СПОСОБ ДИАГНОСТИКИ ИНДУКТИВНЫХ ОБМОТОК
DIAGNOSTIC METHOD OF INDUCTIVE WINDINGS

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 с помощью измерительного комплекта К-505 и его модификаций напряжения U, тока I и активной мощности тока Р и далее по формулам определяют
Z=U/I, Ом - полное сопротивление,
2
R=Р/1=Zcosφ, Ом - активное сопротивление,
X=Zsinφ, Ом - реактивное сопротивление
Cosφ=P/S - коэффициент мощности тока,
φ=arcosφ - 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° (Холодильные компрессоры. Справочник, М.: Легкая промышленность, 1981, 280 с.).
При таком разнообразии электроприводов холодильных агрегатов оперативная их диагностика в натурных условиях (у заказчика) может быть выполнена прибором (устройством) сравнения, в котором используется легко перестраиваемая по сопротивлению электрическая цепь сравнения.
Наиболее распространенными приборами сравнения, предназначенными для измерения параметров элементов электрических цепей, являются электрические мосты постоянного и переменного тока (С.М. Нижний. Мосты переменного тока. - М. - Л., Энергия, 1966, 128 с.). 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, Y1, 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 способ диагностики индуктивных обмоток, принятый за прототип, путем сравнения их полных сопротивлений, измеренных с помощью трехфазной электрической цепи, показан на фиг.1 (Патент на изобретение: RU 2336535 С1, МПК G01 31/06, 20.10.2008, бюл. № 29).
Электрическая схема, показанная на фиг.1, с помощью которой реализуется способ прототипа, содержит: амперметр 1 и 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 звезда с нулевым проводником; линейный проводник 7 (фаза В) вторичной обмотки трансформатора 6 подключен к свободному концу испытуемой индуктивной обмотки 2 с амперметром 1, линейный проводник 8 (фаза С) вторичной обмотки трансформатора 6 подключен к свободному концу электрической цепи сравнения 3; вывод нейтрального (нулевого) проводника 9 вторичной обмотки трансформатора 6 подключен через сравнивающее устройство-амперметр 10 к узлу соединения электрических цепей 2 и 3. Линейный проводник 11 (фаза А) вторичной обмотки трансформатора 6 не используется.
Измерения по способу 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 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 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 нулевом проводнике 9, равный геометрической сумме векторов токов в линейных проводниках 7 и 8 измеряемый амперметром 10, не станет равным нулю. Полученные величины сопротивления резистора 4 и емкости конденсатора 5 цепи сравнения 3 записывают в базу данных. База данных и элементы цепи сравнения 3 используются при диагностических работах в условиях заказчика. При диагностике способом прототипа электрических обмоток с относительно большим активным сопротивлением, например, электрических машин малой мощности тока, неизбежно возникают значительные потери мощности тока как в испытуемых индуктивных обмотках, так и во вторичных обмотках измерительного трансформатора соединенных по схеме звезда с нулевым проводником. Это является недостатком способа прототипа.
Задачей предлагаемого технического решения является расширение возможности и уменьшение энергетических затрат при диагностике индуктивных обмоток с относительно большим активным сопротвлением, например, электродвигателей малой мощности тока и с ограниченным количеством доступных для подключения к сети проводников.
Поставленная цель достигается тем, что электрическая схема, показанная на фиг.2, с помощью которой реализуется способ, 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 по предлагаемому способу осуществляют следующим образом. В обесточенной измерительной схеме устройства отключают 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 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 цепи сравнения 3 записывают в базу данных. База данных и элементы 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.
Сущность предлагаемого способа диагностики индуктивных обмоток наглядно можно продемонстрировать с помощью векторной диаграммы напряжений и токов, показанной на фиг.3.
AB
АС
При соединении вторичных обмоток трансформатора по схеме треугольника векторная диаграмма трехфазных напряжений симметрична с углом сдвига фаз, равным 120°. Вектор полного тока I в испытуемой обмотке 2 отстающий относительно вектора напряжения, т.к. он имеет индуктивный характер. Вектор полного тока I в электрической цепи сравнения 3 опережающий относительно вектора напряжения, т.к. он имеет емкостный характер.
AB
AC
A
A
AB
АС
AB
AC
AB
AC
Любому полному току l, соответствующему полному сопротивлению конкретной индуктивной обмотки 2, можно подобрать с помощью резистора 4 и конденсатора 5 электрической цепи сравнения такую величину полного тока I, вектор которого опережает вектор напряжения, при котором линейный ток I в проводнике 9 окажется равным нулю (линейный ток I по первому закону Кирхгофа равен разности токов I и I). Это возможно в том случае, если векторы полных токов I=I совпадают по направлению и расположены в одном секторе векторов напряжений U и U. По известным величинам активного сопротивления резистора 4 и емкости конденсатора 5 легко рассчитать составляющие полного сопротивления индуктивной обмотки 2, если такая необходимость возникает.
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 невелико и малые потери мощности тока в этой цепи.
Таким образом, предлагаемое техническое решение способа 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.