Прибор для определения меток "начало" и "конец" обмоток трехфазного асинхронного двигателя переменного тока с короткозамкнутым ротором

Устройство относится к электроизмерительной технике и предназначено для контроля и определения меток «начало» и «конец» выводов обмоток трехфазного асинхронного двигателя переменного тока с короткозамкнутым ротором (далее по тексту двигателя).
Метки «начало» и «конец» выводов обмоток двигателя являются обязательными элементами его устройства. С их помощью обмотки в двигателе соединяются в схемы «звезда» или «треугольник» (фигуры 1а, 1б).
В конечном итоге метки позволяют сориентировать все три обмотки на согласованную работу по преобразованию внешнего трехфазного напряжения в круговое магнитное поле и, как следствие, обеспечить работу (вращение) двигателя в расчетном режиме.
Если у какой-либо обмотки исправного двигателя поменять местами выводы (что равносильно смене местами меток «начало» и «конец»), то схема «звезда» или «треугольник» окажется соединенной неправильно. Тогда в двигателе нарушится взаимная согласованность обмоток на единое направление вращения. Вращающее воздействие этой обмотки будет направлено встречно воздействию двух других. В этом случае, при подаче внешнего трехфазного напряжения, двигатель окажется в нерасчетном электромагнитном режиме и может выйти из строя (обмотки могут сгореть).
При эксплуатации электроустановок, часто возникают ситуации, когда у двигателей по какой либо причине данные метки утрачены (после ремонта, после транспортировки и др.). Тот факт, что включение двигателя в работу с неправильным соединением обмоток может вывести его из строя, диктует необходимость проверять правильность меток обмоток «начало» и «конец» до включения его под рабочее напряжение. Предлагаемый прибор эффективно решает эту задачу.
Известен способ (устройство) определения меток «начало» и «конец» обмоток двигателя, представленный на фигуре 2 (а, б, в, г).
Он заключается в том, что из источника переменного напряжения, измерительного вольтметра переменного тока и трех обмоток двигателя, собирается четыре варианты схем, и по каждому варианту производятся измерения. Т.е. воспроизводится четыре последовательных опыта, в которых из обмоток двигателя комбинируется четыре варианта однофазного трансформатора. В первичной обмотке этого трансформатора используется одна обмотка, а во вторичной – две оставшиеся, соединенные последовательно.
В первом опыте (фигура 2 а) первичной обмоткой однофазного трансформатора является обмотка «А». К ее выводам через выключатель подключается источник переменного напряжения. Выводы обмотки «В» сразу произвольно помечаются на «начало» и «конец». Затем обмотки «В» и «С» соединяются последовательно так, чтобы «конец» обмотки «В» соединялся с одним из выводов обмотки «С». К двум оконечным выводам этой сдвоенной обмотки подключается вольтметр. Затем на обмотку «А» подается переменное напряжение и вольтметром измеряется и фиксируется величина наведенной ЭДС в сдвоенной обмотке.
Во втором опыте (фигура 2 б) подключение обмотки «А» остается прежним, а последовательное присоединение обмотки «С» к обмотке «В» меняет свою полярность, т.е. к «концу» обмотки «В» присоединяется другой вывод обмотки «С». После этого также производится измерение ЭДС на оконечных выводах сдвоенной обмотки.
По результатам двух опытов делаются выводы. Для того опыта, в котором измеренная ЭДС оказалась больше, делается вывод что его обмотки работали согласованно. Тогда, для этого опыта, тот вывод обмотки «С», который был присоединен к «концу» обмотки «В» получает метку «начало», а другой – «конец». Метки обмоток «В» и «С» после первых двух опытов определены.
В третьем и четвертом опытах (фигура 2 в, г) определяются метки обмотки «А». В них первичной обмоткой однофазного трансформатора является обмотка «В». Вторичная обмотка формируется последовательным присоединением к «концу» обмотки «С» выводов обмотки «А». Аналогично опытам 1 и 2 измеряется наведенная ЭДС на сдвоенной вторичной обмотке, и делаются выводы о присвоении меток выводам обмотки «А».
Устройством, выбранным в качестве прототипа, является другой известный способ (устройство) определения меток «начало» и «конец», представленный на фигуре 3(а, б, в, г).
