СПОСОБ КОНТРОЛЯ СОПРОТИВЛЕНИЯ ИЗОЛЯЦИИ ОБМОТОК ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ В МЕХАТРОННОЙ СИСТЕМЕ
METHOD FOR CONTROL OF MOTOR WINDING INSULATION RESISTANCE IN MECHATRONIC SYSTEM

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для контроля изоляции обмоток электрических машин, работающих в составе мехатронных систем на основе инверторных электроприводов.
Известен способ контроля изоляции обмоток электрических машин с помощью измерительных приборов типа мегомметра [Байда Л.И. и др. Электрические измерения: Учебник для вузов. Под ред. А.В.Фремке, Е.М.Душина. Л. Энергия. 1980. - 390 с.], согласно которому на исследуемую обмотку подают относительно заземляющего проводника («земли», «корпуса») высоковольтное испытательное напряжение и по измеренному току утечки судят о качестве изоляции обмотки.
Однако недостатком данного способа является то, что при всей очевидности положительных качеств его трудно применить в мехатронной системе, часто представляющей собой электромеханический конструктивный модуль без доступа к обмоткам электродвигателя или без отсоединения электродвигателя от силового полупроводникового инвертора (коммутатора). Кроме того, невозможно производить оперативный контроль изоляции обмоток в рабочем режиме мехатронной системы.
Известен также способ предварительного контроля изоляции обмоток электродвигателя, реализованный в устройстве, содержащем две R-C-цепи, каждая из которых включена между фазным проводом и нейтралью, связанной с «землей» («корпусом») [Р.И.Дудкин, А.П.Живило. Устройство для предварительного контроля изоляции обмоток трехфазного электродвигателя / А.с. №549854, H02H 7/00, G01R 27/18. Опубл. 05.05.77 в БИ №9]. При этом полный заряд на конденсаторах происходит лишь в случае исправной изоляции обмоток и фиксируется пороговым элементом, разрешающим включение электродвигателя на сетевое напряжение. В случае утечки тока на «землю» напряжение на конденсаторах шунтируется низким сопротивлением изоляции и электродвигатель не включается.
Однако недостатком данного способа является наличие дополнительных высоковольтных конденсаторов переменного тока, высокоомных высоковольтных резисторов и схемы порогового устройства, усложняющих реализацию способа контроля состояния изоляции. Кроме того, в случае отсутствия нулевого провода, что часто наблюдается в мехатронных системах или в сетях с изолированной нейтралью, реализация такого способа усложняется.
Кроме того, известен способ контроля межобмоточной изоляции в мехатронной системе, содержащей источник сетевого напряжения, управляемый выпрямитель, инвертор и электродвигатель переменного тока [Система и метод проверки сопротивления межобмоточной изоляции. Патент США №2009/0251154 А1. Опубл. 8.10.2009], являющийся прототипом предлагаемого изобретения, заключающийся в том, что перед включением электродвигателя в работу однократно коммутируют (включают) один из транзисторных ключей инвертора и контролируют изменение напряжения относительно земли (корпуса) на двух последовательно соединенных резисторах, подключенных к шинам цепи постоянного тока инвертора, общая точка которых соединена с землей (корпусом).
Однако недостатком данного способа являются ограниченные функциональные возможности из-за отсутствия контроля изоляции в рабочем режиме, а также низкое быстродействие определения критического состояния изоляции вследствие больших постоянных времени используемых R-C-цепей.
Задача изобретения - расширение функциональных возможностей мехатронной системы и повышение быстродействия контроля состояния изоляции обмоток электродвигателя непосредственно в ее рабочем режиме.
