Устройство для измерения емкости диагностики межвитковой изоляции электродвигателя по ЭДС самоиндукции с функцией мегомметра
DEVICE FOR MEASURING THE CAPACITY OF DIAGNOSTICS OF INTER-TURN INSULATION OF AN ELECTRIC MOTOR BY SELF-INDUCTION EMF WITH MEGGER FUNCTION

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к электроизмерительной технике в частности, к устройствам для контроля качества изоляции, характеризуемого ее пробивным напряжением и может быть использовано в средствах для диагностики состояния изоляции обмотки асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором.
Уровень техники
Известно микроконтроллерное устройство для диагностики изоляции обмотки асинхронного двигателя, содержащее источник постоянного напряжения, микроконтроллер, индикатор, ключ, управляемый источник опорного напряжения, делитель напряжения и обмотку электродвигателя, причем индикатор подключен к микроконтроллеру, вывод управления ключом подключен к микроконтроллеру, первый вывод ключа подключен к первой клемме источника постоянного напряжения, вторая клемма источника постоянного напряжения подключена к первому выводу обмотки электродвигателя, второй вывод которой подключен ко второму выводу ключа, вход управления управляемого источника опорного напряжения подключен к широтно-импульсному модулятору (ШИМ) микроконтроллера, крайние выводы делителя напряжения подключены к выводам ключа, средний вывод делителя напряжения подключен к первому входу аналогового компаратора микроконтроллера, ко второму входу которого подключен выход управляемого источника опорного напряжения (см. пат. РФ №2428707, кл. G01R 27/26, опубл. 10.09.2011).
Недостатком данного решения является низкая точность измерения - устройство не имеет образцовой (эталонной) индуктивности для проведения его поверки.
Известно микроконтроллерное устройство диагностики межвитковой изоляции обмотки электродвигателя, содержащее источник постоянного напряжения, микроконтроллер, индикатор, первый управляемый ключ, второй ключ, делитель напряжения, управляемый источник опорного напряжения, диагностируемую обмотку электродвигателя и образцовую индуктивность, причем индикатор подключен к микроконтроллеру, вывод управления первым управляемым ключом подключен к микроконтроллер, первый вывод этого же ключа подключен к первой клемме источника постоянного напряжения, вторая клемма источника постоянного напряжения подключена к первым выводам диагностируемой обмотки электродвигателя и образцовой индуктивности, вход управления управляемого источника опорного напряжения подключен к выходу микроконтроллера, крайние выводы делителя напряжения подключены к выводам первого управляемого ключа и первому выводу второго ключа, второй вывод которого имеет два положения «верхнее» и «нижнее» для подключения вторых выводов диагностируемой обмотки электродвигателя и образцовой индуктивности, средний вывод делителя напряжения подключен ко второму входу аналогового компаратора микроконтроллера, к первому входу которого подключен выход управляемого источника опорного напряжения (см. пат. РФ №2546827, кл. G01R 27/26, опубл. 10.04.2015).
Недостатком известного решения являются ограниченные функциональные возможности: устройство не позволяет измерять сопротивление изоляции между обмотками и между обмоткой и корпусом.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому техническому решению и принятое авторами за прототип является микроконтроллерное устройство диагностики межвитковой изоляции обмотки электродвигателя с функцией мегомметра, содержащее микроконтроллер, делитель напряжения, управляемый источник опорного напряжения, первый управляемый ключ, индикатор, источник постоянного напряжения, диагностируемую обмотку электродвигателя, второй ключ, образцовую индуктивность, полупроводниковый диод и конденсатор. Первый вывод источника постоянного напряжения подключен к первым выводам диагностируемой обмотки электродвигателя и образцовой индуктивности, вторые выводы, последних соединяются со вторым выводом второго ключа, который может находиться либо в «нижнем» положении - подключается диагностируемая обмотка, либо в «верхнем» - подключается образцовая индуктивность и анод полупроводникового диода, катод которого соединен с первой обкладкой конденсатора. Первый вывод второго ключа подключен ко вторым выводам первого управляемого ключа и делителя напряжения. Вывод управления первого управляемого ключа подключен к микроконтроллеру, вход управления источника опорного напряжения подключен в 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 которого соединен с первыми выводами первого управляемого ключа и источника постоянного напряжения, а так же со второй обкладкой конденсатора. Индикатор подключен к выходу соответствующего порта микроконтроллера. Контролируемое сопротивление изоляции подключается к обкладкам конденсатора (на фиг. контролируемое сопротивление не показано) (см. пат. РФ №2589762, кл. G01R 27/26, опубл. 10.07.2016).
