УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОИСКА ВИТКОВЫХ ЗАМЫКАНИЙ В КАТУШКАХ ИНДУКТИВНОСТЕЙ
DEVICE FOR SEARCHING TURN-TO-TURN SHORT CIRCUITS IN INDUCTANCE COILS

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к устройствам для поиска витковых замыканий в катушках индуктивностей.
Устройства по поиску витковых замыканий (в.з.) с использованием емкостных накопителей и, работающих по принципу заряд накопительного конденсатора от силового трансформатора и затем его разряд через электронный ключ на проверяемую обмотку или индуктор, индуктивно связанный с проверяемой обмоткой, известны давно.
Например, в устройстве (АС СССР 82724, заявлено 11.03.1948 по №378531, опубл. 31.05.49 г.), накопительный конденсатор заряжается через газотрон, а затем через электронный ключ (тиратрон) разряжается на испытываемую обмотку.
Позже в устройствах вместо электронных ламп стали использоваться полупроводниковые элементы (диоды, тиристоры, транзисторы).
Например, в устройстве (Шустов М.А. Практическая схемотехника. Преобразователи напряжения. Книга 3. Альтекс-А. Москва, 2002, рис. 11.13) приведена схема генератора на емкостном накопителе. Во время положительного полупериода сетевого напряжения накопительный конденсатор заряжается через резистор и диод при закрытом тиристоре. При отрицательной полуволне диод закрывается, а тиристор открывается, и накопительный конденсатор разряжается на нагрузку.
Это пример классической схемы генератора с емкостным накопителем, которая используется в устройствах поиска в.з.
Наиболее близким к заявляемому является устройство, созданное под руководством В.В. Шумейко (А.П. Зеленченко. Устройства диагностики тяговых двигателей электрического подвижного состава. Учебное пособие. Москва, 2002, с. 19).
В положительный полупериод сети через открытый диод от выходной обмотки силового трансформатора заряжается накопительный конденсатор. При этом тиристор разряда накопительного конденсатора закрыт.
В отрицательный полупериод сети диод закрывается, и накопительный конденсатор перестает заряжаться (он уже заряжен в положительном полупериоде сети до амплитуды напряжения с выходной обмотки силового трансформатора).
При этом блоком управления формируются импульсы, которые открывают тиристор и накопительный конденсатор разряжается на индуктор, который индуктивно связан с проверяемой обмоткой - формируется ток разряда накопительного конденсатора.
Сигнал, пропорциональный току разряда, снимается с датчика, индуктивно связанного с проверяемой обмоткой, и поступает на блок индикации.
При наличии в.з. ток разряда увеличивается и увеличивается сигнал с датчика, что регистрируется блоком индикации.
Этому устройству, как и другим аналогичным, базирующимся на описанных выше емкостных накопителях энергии, присущи следующие недостатки:
- КПД цепи заряда накопительного конденсатора (вторичная обмотка силового трансформатора - диод - накопительный конденсатор) теоретически менее 50%, что доказано в книге (Схемотехника и применение мощных импульсных устройств. Хансиохим Блум, пер. С англ. М. Додека. XXI, 2008, стр. 203).
- силовой трансформатор из-за однополярной нагрузки (диод - накопительный конденсатор) работает по частичной петле гистерезиса при размахе индукции в 4 раза меньше максимальной (Расчет электромагнитных элементов источников вторичного электропитания. А.Н. Горский и др. М.Радио и связь, 1988, с. 21).
Поэтому массу магнитопровода трансформатора нужно увеличить в 4 раза по сравнению с трансформатором, работающим по полной петле гистерезиса при той же потребляемой мощности.
- Нестабильность напряжения на накопительном конденсаторе обусловлена отсутствием стабилизации напряжения на нем, которую выполнить в этой конфигурации цепи заряда накопительного конденсатора сложно. Поэтому снижается чувствительность устройства из-за флуктуации измеряемого тока разряда накопительного конденсатора.
- Сложность регулировки напряжения на накопительном конденсаторе. Обычно это выполняется введением в цепь первичной обмотки силового трансформатора ЛАТРа, который как и трансформатор будет иметь увеличенную массу. Поэтому в переносных устройствах, как и в прототипе, регулировка этого напряжения не выполняется.
- Снижение чувствительности устройства из-за естественного разряда конденсатора хранения в пиковом детекторе, который фиксирует ток разряда накопительного конденсатора. В прототипе цепь фиксации тока разряда является составной частью блока индикации и отдельно не показана.
В основу изобретения поставлена задача повышения чувствительности устройства и повышение его КПД путем устранения всех вышеупомянутых недостатков за счет применения высокочастотного метода заряда накопительного конденсатора с применением обратной связи слежения за напряжением на накопительном конденсаторе и отслеживанием величины напряжения на опорном входе компаратора за амплитудой напряжения на накопительном конденсаторе и за напряжением разряда конденсатора хранения пикового детектора фиксации тока разряда.
