СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ЧАСТИЧНОГО РАЗРЯДА В СИСТЕМЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПРИВОДА
METHOD FOR MEASURING PARTIAL DISCHARGE IN AN ELECTRIC DRIVE SYSTEM

Изобретение касается способа измерения частичного разряда в системе электрического привода, которая включает в себя электрическую вращающуюся машину и преобразователь частоты.
Также изобретение касается блока управления, имеющего средства для осуществления такого способа.
Помимо этого, изобретение касается компьютерной программы для осуществления такого способа при выполнении в блоке управления.
Кроме того, изобретение касается компьютерного программного продукта, несущего компьютерную программу.
Далее, изобретение касается системы измерения частичных разрядов для осуществления такого способа.
К тому же изобретение касается системы привода, имеющей по меньшей мере одну электрическую вращающуюся машину, по меньшей мере один преобразователь частоты и по меньшей мере одну систему измерения частичных разрядов.
Такой способ применяется в системах привода, у которых питаемые через преобразователь частоты электрические вращающиеся машины, в частности двигатели, могут работать с трехфазным переменным напряжением и мощностью по меньшей мере 1 МВт. Такая электрическая вращающаяся машина имеет питающее напряжение по меньшей мере 1 кВ, например, 6,6 кВ.
Из-за неоднородностей в изоляционном материале, а также из-за свободных пространств между электрическими проводами, которые не заполнены изоляционным материалом, во время работы электрической вращающейся машины могут происходить частичные разряды, при этом частичный разряд соответствует неполному электрическому пробою, который происходит в изоляции локально, в частности в местах сильно неоднородных структур поля, и приводит к повреждению изоляционного материала. Это означает, что из-за частичных разрядов происходит ускорение процесса старения.
Поэтому для изолирующих систем применяются соответствующие способы мониторинга и диагностики. Наряду с химической диагностикой изоляции находят применение способы электрической диагностики, которые применяются, в частности, для изолирующих систем обмоток статора. До сих пор измерения частичных разрядов могли осуществляться только оффлайн, то есть в состоянии останова электрической вращающейся машины, так как для измерения требуется гладкий, синусоидальный сигнал напряжения. Такой синусоидальный сигнал запитывается во время останова установки через эталонный источник. Измерения оффлайн являются дорогостоящими из-за останова установки и связанного с ним простоя производства.
Выкладное описание изобретения DE 10 2011 080 115 A1 описывает блок развязки для измерения частичных разрядов на машине высокого напряжения. Электрические структурные элементы блока развязки являются интегрированной составной частью блока пластмассовой заливки, который размещен на верхней стороне изолирующей опоры. К электрическим структурным элементам блока развязки относится последовательная схема двух конденсаторов.
Выкладное описание изобретения US 2002/0097065 A1 описывает способ оценки дефектов изоляции в двигателе с переменной частотой вращения.
Выкладное описание изобретения US 2006/0022679 A1 описывает устройство для распознавания частичных разрядов изоляции трехфазного тока в двигателе.
Выкладное описание изобретения EP 2 402 775 A1 описывает способ контроля/диагностики изоляции для электрической вращающейся машины.
Выкладное описание изобретения EP 3 136 116 A1 описывает устройство для измерения частичных разрядов для измерения свойств частичных разрядов, которые наблюдаются, когда на измеряемый объект подается повторяющееся ударное напряжение.
В основе изобретения лежит задача, предложить способ измерения частичного разряда в системе электрического привода, который может осуществляться во время работы системы электрического привода.
Задача в соответствии с изобретением решается с помощью способа измерения частичного разряда в системе электрического привода, которая включает в себя электрическую вращающуюся машину и преобразователь частоты, при этом непрерывно анализируется форма создаваемого преобразователем частоты сигнала преобразователя частоты, при этом, когда сигнал преобразователя частоты имеет синусоидальную форму сигнала, регистрируется измерительный сигнал, при этом измерительный сигнал сравнивается с опорным сигналом, при этом, когда отклонение измерительного сигнала от опорного сигнала (Rs) превышает некоторое пороговое значение, регистрируется частичный разряд.
