УСТРОЙСТВО ДИАГНОСТИРОВАНИЯ И БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩЕЙ ЗАЩИТЫ АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ
DEVICE FOR DIAGNOSIS AND QUICKLY PROTECTION OF ASYNCHRONOUS ENGINE

Изобретение относится к электротехнике, в частности к устройствам диагностирования и быстродействующей защиты асинхронных двигателей.
Большинство технических средств, способов защиты и диагностирования асинхронных двигателей базируется на измерении механических, тепловых или электрических координат защищаемого или диагностируемого объекта, к которым относятся вибродиагностика, тепловизионный контроль, спектральный анализ мгновенных значений токов и напряжений. Среди них не существует способов или устройств инвариантных к мощности, габаритным размерам, управляемости и области применения асинхронных электрических машин.
Известно устройство (см. Патент РФ 2415504, Н02Н 7/08, 2011) содержащее три датчика тока, коммутатор, частотный фильтр, преобразователь тока в напряжение, микроконтроллер, блок индикации, блок выбора режимов работы и управления, трансформатор напряжения, блок преобразования синусоидального сигнала в прямоугольный, счетчик импульсов, блок управления электродвигателем, выключатель, датчик температуры окружающей среды, датчик температуры корпуса двигателя, датчик атмосферного давления, блок тепловой модели, состоящий из микроконтроллера и встроенной программы, реализующих функции тепловой модели асинхронного двигателя.
Недостатком устройства является низкий уровень быстродействия вследствие высокой инерционности канала измерения температуры и наличия в схеме датчиков тока и напряжения трансформаторного типа с относительно большими постоянными времени.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является автоматизированный диагностический комплекс (см. Жарков, В.В. Метод диагностирования асинхронных электродвигателей и устройство для его реализации / В.В. Жарков, В.И. Смирнов, Д.В. Чернов // Вестник УлГТУ. Приборостроение и электроника. 2004. №3. С. 39-44), содержащий индуктивные датчики магнитной индукции, преобразователь параметров индуктивных датчиков, интерфейсный модуль, подключенный к системной шине персонального компьютера и программное обеспечение для цифровой обработки сигналов датчиков, включая вычисление спектральных характеристик, корреляционных функций и выполнение других математических операций. Метод диагностирования, реализуемый устройством, основан на измерении и вычислении характеристик полей рассеяния электрической машины и выявлении диагностических признаков, соответствующих тем или иным дефектам.
Основным недостатком известного комплекса является тот факт, что поля рассеяния многократно слабее рабочих полей асинхронного двигателя. Следовательно, информативность полей рассеяния применительно к технической диагностике многократно ниже. В частности, (см. Копылов, И.П. Электрические машины: Учеб. для вузов. - 2-е изд., перераб. - Москва: Высш. шк.; Логос; 2000. стр. 281) добавочные потери, учитывающие неточности в расчете потерь из-за насыщения и полей рассеяния, составляют 0,5% номинальной мощности. То есть в абсолютном значении амплитудная составляющая полей рассеяния минимум в 200 раз меньше величины рабочих полей.
Магнитная индукция в воздушном зазоре для большинства асинхронных двигателей лежит в диапазоне 0,3-0,9 Тл, в то время как магнитная индукция полей рассеяния составляет величину, как минимум в 200 раз меньшую, что сопоставимо с величиной инструментальной погрешности существующих датчиков магнитной индукции и измерительных устройств. Следовательно, с учетом шумов и помех достоверность выявления диагностических признаков в полях рассеяния представляется низкой.
Целью изобретения является повышение быстродействия защиты, повышение достоверности диагностирования за счет регистрации параметров основного магнитного потока в зазоре асинхронного двигателя и обеспечение инвариантности применительно к большинству известных электрических машин с индукцией в зазоре 0,3-0,9 Тл.
Для достижения указанной цели в устройстве диагностирования и быстродействующей защиты асинхронного двигателя, подключенного через управляемый коммутационный аппарат к контактам питающей сети и содержащего датчик магнитной индукции, выход которого подключен к входу масштабирующего усилителя, датчик магнитной индукции размещен в воздушном зазоре асинхронного двигателя и предназначен для измерения мгновенных значений магнитной индукции, масштабированный сигнал о значении которой с выхода масштабирующего усилителя поступает на блок полосовых фильтров, настроенных на частоты гармоник диагностических признаков, выходами подключенного к первым входам блока компараторов, вторые входы которых соединены с выходами формирователя амплитуд эталонных сигналов, соответствующих диагностическим признакам, выходы блока компараторов соединены с установочными входами блока триггеров и входами логического элемента ИЛИ, подключенного выходом к управляющему входу управляемого коммутационного аппарата, входы сброса блока триггеров объединены между собой и являются входом сброса кода ошибки, визуальное отображение которой осуществляется блоком индикации сигнала кода ошибки, входы которого подключены к выходам блока триггеров.