Поставленная задача решается тем, что в устройстве для поиска витковых замыканий, содержащим трансформатор, вторичная обмотка которого через диод подключена к накопительному конденсатору и на последовательную цепочку, состоящую из проверяемой обмотки электронного ключа силового с управлением от блока управления, согласно изобретению, первичная обмотка трансформатора через электронный ключ преобразователя подключена к источнику постоянного напряжения, а сам электронный ключ преобразователя управляется с выхода ШИМ контроллера, дополнительно последовательно с электронным ключом силовым включен датчик тока, выход датчика тока через пиковый детектор второй поступает на информационный вход компаратора второго, напряжение с накопительного конденсатора через делитель напряжения на резисторах и через блок согласования поступает на вход обратной связи ШИМ контроллера, на вход пикового детектора первого и на вход дифференциатора, а с выхода последнего через выпрямитель, компаратора третий поступает на вход блока управления, выход пикового детектора первого подключен на вход компаратора первого и на опорный вход компаратора второго, выход компаратора первого поступает на индикатор цепи и на первый вход логического блока, а на его второй вход подключен сигнал с выхода компаратора второго, выход логического блока подключен к индикатору витковых замыканий.
Повышение чувствительности обеспечивается тем, что выполняется стабилизация напряжения полного заряда накопительного конденсатора и обеспечивается отслеживание величины напряжения на опорном входе компаратора, как за амплитудой напряжения на накопительном конденсаторе, так и за напряжением разряда конденсатора хранения пикового детектора, предназначенного для фиксации тока разряда.
Повышение КПД до 90% осуществляется за счет применения высокочастотного метода заряда накопительного конденсатора. При этом трансформатор имеет малые габариты, так как работает на высокой частоте.
Кроме того, легко обеспечивается регулировка амплитуды стабилизированного напряжения на накопительном конденсаторе изменением глубины обратной связи ШИМ контроллера, например, изменением величины одного из резисторов делителя, если его заменить на подстроечный. Это позволяет настроить устройство для поиска в.з. в катушках с широким диапазоном индуктивностей и с разными требованиями на величину испытательного напряжения между витками проверяемой катушки.
Заявляемое устройство иллюстрируется следующими графическими материалами:
Фиг. 1 - схема устройства, где:
1 - источник постоянного напряжения
2 - трансформатор
3 - электронный ключ преобразователя
4 - ШИМ контроллер
5 - диод
6 - накопительный конденсатор
7, 8 - резисторы делителя напряжения
9 - блок согласования
10 - дифференциатор
11 - пиковый детектор первый
12 - компаратор первый
13 - компаратор второй
14 - индикатор цепи
15 - логический блок
16 - индикатор витковых замыканий
17 - проверяемая обмотка
18 - электронный ключ силовой
19 - датчик тока
20 - пиковый детектор второй
21 - выпрямитель
22 - компаратора третий
23 - блок управления.
Фиг. 2 - эпюры напряжений, где:
24 - импульсы управления
25 - напряжение на накопительном конденсаторе
26 - напряжение на выходе выпрямителя 21
27 - порог компаратора третьего 22
28 - импульсы с выхода компаратора третьего 22
29 - ток разряда
30 - напряжение на информационном входе компаратора второго 13 при наличии в.з.
31 - напряжение на опорном входе компаратора второго 13
32 - напряжение на информационном входе компаратора второго 13 при отсутствии в.з.
Источник постоянного напряжения 1 создает ток через первичную обмотку трансформатора 2, когда электронный ключ преобразователя 3 открыт. Ток отсутствует, когда последний закрыт.
Управление электронным ключом выполняется по микросхеме ШИМ контроллера 4.
Выход трансформатора через диод 5 заряжает накопительный конденсатор 6, и это напряжение через делитель на резисторах 7 и 8 и через блок согласования 9 поступает в качестве сигнала обратной связи по напряжению на вход ШИМ контроллера.
Одновременно это напряжение подключено на вход дифференциатора 10 и на вход пикового детектора первого 11, выход которого соединен со входом компаратора первого 12 и с опорным входом компаратора второго 13.
Выход компаратора первого поступает на индикатор цепи 14 и на первый вход логического блока 15, а на второй его вход - сигнал с выхода компаратора второго.
Выход логического блока поступает на индикатор в.з. 16.
Накопительный конденсатор разряжается на проверяемую обмотку 17 через электронный ключ силовой 18, например, тиристор.
Ток разряда с датчика тока 19 через пиковый детектор второй 20 поступает на информационный вход компаратора второго.
