КОМПЛЕКС ДЛЯ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ИЗМЕРЕНИЯ И КОНТРОЛЯ ПАРАМЕТРОВ ВЫСОКОЧАСТОТНЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ
COMPLEX FOR AUTOMATED MEASUREMENT AND CONTROL OF PARAMETERS OF HIGH-FREQUENCY TRANSFORMERS

Изобретение относится к области электротехники, а именно к технологическому оборудованию с автоматизированным управлением, и может быть использовано в процессе автоматизированного измерения и контроля параметров высокочастотных трансформаторов при организации их контроля как при их производстве на предприятиях изготовителях при организации выходного контроля, так и при организации автоматизированного входного контроля на предприятиях потребителях.
В процессе производства и применения высокочастотные трансформаторы подвергаются обязательному выходному и входному контролю, которые предусматривают проверку качества намотки и изготовления трансформатора путем измерения и контроля заданных параметров (измерение и контроль соблюдения заданных значений коэффициентов трансформации, измерение и контроль заданных значений индуктивностей намагничивания обмоток, измерение и контроль индуктивностей рассеивания, измерение и контроль активного сопротивления провода для каждой обмотки трансформатора). Кроме того проводят измерение и контроль проходной емкости между заданными обмотками и проверку качества межобмоточной изоляции путем измерения и контроля пробивного напряжения между обмотками. По совокупности полученных результатов производится оценка пригодности испытуемого высокочастотного трансформатора выполнять свое функциональное назначение (отбраковка). Для проведения описанного выходного и входного контроля применяются различные приборы и специальное оборудование: RLC измеритель, миллиомметр, мегаомметр, пробойная установка, лабораторный источник постоянного напряжения. В процессе ручного контроля оператору необходимо производить переподключение контактов испытуемого трансформатора к измерительным приборам и настройку измерительного оборудования, на заданный режим измерения, что занимает большое количество рабочего времени и понижает производительность труда оператора, а также приводит к удорожанию испытуемых изделий.
Поэтому в настоящее время для повышения производительности труда и удешевления продукции применяют автоматизированные установки (стенды), уменьшающие или исключающие ручной труд при выходных или входных испытаниях высокочастотных трансформаторов.
Из уровня техники известно техническое решение: «Коммутатор измерительного прибора для контроля качества цепей питания электротехнических систем изделия при их сборе» (Аналог 1: Патент РФ на изобретение №2535524, опубликован 10.12.2014 Бюл. № 34, МПК G01R 31/02).Этот коммутатор (аналог 1) состоитиз трех входных цепей, четырех выходных цепей, электромагнитных реле, которые содержат контакты и обмотки управления, и входы управления, связанные с обмотками управления, а также содержит два резистора и диод. Реле объединены в две группы. Цепи управления каждой группы реле объединены между собой и соединены с входами управления реле. Этот коммутатор, работая в составе измерительного стенда, позволяет осуществить автоматизированный контроль и измерение некоторых параметров, например, сопротивление между шинами питания, сопротивление изоляции каждой шины питания относительно корпуса изделия при обеих полярностях подключения цепей питания электротехнических систем изделия при их сборке.
Однако аналог 1 не позволяет производить измерение параметров высокочастотных трансформаторов, в которых измерительные приборы подключаются к выводам высокочастотных трансформаторов по четырехпроводной схеме.
Из уровня техники известно техническое решение: «Apparatus and method for testing winding resistances of transformers based on an inductive voltage drop ( Аппаратура и метод для тестирования сопротивления трансформаторов основанный на индуктивном падение напряжения)» (Аналог 2: Патент US №9581637B2, опубликован Feb. 28, 2017, МПК GOIR 3L/06, GOIR 27/14, GOIR 31/02). Аналог 2 содержит мультиплексор (коммутатор), три источника постоянного тока, два вольтметра, систему управления и систему размагничивания. Данное устройство (аналог 2) позволяет измерить автоматически только сопротивление всех обмоток трехфазного трансформатора, но не позволяет измерять другие параметры многообмоточных высокочастотных трансформаторов такие как: индуктивность намагничивания, индуктивность рассеивания, проходную емкость, сопротивление изоляции.
