УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДИАГНОСТИКИ ИНДУКТИВНЫХ ОБМОТОК
DEVICE FOR INDUCTIVE WINDING DIAGNOSTICS

Предлагаемое изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для определения неисправного состояния (диагностики) индуктивных обмоток электрических машин, а также трансформаторов, пускозащитной аппаратуры, обмоток устройств автоматики и электроники.
Диагностика электротехнических устройств, содержащих индуктивные обмотки, заключается в основном путем измерения и расчета электрических параметров - полного, активного и реактивного сопротивлений, индуктивности и добротности.
Эти параметры можно рассчитать на основе измерений напряжения U, тока I и активной мощности тока Р с помощью широко известного в практике устройства для электрических измерений, измерительного комплекта К-505 и его модификаций по формулам:
Z=U/I, Ом - полное сопротивление;
2
R=Р/I=Z cos φ, Ом - активное сопротивление;
Х=Z sin φ, Ом - реактивное сопротивление;
Cos φ=P/S - коэффициент мощности тока;
φ=arcos φ - угол сдвига фаз между током и напряжением. Диагностика индуктивных обмоток электротехнических устройств различного назначения с помощью измерительного комплекта типа К-505 в натурных условиях не является оперативной с достаточной разрешающей способностью. Измерительный комплект не является прибором сравнительной оценки непосредственно электрических параметров заведомо исправной индуктивной обмотки и аналогичной испытуемой. Этот метод позволяет оценить состояние, например, обмоток электродвигателя при их значительных (ощутимых) нарушениях не на начальных стадиях.
Необходимость раннего выявления неисправного состояния индуктивных обмоток электродвигателей, используемых в приводах компрессоров, размещенных в неразборных корпусах бытовых и торговых холодильных агрегатах, связана, прежде всего, с их длительной безаварийной эксплуатацией. Поэтому в условиях цеха перед установкой ремонтного или нового электродвигателя в корпус герметичного холодильного компрессора проводится их диагностика.
Натурная (внецеховая) диагностика обмоток электропривода бытовых и торговых холодильных агрегатов и кондиционеров выполняется малыми предприятиями сервиса по заявкам заказчиков. Разнообразие электроприводов холодильной техники достаточно велико. Их основные электрические параметры значительно отличаются: по напряжению от 127 до 380 В, по мощности тока от 0,18 кВт до 5,5 кВт, по номинальной силе тока от 1,3 А до 7 А, по коэффициенту мощности тока от 0,65 до 0,86, что соответствует углу сдвига фаз между током и напряжением, не превышающим 60°.
При таком разнообразии электроприводов холодильных агрегатов оперативная их диагностика в натурных условиях (у заказчика) может быть выполнена прибором (устройством) сравнения, в котором используется легкоперестраиваемая по сопротивлению электрическая цепь сравнения.
Наиболее распространенными приборами сравнения, предназначенными для измерения параметров элементов электрических цепей, являются электрические мосты постоянного и переменного тока. Мосты имеют диагональ питания и диагональ нагрузки, в которую включают сравнивающее устройство (СУ) или показывающий прибор. В зависимости от режима работы диагонали нагрузки различают электрические мосты уравновешенные, неуравновешенные и квазиуравновешенные. В последних уравновешивание моста осуществляется по одной из составляющих комплексного полного сопротивления - модулю, фазе, активной или реактивной. Достигается это путем применения специальных сравнивающих устройств - детекторов частотных фазовых, амплитудных (Электротехнический справочник, в 3-х Т, Т1, под общ. ред. профессоров МЭИ В.Г. Герасимова и др. - М.: Энергия, 1980, - 520 с, стр.183-186).
Большая часть мостов переменного тока, предназначенных для измерения параметров индуктивных обмоток, работают при малых величинах токов (мосты Р50-1, УМ-3, Р556, ИИН-4). Мост ИИН-ЗМ предназначен для лабораторных и цеховых измерений параметров индуктивных обмоток с магнитопроводом и без него. Токи небольшой величины в измерительных схемах мостов делают их малоприемлемыми для раннего выявления неисправного состояния обмоток в электроприводах компрессоров. Кроме этого, мосты имеют большой вес от 20 до 60 кг и высокую цену.
