СПОСОБ РАННЕГО ОБНАРУЖЕНИЯ МЕЖВИТКОВОГО ЗАМЫКАНИЯ В ОБМОТКАХ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАШИНЫ
METHOD FOR EARLY DETECTION OF AN INTER-TURN SHORT CIRCUIT IN THE WINDINGS OF AN ELECTRIC MACHINE

Изобретение относится к электротехнике и предназначено для выявления межвитковых и иных повреждений в обмотках статора электрической машины электропривода переменного тока во время его работы. Технический результат изобретения заключается в диагностировании межвитковых и иных повреждений в обмотке статора электропривода переменного тока на ранней стадии развития и предотвращения возникновения последующих аварийных ситуации, как в самой электрической машине, так и в управляющем ею электрическом преобразователе. Предложенный способ распространяется на нерегулируемый и регулируемый электроприводы переменного тока с любыми электрическими машинами переменного тока, работающими в полнофазном режиме, чьи обмотки соединены по наиболее распространенной схеме соединения - «звездой».
Известен способ диагностики межвитковых замыканий асинхронного электродвигателя по патенту RU 2529596 C1, МПК G01R 31/06, дата приоритета 11.03.2013, заявка № 2013110594, при котором измеряют амплитуды фазных напряжений на выбеге и периоды колебания этих напряжений. Впоследствии полученные значения сравниваются со значениями, записанными ранее, на исправном электродвигателе. По выходу измеренных величин из допустимого диапазона, обусловленного погрешностью измерений, и допустимым отклонением измеряемых параметров от начальных значений судят о наличии межвитковых повреждений.
Недостатком известного способа является необходимость получения эталонных характеристик исправного электродвигателя. К недостаткам способа также следует отнести необходимость периодически проводимого тестового пуска и остановки электропривода на выбеге, что не всегда представляется возможным реализовать в эксплуатируемом электроприводе при его работе на исполнительный механизм.
Известен способ диагностики межвитковых замыканий асинхронного электродвигателя по патенту RU 2537518 C2, МПК G01R 31/06, дата приоритета 11.03.2013, заявка № 2013110600, заключающийся в измерении на отключенном от питающей сети электродвигателе тока через две последовательно соединенные обмотки и конденсатор постоянной емкости при подключении их к источнику напряжения повышенной частоты. Замер производится при всех возможных сочетаниях обмоток. По результатам измерений делается вывод о наличии межвитковых замыканий. Технический результат известного способа заключается в возможности диагностирования межвитковых повреждений на ранней стадии их развития.
Недостатком известного способа является необходимость отключения контролируемой электрической машины от питающей сети и невозможность диагностики при ее работе. Кроме того, способ требует сложного источника напряжения повышенной частоты и большого количества коммутационных элементов для автоматизированной идентификации состояния обмоток контролируемой электрической машины.
Известен способ защиты асинхронного двигателя от витковых замыканий, патент RU 2297704 C1, МПК H02H 7/08, дата приоритета 28.07.2005, заявка № 2005124090, при котором измеряют мгновенные значения токов и напряжений на зажимах электродвигателя и осуществляют их сравнение с зарегистрированными значениями при измеренном значении скольжения. По сути известный способ заключается в сравнении полученных значений переменных состояния электрической машины с допустимыми значениями, определенными ранее. Если измеренные значения выходят за пределы допустимых, то формируют сигнал на отключение электродвигателя. Технический результат известного способа заключается в повышении селективности и быстродействия защиты. Кроме того, известный способ не требует необходимости создания режима работы электрической машины при остановке на выбеге.
Недостатком известного способа является необходимость получения эталонных характеристик исправного электродвигателя и их сравнения с полученными текущими переменными состояния контролируемой электрической машины. Кроме того, недостатком известного способа, основанного на измерении токов электродвигателя, является низкая чувствительность к межвитковым замыканиям, т.к. они не вызывают ощутимых изменений потребляемых электродвигателем токов.