Далее, задача в соответствии с изобретением решается с помощью блока управления, имеющего средства для осуществления такого способа.
Помимо этого, задача в соответствии с изобретением решается с помощью компьютерной программы для осуществления такого способа при выполнении в блоке управления.
К тому же задача в соответствии с изобретением решается с помощью компьютерного программного продукта, несущего такую компьютерную программу.
Кроме того, задача в соответствии с изобретением решается с помощью системы измерения частичных разрядов для осуществления такого способа, которая имеет по меньшей мере одно устройство анализа сигналов, устройство измерения частичных разрядов и блок управления.
Помимо этого, задача в соответствии с изобретением решается с помощью системы привода, имеющей по меньшей мере одну электрическую вращающуюся машину, по меньшей мере один преобразователь частоты и по меньшей мере одну систему измерения частичных разрядов.
Приведенные ниже в связи со способом преимущества и предпочтительные варианты осуществления могут по смыслу переноситься на блок управления, компьютерную программу, компьютерный программный продукт, систему измерения частичных разрядов и систему привода.
В основе изобретения лежит мысль о регистрации частичных разрядов во время работы системы привода, при этом такая система привода образуется электрической вращающейся машиной и преобразователем частоты, который предусмотрен для работы электрической вращающейся машины, в частности с трехфазным, сигналом переменного тока. Электрическая вращающаяся машина может работать с рабочим напряжением по меньшей мере 1 кВ, например, с 6,6 кВ, в режиме двигателя или режиме генератора. Такое измерение онлайн во время работы требует гладкого синусоидального сигнала переменного тока, что может редко достигаться при работе от преобразователя частоты, в отличие от работы от сети. Во время процессов переключения преобразователя частоты возникают скачки напряжения, которые накладываются на измеренные сигналы частичного разряда и тем самым препятствуют диагностике.
Чтобы сделать возможным осуществление измерения частичных разрядов во время работы системы привода, непрерывно анализируется форма создаваемого преобразователем частоты, в частности трехфазного, сигнала переменного тока, который называется сигналом преобразователя частоты. Как только сигнал преобразователя частоты имеет синусоидальный характер, осуществляется измерение частичного разряда, при этом регистрируется измерительный сигнал на электрической вращающейся машине. После этого измерительный сигнал сравнивается с опорным сигналом, в частности путем составления цифровой разности. Частичный разряд регистрируется, когда отклонение измерительного сигнала от опорного сигнала превышает некоторое пороговое значение.
Частичные разряды регистрируются системой измерения частичных разрядов, которая включает в себя устройство анализа сигналов для анализа характера сигнала преобразователя частоты и устройство измерения частичных разрядов, которое расположено в области электрической вращающейся машины.
С помощью блока управления осуществляется управление выполнением способа. Средства осуществления такого способа включают в себя компьютерную программу и, например, микроконтроллер или другой программируемый логический модуль. Блок управления расположен, например, в устройстве измерения частичных разрядов.
В частности, цифровой, триггерный сигнал принимает первое состояние для регистрации измерительного сигнала, как только сигнал преобразователя частоты имеет синусоидальную форму сигнала. С помощью триггерного сигнала надежно и с очень малой задержкой запускается регистрация измерительного сигнала, что приводит к более долгому времени регистрации и вместе с тем к более высокой точности.
В одном из предпочтительных вариантов осуществления определяются количество и/или продолжительность времени частичных разрядов. Такая информация позволяет делать заключения о процессе старения изоляционного материала. Например, благодаря своевременному техническому обслуживанию могут предотвращаться дальнейшие повреждения электрической вращающейся машины и/или долгие простои.
Особенно предпочтительно указанный, в частности цифровой, триггерный сигнал принимает второе состояние для прерывания регистрации измерительного сигнала, как только сигнал преобразователя частоты отклоняется от синусоидальной формы сигнала. Такой, в частности цифровой, триггерный сигнал надежен, мало чувствителен к помехам и прост в реализации.