Наиболее близким по своей сути устройством для диагностики индуктивных обмоток, принятым за прототип и с помощью которого выполняется сравнение полных сопротивлений индуктивных обмоток, измеренных с помощью трехфазной электрической цепи, является устройство, схема которого показана на фиг.1 (Патент на изобретение: RU 2396571 С1, МПК G01 31/06, 10.08.2010, бюл. №22).
Электрическая схема, показанная на фиг.1, с помощью которой реализуется устройство прототипа, содержит: испытуемую индуктивную обмотку 2, соединенные последовательно с электрической цепью сравнения 3, содержащей активное 4 и реактивное емкостное 5 с переменными величинами сопротивления, трехфазный трансформатор 6 с регулируемым напряжением вторичных обмоток, соединенных по схеме треугольник, линейный проводник 7 вторичной обмотки трансформатора 6 подключен к свободному концу испытуемой индуктивной обмотки 2, линейный проводник 8 вторичной обмотки трансформатора 6 подключен к свободному концу электрической цепи сравнения 3, линейный проводник 9 вторичной обмотки трансформатора 6 подключен через сравнивающее устройство - амперметр 1 к узлу соединения электрических цепей 2 и 3.
Измерения устройством прототипа осуществляют следующим образом. В обесточенной измерительной схеме устройства отключают электрическую цепь сравнения 3 от линейного проводника 8 вторичной обмотки трехфазного трансформатора 6, устанавливают регулятор напряжения вторичных обмоток в нулевое положение. Подключают к линейному проводнику 7 вторичной обмотки трансформатора 6 измерительной схемы одну из заведомо исправных обмоток одно- или трехфазного электродвигателя, например, компрессора холодильника или кондиционера. Подключают схему устройства к трехфазной сети, регулятором устанавливают такую величину вторичного напряжения, при которой возникает номинальная величина тока в заведомо исправной индуктивной обмотке 2 электродвигателя, отсчитываемая по амперметру 1. Далее обесточивают измерительную схему, подключают электрическую цепь сравнения 3 к линейному проводнику 8 вторичной обмотки трансформатора 6, вновь подключают сеть, изменяют величины сопротивления резистора 4 и емкости конденсатора 5 до тех величин, при которых ток в линейном проводнике 9, измеряемый амперметром 1, не станет равным нулю. Полученные величины сопротивления резистора 4 и емкости конденсатора 5 электрической цепи сравнения 3 записывают в базу данных. База данных и элементы электрической цепи сравнения 3 используются при диагностических работах в условиях заказчика. Электрическая цепь сравнения позволяет отказаться от объектов сравнения заведомо исправных обмоток электроприводов компрессоров однотипных холодильных агрегатов при диагностических работах в условиях заказчика.
При диагностике устройством прототипа электрических обмоток с относительно большим полным сопротивлением, например, электрических машин малой мощности тока, неизбежно возникают значительные тепловые потери мощности тока как в испытуемых индуктивных обмотках, так и во вторичных обмотках измерительного трансформатора. Это является недостатком способа прототипа.
Задачей предлагаемого технического решения является диагностика индуктивных обмоток с относительно большим активным сопротивлением, например электродвигателей малой мощности тока
Электрическая схема, показанная на фиг. 2, с помощью которой реализуется предлагаемое устройство, содержит: заведомо исправную индуктивную обмотку 2, соединенную последовательно с электрической цепью сравнения 3, содержащей активное 4 и реактивное емкостное 5 с переменными величинами сопротивления, трехфазный трансформатор 6 с регулируемым напряжением вторичных обмоток, соединенных по схеме треугольник, линейный проводник 7 вторичной обмотки трансформатора 6 подключен к свободному концу исправной индуктивной обмотки 2, линейный проводник 8 вторичной обмотки трансформатора 6 подключен к свободному концу электрической цепи сравнения 3, линейный проводник 9 вторичной обмотки трансформатора 6 подключен к электрической цепи, содержащей сравнивающее устройство - амперметр 1, последовательно подключенный к испытуемой индуктивной обмотке 10 и далее к узлу соединения электрических цепей 2 и 3.