Включение в схему устройства перечисленных элементов и связей обеспечивает следующий технический результат:
- повышенное быстродействие, так как в устройстве время срабатывания защиты определяется суммой времен задержки быстродействующих электронных компонентов;
- повышение достоверности диагностирования за счет измерения величины магнитной индукции в рабочей зоне электрического двигателя без потери информации;
- обеспечение инвариантности применительно к большинству известных электрических машин с индукцией в зазоре 0,3-0,9 Тл.
Устройство (фиг. 1) содержит: контакты 1 питающей трехфазной сети, управляемый коммутационный аппарат 2, трехфазный асинхронный двигатель 3, датчик 4 магнитной индукции, расположенный в рабочей зоне асинхронного двигателя (воздушном зазоре), масштабирующий усилитель 5 сигнала магнитной индукции, блок 6 полосовых фильтров, настроенных на частоты гармоник, соответствующих диагностическим признакам, блок 7 компараторов, логический элемент 8 ИЛИ, формирователь 9 амплитуд эталонных сигналов, соответствующих диагностическим признакам, блок 10 триггеров для сохранения кода ошибки, блок 11 индикации кода ошибки, выход 12 сигнала на отключение управляемого коммутационного аппарата, вход 13 сброса кода ошибки. Количество полосовых фильтров в блоке 6 полосовых фильтров, число компараторов в блоке 7 компараторов, количество входов логического элемента 8 ИЛИ, число выходов формирователя 9 амплитуд эталонных сигналов и количество триггеров в блоке 10 триггеров одинаково и равно числу диагностических признаков.
Устройство работает следующим образом.
Во время работы асинхронного двигателя 3, подключенного к контактам сети 1 через управляемый коммутационный аппарат 2, в его рабочей зоне (воздушном зазоре) измеряется индукция магнитного поля асинхронного двигателя 3 при помощи датчика 4 магнитной индукции. Полученный с датчика 4 магнитной индукции сигнал величины магнитной индукции масштабируется усилителем 5 сигнала магнитной индукции и поступает на входы блока 6 полосовых фильтров. Блок 6 полосовых фильтров выделяет гармонические составляющие частот, соответствующих диагностическим признакам для данного типа асинхронного двигателя. Далее сигналы с блока 6 полосовых фильтров и формирователя 9 амплитуд эталонных сигналов, где зафиксированы пороговые значения амплитуд гармоник сигнала магнитной индукции, соответствующие диагностическим признакам, поступают на блок 7 компараторов. Сигналы с выходов блока 7 компараторов поступают на входы логического элемента 8 ИЛИ, который генерирует сигнал 12 отключения для управляемого коммутационного аппарата 2 по критерию превышения амплитуды сигнала любого из диагностических признаков его эталонному значению. Также сигналы с выходов блока 7 компараторов поступают на S входы блока 10 триггеров для сохранения кода ошибки, который сбрасывается при помощи сигнала 13 сброса кода ошибки, поступающего на входы R блока 10 триггеров. Выходы блока 10 триггеров нагружены на блок 11 индикации сигнала кода ошибки. Время срабатывания защиты, отключающей питание, не превышает длительности одного периода сети, от которой запитана электрическая машина, так как одного периода сети достаточно для выявления соответствующей гармонической составляющей любым из полосовых фильтров.
Практическая применимость устройства подтверждается следующими экспериментальными данными. Фиг. 2 демонстрирует вариант размещения датчика магнитной индукции, использующего эффект Холла, на зубце статора в рабочей зоне асинхронного двигателя. Исполнение датчика в пластиковом корпусе требует снятия части зубца, так как толщина датчика больше величины воздушного зазора.
На фиг. 3 и 4 соответственно представлена кривая магнитной индукции в воздушном зазоре и ее спектральный состав при отсутствии дефектов в асинхронном двигателе.
Витковые замыкания в асинхронном двигателе вызывают практически двукратный рост зубцовых гармоник, которым соответствуют частоты 600 и 700 Гц. Кривая магнитной индукции и ее спектральный состав для этого случая приведены на фиг. 5 и 6 соответственно. Диагностическим признаком витковых замыканий является существенное возрастание амплитуд зубцовых гармоник.
Основным диагностическим признаком несимметрии напряжений питающей сети является рост амплитуды третьей гармоники (частота 150 Гц). Дополнительным диагностическим признаком является рост амплитуд зубцовых гармоник. Кривая магнитной индукции и ее спектральный состав при несимметрии питающих напряжений представлены на фиг. 7 и 8 соответственно.
При неправильной фазировке (перепутаны начало и конец фазной обмотки) основным диагностическим признаком является пятикратное увеличение амплитуды основной гармоники питающей сети. Кривая магнитной индукции и ее спектральный состав для указанного случая показаны на фиг. 9 и 10 соответственно.
Таким образом, приведенные примеры экспериментальных исследований подтверждают применимость предлагаемого устройства для быстродействующей защиты и диагностирования асинхронных двигателей вне зависимости от их мощности и габаритных размеров.