В другом предпочтительном варианте осуществления триггерный сигнал создается в устройстве анализа сигналов или в ИТ(информационно-технической)-инфраструктуре. ИТ-инфраструктура представляет собой, например, по меньшей мере одну компьютерную систему и/или облако. Эта ИТ-инфраструктура предоставляет место в памяти, вычислительную мощность и/или прикладное программное обеспечение. В облаке место в памяти, вычислительная мощность и/или прикладное программное обеспечение предоставляются в виде услуги через интернет. При таком централизованном создании триггерного сигнала обеспечивается синхронная обработка сигнала.
В другом предпочтительном варианте осуществления форма сигнала преобразователя частоты анализируется посредством БПФ. Под БПФ следует понимать быстрое преобразование Фурье (Fast Fourier Transformation). Благодаря применению БПФ может с высокой точностью и скоростью определяться, является ли форма сигнала преобразователя частоты синусоидальной и когда.
В одном из предпочтительных вариантов осуществления измерительный сигнал снимается на по меньшей мере одном подводящем проводе системы обмотки статора электрической вращающейся машины. Такой съем легко доступен и может реализовываться, в частности с помощью имеющихся опорных изоляторов, экономично и без значительных конструктивных изменений.
В другом предпочтительном варианте осуществления измерительный сигнал снимается на по меньшей мере одной катушке системы обмотки статора электрической вращающейся машины. Непосредственный съем на катушке делает возможным очень точное измерение.
В другом предпочтительном варианте осуществления измерительный сигнал снимается, в частности через емкостной, делитель напряжения. В частности, по меньшей мере один конденсатор, имеющий емкость в пФ-диапазоне, интегрирован в опорный изолятор, при этом другой конденсатор имеет емкость в мкФ-диапазоне, так что на другом конденсаторе получаются максимум 50 В. Дополнительно или альтернативно делитель напряжения построен с сопротивлениями. Такой делитель напряжения прочен и нечувствителен к помехам. Поэтому измерительный сигнал, например, на другом конденсаторе, может сниматься просто и надежно.
В одном из предпочтительных вариантов осуществления измерительный сигнал оцифровывается, в частности с частотой дискретизации по меньшей мере 10 Мвыб/с. Благодаря такой высокой частоте дискретизации могут также надежно регистрироваться крутые фронты сигнала частичных разрядов.
Особенно предпочтительно оцифрованный измерительный сигнал по меньшей мере частично подвергается дальнейшей обработке в центральной ИТ-инфраструктуре. С помощью такой ИТ-инфраструктуры определенные данные надежно обрабатываются даже в трудных окружающих условиях в области электрической вращающейся машины, например, жары, влажности или излучения, и при необходимости сохраняются в памяти.
Далее изобретение описывается и поясняется подробнее на примерах осуществления, изображенных на фигурах. Показано:
фиг.1: схематичное изображение первого варианта осуществления системы привода;
фиг.2: схематичное изображение второго варианта осуществления системы привода и
фиг.3: схематичное изображение временной характеристики анализа измерительного сигнала.
В поясняемых далее примерах осуществления речь идет об особенно предпочтительных вариантах осуществления изобретения. В примерах осуществления описанные компоненты вариантов осуществления представляют собой каждый отдельные признаки изобретения, которые должны рассматриваться независимо друг от друга, которые также совершенствуют изобретение каждый независимо друг от друга, и при этом также по отдельности или в комбинации, отличающейся от показанной, могут считаться составной частью изобретения. Кроме того, описанные варианты осуществления могут также дополняться другими, уже описанными признаками изобретения.
Одинаковые ссылочные обозначения имеют на разных фигурах одинаковое значение.
На фиг.1 показано схематичное изображение первого варианта осуществления системы 2 привода, которая включает в себя трехфазную электрическую вращающуюся машину 4 и преобразователь 6 частоты. Электрическая вращающаяся машина 4 представляет собой, например, двигатель и включает в себя статор 8, имеющий систему 9 обмотки статора, и ротор 10. Электрическая вращающаяся машина 4 снабжается преобразователем 6 частоты, который выполнен в виде управляемого нагрузкой преобразователя частоты с промежуточным контуром тока, многофазным, в частности трехфазным, сигналом мощности, сигналом R, S, T преобразователя частоты.