)
Из уровня техники известно техническое решение: «Transformer test device and method for testing a transformer (Устройство тестирования трансформаторов и метод для тестирования трансформаторов)» (Аналог 3: US №2017/0336462 A1, дата публикации Nov . 23 , 2017, МПК GOIR 31 / 02 ( 2006 . 01 ), GOIR 31 / 06 ( 2006 . 01 ), HOIH 9 / 54 ( 2006 . 01 ). Аналог 3 содержит источник переменного тока тестового сигнала, управляемый ключ, измерительные устройства, подключенные к первичной и вторичной обмотке двухобмоточного трансформатора. Кроме того, аналог 3 содержит оценочное устройство и устройство управления, входящее в состав специализированного процессора. Аналог 3 позволяет производить различные измерения параметров двухобмоточного трансформатора, включая индуктивность намагничивания, индуктивность рассеивания, коэффициент трансформации, но не позволяет производить автоматические измерения параметров многообмоточного трансформатора.
Из уровня техники известно техническое решение: «Apparatus for testing electrical components which have windings (Устройство для тестирования электрических компонентов которые имеют обмотки)» (Аналог 4: Патент US №5500598, дата публикации Mar 19, 1996, МПК G01R 31/06). Аналог 4 является наиболее близким по технической сути и достигаемому техническому результату к заявляемому изобретению и взят за прототип. Выбранный прототип содержит разъем, имеющий N точек (гнезд) подключения, для соединения с выводами испытуемого трансформатора, токовый шунт, измерительную систему (модуль), управляемый источник напряжения, генератор сигналов и микропроцессорную систему управления. Каждая точка (гнездо) подключения разъема для соединения с выводами испытуемого трансформатора состоит из двух физических контактов, образующих контакт Кельвина, оба контакта соединены между собой резистором 100 Ом. Первый контакт каждой точки подключения соединен через первый аналоговый ключ с первой шиной источника и со второй шиной источника через второй аналоговый ключ. Второй контакт каждой точки подключения соединен через третий аналоговый ключ с первой измерительной шиной и через четвертый аналоговый ключ со второй измерительной шиной. Первая шина источника подключена к первому контакту управляемого источника напряжения, а вторая шина источника через токовый шунт подключена ко второму контакту управляемого источника напряжения. Входы измерительной системы (модуля) подключены через аналоговые ключи к первой и второй шине измерения и к первому и второму контакту измерительного шунта. Управляющий вход управляемого источника напряжения подключен к генератору сигнала, выход синхронизации которого подключен к входу синхронизации измерительной системы (модуля), а вход управления соединен с выходом управляющей микропроцессорной системой управления.
Прототип позволяет производить различные измерения параметров высокочастотных многообмоточных трансформаторов, включая индуктивность намагничивания, проходные емкости между обмотками, коэффициент трансформации, сопротивление изоляции обмоток. Однако такое устройство не позволяет осуществлять автоматическое измерение и контроль индуктивности рассеивания, а также не обеспечивает высокую точность автоматического измерения и контроля других электрических параметров обмоток высокочастотных трансформаторов в большом диапазоне изменения значений этих электрических параметров т.к. для всех диапазонов измеряемых параметров используется один токовый шунт. Кроме того, измерительное устройство имеет сложную схему измерения, для реализации которой необходимы прецизионные многодиапазонные усилители входного сигнала, работающие как на постоянном, так и на переменном токе в широком диапазоне напряжений входных сигналов (от десятков мкВ до единиц кВ). Это, в свою очередь, неминуемо приведет к снижению точности измерения и контроля электрических параметров многообмоточных высокочастотных трансформаторов.
Таким образом, указанные выше недостатки позволяют сформулировать техническую проблему, связанную с необходимостью создания комплекса для измерения и контроля в автоматическом режиме индуктивности рассеяния многообмоточного высокочастотного трансформатора, а также для измерения и контроля других параметров: индуктивности намагничивания, проходных емкостей между обмотками, коэффициента трансформации, сопротивления изоляции обмоток этого трансформатора.
.