Известен способ функциональной диагностики асинхронных электродвигателей, патент RU 2351048 C1, МПК H02H 7/08, G01R 31/34, дата приоритета 09.01.2008, заявка № 2008100656, при котором контролируются две величины - сопротивление изоляции обмоток статора относительно корпуса контролируемой электрической машины и отношение полных сопротивлении обмоток для каждой пары. Контролируемые величины определяются косвенным путем при помощи действующего значения тока утечки с обмоток на корпус электродвигателя и действующих значении токов и напряжении на обмотках статора электродвигателя. При этом при контроле полных сопротивлении обмоток для каждой пары происходит оценка не фактического значения полного сопротивления обмотки, а попарное сравнение полных сопротивлении обмоток статора электродвигателя относительно друг друга, то есть производится оценка не симметрии обмоток. Технический результат известного способа заключается в повышении надежности и улучшения качества защиты за счет своевременной диагностики обмоток статора с выявлением коротких замыканий в обмотках и контроля снижения сопротивления изоляции обмоток относительно корпуса асинхронного электродвигателя.
Недостатком способа является возможность его использования только в электрических сетях с глухозаземленной нейтралью. К недостаткам также следует отнести необходимостью установки большого количества датчиков тока и напряжения, множества входных и функциональных блоков, требуемых для его реализации. Кроме того, известный способ не позволяет осуществлять функциональную диагностику асинхронных электродвигателей при его использовании в составе частотно-регулируемого привода.
Наиболее близким по технической сущности и назначению к заявляемому способу является выбранный в качестве прототипа способ раннего обнаружения межвиткового замыкания в обмотке работающей электрической машины по патенту RU 2687987 C2, МПК G01R 31/06, дата приоритета 11.05.2016, заявка № 2016118352, при котором непрерывно измеряют и регистрируют токи и напряжения фаз обмотки статора электрической машины, находящейся под рабочим напряжением. В результате регистрации и сравнения измеренных параметров определяют поврежденную фазу по отличию параметров ее переходного процесса от параметров переходного процесса исправных фаз. Технический результат известного изобретения заключается в получении диагностических показателей по обнаружению зарождающегося межвиткового замыкания электрической машины, находящейся под рабочим напряжением без изменения режима ее работы. Достоинством известного способа является идентификация межвиткового замыкания электрической машины при ее непосредственной работе.
Недостатком изобретения является большое количество и избыточность датчиков тока и напряжения. Кроме того, способ предусматривает использование сложного математического аппарата при обработке параметров переходного процесса для определения зарождающегося межвиткового замыкания в электрической машине. Недостатком прототипа также является невозможность его практического использования для эксплуатационного контроля, т.к. сопротивление статорной обмотки изменяется нелинейно в зависимости от нагрузки, параметров окружающей среды и условий эксплуатации. Поэтому способ может быть использован преимущественно для проведения лабораторных исследований в идеальных условиях работы асинхронного электродвигателя.
Предлагаемое изобретение позволяет упростить способ раннего обнаружения межвиткового замыкания в обмотке электрической машины. Техническим результатом изобретения является создание эффективного и простого способа непрерывного диагностирования симметрий электрической нагрузки - параметров фазных обмоток электрической машины переменного тока друг относительно друга и как следствие осуществления косвенной оценки их состояния.
Для решения указанной проблемы используется следующая совокупность существенных признаков: в способе раннего обнаружения межвиткового замыкания в обмотке электрической машины, включающем, как и прототип, непрерывное измерение и регистрацию величины напряжения одной фазы обмотки статора электрической машины, находящейся под рабочим напряжением в любом эксплуатационном режиме, в отличие от прототипа производят дополнительное измерение и регистрацию величины линейного напряжения, приложенного к обмоткам статора электрической машины, напрямую электрически связанного с фазой измеренного фазного напряжения, производят математическую обработку измеренных напряжении с выделением параметров амплитуды и фазы первой гармоники данных напряжении, по которым судят о смещении нулевой точки фазных напряжении и электрической нагрузки - обмоток электрической машины, при этом по величине смещения нулевой точки фазных напряжений судят о величине не симметрий нагрузки по фазам электрической машины, по которой идентифицируют межвитковое замыкание либо иные дефекты в обмотке электрической машины.
Сущность способа заключается в том, что на основе измеренных фазного и линейного напряжения производят их математическую обработку с выделением параметров амплитуды и фазы первой гармоники, по параметрам которых судят о смещении нулевой точки электрической нагрузки - обмоток электрической машины. Это, в свою очередь, свидетельствует о не симметрий нагрузки по фазам электрической машины, по которой можно идентифицировать межвитковое замыкание. Способ может быть использован как при штатной работе электропривода, так и перед его запуском подачей тестового переменного напряжения с действующим значением напряжения, недостаточным для запуска электрической машины. Заявляемое техническое решение позволит осуществлять отслеживание динамики изменения полных сопротивлении обмоток электрической машины относительно друг друга и прогнозировать дальнейшее их изменение (не симметрию нагрузки) и предсказывать возникновение аварийной ситуации, связанной с межвитковым замыканием в одной из обмоток.