Он заключается в том, что из батареи (гальванического элемента), чувствительного магнитоэлектрического стрелочного милливольтметра постоянного тока и трех обмоток двигателя, собирается четыре варианты схем с однофазным трансформатором, и по каждому варианту производятся измерения (опыты).
Во всех опытах первичной обмоткой однофазного трансформатора является обмотка «А» («возмущающая»). Присвоение обозначений «А», «В», «С» обмоткам - произвольное. Выводы обмотки «А» сразу произвольно помечаются на «начало» и «конец». К выводам обмотки «А» через выключатель присоединяется батарея, причем, отрицательный полюс батареи соединен с «концом» обмотки «А».
В первом и втором опытах вторичной обмоткой однофазного трансформатора является обмотка «В». К ее выводам присоединяется стрелочный вольтметр постоянного тока. Полярность подключения выводов вольтметра к обмотке «В» в опытах меняется. (Далее по тексту, эти два варианта измерений с изменением полярности подключения вольтметра к обмотке двигателя называются измерениями в прямой и обратной полярности.).
Посредством выключателя, на первичную обмотку «А» с батареи подается напряжение, в результате чего в обмотке «А» возникает импульс тока, который в свою очередь вызывает индукционное «эхо» в обмотке «В». Данный факт фиксируется вольтметром, причем фиксируется направление отклонения стрелки вольтметра в каждом опыте. В том опыте, в котором стрелка вольтметра отклонилась вправо по шкале, вывод обмотки «В», присоединенный к плюсовой клемме вольтметра помечается как «начало», а другой как «конец».
В третьем и четвертом опытах вторичной обмоткой является обмотка С. Аналогично опытам 1 и 2, для ее выводов в опытах 3 и 4 определяются «начало» и «конец».
Оба метода (устройства) имеют существенные недостатки. Основной из них тот, что они неудобны в эксплуатации.
Для эксплуатации (особенно для условий производственной обстановки) типичными являются следующие обстоятельства: жесткий лимит времени на решение проблемы; стесненность пространства в месте для производства работ, затрудненная доступность к двигателю; множество факторов, затрудняющих человеку выполнение ручной и умственной работы.
Неудобство эксплуатации вышеописанных методов (устройств) обусловлено следующими причинами:
1. Процессу определения меток должна предшествовать предварительная подготовка, требующая существенных затрат времени, материалов, труда.
2. Процесс определения меток разбит на четыре технологически разобщенных фрагмента.
3. Процесс определения меток продолжителен и не имеет четких временных границ;
4. Устройство измерения ограничено в мобильности.
5. Устройство не обладает универсальностью для всего мощностного ряда двигателей.
Задачей полезной модели (техническим результатом) является улучшение удобства пользования устройством посредством создания портативного носимого автономного прибора, который, используя однократное присоединение к двигателю, быстро, одним измерением, определяет метки «начало» и «конец» сразу всем его обмоткам с возможностью применения этого прибора на двигателях всех мощностей.
Поставленная задача достигается применением в предлагаемом устройстве метода прототипа, включением в него: микроконтроллера (с АЦП) с программным обеспечением, трех коммутационных ключей, двух батарей, блока индикации и блока контактов.
Структурная схема прибора приведена на фигуре 4, где:
1. батарея импульса тока в «возмущающей» обмотке «А» двигателя;
2. микроконтроллер (МК) с программным управлением, содержащий в себе многоканальный аналого-цифровой преобразователь (АЦП), и входы / выходы управления;
3. батарея питания схем прибора;
4. коммутационный ключ формирования импульса тока, под управлением сигнала от МК производит подключение и отключение батареи 1 к выводам «возмущающей» обмотки двигателя.
5. коммутационный ключ измерения индукционного «эха», обеспечивает подключение АЦП к выводам обмоток «В» и «С», в разной полярности, для измерения в них потенциала индукционного «эха» от «возмущающей» обмотки.
6. коммутационный ключ диагностики, обеспечивает подключение выводов батареи 1 к АЦП для контроля уровня ее заряда
7. блок индикации;
8. кнопка пуска процесса определения меток;
9. блок контактов (предназначен для канализации выводов обмоток двигателя ко входам коммутационных ключей прибора). Все контакты блока сгруппированы в три пары, обозначенные как «А», «В», «С». В каждой паре контакты имеют метки «начало» и «конец».
