УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ ВИТКОВЫХ ЗАМЫКАНИЙ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИНАХ И КАТУШКАХ ИНДУКТИВНОСТЕЙ
DEVICE FOR DETECTING WIRE CIRCUITS IN ELECTRIC MACHINES AND INDUCTION COILS

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к устройствам для контроля витковых замыканий в обмотках электрических машин и аппаратов.
Целью изобретения является повышение чувствительности устройства и упрощение методики выявления витковых замыканий (в.з.).
Известно изобретение (а.с. SU 1449943 A1, з-ка №4178145/24-21 от 07.01.87, опубл. 07.01.89, Бюл. №1), где испытательное напряжение подается на испытуемую и эталонную обмотки, что вызывает затухающие высокочастотные колебания. Для оценки наличия в.з. измеряется разность фаз этих колебаний. Недостатком является сильная зависимость частоты и амплитуды колебаний от распределенных емкостей обмоток и поэтому изобретение может быть использовано только если параметры обмоток (индуктивность и емкость) имеют хорошую повторяемость.
В изобретении (а.с. SU 1465829 A1, з-ка №4117600/24-21 от 16.09.86, опубл. 15.03.89, Бюл. №10) напряжение с генератора подается на пластину коллектора относительно корпуса якоря коллекторной электрической машины, а снимается с двух соседних коллекторных пластин.
Высокочастотные затухающие колебания обрабатываются компаратором, тремя счетчиками, двумя избирательными блоками и в результате формируются две последовательности импульсов одна из которых (образцовая) не зависит от наличия в.з., а другая (сравнимая) - зависит. Недостатком является сложность методики выявления в.з. путем изменения частоты измерительного блока и регулированием периода испытательных импульсов.
В изобретении (а.с. СССР №82724, заявка №378531 от 11.03.1948 г.) предложена идея выявления в.з. методом «бегущей волны», когда с импульсного генератора подается короткий импульс на выводы двух одинаковых последовательно соединенных обмоток, а общая точка обмоток подключается к осциллографу. Если в обмотках нет в.з., то время прохождения импульса по каждой обмотке будет одинаковое, а если есть в.з. в какой-либо обмотке, то это время будет разное, что визуально можно оценить по форме кривой на экране осциллографа.
Усовершенствованный вариант «бегущей волны» реализован в установке ИУ-57 (А.П. Зеленченко «Устройства диагностики тяговых двигателей электрического подвижного состава». Учебное пособие, Москва, 2002, с. 14). Здесь с импульсного генератора через центральный электрод подается напряжение на пластину коллектора относительно корпуса якоря, а с двух боковых электродов, подключенных к коллекторным пластинам, симметричных относительно центрального электрода, снимаются «бегущие волны» напряжений и наблюдаются на экране осциллографа. Недостатком метода «бегущей волны» является необходимость визуальной оценки формы сигнала, что усложняет методику выявления в.з..
Наиболее близким к заявленному устройству является устройство установки А-1840 (А.П. Зеленченко «Устройства диагностики тяговых двигателей электрического подвижного состава». Учебное пособие, Москва, 2002, с. 15). В этой установке напряжение с импульсного генератора подается на параллельную цепочку из конденсатора и проверяемой обмотки, например, часть обмотки проверяемого якоря. Импульс разряда вызывает формирование затухающих колебаний. Колебательный процесс конденсатор-индуктивность проверяемой обмотки наблюдается на экране осциллографа. Форма осциллограмм колебательных процессов зависит от наличия межвиткового замыкания или его отсутствия. Частота колебаний фиксируется выбором величины емкости конденсатора. Недостатком является сложность методики выявления в.з.