Способ может быть реализован таким образом, что информацию о величине линейных напряжений, приложенных к обмоткам статора, получают от электрического преобразователя, который синтезирует эти напряжения. По сравнению с прототипом способ более прост в выполнении, т.к. использует простую аппаратную часть, содержащую всего два датчика напряжения и устройство обработки информации с датчиков напряжения.
Сопоставление предлагаемого сооружения и прототипа показало, что поставленная задача - упрощение способа раннего обнаружения межвиткового замыкания в обмотке работающей электрической машины - решается в результате новой совокупности признаков, что доказывает соответствие предлагаемого изобретения критерию патентоспособности «новизна».
В свою очередь, проведенный информационный поиск в области электротехники не выявил решений, содержащих отдельные отличительные признаки заявляемого изобретения, что позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемого способа критерию «изобретательский уровень».
Сущность изобретения поясняется чертежами, где
на Фиг. 1 представлена базовая схема электропривода переменного тока с датчиками напряжения и устройством обработки сигналов для реализации предложенного способа,
на Фиг. 2 - схема замещения электрической машины переменного тока с датчиками напряжения и устройством обработки сигналов для реализации предложенного способа,
на Фиг. 3 - топографическая векторная диаграмма линейных и фазных напряжении при симметричной нагрузке,
на Фиг. 4 - топографическая векторная диаграмма линейных и фазных напряжении с наблюдаемыми переменными изображенными сплошными линиями и математически определяемыми переменными изображенными пунктирными линиями,
на Фиг. 5 - топографические векторные диаграммы: при межвитковых замыканиях обмотки фазы U (Фиг. 5А); при межвитковых замыканиях обмотки фазы V (Фиг. 5Б); при межвитковых замыканиях обмотки фазы W (Фиг. 5В),
на Фиг. 6 - схема частотно регулируемого электропривода переменного тока только с датчиком фазного напряжения и устройством обработки сигналов для реализации модификации предложенного способа, использующего информацию о величине линейных напряжении приложенных к обмоткам статора получаемую от электрического преобразователя, который синтезирует эти напряжения.
Способ осуществляют следующим образом. У электрической машины переменного тока 1 (Фиг. 1), находящейся под напряжением от источника переменного трехфазного симметричного напряжения, например, в более общем случае синтезируемом инвертором напряжения 2 преобразователя частоты 3, непрерывно с применением датчиков фазного 4 и линейного 5 напряжений регистрируют и производят математическую обработку данных сигналов в устройстве обработке сигналов 6. В случае обнаружения не симметрий нагрузки, в качестве которой выступают фазные обмотки электрической машины, устройство обработки сигналов 6 передает данную информацию в систему управления 7 преобразователем частоты 3, который должен осуществить аварийную остановку электрической машины переменного тока 1.
Пример реализации способа обнаружения межвиткового и иных неисправностей в обмотках электрической машины переменного тока.
эк
эк
UV
VW
WU
U
V
W
Схема замещения электрической машины переменного тока 1, представленная на Фиг. 2, может быть выполнена в виде схемы, используемой в способе защиты асинхронного двигателя от витковых замыканий, патент RU 2297704 C1, МПК H02H 7/08, дата приоритета 28.07.2005, заявка № 2005124090. Схема состоит из последовательно соединенных эквивалентных активного сопротивления R и индуктивности L двигателя. При исправных обмотках электрической машины переменного тока трехфазная нагрузка, в роли которой выступают фазные обмотки электрической машины 1, является симметричной. Под симметричной нагрузкой при этом понимается такая нагрузка, при которой полные сопротивления и углы сдвига фаз между напряжением и током всех ее фаз одинаковы. При этом линейные напряжения U, U, U, синтезируемые инвертором напряжения 2 преобразователя частоты 3, определяются топографической векторной диаграммой, изображенной на Фиг. 3. При симметричной нагрузке фазные напряжения U, U, U также симметричны (равны по амплитуде и сдвинуты друг относительно друга на угол 120°).