Сигнал R, S, T преобразователя частоты по подводящим проводам 11 запитывается в клеммную коробку 12 в электрическую вращающуюся машину 4. В клеммной коробке 12 находятся опорные изоляторы 14, при этом, например, для каждой фазы сигнала R, S, T преобразователя частоты предусмотрен по меньшей мере один опорный изолятор 14. В целях наглядности на фиг.1 изображен только один опорный изолятор 14. Опорные изоляторы 14 через шину соединены с заземленным корпусом клеммной коробки 12 и поддерживают подводящие провода 11 для системы 9 обмотки статора. В опорные изоляторы интегрирован по меньшей мере один конденсатор. С конденсатором опорного изолятора 14 соединен сенсор 16, который, например, включает в себя другой конденсатор, образующий с указанным по меньшей мере одним интегрированным в опорный изолятор 14 конденсатором емкостной делитель напряжения. Дополнительно или альтернативно сенсор 16 имеет сопротивление. На другом конденсаторе снимается измерительный сигнал, который пропорционален соответствующей фазе сигнала R, S, T преобразователя частоты. В частности, у машины высокого напряжения, которая может работать с рабочим напряжением по меньшей мере 1 кВ, измерительный сигнал M может сниматься через сеть, которая имеет по меньшей мере один конденсатор, по существу без потерь и с заметно более низким уровнем, что облегчает дальнейшую обработку сигнала. Дополнительно или альтернативно измерительный сигнал M снимается на катушке системы 9 обмотки статора.
Цифровой измерительный сигнал M направляется для дальнейшей обработки в устройство 18 измерения частичных разрядов. Альтернативно сенсор 16 включает в себя дополнительно блок преобразователя, который преобразует получающийся на другом конденсаторе аналоговый сигнал напряжения в цифровой измерительный сигнал M. Чтобы можно было регистрировать также очень крутые фронты сигнала частичных разрядов Te, этот преобразователь работает с высокой частотой дискретизации, например, в мегасэмпловом диапазоне или в гигасэмпловом диапазоне.
После этого оцифрованный измерительный сигнал M сравнивается с опорным сигналом Rs, который, например, создается устройством 18 измерения частичных разрядов из сигнала R, S, T преобразователя частоты. Сравнение измерительного сигнала M с опорным сигналом Rs осуществляется, например, в цифровом виде посредством составления разности. Если отклонение измерительного сигнала M от опорного сигнала Rs превышает некоторое пороговое значение Sw, регистрируется частичный разряд Te. Определяется количество и/или продолжительность времени частичных разрядов Te. Определенные данные частичных разрядов Te оцифровываются и, по меньшей мере частично, посылаются в центральную ИТ-инфраструктуру 20. ИТ-инфраструктура 20 представляет собой, например, по меньшей мере одну локальную компьютерную систему и/или облако. ИТ-инфраструктура 20 предоставляет место в памяти, вычислительную мощность и/или прикладное программное обеспечение. В облаке место в памяти, вычислительная мощность и/или прикладное программное обеспечение предоставляются в виде услуги через интернет. Цифровая передача данных в ИТ-инфраструктуру 20 происходит беспроводным путем, проводным путем или оптически. Например, данные передаются через Bluetooth или WLAN.
Частичные разряды Te могут регистрироваться без помех только при синусоидальном характере генерируемого преобразователем частоты сигнала R, S, T преобразователя частоты путем измерения онлайн, то есть во время работы электрической вращающейся машины 4, при этом сигнал R, S, T преобразователя частоты преобразователя 6 частоты, который выполнен в виде управляемого нагрузкой преобразователя частоты с промежуточным контуром тока, имеет частично синусоидальный характер.