Задачей, решаемой заявляемым устройством, является обеспечение простой методики выявления в.з. при высокой чувствительности устройства к в.з.. Указанная цель достигается тем, что в устройстве для обнаружения витковых замыканий в электрических машинах и катушках индуктивностей, содержащем генератор импульсов, нагруженный на параллельную цепочку из конденсатора и проверяемой обмотки, в соответствии с изобретением, в качестве проверяемой обмотки используют две последовательно включенные обмотки, при этом устройство содержит вычитатель и сумматор с входами, подключенными к выходам этих обмоток и тактируемыми с выхода генератора через элемент задержки и формирователь импульса тактирования, выход сумматора подключен на вход фазочувствительного выпрямителя, а выход вычитателя через формирователь импульса управления - на управляющий вход фазочувствительного выпрямителя и через второй выпрямитель, второй фильтр нижних частот и второй однопороговый компаратор подключен на второй вход логического элемента, одновременно выход одной из обмоток через первый выпрямитель, первый фильтр нижних частот и первый однопороговый компаратор подключен на первый вход логического блока, а на третий и четвертый входы логического блока подается сигнал с выхода фазочувствительного выпрямителя через третий фильтр нижних частот и двухпороговый компаратор, а три выхода логического блока подключены к трем индикаторам - индикатору цепи, индикатору первой проверяемой обмотки, индикатору второй проверяемой обмотки. Альтернативными данному являются: устройство, в котором одна из обмоток является образцовой, устройство, в котором две последовательно включенные обмотки представляют собой две одинаковые части якорной обмотки.
Повышение чувствительности обеспечивается тем, что обрабатывается не вся осциллограмма затухающих колебаний, а после ее аппаратной
обработки - только та ее часть, которая наиболее сильно изменяется при возникновении в.з.. В прототипе наблюдается вся осциллограмма затухающих колебаний и на фоне части осциллограммы, которая не изменяется при возникновении в.з., общее изменение является таковым, что требует сравнения результата с образцовой осциллограммой. В заявляемом устройстве, за счет повышения чувствительности на возникновение в.з., обработка результата выполняется аппаратно, а не визуально.
Упрощение методики выявления в.з. заключается в оценке результатов контроля по трем индикаторам по принципу «да или нет», что значительно проще визуальной оценки осциллограмм.
Заявляемое устройство иллюстрируется следующими графическими материалами.
Фиг. 1 - схема устройства, где:
1 - генератор
2 - конденсатор
3 - вторая проверяемая обмотка
4 - первая проверяемая обмотка
5 - элемент задержки
6 - формирователь импульса тактирования
7 - вычитатель
8 - сумматор
9 - формирователь импульса управления
10 - первый выпрямитель
11 - первый фильтр нижних частот
12 - первый однопороговый компаратор
13 - второй выпрямитель
14 - второй фильтр нижних частот
15 - второй однопороговый компаратор
16 - логический блок
17 - индикатора цепи
18 - индикатор состояния первой проверяемой обмотки 4
19 - индикатор состояния второй проверяемой обмотки 3
20 - фазочувствительный выпрямитель
21 - третий фильтр нижних частот
22 - двухпороговый компаратор
Фиг. 2 - эпюры напряжений, где:
23 - напряжение на второй обмотке 3 при отсутствии в.з. в этой обмотке
24 - напряжение на второй обмотке 3 при наличии в.з. в ней
25 - импульсы управления с генератора
26 - импульсы управления с выхода элемента задержки 5
27 - импульсы тактирования с выхода формирователя импульса тактирования 6
28 - напряжение с выхода вычитателя 7
29 - импульсы управления с выхода формирователя импульса управления 9
30 - напряжение с выхода фазочувствительного выпрямителя 20 при в.з. в первой обмотке 4
31 - напряжение на выходе третьего фильтра нижних частот 21 при в.з. в первой обмотке 4
32 - напряжение на выходе сумматора 8 при в.з. во второй обмотке 3
33 - напряжение на выходе фазочувствительного выпрямителя 20 при в.з. во второй обмотке 3
34 - напряжение на выходе третьего фильтра нижних частот 21 при в.з. во второй обмотке 3
35, 36 - напряжение на выходе фазочувствительного выпрямителя 20 при отсутствии в.з. в обмотках - уровни разбаланса индуктивностей первой и второй обмоток