V
VW
UV
VW
WU
Согласно представленной топографической векторной диаграммы, изображенной на Фиг. 4, видно, что, измеряя фазное (U) и линейное напряжение (U), а также при условии, что инвертор напряжения 2 преобразователя частоты 3 синтезирует симметричную систему линейных напряжений U, U, U, можно определять фазные напряжения  и  , а также смещение «0» точки. Наблюдаемые переменные на Фиг. 4 изображены сплошными линиями, математически определяемые переменные - пунктирными линиями.
эк
эк
Неисправности и аварийные ситуации в обмотках электрических машин, как правило, вызваны ненадлежащим качеством изготовления, несоблюдением технологии изготовления, механическим разрушением либо тепловым воздействием, а также несоблюдением условии эксплуатации и хранения. Обычно это приводит к возникновению треков (проводящих дорожек) с последующим образованием замыканий на корпус либо межвитковых замыканий в обмотках электрической машины. В результате межвитковых замыканий в поврежденной обмотке эквивалентное активное сопротивление Rи эквивалентная индуктивность L будут снижаться по отношению к этим параметрам в исправных обмотках. При этом маловероятным считается неисправность и аварийная ситуация, при которой происходит одновременное межфазное замыкание обмоток всех фаз.
В случае межвиткового или иных неисправностей в обмотке электрической машины переменного тока нагрузка для преобразователя частоты 3 становится не симметричной что приведет к смещению «0» точки и идентификации такого смещения в устройстве обработки сигналов 6. Устройство обработки сигналов 6 в случае идентификации не симметричности нагрузки передаст данную информацию в систему управления 7 преобразователем частоты 3, который должен осуществить аварийную остановку электрической машины переменного тока 1.
Таким образом, предложенный способ основан на контроле симметричности нагрузки - отслеживании полных сопротивлении фазных обмоток электрической машины косвенным способом посредством измерения линейного и фазного напряжения.
из
На Фиг. 5 представлены топографические векторные диаграммы: при межвитковых замыканиях обмотки фазы U (Фиг. 5А); при межвитковых замыканиях обмотки фазы V (Фиг. 5Б); при межвитковых замыканиях обмотки фазы W (Фиг. 5В). Согласно представленным топографическим векторным диаграммам (Фиг. 5) нулевая точка «0» текущей нагрузки смещена относительно нулевой точки «0» при симметричной нагрузке.
По величине данного смещения можно судить о фазе, в которой произошло межвитковое замыкание, а по величине фазных напряжении можно судить о том, какое количество витков подверглось замыканию. По соотношению измеренного или полученного фазного напряжения (индуктивности витков) обмотки, подвергшейся замыканию, к фазному напряжению (индуктивности витков) неповрежденных фаз судят о доле короткозамкнутых витков. Следует отметить, что в крупных электрических машинах большой мощности, как правило, обмотка содержит небольшое количество витков и, следовательно, в крупных электрических машинах наиболее просто можно будет произвести данную идентификацию.
Кроме межвиткового замыкания в электрической машине 1 предложенный способ позволяет осуществить идентификацию обрыва фазы (при этом фазы линейного и фазного напряжения будут совпадать, либо фазное и линейное напряжение будет равно нулю), внешнего короткого замыкания, а также неисправность инвертора напряжения 2 преобразователя частоты 3 (идентификация не симметрии питающих электрическую машину напряжении).
Кроме того, предложенный способ обнаружения межвиткового замыкания может быть реализован так, что информацию о величине линейных напряжений, приложенных к обмоткам статора, получают от электрического преобразователя, который синтезирует эти напряжения. Схема, реализующая модификацию предложенного способа представлена на Фиг. 6.
Предложенное изобретение обеспечивает возможность непрерывного контроля симметричности нагрузки для обнаружения начального периода образования межвиткового замыкания в фазах работающей электрической машины, и определения доли витков, подвергаемых замыканию между собой, от общего числа витков обмотки фазы. Таким образом, предложенный способ позволяет определить на начальных стадиях неисправность в обмотках электрической машины и предотвратить дальнейшее развитие аварийной ситуации и их полное выгорание.
Изобретение было создано на кафедре «Электропривода и электрооборудования береговых установок» ФГБОУ ВО «Государственный университет морского и речного флота имени адмирала С.О. Макарова» и апробировано на имитационной математической модели. Полученные результаты позволяют сделать вывод о соответствии изобретения критерию «промышленная применимость».