Измерения предлагаемым устройством осуществляют следующим образом. В обесточенной измерительной схеме устройства отключают электрическую цепь сравнения 3 от линейного проводника 8 вторичной обмотки трехфазного трансформатора 6, отключают испытуемую индуктивную обмотку 10 от линейного проводника 9, устанавливают регулятор напряжения вторичных обмоток в нулевое положение. Подключают к линейному проводнику 7 вторичной обмотки трансформатора 6 измерительной схемы одну из заведомо исправных обмоток одно- или трехфазного электродвигателя, например, компрессора холодильника или кондиционера. Подключают схему устройства к трехфазной сети, регулятором устанавливают такую величину вторичного напряжения, при которой возникает номинальная величина тока в заведомо исправной индуктивной обмотке 2, отсчитываемая по амперметру 1. Далее обесточивают измерительную схему, подключают электрическую цепь сравнения 3 к линейному проводнику 8 вторичной обмотки трансформатора 6, вновь подключают сеть, изменяют величины сопротивления резистора 4 и емкости конденсатора 5 до тех величин, при которых ток в линейном проводнике 9, измеряемый амперметром 1, не станет равным нулю. Полученные величины сопротивления резистора 4 и емкости конденсатора 5 электрической цепи сравнения 3 записывают в базу данных. База данных и элементы электрической цепи сравнения 3 используются при диагностических работах в условиях заказчика. Далее при обесточенной измерительной схеме подключают испытуемую индуктивную обмотку 10 к линейному проводнику 9, вновь подключают сеть, если при этом возникнет номинальная величина тока, отсчитываемая амперметром 1, то это соответствует исправному состоянию испытуемой индуктивной обмотки 10. Электрическая цепь сравнения 3 в предлагаемом изобретении позволяет компенсировать номинальный ток заведомо исправной индуктивной обмотки.
Сущность предлагаемого устройства для диагностики индуктивных обмоток наглядно можно продемонстрировать с помощью векторной диаграммы напряжений и токов, показанной на фиг.3.
A
В
C
С
При соединении вторичных обмоток трансформатора по схеме треугольника, фиг.2 векторная диаграмма трехфазных напряжений симметричная с углом сдвига фаз, равным 120°. Подключаемая к выводам 7, 8, 9 вторичной обмотки трансформатора 6 электрическая цепь содержит ветви 2, 3, 10, соединенные между собой звездой без нулевого проводника. Векторная сумма токов в таком соединении равна нулю, т.е. I+I+I =0. Токи в индуктивных обмотках 2 и 10 отстающие относительно векторов напряжений т.к. они имеет индуктивный характер. Вектор полного тока I в электрической цепи сравнения 3 опережающий относительно вектора напряжения, т.к. он имеет емкостный характер.
B
C
Как следует из векторной диаграммы, фиг.3, векторы токов 1 и 1 взаимно компенсированы, т.к. они имеют взаимно противоположное направление. Показание амперметра 1 будут соответствовать полному току в индуктивной обмотке, подключенной к линейному проводнику 9.
По известным величинам активного сопротивления резистора 4 и емкости конденсатора 5 легко рассчитать составляющие полного сопротивления индуктивной обмотки. На практике у всех электродвигателей встроенных электроприводов компрессоров холодильников и кондиционеров угол сдвига фаз между векторами тока и напряжения при номинальных токах меньше 60°. Поэтому активное сопротивление следует из векторной диаграммы, в электрической цепи сравнения не велико, малы и потери мощности тока в этой цепи.
Таким образом, предлагаемое техническое решение расширяет возможности диагностики индуктивных обмоток электродвигателей электроприводов на ранних стадиях, когда такие нарушения чаще всего проявляются при деформациях обмоток от нагрева их токами равных или более номинальных при меньших энергетических затратах. Соединение вторичной обмотки трехфазного трансформатора треугольником, в отличие от соединения звездой, при равных линейных токах, позволяет изготовить вторичную обмотку из проводников с меньшей площадью сечения.