37 - напряжение на верхнем выходе двухпорогового компаратора 22 при в.з. в первой обмотке 4 или на нижнем выходе при в.з. во второй обмотке 3
38 - напряжение на верхнем выходе двухпорогового компаратора 22 при в.з. во второй обмотке 3 или на нижнем выходе при в.з. в первой обмотке 4
Фиг. 3 - пример практической реализации генератора 1, где:
39 - источник постоянного напряжения
40 - формирователь импульсов управления
41 - электронный ключ
42 - выпрямительный диод
Фиг. 4 - пример практической реализации логического блока 16, где:
43, 47, 56, 59 - входные выпрямительные диоды
44, 48, 57, 60 - резисторы входов
46, 55, 67 - резисторы выходов
45 - логический элемент 1И
49, 50, 61 - логические элементы НЕ
51 - логический элемент 3И-НЕ
52, 54, 64, 66 - логические элементы 2И
53, 65 - логические элементы 2-ИЛИ
58, 62, 63 - логические элементы 3И
а, b, с, d - логические входные сигналы
Y1, Y2, Y3 - логические выходные сигналы
Фиг. 5 - таблица логических состояний логического блока 16, где:
0 - логический нуль
1 - логическая единица
х - любое состояние
Фиг. 6 - пример практической реализации фазочувствительного выпрямителя 20, где:
68, 69, 70, 71, 74, 75, 76, 77, 78 - резисторы
72, 80 - операционные усилители
73 - выпрямительный диод
79 - электронный ключ
+U - положительное постоянное напряжение
Фиг. 7 - пример практической реализации двухпорогового компаратора 22, где:
81, 82, 83, 84 - резисторы
85, 86 - операционные усилители
+U - положительное постоянное напряжение
-U - отрицательное постоянное напряжение
Генератор 1 формирует импульсы напряжения, которые вызывают затухающие колебания в контуре конденсатор 2 - индуктивность последовательных обмоток второй 3 и первой 4. Напряжение на выводах этих обмоток относительно общей точки близки по амплитуде, но противоположны по фазе.
Одновременно выходной импульс с генератора задерживается в элементе задержки 5 на время большее времени затухания колебаний в обмотке с в.з. и формирователем импульса тактирования 6 формируется тактовый импульс для открывания вычитателя 7 и сумматора 8.
Разность напряжений на выходе вычитателя не изменяет своей фазы при наличии или отсутствии в.з. в любой обмотке и поэтому формирователем импульса управления 9 из разности напряжения реформируются импульсы управления.
С любой проверяемой обмотки напряжение через первый выпрямитель 10, первый фильтр нижних частот 11, первый однопороговый компаратор 12 поступает на первый вход, а импульсы управления через второй выпрямитель 13, второй фильтр нижних частот 14, второй однопороговый компаратор 15 поступают на второй вход логического блока 16.
Три выхода логического блока подключены на три индикатора - индикатор цепи 17, индикатор состояния первой проверяемой обмотки 18, индикатор состояния второй проверяемой обмотки 19.
Сумма напряжений с выхода сумматора изменяет свою фазу в зависимости от в.з. в первой или второй обмотке. Поэтому после фазочувствительного выпрямителя 20 и фильтрации третьим фильтром нижних частот 21 формируется положительное напряжение (в.з. в обмотке 4), или отрицательное напряжение (в.з. в обмотке 3), или нулевое напряжение (отсутствие в.з.). Это напряжение через двухпороговый компаратор 22 поступает на третий и четвертый входы логического блока.
Устройство работает следующим образом.
Генератор 1 формирует короткие импульсы напряжения. В качестве примера на фиг. 3 показана возможная схема реализации генератора. Когда с формирователя импульсов 40 поступает импульс 25, то электронный ключ 41 открывается и замыкает цепь от источника постоянного напряжения 39 на последовательно соединенные проверяемые обмотки или на две одинаковые части якорной обмотки 3 и 4. Ток в обмотках линейно нарастает и, следовательно, линейно накапливается энергия в обмотках. Когда импульс управления снимается, электронный ключ 41 закрывается и энергия в обмотках формирует затухающие колебания. Выпрямительный диод 42 вместе с электронным ключом 41 надежно отключают обмотки от источника постоянного напряжения 39 и поэтому при отсутствии в.з. напряжение на обмотке 3 будет иметь вид 23 (слабое затухание), а при наличии в.з. - вид 24 (сильное затухание).
