МИКРОКОНТРОЛЛЕРНОЕ УСТРОЙСТВО ДИАГНОСТИКИ МЕЖВИТКОВОЙ ИЗОЛЯЦИИ ОБМОТКИ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ С ФУНКЦИЕЙ МЕГОММЕТРА

Область техники, к которой относится полезная модель
Полезная модель относится к области электроизмерительной техники, в частности к устройствам диагностики изоляции электродвигателя, характеризуемого ее пробивным напряжением, и может быть использована для построения средств диагностики всех видов изоляции электродвигателя: межвитковой, межобмоточной, между обмоткой и корпусом, а также измерения сопротивления изоляции.
Уровень техники
В результате старения изоляции обмотки асинхронного двигателя снижается ее пробивное напряжение и сопротивление, что в свою очередь ведет к внезапному отказу двигателя. Для своевременного предупреждения повреждения изоляции необходима ее диагностика, т.е. контроль качества (состояния) межвитковой изоляции.
Известно устройство для измерения емкости и диэлектрических потерь конденсаторного датчика (патент RU 2258232, МПК G01R 27/26), содержащее микроконтроллер, индикатор, два генератора, времязадающие RC-цепи генераторов. В качестве одного емкостного элемента применен конденсаторный датчик, между обкладками которого находится изоляционный материал. Микроконтроллер в определенной последовательности с помощью управляемых ключей подключает известные по сопротивлению резисторы времязадающих RC-цепей, измеряет постоянную времени RC-цепей и рассчитывает сопротивление изоляционного материала, значение которого выводит на индикатор.
Недостатком данного устройства является ограниченные функциональные возможности, устройство не позволяет контролировать состояние межвитковой изоляции индуктивностей.
Известно микроконтроллерное устройство для диагностики изоляции обмотки асинхронного двигателя (патент RU 2428707 С1, МПК G01R 31/06, заявл. 21.04.2010) содержащее микроконтроллер, делитель напряжения, управляемый источник опорного напряжения, управляемый ключ, индикатор, источник постоянного напряжения и индуктивность (обмотка асинхронного двигателя), при этом первый вывод источника постоянного напряжения подключен к первому выводу индуктивности, второй вывод которой подключен к первому выводу ключа, вывод управления которого подключен к микроконтроллеру, вход управления источника опорного напряжения подключен в выходу широтно-импульсного модулятора микроконтроллера, выход источника опорного напряжения подключен к первому входу аналогового компаратора микроконтроллера, ко второму входу аналогового компаратора микроконтроллера подключен средний вывод делителя напряжения, первый крайний вывод делителя напряжения подключен ко второму выводу индуктивности, второй крайний вывод делителя напряжения подключен ко вторым выводам ключа и источника постоянного напряжения, индикатор подключен к микроконтроллеру.
Недостатком данного устройства являются ограниченные функциональные возможности и низкая точность диагностики изоляции обмотки асинхронного двигателя.
Известно микроконтроллерное устройство диагностики межвитковой изоляции обмотки электродвигателя (патент RU 2546827 С1, МПК G01R 27/26, заявл. 30.12.2013) содержащее микроконтроллер, делитель напряжения, управляемый источник опорного напряжения, первый управляемый ключ, индикатор, источник постоянного напряжения, диагностируемую обмотку электродвигателя, второй ключ, образцовую индуктивность, при этом: первый вывод источника постоянного напряжения подключен к первым выводам диагностируемой обмотки электродвигателя и образцовой индуктивности, вторые выводы, которых подключаются ко второму выводу второго ключа, который может находиться либо в «верхнем» (подключается диагностируемая обмотка электродвигателя), либо в «нижнем» (подключается образцовая индуктивность) положении; первый вывод второго ключа подключен ко второму выводу первого управляемого ключа и второму крайнему выводу делителя напряжения; вывод управления первого ключа подключен к выходу микроконтроллера; вход управления источника опорного напряжения подключен в выходу широтно-импульсного модулятора микроконтроллера; выход источника опорного напряжения подключен к первому входу аналогового компаратора микроконтроллера; ко второму входу аналогового компаратора микроконтроллера подключен средний вывод делителя напряжения; первый крайний вывод делителя напряжения подключен к первому выводу первого управляемого ключа и второму выводу источника постоянного напряжения; индикатор подключен к выходу соответствующего порта микроконтроллера.
Недостатком данного устройства является низкая точность измерения и ограниченные функциональные возможности - устройство не позволяет измерять сопротивление изоляции между обмотками и между обмоткой и корпусом.