Устройство работает следующим образом:
Высокочастотный преобразователь выполнен на микросхеме ШИМ контроллера 4, электронном ключе преобразователя 3, например, полевом транзисторе, трансформаторе 2, источнике постоянного напряжения 1, выпрямителе 5 и накопительном конденсаторе 6 по одной известной схеме обратноходового преобразователя (в англоязычной литературе - flyback converter), которая зависит от выбранной микросхемы ШИМ контроллера.
Когда электронный ключ преобразователя 3 открыт, то ток через первичную обмотку трансформатора 2 линейно нарастает и в трансформаторе накапливается энергия. Когда электронный ключ преобразователя закрывается, то энергия с трансформатора от его вторичной обмотки через открытый диод 5 разряжается на накопительный конденсатор 6.
На фиг. 2 показаны импульсы управления 24 с выхода ШИМ контроллера. Каждым импульсом управления порция энергии с трансформатора подзаряжает накопительный конденсатор. Напряжение на накопительном конденсаторе имеет вид 25 (ступени заряда не показаны). Количество таких тактов передачи энергии зависит от требуемой энергии на конденсаторе при его полном заряде и порцией энергии, передаваемой за один такт и выбирается исходя из оптимальных критериев при расчете высокочастотного преобразователя с требуемым временем заряда накопительного конденсатора.
Применение обратноходового преобразователя обусловлено тем, что он не боится коротких замыканий по выходу. Например, когда открывается электронный ключ силовой 18 и происходит разряд накопительного конденсатора 6 на проверяемую обмотку, и создается ток разряда, то ток с выходной обмотки обратноходового преобразователя не превышает величины, обусловленной запасом энергии за один такт, а этот ток значительно меньше тока разряда.
Если используется другой вариант преобразователя, например, прямоходовой преобразователь, то потребуется усложнение схемы устройства - необходимо отключать преобразователь на время разряда накопительного конденсатора для исключения короткого замыкания по выходу преобразователя.
Когда напряжение на накопительном конденсаторе 6 достигает требуемой величины, то наступает стабилизация этого напряжения (горизонтальный участок на линии напряжения 25) за счет обратной связи по цепочке: резисторы делителя 7 и 8 - блок согласования, 9 - вход обратной связи ШИМ контроллера 4.
Амплитуда этого напряжения запоминается конденсатором пикового детектора первого 11 и с его выхода в виде напряжения 31 подается как опорное на вход компаратора второго и на вход компаратора первого.
Кроме того, напряжение на накопительном конденсаторе через делитель и блок согласования дифференцируется дифференциатором 10 и после выпрямления выпрямителем 21 будет иметь вид напряжения 26. Это напряжение поступает на вход компаратора третьего 22, где сравнивается с пороговым напряжением 27 (на фиг. 1 опорный вход компаратора третьего для подачи напряжения 27 не показан, так как это может быть обеспечено различными схемотехническими решениями, например, ограничением входного напряжения 27) и на выходе этого компаратора при напряжении 26 меньше порогового 27 формируются импульсы 28, которые через блок управления 23 открывают ключ силовой 18. Как видно с эпюр напряжений, импульсы 28 формируются, когда напряжение на накопительном конденсаторе достигает напряжения стабилизации. В блоке управления 23 может быть предусмотрена задержка на открытие электронного ключа силового 18 для гарантированного выхода в режим стабилизации (эта задержка на открытие реализована в блоке управления 23 устройства и по времени равна продолжительности горизонтального участка на линии напряжения 25).
Когда после этой задержки электронный силовой ключ открывается, то накопительный конденсатор разряжается, импульсы 28 с выхода компаратора третьего автоматически снимаются, и формируется ток разряда 29, который показан для варианта использования тиристора в качестве электронного ключа силового 18. Отрицательная полуволна этого тока закрывает тиристор, и напряжение на накопительном конденсаторе перезарядится на обратную полярность (энергия из проверяемой обмотки 17 возвращается в энергию на накопительном конденсаторе 6). Поэтому начало каждого цикла заряда накопительного конденсатора начинается с его перезаряда с обратной полярности до нуля, а затем и заряда, как это показано на кривой напряжения 25 на накопительном конденсаторе.
Амплитуда разрядного тока с выхода датчика тока 19 запоминается на конденсаторе пикового детектора второго 20 и в виде напряжения 32 (если нет в.з.) или напряжения 30 (если есть в.з.) поступает на информационный вход компаратора второго 13.
На опорный вход этого компаратора поступает напряжение 31 с выхода пикового детектора первого 11.
Если есть цепь (есть напряжение 31 с выхода пикового детектора первого 11), то на выходе компаратора первого 12 будет логическая единица (положительное напряжение) и будет светиться индикатор цепи 14, а логическая единица на первом входе логического блока разрешает его работу (логический блок повторяет уровень сигнала с выхода компаратора второго).
