Микроконтроллерное устройство диагностики межвитковой изоляции обмотки электродвигателя с функцией мегомметра

Область техники, к которой относится полезная модель
Полезная модель относится к области электроизмерительной техники, в частности к устройствам диагностики изоляции электродвигателя, характеризуемого ее пробивным напряжением, и может быть использована для построения средств диагностики всех видов изоляции электродвигателя: межвитковой, межобмоточной, между обмоткой и корпусом, а также измерения сопротивления изоляции.
Уровень техники
В результате старения изоляции обмотки асинхронного двигателя снижается ее пробивное напряжение и сопротивление, что в свою очередь ведет к внезапному отказу двигателя. Для своевременного предупреждения повреждения изоляции необходима ее диагностика, т.е. контроль качества (состояния) межвитковой изоляции.
Известно микропроцессорное устройство диагностики изоляции электродвигателя по ЭДС самоиндукции с функцией мегомметра (патент RU 2645499 С1, МПК G01R 27/26, G01R 31/34 заявл. 23.11.2016) содержащее микроконтроллер, включающий широтно-импульсный модулятор (ШИМ) и аналоговый компаратор делитель напряжения, управляемый источник опорного напряжения, первый управляемый ключ, преобразователь интерфейсов USART/USB, источник постоянного напряжения, диагностируемую обмотку электродвигателя, второй ключ, образцовую индуктивность, полупроводниковый диод, конденсатор и компьютер.
Используемый в данном устройстве источник опорного напряжения, управляемый широтно-импульсным модулятором (ШИМ) микроконтроллера, характеризуется повышенным уровнем шума в выходном сигнале. Наличие которого обусловлено, прежде всего, пульсациями выходного напряжения фильтра низких частот, обязательно используемого в составе источника опорного напряжения (AVR131: Using the AVR's High-speed PWM. Режим доступа: http://www.gaw.ru/pdf/Atmel/app/avr/AVR131.pdf).
В то же время, для нормального функционирования источника опорного напряжения необходима непрерывная генерация ШИМ сигналов, сопровождаемая резкими скачками потребления тока цифровой частью микроконтроллера, что в свою очередь приводит к снижению чувствительности аналогового компаратора микроконтроллера, в силу формирования дополнительных помех в цепи питания аналоговой части микроконтроллера (Рюмик С.М. 1000 и одна микроконтроллерная схема. Вып. 1 / С.М. Рюмик - М.: Издательский дом «Додека-ХХI», 2010. - 356 с., стр. 39.), а значит приводит к увеличению погрешности диагностики изоляции обмотки асинхронного двигателя.
Недостатком устройства является низкая точность диагностики изоляции электродвигателя.
Наиболее близким аналогом - прототипом к заявляемому техническому решению является микроконтроллерное устройство диагностики межвитковой изоляции обмотки электродвигателя с функцией мегомметра (патент RU 184404, G01R 31/06, G01R 27/02, заявл. 13.03.2018) содержащее микроконтроллер включающий регистр данных и аналоговый компаратор, делитель напряжения, цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП), первый управляемый ключ, индикатор, источник постоянного напряжения, второй ключ, образцовую индуктивность, полупроводниковый диод, конденсатор, при этом: второй вывод источника постоянного напряжения подключен к первым выводам диагностируемой обмотки электродвигателя и образцовой индуктивности, вторые выводы которых подключаются ко второму выводу второго ключа, который может находиться либо в «нижнем» положении - подключается диагностируемая обмотка электродвигателя, либо в «верхнем» положении - подключается образцовая индуктивность и анод полупроводникового диода, катод которого соединен с первой обкладкой конденсатора; первый вывод второго ключа подключен ко второму выводу первого управляемого ключа и второму крайнему выводу делителя напряжения; первый крайний вывод делителя напряжения соединен с первыми выводами источника постоянного напряжения и первого управляемого ключа, а так же со второй обкладкой конденсатора; вывод управления первого ключа подключен к микроконтроллеру; средний вывод делителя напряжения подключен ко второму входу аналогового компаратора микроконтроллера; индикатор подключен к микроконтроллеру по средством группы выходов соответствующего порта микроконтроллера; входы управления ЦАП подключены к выходам регистра данных микроконтроллера по средством выходов соответствующего порта микроконтроллера; выход ЦАП подключен к первому входу аналогового компаратора микроконтроллера.
Недостатком известного решения являются ограниченные функциональные возможности по причине конструктивных особенностей микроконтроллера, заключающихся в ограниченной мощности процессора и объема памяти, что не позволяет выполнять архивирование результатов измерений, их вывод в форме графиков, сравнение полученных данных с эталонными образцами.