Технический результат, достигаемый при решении указанной выше технической проблемы, заключается в обеспечении в автоматическом режиме заданной точности измерения и контроля индуктивности рассеяния, индуктивности намагничивания, проходных емкостей между обмотками, коэффициента трансформации, сопротивления изоляции обмоток многообмоточного высокочастотного трансформатора в широком диапазоне напряжений входных сигналов
Для решения технической проблемы и достижения технического результата комплекс для автоматизированного измерения и контроля параметров высокочастотных трансформаторов, как и прототип, содержит разъем, имеющий N гнезд для подключения выводов испытуемого трансформатора, первую и вторую шины источника питания, первую и вторую измерительные шины и микропроцессорную систему управления. Каждое гнездо для подключения испытуемого трансформатора состоит из двух физических контактов, образующих контакт Кельвина. Первый контакт каждого гнезда для подключения соединен соответственно с первой и второй шиной источника питания через первый и второй аналоговые ключи соответственно. Второй контакт каждого гнезда для подключения соединен соответственно с первой и второй измерительными шинами через третий и четвертый аналоговые ключи соответственно. В отличие от прототипа комплекс содержит дополнительно, по крайней мере, четыре измерительных прибора: мегаомметр, измеритель фазы, миллиомметр, RLC измеритель, каждый из которых имеет цифровой интерфейс управления, соединенный с микропроцессорной системой управления. Кроме того, второй контакт каждого гнезда для подключения соединены между собой пятыми аналоговыми ключами, образуя шину закорачивания. Вторые контакты каждого гнезда соединены механически тягой с электромагнитным приводом, обеспечивающим фиксацию электрических контактов гнезд подключения с выводами испытуемого высокочастотного трансформатора, при этом управляющий вход электромагнитного привода соединен с выходом микропроцессорной системой управления. Каждый измерительный прибор содержит первую и вторую клеммы тестового сигнала, подключенные через соответствующие аналоговые ключи к первой и второй шине источника питания, соответственно, и первую и вторую клеммы измерительного сигнала, подключенную через аналоговые ключи к первой и второй измерительной шине, соответственно.
Технический результат предложенного изобретения достигается, во-первых, за счет разделения измерительной части на функционально разделенные измерительные приборы: мегаомметр 6, измеритель фазы 7, миллиомметр 8, RLC измеритель 9, каждый из которых реализует соответствующее измерение параметра высокочастотного трансформатора с заданной точностью в нужном диапазоне измеряемого параметра.
Во-вторых, введение пятых аналоговых ключей, шины закорачивания и электромагнитного привода, управляемого от микропроцессорной системы управления, позволяет автоматически производить калибровку измерительных приборов, как при разомкнутых, так и при замкнутых контактах Кельвина, что гарантирует их точность измерения.
В третьих, введение пятых аналоговых ключей, шины закорачивания и электромагнитного привода, управляемого от микропроцессорной системы управления, позволяет реализовать измерение индуктивности рассеивания между любыми обмотками высокочастотного многообмоточного трансформатора.
Предлагаемое изобретение поясняется чертежами, где на Фиг. 1 показана функциональная схема комплекса, на Фиг. 2 показана схема подключения испытуемого трансформатора.
