преобразователя, с входами генератора прямоугольных импульсов, внешней памяти данных и жидкостно-кристаллического индикатора.

Выполнение диагностики и прогнозирования остаточного ресурса работы изоляции электродвигателя достигается введением в устройство аналого-цифрового преобразователя, микроконтроллера, внешней памяти данных, внешней памяти программ, позволяющих преобразовывать аналоговый диагностический сигнал в цифровую форму и производить необходимые арифметические вычисления. Диагностика и прогнозирование остаточного ресурса изоляции обмотки электродвигателя подразумевает использование одной из математических моделей, для чего устройство снабжено функцией самостоятельного проведения расчетов различной степени сложности. Она реализуется в заявляемом устройстве с помощью микроконтроллера, который функционирует по программе, хранящейся во внешней памяти программ. Кроме того, для оценки остаточного ресурса изоляции электродвигателя необходимо иметь информацию о конструктивных особенностях электродвигателя, режиме его работы и параметрах микроклимата. Для хранения этой информации используется внешняя память данных. Эта информация и программы, по которым работает микроконтроллер, заносятся во внешнюю память данных и внешнюю память программ с помощью клавиатуры. За счет использования жидкостно-кристаллического индикатора обеспечивается наглядность результатов измерений и получение необходимых инструкций оператором. Благодаря преобразованию диагностического сигнала из аналоговой формы в цифровую с высокой частотой дискретизации достигается высокая точность оценки и прогнозирования остаточного срока службы изоляции электродвигателя путем повышения точности и достоверности измерений диагностических параметров, к которым относятся, например, амплитуды первого и второго положительных полупериодов и период затухающих колебаний в обмотке, возникающих при подаче на нее прямоугольного импульса. Это реализуется за счет введения в устройство аналого-цифрового преобразователя.

На чертеже показана структурная схема предлагаемого устройства для оценки и прогнозирования технического состояния изоляции обмоток электродвигателя.

Устройство содержит генератор прямоугольных импульсов 1, предназначенный для соединения с началом обмотки исследуемого электродвигателя 2, блок согласования 3, аналого-цифровой преобразователь 4, микроконтроллер 5, внешнюю память данных 6, внешнюю память программ 7, клавиатуру 8, жидкостно-кристаллический индикатор 9. Один из выводов обмотки электродвигателя 2 связан с выходом генератора прямоугольных импульсов 1, а другой вывод - со входом блока согласования 3. Выход блока согласования 3 связан с первым входом аналого-цифрового преобразователя 4. Первый, второй, третий, четвертый, пятый входы микроконтроллера 5 связаны, соответственно, с выходами аналого-цифрового преобразователя 4, генератора прямоугольных импульсов 1, внешней памяти данных 6, внешней памяти программ 7, клавиатуры 8. Первый, второй, третий, четвертый выходы микроконтроллера 5 соединены, соответственно, со вторым входом аналого-цифрового преобразователя 4, входами генератора 1 прямоугольных импульсов, внешней памяти данных 6, жидкостно-кристаллического индикатора 9.

Генератор прямоугольных импульсов 1 формирует прямоугольные импульсы длительностью 1 мс и амплитудой 1-5 В. Он имеет мощный усилительный каскад на выходе, что позволяет подключать его к двигателям с низким сопротивлением цепи "фаза-корпус", что характерно для асинхронных двигателей большой мощности. Блок согласования 3 обеспечивает подключение электронной части устройства к асинхронному двигателю. Блок согласования 3 выполнен в виде эмиттерного повторителя, что обеспечивает ему большое входное и малое выходное сопротивления. Этим достигается отсутствие искажения получаемого с асинхронного двигателя сигнала, вызванного действием нагрузки всего устройства. Аналого-цифровой преобразователь 4 преобразует непрерывный линейно-изменяющийся сигнал в его цифровой эквивалент с разрядностью 16 бит. Период дискретизации аналоговых величин составляет 10 мкс. Микроконтроллер 5 выполняет следующие функции:

- по команде с клавиатуры формирует сигнал запуска генератора прямоугольных импульсов 1;

- запускает в работу аналого-цифровой преобразователь 4 и считывает с него цифровой код;

- опрашивает клавиатуру 8 для ввода значений эталонного диагностического параметра, диагностического параметра, полученного при предшествующей диагностике, и времени, прошедшего с момента проведения последней диагностики;

- осуществляет вычисление значения текущего обобщенного диагностического параметра, времени работы диагностируемого двигателя до выхода из строя;

- управляет работой жидкостно-кристаллического индикатора 9 с целью отображения вводимых с клавиатуры величин, режимов работы устройства и результатов измерений.