Недостатком известного решения являются ограниченные функциональные возможности по причине ограниченной емкости памяти микроконтроллера и вычислительной мощности его процессора, что не позволяет выполнять архивирование результатов измерений, их вывод в форме графиков, сравнение полученных данных с эталонными образцами.
Раскрытие изобретения
Задачей предлагаемого изобретения является разработка устройства диагностики межвитковой изоляции электродвигателя по ЭДС самоиндукции с функцией мегомметра, обладающего расширенными функциональными возможностями за счет организации измерения под управлением компьютера.
Технический результат достигается с помощью устройства диагностики межвитковой изоляции электродвигателя по ЭДС самоиндукции с функцией мегомметра, содержащего источник постоянного напряжения, микроконтроллер, управляемый ключ, ключ, диагностируемую обмотку электродвигателя, образцовую индуктивность, управляемый источник опорного напряжения, делитель напряжения, полупроводниковый диод и конденсатор, вторая клемма источника постоянного напряжения подключена к первым выводам диагностируемой обмотки электродвигателя и образцовой индуктивности, вход управления управляемого источника опорного напряжения подключен к выходу широтно-импульсного модулятора микроконтроллера, первый вывод делителя напряжения подключены ко второму выводу управляемого ключа, второй вывод делителя напряжения подключен к первой клемме источника постоянного напряжения, средний вывод делителя напряжения подключен ко второму входу аналогового компаратора микроконтроллера, к первому входу которого подключен выход управляемого источника опорного напряжения, второй вывод управляемого ключа подключен к первому выводу ключа, второй вывод которого подключен ко второму выводу диагностируемой обмотки электродвигателя, третий вывод ключа подключен ко второму выводу образцовой индуктивности и к аноду полупроводникового диода, катод которого подключен к первой обкладке конденсатора, вторая обкладка которого подключена к первой клемме источника постоянного напряжения и к общему выводу питания микроконтроллера, дополнительно введены преобразователь интерфейсов USART/USB, компьютер, резистивный сумматор токов, клавиатура и датчик тока, причем модуль USART микроконтроллера подключен к преобразователю интерфейсов USART/USB, который подключен к интерфейсу USB компьютера, резистивный сумматор токов входами подключен к первым цифровым выводам микроконтроллера, выход резистивного сумматора токов подключен к входу управления управляемого ключа, клавиатура подключена ко вторым цифровым выводам микроконтроллера, первый вывод управляемого ключа подключен к первому токовому выводу датчика тока, второй токовый вывод которого подключен к первой клемме источника постоянного напряжения, информационный выход датчика тока подключен к входу аналого-цифрового преобразователя микроконтроллера, резистивный сумматор токов выполнен в виде набора резисторов, первые выводы которых являются входами, а вторые выводы соединены в общую точку, которая представляет собой выход, управляемый ключ выполнен на биполярном транзисторе n-p-n структуры, база которого является входом управления управляемого ключа.
Краткое описание чертежей
На фиг. представлена структурная схема устройства диагностики межвитковой изоляции электродвигателя по ЭДС самоиндукции с функцией мегомметра.
Осуществление изобретения
Устройство диагностики межвитковой изоляции электродвигателя по ЭДС самоиндукции с функцией мегомметра содержит микроконтроллер 1, содержащий широтно-импульсный модулятор (ШИМ) (на фиг. не показан), аналоговый компаратор (на фиг. не показан) и аналого-цифровой преобразователь (на фиг. не показан), делитель 2 напряжения, управляемый источник 3 опорного напряжения, управляемый ключ 4, преобразователь 5 интерфейсов USART/USB, источник 6 постоянного напряжения, диагностируемую обмотку 7 электродвигателя, ключ 8, образцовую индуктивность 9, полупроводниковый диод 10, конденсатор 11, компьютер 12, резистивный сумматор 13 токов, клавиатуру 14 и датчик 15 тока. Резистивный сумматор 13 токов выполнен в виде набора резисторов, первые выводы которых являются входами, а вторые выводы соединены в общую точку, которая представляет собой выход, управляемый ключ 4 выполнен на биполярном транзисторе n-p-n структуры.