С точки зрения пользователя, процедура пользования прибором выглядит следующим образом:
Пользователь подносит прибор к двигателю и комплектом соединительных проводов присоединяет контакты блока контактов прибора к выводам обмоток двигателя. Выводы двигателя должны быть предварительно сгруппированы на обмоточные пары. Присоединение пар выводов двигателя к парам блока контактов на приборе – произвольное.
Пользователь включает питание прибора. После небольшой задержки индикация прибора отражает состояние «Готовность». Это означает, во-первых, что питание прибора включено, а во-вторых, что уровень заряда обеих батарей в норме и можно запускать процесс определения меток. Если на этом этапе прибор отразит состояние «Ошибка», то это означает, что уровень заряда одной из батарей или обеих сразу недостаточен для получения достоверного результата, и их нужно заменить.
После получения сигнала «Готовность», пользователь нажимает кнопку пуска процесса определения меток. Блок индикации во время процесса отражает состояние «Идет процесс».
По завершении процесса определения меток, возможны следующие итоги:
«Полное совпадение меток». Это означает, что измерение прибором проведено успешно, что метки выводов двигателя полностью соответствуют меткам блока контактов прибора, к которым они присоединены;
«Поменять метки в обмотке А». Это означает, что измерение прибором проведено успешно, что выводы обмотки двигателя, присоединенные к паре «А» блока контактов прибора, должны получить метки обратные тем, которая указана на этих контактах, а остальные выводы двигателя соответствуют меткам блока контактов прибора, к которым они присоединены.
«Поменять метки в обмотке В» (аналогично п.4.2, но в отношении обмотки «В»).
«Поменять метки в обмотке С» (аналогично п.4.2, но в отношении обмотки «С»).
«Ошибка». На этом этапе это состояние означает, что измерение прибором проведено неудачно. Причиной этому может быть плохой контакт выводов прибора с выводами двигателя, неправильное разбиение обмоток двигателя на обмоточные пары, обрыв обмоток, межвитковое замыкание и др.
Из описанного видно, что любой результат процесса определения меток (кроме результата «Ошибка») однозначно определяет все метки выводам двигателя.
Форма визуализации блоком индикации этих результатов и других состояний прибора может быть произвольной и определяется схемным решением блока (индикаторы, цифро-буквенная и др.) и управляющим воздействием МК.
Прибор работает в соответствии с временной диаграммой, представленной на фигуре 5. Весь цикл его работы состоит из трех этапов:
Диагностика батарей;
Процесс определения меток;
Индикация результата определения.
Диагностика батарей. Сразу после включения прибора и инициализации МК, прибор производит диагностику уровней заряда обеих батарей посредством АЦП. Данная процедура исключает работу прибора в недопустимом режиме, предотвращает появление некорректных результатов определения меток.
Полюса батареи 3 постоянно подключены к АЦП. Полюса батареи 1 подключены к АЦП только на время измерения величины ее потенциала. Это кратковременное подключение производится коммутационным ключом 6 под управлением МК. Использование двух гальванически изолированных батарей и реализация гальванической развязки между МК и связкой «батарея 1 – возмущающая обмотка двигателя», защищает МК от мощных индукционных помех, которые там возникают в процессе определения меток.
МК через АЦП сканирует уровни потенциалов батарей и сравнивает их с предельно допустимыми. Если потенциалы батарей выше этих уровней, то МК через блок индикации отражает состояние «Готовность», тем самым сообщая пользователю, что диагностика прошла успешно и можно приступать к определению меток. В противном случае индицируется «Ошибка» и пуск процесса определения меток блокируется.
После успешной диагностики МК встает в режим ожидания нажатия кнопки пуска процесса определения меток.
Процесс определения меток.
Процесс определения меток прототипа предполагает выполнение четырех отдельных замеров: замеры в прямой (фигура 3а) и обратной полярности (фигура 3б) сначала для обмотки «В», затем в прямой (фигура 3в) и обратной полярности (фигура 3г) для обмотки «С».