Через интерфейс 22 на преобразователе 6 частоты в устройство 24 анализа сигналов передается, в частности трехфазный, сигнал V напряжения и, в частности трехфазный, аналоговый сигнал C тока, при этом аналоговый сигнал V напряжения и аналоговый сигнал C тока предпочтительно снимаются на выходе преобразователя 6 частоты и воспроизводят характер трехфазного сигнала R, S, T преобразователя частоты. Устройством 24 анализа сигналов предоставляются высоко разрешенные данные измерений, с помощью которых, в частности посредством БПФ, анализируется форма сигнала R, S, T преобразователя частоты. Из формы сигнала R, S, T преобразователя частоты создается, в частности цифровой, триггерный сигнал Tr. Этот триггерный сигнал Tr принимает первое состояние, например, логическую 1, как только сигнал R, S, T преобразователя частоты имеет гладкий синусоидальный характер. Если характер сигнала R, S, T преобразователя частоты не синусоидальный, триггерный сигнал Tr имеет второе состояние, например, логический 0.
Измерение с помощью устройства 18 измерения частичных разрядов активируется триггерным сигналом Tr устройства 24 анализа сигналов только при соответственно синусоидальном характере сигнала R, S, T преобразователя частоты, в остальное время оно остается деактивированным, так как измерение без помех невозможно. То есть реализуется цифровая связь между процессами переключения преобразователя 6 частоты и настройкой устройства 18 измерения частичных разрядов, благадаря которой становится возможным измерение онлайн частичных разрядов Te на электрической вращающейся машине 4, привод которой осуществляется управляемым нагрузкой преобразователем частоты с промежуточным контуром тока. С помощью блока 26 управления, которым укомплектовано устройство 18 измерения частичных разрядов, осуществляется управление выполнением способа. Блок 26 управления вместе с устройством 24 анализа сигналов и устройством 18 измерения частичных разрядов образует систему 28 измерения частичных разрядов.
На фиг.2 показано схематичное изображение второго варианта осуществления системы 2 привода. Предоставляемые устройством 24 анализа сигналов высоко разрешенные данные измерений посылаются в качестве измерительного сигнала Md в ИТ-инфраструктуру 20. Там с помощью этих высоко разрешенных данных измерений анализируется форма сигнала R, S, T преобразователя частоты, в частности посредством БПФ. Из формы сигнала R, S, T преобразователя частоты создается, в частности цифровой, триггерный сигнал Tr, который посылается в устройство 18 измерения частичных разрядов.
С помощью блока 26 управления, которым укомплектована ИТ-инфраструктура 20, осуществляется управление выполнением способа. Измерительный сигнал M и опорный сигнал Rs после оцифровки в устройстве 18 измерения частичных разрядов посылаются в центральную ИТ-инфраструктуру 20 и там подвергается дальнейшей обработке. В остальном вариант осуществления системы 2 привода на фиг.2 соответствует варианту осуществления на фиг.1.
На фиг.3 показано схематичное изображение временной характеристики анализа измерительного сигнала M. Когда триггерный сигнал Tr при синусоидальном характере генерируемого преобразователем частоты сигнала R, S, T преобразователя частоты принимает логическую 1, запускается регистрация измерительного сигнала M. Опорный сигнал Rs вычитается из измерительного сигнала M, при этом создается сигнал A отклонения измерительного сигнала M от опорного сигнала. Если сигнал A отклонения превышает пороговое значение Sw, регистрируется частичный разряд Te. После этого определяются количество и/или продолжительность времени частичных разрядов Te.
Итак, изобретение касается способа измерения частичного разряда Te в системе 2 электрического привода, которая включает в себя электрическую вращающуюся машину 4 и преобразователь 6 частоты. Чтобы способ мог осуществляться во время работы системы 2 электрического привода, предлагается, чтобы непрерывно анализировалась форма создаваемого преобразователем 6 частоты сигнала R, S, T преобразователя частоты, при этом, когда сигнал R, S, T преобразователя частоты имеет синусоидальную форму сигнала, регистрируется измерительный сигнал M, при этом измерительный сигнал M сравнивается с опорным сигналом Rs, при этом, когда отклонение измерительного сигнала M от опорного сигнала Rs превышает пороговое значение Sw, регистрируется частичный разряд Te.