Наиболее близким аналогом - прототипом к заявляемому техническому решению является микроконтроллерное устройство диагностики межвитковой изоляции обмотки электродвигателя с функцией мегомметра (патент RU 2589762 С1, МПК G01R 27/26, заявл. 29.05.2015) содержащее микроконтроллер, делитель напряжения, управляемый источник опорного напряжения, первый управляемый ключ, индикатор, источник постоянного напряжения, диагностируемую обмотку электродвигателя, второй ключ, образцовую индуктивность, полупроводниковый диод, конденсатор, при этом: второй вывод источника постоянного напряжения подключен к первым выводам диагностируемой обмотки электродвигателя и образцовой индуктивности, вторые выводы которых подключаются ко второму выводу второго ключа, который может находиться либо в «нижнем» положении - подключается диагностируемая обмотка электродвигателя, либо в «верхнем» положении - подключается образцовая индуктивность и анод полупроводникового диода, катод которого соединен с первой обкладкой конденсатора; первый вывод второго ключа подключен ко второму выводу первого управляемого ключа и второму крайнему выводу делителя напряжения; первый крайний вывод делителя напряжения соединен с первыми выводами источника постоянного напряжения и первого управляемого ключа, а так же со второй обкладкой конденсатора; вывод управления первого ключа подключен к микроконтроллеру; средний вывод делителя напряжения подключен ко второму входу аналогового компаратора микроконтроллера; индикатор подключен к выходу соответствующего порта микроконтроллера; вход управления источника опорного напряжения подключен в выходу ШИМ микроконтроллера; выход источника опорного напряжения подключен к первому входу аналогового компаратора микроконтроллера.
Используемый в данном устройстве источник опорного напряжения, управляемый широтно-импульсным модулятором (ШИМ) микроконтроллера, характеризуется повышенным уровнем шума в выходном сигнале, наличие которого обусловлено, прежде всего, пульсациями выходного напряжения фильтра низких частот, обязательно используемого в составе источника опорного напряжения (AVR131: Using the AVR's High-speed PWM. Режим доступа: http://wvvw.gaw.ru/pdf/Atmel/app/avr/AVR131.pdf).
В таблице 1 представлены результаты моделирования процесса формирования опорного напряжения с учетом использования 8 разрядного ШИМ микроконтроллера с частотой 62,5 кГц, амплитудой 5 В и ФНЧ на базе RC цепи: R=10 кОм; С=100 нФ, без учета собственных шумов и нелинейности источника опорного напряжения (ИОН).
Как следует из данных таблицы 1, даже с учетом идеальности характеристик используемого источника опорного напряжения (в предположении отсутствия собственных шумов), имеет место ошибка установления уровня опорного напряжения подаваемого на первый вход аналогового компаратора микроконтроллера. Нелинейность опорного напряжения составляет порядка ±1,5 младшего значащего разряда (МЗР) кода счетчика ШИМ микроконтроллера.
В то же время, для нормального функционирования источника опорного напряжения необходима непрерывная генерация ШИМ сигналов, сопровождаемая резкими скачками потребления тока цифровой частью микроконтроллера, что в свою очередь приводит к снижению чувствительности аналогового компаратора микроконтроллера, в силу формирования дополнительных помех в цепи питания аналоговой части микроконтроллера (Рюмик СМ. 1000 и одна микроконтроллерная схема. Вып.1 / С.М. Рюмик - М.: Издательский дом «Додека-ХХI», 2010. - 356 с, стр. 39.), а значит приводит к увеличению погрешности диагностики изоляции обмотки асинхронного двигателя.
Недостатком устройства прототипа является низкая точность диагностики изоляции электродвигателя.
Раскрытие полезной модели
Технический результат, который может быть достигнут с помощью предлагаемой полезной модели, сводится к повышению точности диагностики изоляции электродвигателя.