Заявляемый комплекс Фиг. 1 содержит N гнезд подключения испытуемого высокочастотного трансформатора XT1 .. XTN, первую 1 и вторую 2 шины источника питания, первую 3 и вторую 4 измерительные шины и микропроцессорную систему управления 5. Каждое гнездо для подключения испытуемого трансформатора XT1 .. XTN состоит из двух физических контактов Кн1 и Кн2, образующих контакт Кельвина. Первый контакт Кн1 каждого гнезда для подключения XT1 .. XTN соединен соответственно с первой 1 и второй 2 шинами источника питания через первые K11, K21 … KN1 и вторые K12, K22 .. KN2 аналоговые ключи соответственно. Второй контакт Кн2 каждого гнезда для подключения XT1 .. XTN соединен соответственно с первой 3 и второй 4 измерительными шинами через третьи K13, K23 .. KN3 и четвертые K14, K24 .. KN4 аналоговые ключи соответственно. Комплекс содержит дополнительно, по крайней мере, четыре измерительных прибора: мегаомметр 6, измеритель фазы 7, миллиомметр 8, RLC измеритель 9, каждый из которых имеет цифровой интерфейс управления с входами 10, 11, 12, 13, соединенный с входом цифрового интерфейса 14 микропроцессорной системой управления 5. Второй контакт Кн2 каждого гнезда для подключения XT1 .. XTN соединены между собой пятыми аналоговыми ключами K15, K25 .. KN5 , образуя шину закорачивания 15. Вторые контакты Кн2 каждого гнезда XT1 .. XTN соединены механически тягой 16 с электромагнитным приводом 17, обеспечивающим фиксацию электрических контактов Кн1, Кн2 гнезд подключения XT1 .. XTN с выводами испытуемого высокочастотного трансформатора (высокочастотный трансформатор на чертеже не показан). Управляющий вход 18 электромагнитного привода 17 соединен с выходом 19 микропроцессорной системой управления 5. Каждый измерительный прибор содержит первую 20, 24, 28, 32 и вторую 23, 27, 31, 35 клеммы тестового сигнала, подключенные через соответствующие аналоговые ключи Kвх11, Kвх21, Kвх31, Kвх41 и Kвх14, Kвх24, Kвх34, Kвх44 к первой 1 и второй 2 шине источника питания, соответственно. Первые 21, 25, 29, 33 и вторые 22, 26, 30, 34 клеммы измерительного сигнала, подключены через аналоговые ключи Kвх12, Kвх22, Kвх32, Kвх42 и Kвх13, Kвх23, Kвх33, Kвх43 к первой 3 и второй 4 измерительной шине, соответственно. Разъем, имеющий N гнезд подключения XT1 .. XTN, на чертеже обозначен как А1.
На Фиг. 2 обозначены: TV1 - испытуемый трансформатор, W1 - первичная обмотка, W2 - вторичная обмотка, XT1, XT2, XT3, XT3 - гнезда подключения испытуемого трансформатора.
Работа заявляемого комплекса рассмотрена на конкретном примере. Схема собрана на доступных (серийно выпускаемых) комплектующих, с возможностью многократного воспроизведения. Аналоговые ключи собраны на герконовых реле, имеющих высокие значения сопротивления в разомкнутом состоянии и малое сопротивление в замкнутом состоянии.
Микропроцессорная система управления 5, выполнена на промышленном микроконтроллере, предназначена для управления измерительными приборами 6 .. 9 (Тестер сопротивления изоляции GPT-9900, Милиомметр GOM-7804, измеритель иммитанса LCR-7821), всеми аналоговыми ключами и электромагнитным приводом 17 в соответствии с измеряемым параметром в текущий момент времени или в процессе калибровки измерительных приборов.
При каждом включении питания комплекс автоматически производит калибровку измерительных приборов 6, 8, 9. МСУ 5 подает сигнал на включение электромагнитного привода 17, который толкает тягу 16, замыкая все контакты Кельвина Кн1, Кн2 всех точек подключения XT1 .. XTN, замыкает аналоговые ключи K11, K13, K22, K24. Замыкает аналоговые ключи Kвх41 .. Kвх44, подключая клеммы 32..35 RLC измерителя 9 к первой шине источника 1, первой измерительной шине 3, второй измерительный шине 4, второй шине источника 2 соответственно и посылает команду RLC измерителю 9 произвести калибровку на холостом ходу. После окончания выполнения команды RLC измерителем 9 МСУ 5 размыкает аналоговые ключи Kвх41 .. Kвх44. Замыкает Kвх31 .. Kвх34, подключая клеммы 28..31 RLC миллиомметра 8 к первой шине источника 1, первой измерительной шине 3, второй измерительный шине 4, второй шине источника 2 соответственно и посылает команду миллиомметру 8 произвести калибровку на холостом ходу. После окончания выполнения команды миллиомметром 8 МСУ 5 размыкает аналоговые ключи Kвх31 .. Kвх34. Замыкает Kвх11 .. Kвх14, подключая клеммы 20..23 мегаомметра 6 к первой шине источника 1, первой измерительной шине 3, второй измерительный шине 4, второй шине источника 2 соответственно и посылает команду мегаомметру 6 произвести калибровку на холостом ходу. После окончания выполнения команды мегаомметром 6 МСУ 5 размыкает аналоговые ключи Kвх11 .. Kвх14, замыкает аналоговые ключи K15, K25, Kвх41.. Kвх44 и посылает команду RLC измерителю 9 произвести калибровку на коротком замыкание. После окончания выполнения команды RLC измерителем 9 МСУ 5 размыкает аналоговые ключи Kвх41 .. Kвх44, замыкает Kвх31 .. Kвх34 и посылает команду миллиомметру 8 произвести калибровку на коротком замыкании. После окончания выполнения команды миллиомметром 8, МСУ 5 размыкает все аналоговые ключи и выключает электромагнитный привод 17.