Внешняя память данных 6 служит для хранения результатов работы аналого-цифрового преобразователя 4, промежуточных результатов и результатов диагностики. Внешняя память программ 7 служит для хранения программы, управляющей работой микроконтроллера 5. Клавиатура 8 представляет собой матрицу клавиш, необходимых для ввода исходных данных и управления режимами работы устройства. Жидкостно-кристаллический индикатор 9 предназначен для вывода информации о результатах измерения и указаний оператору.

Устройство для оценки и прогнозирования технического состояния изоляции электродвигателя работает следующим образом.

По команде с клавиатуры 8 микроконтроллер 5 формирует сигнал запуска генератора 1 прямоугольных импульсов. С выхода генератора 1 прямоугольных импульсов одиночный диагностирующий импульс подается на один из выводов обмотки электродвигателя 2 и на второй вход микроконтроллера 5. С другого вывода обмотки электродвигателя 2 сигнал поступает на вход блока согласования 3, обеспечивающего отсутствие искажений этого сигнала, которые могут быть вызваны работой заявляемого устройства. С выхода блока согласования 3 сигнал подается на вход аналого-цифрового преобразователя 4. Микроконтроллер 5 по получении сигнала с генератора 1 прямоугольных импульсов подает на первый вход аналого-цифрового преобразователя 4 сигнал, который вводит его в работу. В аналого-цифровом преобразователе 4 диагностический сигнал преобразуется в цифровой код, который передается на первый вход микроконтроллера 5. Считывание сигнала микроконтроллером 5 с аналого-цифрового преобразователя 4 производится в течение времени, равного длительности импульса, формируемого генератором прямоугольных импульсов 1. На четвертый вход микроконтроллера 5 поступают команды из внешней памяти программ 7. Микроконтроллер 5 обрабатывает в соответствии с программой поступившую из аналого-цифрового преобразователя 4 информацию и вычисляет текущее значение диагностического параметра, которое передается с его третьего выхода на хранение во внешнюю память данных 6 и с четвертого выхода - на жидкостно-кристаллический индикатор 9. Микроконтроллер 5 опрашивает клавиатуру 8 с целью получения эталонного значения диагностического параметра, значения диагностического параметра, полученного при предшествующей диагностике и времени, прошедшего с момента проведения последней диагностики. Для обеспечения последовательного введения этих значений с четвертого выхода микроконтроллера 5 управляющие импульсы поступают на вход жидкостно-кристаллического индикатора 9. По получении всех необходимых данных с клавиатуры 8, которые для временного хранения помещаются во внешнюю память данных 6, микроконтроллер 5 вычисляет остаточный срок до выхода изоляции электродвигателя из строя, значение которого передается с четвертого выхода микроконтроллера 5 на жидкостно-кристаллический индикатор 9.

Для оценки остаточного срока службы может использоваться, например, многофакторная детерминированная модель прогноза, разработанная И.А.Гутовым (Гутов И.А. Прогнозирование состояния электродвигателей на основе использования многофакторных моделей старения изоляции: Дисс.... канд. техн. наук: 05.20.02. - Барнаул, 1997. - 259 с.). Оценить срок службы с использованием этой модели можно по следующим выражениям:

t_ост =Т-t;

где t_ост - остаточный срок службы, мес.;

Т - полный срок службы после ввода в эксплуатацию, мес.;

t - время, прошедшее с начала эксплуатации, мес.;

F_нач - начальное значение обобщенного диагностического параметра, о.е.;

F_кр - критическое значение обобщенного диагностического параметра, при котором вероятность выхода из строя электродвигателя наиболее высока, о.е.;

b и с - параметры модели, зависящие от условий эксплуатации, о.е.

Значения параметров b и с хранятся во внешней памяти данных 6 и выбираются микроконтроллером 5 в зависимости от значений параметров условий эксплуатации (средняя влажность воздуха, режим работы, температура окружающей среды). Программа, обеспечивающая расчет по приведенным формулам, хранится в внешней памяти программ 7. В результате проведения вычислений на жидкостно-кристаллическом индикаторе 9 выводится значение остаточного срока службы в месяцах.

Достоинствами предлагаемого устройства являются простота, удобство в использовании, высокая достоверность и точность оценки получаемых результатов.