Технический результат достигается тем, что в микроконтроллерное устройство диагностики межвитковой изоляции обмотки электродвигателя с функцией мегомметра, содержащее микроконтроллер, делитель напряжения, первый управляемый ключ, индикатор, источник постоянного напряжения, второй ключ, образцовую индуктивность, полупроводниковый диод, конденсатор, при этом: второй вывод источника постоянного напряжения подключен к первым выводам диагностируемой обмотки электродвигателя и образцовой индуктивности, вторые выводы которых подключаются ко второму выводу второго ключа, который может находиться либо в «нижнем» положении - подключается диагностируемая обмотка электродвигателя, либо в «верхнем» положении - подключается образцовая индуктивность и анод полупроводникового диода, катод которого соединен с первой обкладкой конденсатора; первый вывод второго ключа подключен ко второму выводу первого управляемого ключа и второму крайнему выводу делителя напряжения; первый крайний вывод делителя напряжения соединен с первыми выводами источника постоянного напряжения и первого управляемого ключа, а так же со второй обкладкой конденсатора; вывод управления первого ключа подключен к микроконтроллеру; средний вывод делителя напряжения подключен ко второму входу аналогового компаратора микроконтроллера; индикатор подключен к микроконтроллеру посредством группы выходов микроконтроллера (выходов соответствующего порта микроконтроллера), введен цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП), входы управления которого подключены к выходам регистра данных микроконтроллера посредством выходов соответствующего порта микроконтроллера, выход ЦАП подключен к первому входу аналогового компаратора микроконтроллера.
Краткое описание чертежей
На фиг. представлена структурная схема микроконтроллерного устройства диагностики межвитковой изоляции обмотки электродвигателя с функцией мегомметра.
Осуществление полезной модели
Микроконтроллерное устройство для диагностики межвитковой изоляции обмотки электродвигателя с функцией мегомметра содержит (фиг.) микроконтроллер 1 включающий регистр данных (на фиг. не показан) и аналоговый компаратор (на фиг. не показан), делитель напряжения 2, цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) 3, первый управляемый ключ 4, индикатор 5, источник постоянного напряжения 6, второй ключ 7, образцовую индуктивность 8, полупроводниковый диода 9, конденсатора 10, при этом: второй вывод источника постоянного напряжения 6 подключен к первым выводам диагностируемой обмотки 11 электродвигателя и образцовой индуктивности 8, вторые выводы которых подключаются ко второму выводу второго ключа 7, который может находиться либо в «нижнем» положении - подключается диагностируемая обмотка 11 электродвигателя, либо в «верхнем» положении - подключается образцовая индуктивность 8 и анод полупроводникового диода 9, катод которого соединен с первой обкладкой конденсатора 10; первый вывод второго ключа 7 подключен ко второму выводу первого управляемого ключа 4 и второму крайнему выводу делителя напряжения 2; первый крайний вывод делителя напряжения 2 соединен с первыми выводами источника постоянного напряжения 6 и первого управляемого ключа 4, а так же со второй обкладкой конденсатора 10; вывод управления первого ключа 4 подключен к микроконтроллеру 1; средний вывод делителя напряжения 2 подключен ко второму входу аналогового компаратора (на фиг. не показан) микроконтроллера 1; индикатор 5 подключен к микроконтроллеру 1 по средством группы выходов соответствующего порта микроконтроллера 1; входы управления ЦАП 3 подключены к выходам регистра данных микроконтроллера 1 (на фиг. не показан) по средством выходов соответствующего порта микроконтроллера 1; выход ЦАП 3 подключен к первому входу аналогового компаратора (на фиг. не показан) микроконтроллера 1.
Микроконтроллерное устройство для диагностики межвитковой изоляции обмотки электродвигателя с функцией мегомметра работает следующим образом.
Ключ 7 находится в «верхнем» положении, т.е. включена образцовая индуктивность 8.
Микроконтроллер 1 устанавливает на выходе ЦАП 3 заданный уровень опорного напряжения и замыкает управляемый ключ 4. Напряжение на выходе ЦАП 3 устанавливается в соответствии с кодом, поступающим с регистра данных микроконтроллера 1 на входы управления ЦАП 3.
В результате замыкания ключа 4, по цепи: второй вывод источника постоянного напряжения 6, образцовая индуктивность 8, ключ 7, ключ 4, первый вывод источника постоянного напряжения 6 протекает нарастающий ток. В определенный момент микроконтроллер 1 размыкает ключ 4, на выводах образцовой индуктивности 8 возникает ЭДС самоиндукции, которая приложена к делителю напряжения 2. Если напряжение на среднем выводе делителя 2 превысит опорное, то аналоговый компаратор микроконтроллера 1 поменяет на выходе логический уровень. По этому сигналу микроконтроллер 1 оценивает значение амплитуды ЭДС самоиндукции. В образцовой индуктивности 8 отсутствуют дефекты в межвитковой изоляции, и значение ЭДС самоиндукции будет максимальным. Это значение запоминается микроконтроллером 1.
