МИКРОКОНТРОЛЛЕРНОЕ УСТРОЙСТВО ДИАГНОСТИКИ МЕЖВИТКОВОЙ ИЗОЛЯЦИИ ОБМОТКИ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ ПО ЭДС САМОИНДУКЦИИ

Область техники, к которой относится полезная модель
Полезная модель относится к области электроизмерительной техники, в частности к устройствам для контроля качества изоляции, характеризуемого ее пробивным напряжением, и может быть использована в средствах для диагностики состояния межвитковой изоляции обмотки асинхронного двигателя или трансформатора.
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 устройство для измерения емкости и диэлектрических потерь конденсаторного датчика (патент RU 2258232, МПК G01R 27/26), содержащее микроконтроллер, индикатор, два генератора, времязадающие RC-цепи генераторов. В качестве одного емкостного элемента применен конденсаторный датчик, между обкладками которого находится изоляционный материал. Микроконтроллер в определенной последовательности с помощью управляемых ключей подключает известные по сопротивлению резисторы времязадающих RC-цепей, измеряет постоянную времени RC-цепей и рассчитывает сопротивление изоляционного материала, значение которого выводит на индикатор.
Недостатком данного устройства является ограниченные функциональные возможности, устройство не позволяет контролировать состояние межвитковой изоляции индуктивностей.
Известно микроконтроллерное устройство для диагностики изоляции обмотки асинхронного двигателя (патент RU 2428707 С1, МПК G01R 31/06, 21.04.2010) содержащее микроконтроллер, делитель напряжения, управляемый источник опорного напряжения, управляемый ключ, индикатор, источник постоянного напряжения и индуктивность (обмотка асинхронного двигателя), при этом первый вывод источника постоянного напряжения подключен к первому выводу индуктивности, второй вывод которой подключен к первому выводу ключа, вывод управления которого подключен к микроконтроллеру, вход управления источника опорного напряжения подключен к выходу широтно-импульсного модулятора микроконтроллера, выход источника опорного напряжения подключен к первому входу аналогового компаратора микроконтроллера, ко второму входу аналогового компаратора микроконтроллера подключен средний вывод делителя напряжения, первый крайний вывод делителя напряжения подключен ко второму выводу индуктивности, второй крайний вывод делителя напряжения подключен ко вторым выводам ключа и источника постоянного напряжения, индикатор подключен к микроконтроллеру.
Недостатком данного устройства являются ограниченные функциональные возможности и низкая точность диагностики изоляции обмотки асинхронного двигателя.
Наиболее близким аналогом - прототипом к заявляемому техническому решению является микроконтроллерное устройство диагностики межвитковой изоляции обмотки электродвигателя по ЭДС самоиндукции (патент RU 2498327 С1, МПК G01R 27/26, 03.05.2012) содержащее микроконтроллер, делитель напряжения, два RC-фильтра, управляемый ключ, индикатор, управляемый источник тока, диагностируемую обмотку электродвигателя, при этом: к выходу первого широтно-импульсного модулятора (ШИМ) микроконтроллера подключен вход первого RC-фильтра, выход которого подключен к первому входу аналогового компаратора микроконтроллера; крайние выводы делителя напряжения подключены к выводам ключа; средний вывод делителя напряжения подключен ко второму входу аналогового компаратора микроконтроллера; первый вывод ключа подключен к первому выводу диагностируемой обмотки; вход управления ключом подключен к цифровому выходу микроконтроллера; индикатор подключен к выходу соответствующего порта микроконтроллера; выход второго ШИМ микроконтроллера подключен ко входу второго RC-фильтра, выход которого подключен к входу управления источника тока, первая клемма которого подключена ко второму выводу ключа, а вторая клемма подключена ко второму выводу диагностируемой обмотки.
Используемый в данном устройстве первый RC-фильтр и первый ШИМ микроконтроллера выполняют функции источника опорного напряжения (ИОН) аналогового компаратора микроконтроллера. При этом в силу влияния первого ШИМ микроконтроллера (AVR131: Using the AVR's Highspeed PWM. Режим доступа: http://www.gaw.ru/pdf/Atmel/app/avr/AVR131.pdf), формируемое на выходе первого RC-фильтра напряжение характеризуется повышенным уровнем шума.