Раскрытие полезной модели
Технический результат, который может быть достигнут с помощью предлагаемой полезной модели, сводится к расширению ее функциональных возможностей за счет проведения измерения с использованием вычислительных ресурсов компьютера.
Технический результат достигается тем, что в микроконтроллерное устройство диагностики межвитковой изоляции обмотки электродвигателя с функцией мегомметра, содержащее микроконтроллер включающий регистр данных и аналоговый компаратор, делитель напряжения, цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП), первый управляемый ключ, источник постоянного напряжения, второй ключ, образцовую индуктивность, полупроводниковый диод, конденсатор, при этом: второй вывод источника постоянного напряжения подключен к первым выводам диагностируемой обмотки электродвигателя и образцовой индуктивности, вторые выводы которых подключаются ко второму выводу второго ключа, который может находиться либо в «нижнем» положении - подключается диагностируемая обмотка электродвигателя, либо в «верхнем» положении - подключается образцовая индуктивность и анод полупроводникового диода, катод которого соединен с первой обкладкой конденсатора; первый вывод второго ключа подключен ко второму выводу первого управляемого ключа и второму крайнему выводу делителя напряжения; первый крайний вывод делителя напряжения соединен с первыми выводами источника постоянного напряжения и первого управляемого ключа, а также со второй обкладкой конденсатора; вывод управления первого ключа подключен к микроконтроллеру; средний вывод делителя напряжения подключен ко второму входу аналогового компаратора микроконтроллера; входы управления ЦАП подключены к выходам регистра данных микроконтроллера посредством выходов соответствующего порта микроконтроллера; выход ЦАП подключен к первому входу аналогового компаратора микроконтроллера, введен преобразователь интерфейсов USART/USB, причем модуль USART микроконтроллера подключен к указанному преобразователю интерфейсов USART/USB, выполненному с возможностью подключения к интерфейсу USB компьютера.
Краткое описание чертежей
На фиг. представлена структурная схема микроконтроллерного устройства диагностики межвитковой изоляции обмотки электродвигателя с функцией мегомметра.
Осуществление полезной модели
Микроконтроллерное устройство диагностики межвитковой изоляции обмотки электродвигателя с функцией мегомметра содержит (фиг.) микроконтроллер 1 включающий регистр данных (на фиг. не показан), аналоговый компаратор (на фиг. не показан) и модуль USART (на фиг. не показан), делитель напряжения 2, цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) 3, первый управляемый ключ 4, преобразователь интерфейсов USART/USB 5, источник постоянного напряжения 6, второй ключ 7, образцовую индуктивность 8, полупроводниковый диод 9, конденсатор 10, компьютер 11, при этом: второй вывод источника постоянного напряжения 6 подключен к первым выводам диагностируемой обмотки 12 электродвигателя и образцовой индуктивности 8, вторые выводы которых подключаются ко второму выводу второго ключа 7, который может находиться либо в «нижнем» положении - подключается диагностируемая обмотка 12 электродвигателя, либо в «верхнем» положении - подключается образцовая индуктивность 8 и анод полупроводникового диода 9, катод которого соединен с первой обкладкой конденсатора 10; первый вывод второго ключа 7 подключен ко второму выводу первого управляемого ключа 4 и второму крайнему выводу делителя напряжения 2; первый крайний вывод делителя напряжения 2 соединен с первыми выводами источника постоянного напряжения 6 и первого управляемого ключа 4, а так же со второй обкладкой конденсатора 10; вывод управления первого ключа 4 подключен к микроконтроллеру 1; средний вывод делителя напряжения 2 подключен ко второму входу аналогового компаратора (на фиг.не показан) микроконтроллера 1; входы управления ЦАП 3 подключены к выходам регистра данных микроконтроллера 1 (на фиг. не показан) по средством выходов соответствующего порта микроконтроллера 1; выход ЦАП 3 подключен к первому входу аналогового компаратора (на фиг. не показан) микроконтроллера 1; модуль USART микроконтроллера 1 подключен к преобразователю интерфейсов USART/USB 5, который подключен к интерфейсу USB компьютера 11.
Микроконтроллерное устройство диагностики межвитковой изоляции обмотки электродвигателя с функцией мегомметра работает следующим образом.
Ключ 7 находится в «верхнем» положении, т.е. включена образцовая индуктивность 8.
Микроконтроллер 1 устанавливает на выходе ЦАП 3 заданный уровень опорного напряжения и замыкает управляемый ключ 4. Напряжение на выходе ЦАП 3 устанавливается в соответствии с кодом, поступающим с регистра данных микроконтроллера 1 на входы управления ЦАП 3.