Далее ключ 7 переводится в «нижнее» положение, т.е. подключена диагностируемая обмотка 11 электродвигателя. По цепи: второй вывод источника постоянного напряжения 6, диагностируемая обмотка 11 электродвигателя, ключ 7, ключ 4, первый вывод источника постоянного напряжения 6 протекает нарастающий ток. В определенный момент микроконтроллер 1 размыкает ключ 4, на выводах диагностируемой обмотки 11 электродвигателя возникает ЭДС самоиндукции, которая приложена к делителю напряжения 2. Если межвитковая изоляция диагностируемой обмотки 11 электродвигателя содержит дефекты, снижающие значение пробивного напряжения, а также обладает малым сопротивлением, то часть энергии запасенной в ее индуктивности после размыкания ключа 4 рассеется в виде тепла на сопротивлениях межвитковой изоляции. В этом случае ЭДС самоиндукции будет ниже значения, установленного с помощью образцовой индуктивности, и аналоговый компаратор микроконтроллера 1 не поменяет логический уровень на выходе.
Затем микроконтроллер 1 переходит к следующему циклу измерения амплитуды ЭДС самоиндукции. Микроконтроллер 1 снижает напряжение на выходе ЦАП 3 и вновь замыкает ключ 4, цикл повторяется до тех пор, пока микроконтроллер 1 не определит значение амплитуды ЭДС самоиндукции, которое выводит на цифровой индикатор 5. По значению амплитуды ЭДС самоиндукции производится оценка состояния изоляции.
Реализация функции мегомметра осуществляется следующим образом.
Контролируемое сопротивление изоляции между обмотками электродвигателя или между обмоткой и корпусом подключается к обкладкам конденсатора 10 (на фиг. контролируемое сопротивление не показано). Второй ключ 7 находится в «верхнем» положении, т.е. включена образцовая индуктивность 8. Микроконтроллер 1 периодически замыкает/размыкает ключ 4, на выводах образцовой индуктивности 8 возникают импульсы ЭДС самоиндукции, которая приложена к делителю напряжения 2, а также к аноду полупроводникового диода 9 и ко второй обкладке конденсатора 10. Конденсатор 10 заряжается под действием положительных импульсов ЭДС самоиндукции до определенного значения. Если, контролируемое сопротивление изоляции, к которой приложено напряжение конденсатора 10 имеет высокое значение, то напряжение конденсатора 10 будет равно максимальному значению амплитуды импульсов ЭДС самоиндукции. Это значение напряжения микроконтроллер 1 фиксирует, используя раннее описанную последовательность измерения ЭДС самоиндукции. Если контролируемое сопротивление изоляции, к которой приложено напряжение конденсатора 10 имеет низкое значение, то напряжение конденсатора 10 также будет иметь низкое значение. Таким образом, напряжение на конденсаторе 10, приложенное к контролируемой изоляции будет определяться значением сопротивления контролируемой изоляции. Так как микроконтроллер 1 измеряет напряжение на конденсаторе 10, то по определенной последовательности микроконтроллер 1 определяет значение сопротивления контролируемой изоляции, таким образом, реализуется функция мегомметра.
В сравнении с прототипом, разработанное устройство обеспечивает более высокую точность формирования опорного напряжения. В частности, в случае использования, в качестве ЦАП 3, 7 разрядного ЦАП (например, TLV5623 (Микросхемы АЦП и ЦАП-М.: Издательский дом «Додека-XXI», 2005. - 432 с., стр. 351) характеризуемого нелинейностью 0,5 МЗР)), выигрыш в точности установления опорного напряжения достигает 3.
Кроме того, в отличие от прототипа, для установления выходного напряжения ЦАП 3 достаточно однократного введения кода из регистра данных микроконтроллера 1 в ЦАП 3 за цикл измерения, а точнее в начальный интервал времени предшествующий собственно измерению (моменту сравнения входных сигналов аналогового компаратора микроконтроллера 1). Благодаря чему, на этапе измерения интенсивность функционирования цифровой части микроконтроллера 1, а значит и амплитуда скачков потребления тока цифровой частью микроконтроллера 1 будет снижена. Что в свою очередь приводит к повышению чувствительности аналогового компаратора микроконтроллера 1, в силу снижения уровня помех в цепи питания аналоговой части микроконтроллера 1 (Рюмик СМ. 900 и одна микроконтроллерная схема. Вып. 1 / С.М. Рюмик - М.: Издательский дом «Додека-XXI», 209. - 356 с., стр. 38.), а значит приводит к повышению точности оценки значения амплитуды ЭДС самоиндукции.
В силу указанных причин, разработанное устройство, в сравнении с прототипом, характеризуется более высокой точностью диагностики межвитковой изоляции обмотки электродвигателя.