УСТРОЙСТВО БЕСКОНТАКТНОГО КОНТРОЛЯ ИСПРАВНОСТИ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
CONTACTLESS CONTROL DEVICE OF ALTERNATING CURRENT ELECTRICAL UNITS

Предлагаемое изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано для бесконтактного непрерывного контроля исправности электротехнических объектов переменного тока. К таким потребителям можно отнести различные преобразователи электроэнергии, в частности трансформаторы, выпрямители переменного тока, электрические машины переменного тока и др.
Известно устройство для контроля полупроводниковых элементов, входящих в состав выпрямителей переменного тока, подключаемое непосредственно к контролируемому элементу с помощью щупов и производящее определение исправности элемента путем оценки его реакции на стимулирующее воздействие в виде прямоугольных импульсов, следующих от специального генератора [1]. Недостатком аналога является необходимость контактного соединения контролирующего устройства с объектом контроля - полупроводниковым элементом.
Известно устройство, реализующее способ экспресс-диагностики выпрямительных элементов блоков питания [2]. Устройство содержит датчик напряженности магнитного поля, размещенный вблизи трансформатора блока питания и подключенный к группе полосовых фильтров и логической схеме обработки сигналов. Принцип действия устройства заключается в том, что из сигнала датчика, пропорционального напряженности внешнего магнитного поля (ВМП) трансформатора, с помощью узкополосных фильтров, настроенных на частоты ω, 2ω и 3ω (ω - частота питающего напряжения), выделяется информативный параметр в виде спектра амплитуд соответствующих частот, после чего осуществляется сравнение полученных величин с эталонными (опорными) сигналами. После этого в логической схеме в зависимости от комбинаций соотношений амплитуд указанных сигналов реализуется один из вариантов выходного сигнала, касающийся исправности/неисправности выпрямительных элементов блока питания. Однако данное устройство содержит большое количество элементов и функциональных связей, что снижает надежностные характеристики его работы.
Известно устройство бесконтактного мониторинга полупроводниковых элементов однофазных и трехфазных мостовых выпрямителей [3], наиболее близкое по совокупности существенных признаков заявляемому изобретению. Устройство содержит датчик напряженности ВМП, размещенный вблизи трансформатора выпрямителя, усилитель сигнала датчика и полосовой фильтр, настроенный на частоту 2ω, выход которого подключен к логической схеме устройства, которая, в зависимости от величины амплитуды выходного сигнала фильтра, формирует на соответствующие индикаторы сигнал о техническом состоянии полупроводниковых элементов.
Недостатком устройства, выбранного за прототип, является необходимость предварительной ориентации оси чувствительности датчика напряженности ВМП относительно объекта контроля, так как при определенном его положении относительно силовых линий магнитного поля выходной сигнал будет равен нулю и устройство работать не будет. Кроме того, ориентация датчика должна поддерживаться неизменной.
Целью изобретения является повышение надежности работы устройства за счет исключения влияния положения оси чувствительности датчика напряженности ВМП относительно объекта контроля на конечный результат работы устройства.
Поставленная цель достигается тем, что датчик напряженности выполнен в виде трех одинаковых ортогонально размещенных цилиндрических обмоток, начальные выводы которых соединены между собой и заземлены, а конечные выводы подключены соответственно к усилителям, каждый из которых соединен со своим квадратором, выходы которых соединены с входами суммирующего устройства, а выход суммирующего устройства подключен к устройству извлечения квадратного корня, соединенного с интегратором, выход которого, в свою очередь, подключен к входу полосового фильтра, выход которого подключен к входам двух компараторов логического блока, имеющих различные уровни срабатывания, при этом к выходу компаратора, имеющего меньший уровень срабатывания, подключены входы логических элементов И-НЕ и И, ко второму входу логического элемента И-НЕ подключены выход компаратора с большим уровнем срабатывания и второй индикатор блока индикации, а выход логического элемента И-НЕ подключен ко второму входу логического элемента И, к выходу которой подключен первый индикатор.