При измерении индуктивности намагничивания, добротности, сопротивления обмотки на переменном токе первой обмотки W1 испытуемого трансформатора TV1 (фиг. 2) микропроцессорная система управления МСУ 5 подает сигнал на включение электромагнитного привода 17, который толкает тягу 16 замыкая все контакты Кельвина Кн1, Кн2 всех точек подключения XT1 .. XTN с выводами высокочастотного трансформатора, замыкает аналоговые ключи Квх41..Kвх44, подключая клеммы 32..35 RLC измерителя 9 к первой шине источника 1, первой измерительной шине 3, второй измерительный шине 4, второй шине источника 2 соответственно, замыкает аналоговые ключи K11, K13 и K22, К24 образуя, таким образом, четырехпроводную схему измерения. По входу 14 цифрового интерфейса МСУ 5 устанавливает необходимые параметры RLC измерителя 9, такие как частота тестового сигнала, эквивалентная схема измерения, уровень тестового сигнала и запускает процесс измерения. После окончания измерения RLC измеритель 9 отправляет по цифровому интерфейсу значение измеренных параметров в микропроцессорную систему управления МСУ 5, после чего микропроцессорная система управления МСУ 5 снимает сигнал с электромагнитного привода 17.
При измерении проходной емкости между обмотками W1 и W2 (фиг. 2) микропроцессорная система управления МСУ 5 подает сигнал на включение электромагнитного привода 17, который толкает тягу 16, замыкая все контакты Кельвина Кн1, Кн2 всех гнезд подключения XT1 .. XTN с выводами высокочастотного трансформатора, замыкает аналоговые ключи Квх41..Kвх44, подключая клеммы 32..35 RLC измерителя 9 к первой шине 1 источника, первой измерительной шине 3, второй измерительный шине 4, второй шине 2 источника, соответственно, замыкает аналоговые ключи K11, K13 и K32, К34, образуя, таким образом, четырехпроводную схему измерения. По входу 14 цифрового интерфейса МСУ 5 устанавливает необходимые параметры RLC измерителя 9, такие как частота тестового сигнала, эквивалентная схема измерения, уровень тестового сигнала и запускает процесс измерения. После окончания измерения RLC измеритель 9 отправляет по цифровому интерфейсу значение измеренной проходной емкости в микропроцессорную систему управления МСУ 5, после чего микропроцессорная система управления МСУ 5 снимает сигнал с электромагнитного привода 17.
При измерении индуктивности рассеивания первой обмотки W1 трансформатора TV1, МСУ 5 подает сигнал на включение электромагнитного привода 17 который толкает тягу 16, замыкая все контакты Кельвина Кн1, Кн2 всех гнезд подключения XT1 .. XTN с выводами высокочастотного трансформатора, замыкает аналоговые ключи Квх41..Kвх44, подключая клеммы 32..35 RLC измерителя 9 к первой шине 1 источника, первой измерительной шине 3, второй измерительный шине 4, второй шине 2 источника, соответственно, замыкает аналоговые ключи K11, K13 и K22, К24 образуя, таким образом, четырехпроводную схему измерения. Также производится замыкание аналоговых ключей K35.. K45. По входу 14 цифрового интерфейса МСУ 5 устанавливает необходимые параметры RLC измерителя 9, такие как частота тестового сигнала, эквивалентная схема измерения, уровень тестового сигнала и запускает процесс измерения. После окончания измерения RLC измеритель 9 отправляет по цифровому интерфейсу значение измеренных параметров в микропроцессорную систему управления МСУ 5, после чего микропроцессорная система управления МСУ 5 снимает сигнал с электромагнитного привода 17.