В предлагаемом устройстве аналогом измерительного вольтметра постоянного тока служит АЦП. Благодаря многоканальности АЦП, процесс определения меток в устройстве оптимизирован и содержит только два замера. Первый замер в прямой полярности сразу для двух обмоток «В» и «С», и второй, в обратной полярности тоже для этих же обмоток. Смену полярности присоединения вводов АЦП к выводам обмоток «В» и «С» осуществляет коммутационный ключ 5, которому достаточно двух состояний.
После нажатия кнопки стартует процесс определения меток. Начинается он с того, что МК дает команду блоку индикации визуализировать состояние «Процесс идет». Это состояние отражается индикацией до тех пор, пока прибор не сформирует конечный итог определения меток.
В исходном состоянии коммутационный ключ 4 замыкает выводы «возмущающей» обмотки двигателя между собой, а коммутационный ключ 5 держит наготове схему для замера в прямой полярности. Для обеспечения первого замера в прямой полярности коммутационный ключ 5 остается в исходном состоянии. МК подает сигнал на коммутационный ключ 4, который одновременно размыкает выводы «возмущающей» обмотки и подключает положительный потенциал батареи 1 к выводу обмотки «Ан» двигателя, тем самым формируя в ней «возмущающий» импульс тока (передний фронт).
Сразу после инициирования «возмущающего» импульса, АЦП сканирует и запоминает потенциалы индукционного «эха» на выводах обмоток «В» и «С» (фигура 6). Под сканированием здесь понимается серия интервальных измерений в ограниченном временном диапазоне.
После завершения сканирования, батарея 1 отключается от обмотки «А». Выводы «возмущающей» обмотки двигателя опять замыкаются между собой. Первый замер завершен. Между первым и вторым замерами МК делает паузу, чтобы в «возмущающей» обмотке двигателя утихли резонансные индукционные колебания. Замыкание выводов «возмущающей» обмотки двигателя в исходном состоянии коммутационного ключа 4 также способствует этому процессу.
После паузы начинается второй замер. Для обеспечения второго замера МК переключает коммутационный ключ 5 в альтернативное состояние. Далее все повторяется по аналогии с первым замером. Инициируется «возмущающий» импульс в обмотке «А». АЦП сканирует индукционное «эхо» на выводах обмоток «В» и «С». Отключается батарея 1 от обмотки «А».
После завершения двух замеров, МК начинает анализ полученных четырех результатов.
Алгоритм анализа двухэтапный. На первом этапе МК делит результаты на положительные и отрицательные по критерию обнаружения в них индукционного «эха». Под положительным результатом понимается тот, в котором МК обнаружил индукционное «эхо» в обмотке, т.е. зафиксирована группа последовательных измерений с амплитудой выше нуля (фигура 6 а). И, наоборот, под отрицательным результатом понимается тот, в котором не обнаружено индукционное «эхо» в обмотке, т.е. амплитуда зафиксированных измерений равна нулю (фигура 6 б). Положительному результату присваивается значение - 1, отрицательному - 0. Итогом первого этапа анализа являются строка, состоящая из четырех двоичных чисел.
На втором этапе анализа МК сопоставляет эту строку с возможными вариантами из нижеприведенной таблицы 1, и по совпадению формирует конечный итог определения меток.
Таблица 1
№ варианта сочетаниярезультатов
Обмотка «В»
Обмотка «С»
Итог определения меток
Замер прямой поляр-ности
Замер обратной поляр-ности
Замер прямой поляр-ности
Замер обратной полярности
0
0
0
0
Ошибка
0
0
0
1
Ошибка
0
0
1
0
Ошибка
0
0
1
1
Ошибка
0
1
0
0
Ошибка
0
1
0
1
Поменять метки в обмотке «А»
0
1
1
0
Поменять метки в обмотке «В»
0
1
1
1
Ошибка
1
0
0
0
Ошибка
1
0
0
1
Поменять метки в обмотке «С»
1
0
1
0
Полное совпадение меток
1
0
1
1
Ошибка
1
1
0
0
Ошибка
1
1
0
1
Ошибка
1
1
1
0
Ошибка
1
1
1
1
Ошибка
Данная таблица отражает следующие логические установки:
Если в какой либо из обмоток «В» или «С» не обнаружено «эхо» в замерах обеих полярностей, то процесс определения меток ошибочен (варианты №: 1, 2, 3, 4, 5, 9, 13).