В таблице 1 представлены результаты моделирования процесса формирования опорного напряжения с учетом использования 8 разрядного ШИМ микроконтроллера с частотой 62,5 кГц, амплитудой 5 В и ФНЧ на базе первого RC-фильтра: R=10 кОм; С=100 нФ.
Как следует из данных таблицы 1, нелинейность опорного напряжения подаваемого на первый вход аналогового компаратора микроконтроллера составляет порядка ±1,5 младшего значащего разряда (МЗР) кода счетчика ШИМ микроконтроллера.
В то же время, для нормального функционирования ИОН, на базе первого RC-фильтра и первого ШИМ микроконтроллера, 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 / СМ. Рюмик - М.: Издательский дом «Додека-ХХ1», 2010. - 356 с, стр. 39.), а, значит, приводит к увеличению погрешности диагностики изоляции обмотки асинхронного двигателя.
Недостатком устройства прототипа является низкая точность диагностики межвитковой изоляции обмотки электродвигателя по ЭДС самоиндукции.
Раскрытие полезной модели
Технический результат, который может быть достигнут с помощью предлагаемой полезной модели, сводится к повышению точности диагностики межвитковой изоляции обмотки электродвигателя по ЭДС самоиндукции.
Технический результат достигается тем, что в микроконтроллерное устройство диагностики межвитковой изоляции обмотки электродвигателя по ЭДС самоиндукции, содержащее микроконтроллер, делитель напряжения, управляемый ключ, индикатор, RC-фильтр, диагностируемую обмотку электродвигателя, управляемый источник тока, второй вывод которого подключен ко второму выводу диагностируемой обмотки электродвигателя, а первый вывод управляемого источника тока подключен ко второму выводу управляемого ключа и второму крайнему выводу делителя напряжения, первый крайний вывод которого подключен к первым выводам диагностируемой обмотки электродвигателя и управляемого ключа, вывод управления которого подключен к микроконтроллеру, средний вывод делителя напряжения подключен ко второму входу аналогового компаратора микроконтроллера, индикатор подключен к микроконтроллеру посредством первой группы выходов микроконтроллера (соответствующего порта микроконтроллера), выход ШИМ микроконтроллера подключен ко входу RC-фильтра, выход которого подключен к входу управления источника тока, введен цифроаналоговый преобразователь (ЦАП), входы управления которого подключены к регистру данных микроконтроллера (посредством второй группы выходов микроконтроллера), выход цифроаналогового преобразователя подключен к первому входу аналогового компаратора микроконтроллера.
Краткое описание чертежей
На фигуре представлена структурная схема микроконтроллерного устройства для диагностики межвитковой изоляции обмотки электродвигателя по ЭДС самоиндукции.
Осуществление полезной модели
Микроконтроллерное устройство для диагностики межвитковой изоляции обмотки электродвигателя по ЭДС самоиндукции содержит (фигура) микроконтроллер 1, делитель напряжения 2, цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 3, управляемый ключ 4, индикатор 5, RC-фильтр 6, управляемый источник тока 7, диагностируемую обмотку 8 электродвигателя.
Второй вывод управляемого источника тока 7 подключен ко второму выводу диагностируемой обмотки 8 электродвигателя, а первый вывод управляемого источника тока 7 подключен ко второму выводу управляемого ключа 4 и второму крайнему выводу делителя напряжения 2, первый крайний вывод которого подключен к первым выводам диагностируемой обмотки 8 электродвигателя и управляемого ключа 4, вывод управления которого подключен к микроконтроллеру 1, средний вывод делителя напряжения 4 подключен ко второму входу аналогового компаратора (на фиг. не показан) микроконтроллера 1, индикатор 5 подключен к микроконтроллеру 1, по средством первой группы выходов микроконтроллера 1, входы управления ЦАП 3 подключены к регистру данных микроконтроллера 1 (на фиг. не показан) по средством второй группы выходов микроконтроллера 1, выход ЦАП 3 подключен к первому входу аналогового компаратора (на фиг. не показан) микроконтроллера 1, выход ШИМ микроконтроллера 1 подключен ко входу RC-фильтра 6, выход которого подключен к входу управления источника тока 7.