При измерении сопротивления первой обмотки W1 испытуемого трансформатора TV1 на постоянном токе микропроцессорная система управления МСУ 5 подает сигнал на включение электромагнитного привода который толкает тягу 16, замыкая все контакты Кельвина Кн1, Кн2 всех точек подключения XT1 .. XTN с выводами высокочастотного трансформатора, замыкает аналоговые ключи Квх31..Kвх34, подключая клеммы 28..31 миллиомметра 8 к первой шине 1 источника, первой измерительной шине 3, второй измерительный шине 4, второй шине 2 источника, соответственно, замыкает аналоговые ключи K11, K13 и K22, К24, образуя, таким образом, четырехпроводную схему измерения. По входу 14 цифрового интерфейса МСУ 5 запускает процесс измерения миллиомметра 8. После окончания измерения миллиомметр 8 отправляет по цифровому интерфейсу значение измеренных параметров в микропроцессорную систему управления МСУ 5, после чего микропроцессорная система управления МСУ 5 снимает сигнал с катушки электромагнитного привода 17.
При измерении полярности намотки первой W1 и второй W2 обмотки испытуемого трансформатора TV1 (фиг. 2) микропроцессорная система управления МСУ 5 подает сигнал на включение электромагнитного привода 17 который толкает механическую тягу 16, замыкая все контакты Кельвина Кн1, Кн2 всех точек подключения XT1 .. XTN с выводами высокочастотного трансформатора, замыкает аналоговые ключи Квх21..Kвх24, подключая клеммы 24..27 измерителя фазы 7 к первой шине 1 источника, первой измерительной шине 3, второй измерительный шине 4, второй шине 2 источника, соответственно, замыкает аналоговые ключи K11, K22 и K33, K44. По входу 14 цифрового интерфейса МСУ 5 запускает процесс измерения измерителя фазы 7. После окончания измерения измерителя фазы 7 отправляет по цифровому интерфейсу значение измеренной полярности подключения в микропроцессорную систему управления МСУ 5, после чего микропроцессорная система управления МСУ 5 снимает сигнал с электромагнитного привода 17.
При измерении сопротивления изоляции между первой W1 и второй W2 обмотками испытуемого высокочастотного трансформатора TV1 микропроцессорная система управления МСУ подает сигнал на включение электромагнитного привода 17, который толкает тягу 16, замыкая все контакты Кельвина Кн1, Кн2 всех точек подключения XT1 .. XTN с выводами испытуемого высокочастотного трансформатора, замыкает аналоговые ключи Квх11 .. Kвх14, подключая клеммы 20..23 мегаомметра 6 к первой шине 1 источника, первой измерительной шине 3, второй измерительный шине 4, второй шине 2 источника, соответственно, замыкает аналоговые ключи K11, K13, K32, K34. По входу 14 цифрового интерфейса МСУ 5 запускает процесс измерения мегаомметра 6. После окончания измерения мегаомметр 6 отправляет по цифровому интерфейсу значение измеренного сопротивления изоляции в микропроцессорную систему управления МСУ 5, после чего микропроцессорная система управления МСУ 5 снимает сигнал электромагнитного привода 17.
Таким образом, комплекс для автоматизированного измерения и контроля параметров высокочастотных трансформаторов согласно заявляемому изобретению позволяет решить поставленную техническую проблему и достигнуть технического результата, заключающегося в возможности измерения и контроля индуктивности рассеивания, а также других необходимых параметров высокочастотного трансформатора в автоматическом режиме. При этом заявляемый комплекс обеспечивает широкий диапазон измерения и контроля электрических параметров испытуемого трансформатора при заданной точности, которая определяется выбранными измерительными приборами, что, в свою очередь, обеспечивается за счет автоматической калибровки измерительных приборов и разделения измерения по этим специализированным приборам. Заявляемое изобретение позволяет проводить измерение и контроль параметров высокочастотных трансформаторов с любым числом обмоток (многообмоточных трансформаторов), что легко обеспечивается увеличением числа гнезд подключения до числа выводов испытуемого трансформатора.