Если в какой либо из обмоток «В» или «С» обнаружено «эхо» в замерах обеих полярностей, то процесс определения меток ошибочен (варианты №: 4, 8, 12, 14, 16).
Если обе обмотки «В» и «С» не согласованы с обмоткой «А», то в несогласовании «обвиняется» обмотка «А», и метки меняются у неё (вариант № 6).
На этом процесс определения меток завершен.
Индикация результата определения меток.
МК выдает команду блоку индикации сменить состояние «Процесс идет» на состояние, соответствующее полученному итогу измерения. Визуализация блоком индикации этого состояния служит наглядным пособием пользователю, чтобы выполнить работу по приведению меток выводов двигателя в порядок. По завершению этой работы, прибор выключается.
Данная структурная схема прибора допускает различные варианты схемной реализации. На фигуре 7 представлена принципиальная схема реально работающего прибора в варианте, когда коммутационные ключи реализованы на релейных модулях с оптронной развязкой, блок индикации реализован посредством светодиодных индикаторов, и использованы батареи питания на 1,5V (В1) и 9V (В2).
Вариант конструкции прибора для этой схемной реализации представлен на фигуре 8.
Визуализация состояний этой схемной версии прибора имеет следующие особенности. Состояние «Поменять метки в обмотке» отражается миганием соответствующего светодиода у блока контактов. Состояние «Полное совпадение меток» отражается миганием всех трех светодиодов у блока контактов. Мигание светодиода «Ошибка» имеет разную смысловую нагрузку, в зависимости от того, на каком этапе работы прибора оно проявилось (сразу после включения прибора или после процесса определения меток).
Достижению заявленного технического результата способствует совокупность следующих существенных признаков:
1. Использование в устройстве МК. Это позволило исключить пользователя из процесса определения меток в качестве управляющего и анализирующего звена, а процесс определения меток представить одним  действием. Это реализовано автоматизацией управления исполнительными блоками и объединением разнесенных во времени этапов измерения в сквозной непрерывный процесс.
2. Использование в устройстве блока контактов и коммутационного ключа измерения индукционного «эха». Это позволило исключить пользователя из процесса определения меток в качестве звена по подготовке схем замеров, за счет канализации выводов двигателя к коммутационным ключам и создания возможности подготавливать схемы замеров автоматическими средствами.
Как итог, использование этих двух существенных признаков позволило позиционировать устройство как самодостаточный прибор, способный выполнить задачу «под ключ».
3. Использование многоканальности АЦП позволило увеличить быстродействие прибора, сократив количество замеров с 4-х до 2-х, и упростить устройство коммутационного ключа 5, сделав ему достаточным два состояния.
4. Использование МК с АЦП позволило обеспечить компактность и носимость прибора. Во-первых, это обусловлено компактностью конструктива самого МК. Во-вторых, компактности прибора способствует чувствительность АЦП, которая избавляет от необходимости иметь в приборе громоздкую мощную «возмущающую» батарею для воспроизводства улавливаемого индукционного «эха». Этот же фактор позволил расширить область применения прибора и на мощные двигатели, у которых по мере увеличения мощности индукционное «эхо» ослабевает.
5. Использование гальванической энергии для нужд функционирования устройства. Это позволило сделать прибор автономным в части электроснабжения.
6. Разделение источника энергии устройства на два гальванически изолированных источника: батарея 1 и батарея 2. Это позволило повысить помехозащищенность прибора, обезопасив его от индукционных помех двигателя.
7. Использование прибором оптимизированного способа визуализации итогов определения меток. При данном способе на выводы обмоток двигателя распространяются метки контактов блока контактов, к которым они присоединены, а итоговая индикация информирует только об отклонениях от этого шаблона. Это упрощает техническую реализацию индикации, сокращая количество состояний, необходимых для визуализации, и повышает удобство работы пользователя с прибором.
8. Использование прибором диагностики батарей. Это исключает работу прибора в недопустимом режиме, предотвращает появление некорректных результатов, повышая достоверность определения меток.