Микроконтроллерное устройство для диагностики изоляции обмотки асинхронного двигателя работает следующим образом.
Микроконтроллер 1 устанавливает на выходе ЦАП 3 заданный уровень опорного напряжения в соответствии с кодом, поступающим с регистра данных микроконтроллера 1 на управляющие входы ЦАП 3 посредством второй группы выходов микроконтроллера 1.
Микроконтроллер 1 замыкает ключ 4 и с помощью ШИМ, и RC-фильтра 6, формирует на входе управления источником тока 7 значение напряжения, которое обеспечивает на выходе управляемого источника тока 7 заданный ток через диагностируемую обмотку 8 электродвигателя.
В результате замыкания ключа 4, по цепи: первый вывод источника тока 7, диагностируемая обмотка 8 электродвигателя, ключ 4, второй вывод источника тока 7 протекает установившийся ток (ток разрыва).
Затем микроконтроллер 1 размыкает ключ 4, на выводах диагностируемой обмотки 8 электродвигателя 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. При отсутствии в межвитковой изоляции дефектов, значение ЭДС самоиндукции будет максимальным. Если, изоляция содержит дефекты, а также обладает малым комплексным сопротивлением, вследствие высокой степени ее увлажнения и износа, то часть энергии запасенной в диагностируемой обмотке 8 электродвигателя после размыкания ключа 4 преобразуется в тепло на межвитковых дефектах изоляции. В этом случае амплитуда ЭДС самоиндукции будет ниже определенного значения 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, которое выводит на цифровой индикатор 5 посредством первой группы выходов микроконтроллера 1. По значению амплитуды ЭДС самоиндукции и тока разрыва производится оценка состояния изоляции.
Для объективной оценки состояния изоляции необходимо иметь экспериментальные данные прошлого опыта, т.е. зависимости ЭДС самоиндукции от состояния изоляции. Состояние изоляции, характеризуемое ее сопротивлением и пробивным напряжением, может быть определено либо теоретическими методами, либо экспериментально с помощью других методов и средств, предназначенных для проведения соответствующих видов испытаний.
В сравнении с прототипом, разработанное устройство обеспечивает более высокую точность формирования опорного напряжения. В частности, в случае использования, в качестве ЦАП 3, 8 разрядного ЦАП (например, TLV5623 (Микросхемы АЦП и ЦАП-М.: Издательский дом «Додека-ХХ1», 2005. - 432 с, стр. 351) характеризуемого нелинейностью 0,5 МЗР)), выигрыш в точности установления опорного напряжения достигает 3.
Кроме того, в отличие от прототипа, для установления выходного напряжения ЦАП 3 достаточно однократного введения кода из регистра данных микроконтроллера 1 в ЦАП 3 за цикл измерения, а точнее в начальный интервал времени предшествующий собственно измерению (моменту сравнения входных сигналов аналогового компаратора микроконтроллера 1). Благодаря чему, на этапе измерения интенсивность функционирования цифровой части микроконтроллера 1, а значит и амплитуда скачков потребления тока цифровой частью микроконтроллера 1 будет снижена. Что в свою очередь приводит к повышению чувствительности аналогового компаратора микроконтроллера 1, в силу снижения уровня помех в цепи питания аналоговой части микроконтроллера 1 (Рюмик С.М. 1000 и одна микроконтроллерная схема. Вып.1 / С.М. Рюмик - М.: Издательский дом «Додека-ХХ1», 2010. - 356 с, стр. 39.), а значит приводит к повышению точности оценки значения амплитуды ЭДС самоиндукции.
В силу указанных причин, разработанное устройство, в сравнении с прототипом, характеризуется более высокой точностью диагностики межвитковой изоляции обмотки электродвигателя по ЭДС самоиндукции.