Поставленная задача достигается тем, что в известном способе контроля межобмоточной изоляции в мехатронной системе, заключающемся в том, что коммутируют один из транзисторных ключей инвертора, к шинам постоянного тока которого подключены два последовательно соединенных инвертора, производят многократную коммутацию двух ключей, принадлежащих одной из фаз («стоек») инвертора, или всех ключей инвертора непосредственно в рабочем режиме, в соответствии с алгоритмом широтно-импульсной модуляции (ШИМ) или 180°-ного управления («шестипульсного режима»), а контроль состояния изоляции обмоток электродвигателя производят по падению напряжения на дополнительном резисторе, включенном между средней точкой двух последовательно соединенных резисторов, подключенных свободными выводами к шинам питания инвертора, и землей (корпусом). При этом каждый из последовательно соединенных резисторов может быть шунтирован конденсатором.
На чертеже приведена функциональная схема устройства, реализующего предлагаемый способ контроля сопротивления изоляции электродвигателя в мехатронной системе.
Устройство содержит электродвигатель 1, подключенный через ключи 2-7 инвертора 8 к шинам 9, 10 питания инвертора, к которым подключен компенсирующий конденсатор 11. Между шинами 9, 10 питания инвертора 8 включены последовательно соединенные резисторы 12, 13. Между общей точкой соединения резисторов 12, 13 и землей (корпусом) 14 включен резистор 15, являющийся датчиком тока утечки в электродвигателе 1. Сигнал с резистора 15 обрабатывается схемой 16 контроля. Резисторы 12, 13 могут быть шунтированы конденсаторами 17, 18. Резистор 19 характеризует сопротивление утечки между обмотками электродвигателя 1 и землей (корпусом) 14.
Инвертор 8 может быть выполнен на любых транзисторных ключах, например MOSFET или IGBT [Г.C.Зиновьев. Основы силовой электроники: Учебное пособие. Новосибирск. Изд-во НГТУ, 2003. - 664 с.]. Схема 16 контроля может быть составной частью микропроцессорной системы управления или являться самостоятельной пороговой схемой индикации.
Способ контроля сопротивления изоляции электродвигателя в мехатронной системе осуществляется следующим образом.
При включении инвертора 8 в рабочий режим на обмотках электродвигателя 1 формируются напряжения в соответствии с алгоритмом ШИМ или классического 180°-ного управления («шестипульсного режима»). В случае, если в электродвигателе 1 сопротивление изоляции обмоток (резистор 19) становится ниже критического уровня, на дополнительном резисторе 15 сразу же выделится переменный сигнал, который может быть обработан схемой 16 контроля с функцией предупреждения оператора или отключения электродвигателя 1. Шунтирование резисторов 12, 13 конденсаторами 17, 18 позволяет получить на резисторе 15 сигнал большей амплитуды, относительно случая, когда в схеме присутствуют лишь резисторы 12, 13. При этом каждая стойка инвертора 8 работает с емкостным делителем, состоящим из конденсаторов 17, 18, по схеме полумостового инвертора. Работа стоек инвертора 8 по отдельности, например, при коммутации транзисторов 2, 5 может быть предпринята и до включения электродвигателя 1 в работу, как это реализовано в прототипе. Следует отметить, что наряду с конденсатором 11 большой емкости в цепи постоянного тока инверторов присутствуют, как правило, и конденсаторы 17, 18, выполняя функцию фильтрации высокочастотных помех и замыкания реактивной составляющей от фронтов импульсов при переключении ключей инвертора. Емкость таких конденсаторов невелика и обычно на три порядка меньше емкости конденсатора 11, выполняющего функции сглаживания низкочастотных пульсаций выпрямителя и компенсации реактивной энергии нагрузки.
Таким образом, согласно предложенному способу контроль сопротивления изоляции обмоток электродвигателя можно производить не только перед включением мехатронной системы, но и в ее рабочем режиме, используя информативные свойства инвертора [А.Г.Гарганеев. Информативные свойства инверторов в электромеханике // Электричество. 2001. №12]. При этом за счет дополнительного использования конденсаторов фильтра в цепи постоянного тока инвертора и ввиду этого фактического наличия в мехатронной системе полумостовых схем инверторов расширяются функциональные возможности системы, повышается уровень сигнала и быстродействие при контроле состояния изоляции обмоток электродвигателя в мехатронной системе.