В результате замыкания ключа 4, по цепи: второй вывод источника постоянного напряжения 6, образцовая индуктивность 8, ключ 7, ключ 4, первый вывод источника постоянного напряжения 6 протекает нарастающий ток. В определенный момент микроконтроллер 1 размыкает ключ 4, на выводах образцовой индуктивности 8 возникает ЭДС самоиндукции, которая приложена к делителю напряжения 2. Если напряжение на среднем выводе делителя 2 превысит опорное, то аналоговый компаратор микроконтроллера 1 поменяет на выходе логический уровень. По этому сигналу микроконтроллер 1 оценивает значение амплитуды ЭДС самоиндукции. В образцовой индуктивности 8 отсутствуют дефекты в межвитковой изоляции, и значение ЭДС самоиндукции будет максимальным. Это значение запоминается микроконтроллером 1.
Далее ключ 7 переводится в «нижнее» положение, т.е. подключена диагностируемая обмотка 12 электродвигателя. По цепи: второй вывод источника постоянного напряжения 6, диагностируемая обмотка 12 электродвигателя, ключ 7, ключ 4, первый вывод источника постоянного напряжения 6 протекает нарастающий ток. В определенный момент микроконтроллер 1 размыкает ключ 4, на выводах диагностируемой обмотки 12 электродвигателя возникает ЭДС самоиндукции, которая приложена к делителю напряжения 2. Если межвитковая изоляция диагностируемой обмотки 12 электродвигателя содержит дефекты, снижающие значение пробивного напряжения, а также обладает малым сопротивлением, то часть энергии запасенной в ее индуктивности после размыкания ключа 4 рассеется в виде тепла на сопротивлениях межвитковой изоляции. В этом случае ЭДС самоиндукции будет ниже значения, установленного с помощью образцовой индуктивности, и аналоговый компаратор микроконтроллера 1 не поменяет логический уровень на выходе.
Затем микроконтроллер 1 переходит к следующему циклу измерения амплитуды ЭДС самоиндукции. Микроконтроллер 1 снижает напряжение на выходе ЦАП 3 и вновь замыкает ключ 4, цикл повторяется до тех пор, пока микроконтроллер 1 не определит значение амплитуды ЭДС самоиндукции. По значению амплитуды ЭДС самоиндукции производится оценка состояния изоляции.
Реализация функции мегомметра осуществляется следующим образом.
Контролируемое сопротивление изоляции между обмотками электродвигателя или между обмоткой и корпусом подключается к обкладкам конденсатора 10 (на фиг. контролируемое сопротивление не показано). Второй ключ 7 находится в «верхнем» положении, т.е. включена образцовая индуктивность 8. Микроконтроллер 1 периодически замыкает/размыкает ключ 4, на выводах образцовой индуктивности 8 возникают импульсы ЭДС самоиндукции, которая приложена к делителю напряжения 2, а также к аноду полупроводникового диода 9 и ко второй обкладке конденсатора 10. Конденсатор 10 заряжается под действием положительных импульсов ЭДС самоиндукции до определенного значения. Если, контролируемое сопротивление изоляции, к которой приложено напряжение конденсатора 10 имеет высокое значение, то напряжение конденсатора 10 будет равно максимальному значению амплитуды импульсов ЭДС самоиндукции. Это значение напряжения микроконтроллер 1 фиксирует, используя раннее описанную последовательность измерения ЭДС самоиндукции. Если контролируемое сопротивление изоляции, к которой приложено напряжение конденсатора 10 имеет низкое значение, то напряжение конденсатора 10 также будет иметь низкое значение. Таким образом, напряжение на конденсаторе 10, приложенное к контролируемой изоляции будет определяться значением сопротивления контролируемой изоляции. Так как микроконтроллер 1 измеряет напряжение на конденсаторе 10, то по определенной последовательности микроконтроллер 1 определяет значение сопротивления контролируемой изоляции, таким образом, реализуется функция мегомметра.
Предварительно обработанные результаты измерений микроконтроллер 1 пересылает через преобразователь интерфейсов USART/USB 5 на компьютер 11, в котором могут быть реализованы новые функции, например, архивирование результатов измерений и вывод их в графической форме на монитор, сравнение с эталонными образцами или их моделями, а также передача данных на удаленный компьютер через сеть Internet.
Разработанное устройство по сравнению с прототипом и другими известными решениями имеет преимущество - расширены функциональные возможности микропроцессорного устройства диагностики изоляции электродвигателя по ЭДС самоиндукции с функцией мегомметра за счет проведения измерения с использованием вычислительных ресурсов компьютера.