Принцип действия заявляемого устройства бесконтактного контроля исправности электротехнических объектов переменного тока заключается в следующем.
В процессе работы любого электротехнического объекта, содержащего источник магнитного поля и имеющего магнитную систему, происходит ее периодическое перемагничивание. Характер перемагничивания связан с доменной структурой магнитной системы и весьма чувствителен к режиму работы и техническому состоянию контролируемого объекта. Поэтому во внешнем магнитном поле контролируемого электротехнического объекта содержится информация о его исправном/неисправном состоянии.
Если электротехнический объект работает в номинальном эксплуатационном режиме и все его элементы исправны, то рабочая точка перемагничивания магнитной системы находится на линейном участке кривой намагничивания материала; кривая сигнала датчика ВМП симметрична относительно оси абсцисс. Благодаря этому в спектре амплитуд выходного сигнала датчика напряженности ВМП будут присутствовать сигналы только нечетных спектральных составляющих, кратных основной частоте питающего потребитель напряжения ω (3ω, 5ω, …) [4, 5].
В случае возникновения в контролируемом объекте одной или нескольких неисправностей, не снижающих его работоспособность, вследствие появляющегося подмагничивания магнитной системы рабочая точка смещается на нелинейный участок кривой намагничивания, в результате чего в спектре амплитуд выходного сигнала датчика дополнительно появляются сигналы четных спектральных составляющих (2ω, 4ω, 6ω…). В этом случае амплитуды четных спектральных составляющих, в том числе на частоте 2ω, возрастут незначительно.
В другом же случае, когда неисправности в контролируемом объекте существенны и могут привести к аварийным сбоям в работе объекта в целом, амплитуды четных спектральных составляющих, особенно на частоте 2ω, возрастают значительно.
Таким образом, заявляемое устройство фиксирует два вида неисправностей в контролируемом объекте – не существенно влияющих на работоспособность и приводящих к серьезным (аварийным) сбоям в работе. Информационным признаком при этом выступает амплитуда спектральной составляющей выходного сигнала датчика с частотой 2ω.
Для различных типов контролируемых объектов величины амплитуд этих спектральных составляющих также будут различными. В этой связи настройка устройства для регистрации отмеченных видов неисправностей применительно к каждому конкретному объекту будет заключаться в переустановке величин напряжений срабатывания соответствующих сравнивающих устройств (компараторов). Это определяет универсальность заявляемого устройства для его применения к контролю различных электротехнических объектов.
Однако определяющим недостатком прототипа является, как отмечалось выше, обязательная необходимость ориентации оси чувствительности датчика напряженности ВМП относительно объекта контроля. Для исключения данного недостатка в предлагаемом устройстве использован датчик индукционного типа, выполненный в виде трех одинаковых ортогонально размещенных цилиндрических обмоток, начальные выводы которых соединены между собой и заземлены, а конечные выводы подключены к блоку обработки сигналов по определенному алгоритму.
Повышение надежности работы устройства за счет исключения влияния положения оси чувствительности датчика напряженности (или индукции) ВМП относительно объекта контроля достигается специальной обработкой выходных сигналов индукционных датчиков (датчиков напряженности).
Ориентация датчика во внешнем магнитном поле электротехнического объекта определяется углами углов α, β и γ (фиг. 1a). Каждая обмотка выдает сигнал о соответствующей компоненте вектора магнитной индукции, из которых впоследствии выделяется модуль индукции ВМП.
x
Для пояснения этого процесса рассмотрим одну из цилиндрических обмоток датчика, ориентированного, например, вдоль оси x (фиг. 1б). Кроме того, будем считать, что все цилиндрические обмотки одинаковы. Вектор индукции магнитного поля B контролируемого объекта в декартовой системе координат, связанной с обмотками датчика, составляет с осью x угол α. Компонента магнитного поля B найдется как
Потокосцепление с обмоткой датчика найдется как
a
где wS=,
w - число витков в датчике,
S - средняя площадь одного витка.