Если нет цепи (напряжение 31 близко к нулю), например, преобразователь не работает, то на выходе компаратора первого 12 будет логический нуль (нулевое напряжение) и индикатор цепи не будет светиться, а логический нуль запрещает работу логического блока (на выходе логического блока всегда будет нулевое напряжение и индикатор витковых замыканий не будет светиться).
Если есть в.з. в проверяемой обмотке 17, то ток разряда увеличивается, и напряжение 30 на информационном входе компаратора второго 13 станет больше напряжения 31 на его опорном входе и на выходе этого компаратора будет логическая единица, которая при наличии цепи повторяется логическим блоком и будут светиться оба индикатора (индикатор цепи и индикатор витковых замыканий).
Если нет в.з. в проверяемой обмотке 17, то ток разряда будет меньше, чем при в.з. и напряжение 32 на информационном входе компаратора второго 13 станет меньше напряжения 31 на его опорном входе и на выходе этого компаратора будет логический нуль, который при наличии цепи повторяется логическим блоком и будет светиться индикатор цепи и не будет светиться индикатор витковых замыканий.
Для устранения влияния помех на опорный вход компаратора первого 12 подается напряжение выше уровня помех, но ниже уровня полезного сигнала с выхода пикового детектора первого 11, когда преобразователь работает (на фиг. 1 опорный вход компаратора первого не показан, так как это не принципиально). Это легко обеспечить, так как уровень этого полезного сигнала значительно превышает уровень помех.
Существенным фактором, повышающим чувствительность устройства является условие равенства постоянной времени разряда конденсатора пикового детектора первого 11 постоянной времени разряда конденсатора пикового детектора второго 20. В этом случае, как показано на фиг. 2, опорное напряжение 31 на опорном входе компаратора второго 13 снижается, так же как снижается напряжение на информационном входе этого компаратора 30 или 32 (линии этих напряжений практически параллельны). Таким образом, напряжение на опорном входе компаратора 13 косвенным образом следит за его входным напряжением по информационному входу.
Следовательно, напряжение 32 без витковых замыканий или 30 при витковых замыканиях на информационном входе компаратора 13 могут максимально близко располагаться к уровню напряжения 31 на его опорном входе, а значит, устройство будет выявлять минимальные изменения тока разряда, что повышает чувствительность устройства.
С учетом того фактора, что флуктуации тока разряда из-за колебаний напряжения на накопительном конденсаторе незначительны, что обусловлено стабилизацией напряжения на этом конденсаторе, то это дополнительно повышает чувствительность устройства.
В целом устройство имеет большую чувствительность по сравнению с прототипом.
ШИМ контроллер 4 - стандартная микросхема для импульсных источников питания, например, ее можно выбрать из описанных в справочнике (Микросхемы для импульсных источников питания и их применение. 2-е изд., испр. и доп. - М.: издательский дом "Додека-XXI ", 2001, 608 с.).
В качестве дифференциатора может быть использована самый цепочка конденсатор-резистор, а простейшими вариантами пиковых детекторов 11, 20 - это цепочка диод-конденсатор. Для повышения точности дифференциатор 10, пиковые детекторы 11 и 20 и компараторы 12, 13, 22 могут быть выполнены на операционных усилителях, например, по схемам (Шустов М.А. Схемотехника. 500 устройств на аналоговых микросхемах. - СПб.: Наука и техника, 2013. - 352 с.).
Логический блок 15 выполняет простейшую логическую функцию и легко реализуется на логических элементах.
Управление тиристором или другим электронным силовым ключом выполняется по широко известным стандартным схемам.
В качестве датчика тока 19 может использоваться резистор.
Трансформатор 2 высокочастотный и выполняется, например, с использованием в качестве магнитопровода ферритового материала.
Источник постоянного напряжения 1 - это, например, аккумулятор, или бестрансформаторный выпрямитель с емкостным фильтром или любой другой вариант. При этом стабилизация источника постоянного напряжения 1 не требуется.
Таким образом, практическая реализация устройства не представляет трудностей.
Для исследований был изготовлен опытный образец устройства ИВЗ-МУ-02, в котором электронный ключ преобразователя выполнен на полевом транзисторе IRFBC40, электронный ключ силовой - на тиристоре ТБ2333-250, ШИМ контроллер - на микросхеме МС33063.
Испытания проводились на заводе "Электротяжмаш". Поиск в.з. выполнялся в катушках тяговых агрегатов А723МУ2, А721АУ2, А728АУ2 до и после установки их в статор.
При емкости накопительного конденсатора 8 мкФ импульсное испытательное напряжение превышало 500 B при амплитуде тока разряда более 300 A. Экспериментально подтверждена высокая чувствительность устройства, а высокий КПД обеспечил его малые габариты.