Напряжение на обмотке 4 при наличии или отсутствии в.з. будет иметь аналогичный вид 23 или 24 соответственно, но в противофазе. Таким образом, на выводах обмоток 3 и 4 напряжения будут в противофазе, а длительность затуханий зависит от наличия или отсутствия в.з. в этих обмотках.
Импульс управления 25 с выхода генератора (или как в примере на фиг. 2 с выхода формирователя импульсов управления, что не существенно) сдвигается элементом задержки 5 на время большее времени затухания колебаний 24 в обмотке с в.з. и имеет вид 26. Элемент задержки 5 и формирователь импульса тактирования 6 могут быть выполнены по любой из известных схем, например, на базе одновибраторов на логических элементах.
Перепадом импульса 26 запускается формирователь импульса тактирования 27, вершина которого должна заканчиваться после завершения затухающих колебаний 23 в обмотке без в.з.. На время действия импульса тактирования 27 включаются вычитатель 7 и сумматор 8. Вычитатель и сумматор могут быть выполнены по известным схемам, например, на операционных усилителях.
На выходе вычитателя напряжение будет иметь вид 28 и фаза этого напряжения не зависит от в.з. в обмотках. Поэтому это напряжение используется как управляющее для фазочувствительного выпрямителя 20 после формирования импульсов управления 29 блоком 9, который, например, может быть выполнен на операционном усилителе.
Напряжение на выходе сумматора 8 изменяет свою фазу под влиянием в.з. в обмотках. Если в.з. в обмотке 4, то фаза напряжения будет как в колебаниях 28, если в.з. в обмотке 3, то фаза напряжения - как в колебаниях 32.
Фазочувствительный выпрямитель 20 выпрямляет входное напряжение с учетом его фазы и на выходе фазочувствительного выпрямителя получим напряжение 30 (если в.з. в обмотке 4) или напряжение 33 (если в.з. в обмотке 3). Если нет в.з. в обмотках, то напряжение на выходе будет близкое к нулю (напряжение 35 или 36).
Для пояснения работы фазочувствительного выпрямителя 20 на фиг. 6 показан пример его практической реализации. На операционном усилителе 72 реализован компаратор с опорным напряжением, сформированным делителем на резисторах 69, 70 и усилением на резисторах 68, 71. Импульсы управления 29 инвертируются компаратором и двухполярное выходное напряжение поступает через выпрямительный диод 73 (отрицательное для закрывания) или через резистор 74 (положительное для открывания) на вход электронного ключа 79 с резистором смещения 78.
Когда электронный ключ закрыт, то усилитель на элементах 75, 76, 77, 80 работает повторителем, а когда электронный ключ открыт, то - инвертором. Таким образом, при изменении фазы входного напряжения на 180° выходное напряжение фазочувствительного выпрямителя изменяет величину выходного напряжения на противоположное.
Третий фильтр нижних частот 21 (выполненный, например, на R-C элементах) сглаживает пульсации после выпрямления - напряжение 31 (если в.з. в обмотке 4), напряжение 34 (если в.з. в обмотке 3). Двухпортовый компаратор 22 формирует двухполярное напряжение на каждом выходе как показано на 37, 38.
На фиг. 7 представлена схема практической реализации двухпорогового компаратора. Первый порог (положительный) сформирован резистивным делителем 81, 82 и подается на инвертирующий вход операционного усилителя 85. Второй порог (отрицательный) организован резистивным делителем 84, 83 и подается на неинвертирующий вход операционного усилителя 86.
Когда входное напряжение близко к нулю (меньше пороговых), то на выходах операционных усилителей будут отрицательные напряжения (нет в.з. в обмотках).