Величину выходного сигнала датчика можно найти с помощью закона Фарадея для электромагнитной индукции:
В дальнейшем знак модуля опустим.
Формула (3) применима для каждой из трех компонент:
Возведем уравнения (3) и (4) в квадрат и сложим результат. Получим:
Из (5) найдем модуль индукции магнитного поля:
Аналогично для двух остальных обмоток, жестко ориентированных вдоль осей y и z, можно записать:
Покажем, что стоящая в знаменателе (6) сумма квадратов косинусов не зависит от углов ориентации. Из определения модуля вектора следует:
Подставив (1) и (7) в (6), получим
.
Откуда
Формула (9) означает, что формула (6) не чувствительна к ориентации датчика. Учитывая (9) в (6), получим окончательный алгоритм обработки измерительных сигналов от трех взаимно ортогональных цилиндрических обмоток в виде:
0
0
-7
В связи с тем, что напряженность внешнего магнитного поля H и индукция магнитного поля B связаны между собой выражением B=μH, где μ=4π⋅10 Гн/м - магнитная постоянная. Учитывая это, получаем окончательный вариант алгоритма:
Таким образом, так как в формуле (11) отсутствуют углы α, β и γ ориентации датчика напряженности, то его выходной сигнал не будет зависеть от положения датчика относительно объекта контроля, что и является целью изобретения.
1
2
3
1
2
3
1
2
3
1
2
1
2
2
1
На фиг. 2 представлена функциональная схема устройства бесконтактного контроля исправности электротехнических объектов переменного тока. Устройство состоит из датчика (Д) напряженности 1 внешнего магнитного поля, состоящего из трех одинаковых ортогонально размещенных цилиндрических обмоток 1, 1, 1, начальные выводы которых соединены между собой и заземлены, блока обработки сигналов (БОС) 2, логического блока (ЛБ) 3 и блока индикации (БИ) 4. В свою очередь, выходы обмоток датчика Д связаны с входами сумматора 5 через соответствующие усилители (У) 6, 6, 6 и квадраторы (Кв.) 7, 7, 7. Выход сумматора 5 связан с узкополосным фильтром (Ф) 8, настроенным на частоту 2ω (ω - частота питающего электрооборудование напряжения), через устройство извлечения квадратного корня 9 и интегратор 10. Выход фильтра Ф связаны с соответствующими компараторами (К) 11 и 11, имеющими различные уровни срабатывания. К выходу первого компаратора 11, имеющего меньший уровень срабатывания, подключены входы логических элементов И-НЕ 12 и И 13, ко второму входу элемента И-НЕ подключен выход второго компаратора 11 с большим уровнем срабатывания, который подключен также ко второму индикатору (Инд. 2) 14. Выход логического элемента И-НЕ 12 подключен ко второму входу элемента И 13, выход которого связан с первым индикатором (Инд. 1) 14.
1
2
3
1
2
3
Устройство работает следующим образом. Датчик, произвольно установленный вблизи контролируемого объекта, формирует сигналы, пропорциональные напряженности ВМП. В том случае, если электрооборудование работает в номинальном режиме и его комплектующие элементы (узлы) исправны, то сигналы с выходов обмоток датчика Д, кратные основной частоте питающего потребитель напряжения ω (3ω, 5ω, …), после усиления усилителями 6, 6, 6, возведения в квадрат квадраторами 7, 7, 7, суммирования, извлечения квадратного корня и интегрирования соответственно элементами 5, 9 и 10 поступают на узкополосный фильтр 8. При этом дальнейшее преобразование результирующего сигнала в логическом блоке 3 прекращается в связи с отсутствием в сигнале составляющей с частотой 2ω. В результате ни один индикатор в блоке 4 не сработает.