Когда входное напряжение положительное (больше опорного), то на выходе операционного усилителя 85 будет положительное напряжение, а на выходе операционного усилителя 86 - отрицательное напряжение (в.з. в обмотке 4).
Когда входное напряжение отрицательное (по модулю больше опорного), то на выходе операционного усилителя 85 будет отрицательное напряжение, а на выходе операционного усилителя 86 - положительное напряжение (в.з. в обмотке 3).
Каждый выход двухпорового компаратора имеет вид 37, 38 и подключается на третий и четвертый входы логического блока 16.
Для идентификации наличии состояния цепи (когда проверяемые обмотки 3 и 4 подключены к устройству) напряжение с любой из обмоток, например, с обмотки 3 подается через первый выпрямитель 10, первый фильтр нижних частот 11 (аналогичный второму фильтру нижних частот) и однопороговый компаратор 12 на первый вход логического блока 16.
Для возможности идентификации состояний отсутствия в.з. в обмотках и наличия замыканий в обеих обмотках сигнал управления 29 через второй выпрямитель 13, второй фильтр нижних частот 14 и второй однопороговый компаратор подается на второй вход логического блока 16.
Пример структурной схемы логического блока 16 представлен на фиг. 4. Все 4 входа за счет выпрямительных диодов 43, 47, 56, 59 и резисторов 44, 48, 57, 60 пропускают только положительные напряжения с выходов компараторов, а отрицательные напряжения не пропускаются и выполняют роль логических нулей.
Следовательно, любой входной сигнал (а, b, с, d) равен логической единице (лог. 1), если напряжение на входе логического блока 16 положительное и равен логическому нулю (лог. 0), если - отрицательное.
Три логических выхода с логического блока 16 (Y1, Y2, Y3) также находятся в состоянии или логической единицы (индикатор светится), или логического нуля (индикатор не светится).
В таблице на фиг. 5 представлена таблица соответствия логических выходов состояниям логических входов - требуемый алгоритм работы логического блока 16.
На примере структурной схемы реализации алгоритма работы логического блока он реализуется следующим образом.
Когда нет цепи (проверяемые обмотки отключены от устройства), то входной сигнал а=0 (лог. нуль), а значит, как это следует из схемы логического блока, на выходах также будут логические нули - Y1=0, Y2=0, Y3=0, а индикаторы не светятся.
Если есть в.з. в обеих обмотках, то на выходах будет - а=1, b=0, с=0, d=0. Тогда логические элементы 49, 50, 61, 63 обеспечивают на выходе элемента 63 лог. 1 и поэтому на выходах элементов будут также лог. 1, а так как а=1, то логические элементы 54, 56 повторяют эти логические единицы на выходы Y2 и Y3. Значит все три индикатора будут светиться. Резисторы 46, 55, 67 ограничивают токи индикаторов.
Если нет в.з., то на входах будет - а=1, b=1, с=0, d=0. Тогда на выходе логического элемента 51 будет лог. 0, который устанавливает выходы логических элементов 52 и 64 в лог. 0, а значит на выходах будет - Y2=0, Y3=0, Y1=1 (есть цепь, но нет в.з. в обмотках).
Если есть в.з. в обмотке 4 или в обмотке 3, то на выходе логического элемента 58 или 62 будет лог. 1, а значит лог. 1 будет на выходе Y2 или Y3 при Y=l (есть цепь и есть в.з. в обмотке 4 или обмотке 3).
Если устройство разрабатывается на базе микроконтроллера, то требуемый алгоритм работы логического блока 16 реализуется программным способом без логических элементов. Кроме того, большая часть блоков на фиг. 1, например, генератор 1 (кроме электронного ключа), элемент задержки 5, формирователь импульса тактирования 6, сумматор 8, вычитатель 7, формирователь импульса управления 9, компараторы 12 и 15 также могут быть реализованы программным способом. Но алгоритм программ будет описываться на базе схемы устройства, представленной на фиг. 1.
Таким образом, практическая реализация устройства возможна как с использованием дискретных элементов, так и на базе микроконтроллера.