вх.K2
вх.K1
При возникновении в контролируемом объекте неисправностей в выходных сигналах обмоток датчика появляются спектральные составляющие с частотой 2ω. При этом результирующий сигнал с выхода интегратора 10 проходит через фильтр 8 и поступает на входы компараторов K1 и K2 логического блока, настроенных на срабатывание при различных напряжениях входного сигнала, причем U>U. Использование двух компараторов в логическом блоке, настроенных на срабатывание при различном входном напряжении, позволяет более качественно различить техническую ситуацию, возникшую в объекте (появление неисправностей, не снижающих его работоспособность, или появление существенных неисправностей, приводящих к аварийным сбоям в работе объекта).
вх.K1
вх.K2
1
В том случае, когда в объекте появляются не существенно влияющие на работоспособность неисправности и выходное напряжение фильтра Ф больше U, но меньше U, срабатывает компаратор K1. Единичный сигнал с его выхода поступает на первый вход логического элемента И-НЕ 12 и на первый вход логической схемы И 13. Так как на втором входе элемента И-НЕ сигнал отсутствует, то на его выходе в соответствии с логикой работы сформируется единичный выходной сигнал, который будет поступать на второй вход элемента И. В соответствии с логикой работы на выходе элемента И 13 сформируется единичный выходной сигнал, который вызовет срабатывание первого индикатора (Инд. 1) 14 в блоке индикации БИ 4.
вх.K1
вх.K2
2
При возникновении существенных неисправностей, могущих привести к серьезным (аварийным) сбоям в работе объекта, вследствие резкого возрастания амплитуды четной спектральной составляющей с частотой 2ω, выходное напряжение фильтра Ф 8 становится больше U и U, в результате чего срабатывают оба компаратора K1 и K2. Единичный сигнал с выхода компаратора K1 поступает сигнал на первые входы логических элементов И-НЕ и И. Единичный сигнал с выхода компаратора К2 поступает на второй вход элемента И-НЕ и на вход второго индикатора 14. Происходит срабатывание второго индикатора в БИ, фиксирующего появление в оборудовании аварийной ситуации. В соответствии с логикой работы элемента И-НЕ сигнал на его выходе, а следовательно, и на втором входе элемента И будет отсутствовать. В результате на выходе элемента И будет нулевой сигнал, т.е. первый индикатор (Инд. 1) БИ в этой ситуации не сработает.
В связи с тем, что измерение параметров ВМП контролируемых объектов осуществляется бесконтактно, то контроль исправности можно организовать с любой периодичностью, в том числе и непрерывно.
Предлагаемое устройство обладает существенным положительным эффектом, заключающимся в повышении надежности работы за счет исключения влияния положения оси чувствительности датчика напряженности магнитного поля относительно контролируемого электротехнического объекта на результат измерения и, соответственно, необходимости предварительной ориентации датчика перед проведением измерений.
Источники информации
1. Маркин В.В., Миронов В.Н., Обухов С.Г. Техническая диагностика вентильных преобразователей. - М.: Энергоатомиздат, 1985.
2. Сукиязов А.Г., Просянников Б.Н. Авторское свидетельство на изобретение №1718159 «Способ экспресс-диагностики выпрямительных элементов блоков питания», 1989.
3. Сукиязов А.Г., Вербов В.Ф., Просянников Б.Н. и др. Патент на полезную модель №66820 «Устройство бесконтактного мониторинга полупроводниковых элементов однофазных и трехфазных мостовых выпрямителей», 2007.
4. Смирнов В.И. Методы и средства функциональной диагностики и контроля технологических процессов на основе электромагнитных датчиков. - Ульяновск: УлГТУ, 2001.
5. Багуц В.П., Ковалев Н.П., Костроминов A.M. Электропитание устройств железнодорожной автоматики, телемеханики и связи. - М.: Транспорт, 1991.