Второй вывод источника 6 постоянного напряжения подключен к первым выводам диагностируемой обмотки 7 и образцовой индуктивности 9, вторые выводы, последних подключены, соответственно, ко второму «нижнему» и третьему «верхнему» выводам ключа 8, который может находиться либо в «нижнем» положении - подключается диагностируемая обмотка 7, либо в «верхнем» - подключаются образцовая индуктивность 9 и анод полупроводникового диода 10, катод которого соединен с первой обкладкой конденсатора 11. Первый вывод ключа 8 подключен ко вторым выводам управляемого ключа 4 и делителя 2 напряжения. Первый вывод управляемого ключа 4 подключен к первому токовому выводу датчика 15 тока. Вход управления управляемого ключа 4 подключен к выходу резистивного сумматора 13 токов, входы которого подключены к цифровым выводам микроконтроллера 1, вход управления источника 3 опорного напряжения подключен в выходу ШИМ микроконтроллера 1, выход источника 3 опорного напряжения подключен к первому входу аналогового компаратора микроконтроллера 1, ко второму входу аналогового компаратора микроконтроллера 1 подключен средний вывод делителя 2 напряжения, первый вывод которого подключен к общему проводу микроконтроллера 1, к второму токовому выводу датчика 15 тока и к первому выводу источника 6 постоянного напряжения, а также ко второй обкладке конденсатора 11, информационный выход датчика 15 тока подключен к входу аналого-цифрового преобразователя микроконтроллера 1. Модуль USART микроконтроллера 1 (модуль USART микроконтроллера 1 на фиг. не показан) подключен к преобразователю 5 интерфейсов USART/USB, который подключен к интерфейсу USB компьютера 12 (интерфейс USB компьютера 12 на фиг. не показан). Клавиатура 14 подключена к цифровым выводам микроконтроллера.
Устройство диагностики межвитковой изоляции электродвигателя по ЭДС самоиндукции с функцией мегомметра работает следующим образом.
Микроконтроллер 1 устанавливает с помощью встроенного ШИМ на выходе управляемого источника 3 опорного напряжения заданный уровень опорного напряжения. Подает на входы резистивного сумматора 13 токов определенный двоичный код. Количество входов резистивного сумматора 13 токов равно разрядности подаваемого двоичного кода. Через управляемый вход управляемого ключа 4 протекает определенный ток, который зависит от значения двоичного кода на входе резистивного сумматора 13 токов. Управляемый ключ 4 открывается и через него протекает ток, который зависит от значения двоичного кода на входе резистивного сумматора 13 токов. Таким образом, микроконтроллер обладает возможностью программного управления током через диагностируемую обмотку 7 электродвигателя, а, следовательно, и через образцовую индуктивность 9, дополнительно микроконтроллер 1 измеряет с помощью аналого-цифрового преобразователя и датчика 15 тока, ток, который протекает через контролируемую обмотку 7, что дает возможность повысить точность измерений. Ключ 8 находится в «верхнем» положении, т.е. включена образцовая индуктивность 9. По цепи: второй вывод источника 6 постоянного напряжения, образцовая индуктивность 9, третий-первый выводы ключа 8, второй-первый выводы управляемого ключа 4, второй-первый токовые выводы датчика 15 тока, первый вывод источника 6 постоянного напряжения протекает нарастающий ток. В определенный момент микроконтроллер 1, путем вывода нулевого значения двоичного кода на входы резистивного сумматора 13 токов размыкает управляемый ключ 4. При этом на выводах образцовой индуктивности 9 возникает ЭДС самоиндукции, которая приложена к делителю 2 напряжения. Если напряжение на выходе делителя 2 напряжения превысит опорное, то аналоговый компаратор микроконтроллера 1 поменяет на выходе логический уровень, по этому сигналу микроконтроллер 1 оценивает значение амплитуды ЭДС самоиндукции. Если значение ЭДС самоиндукции будет иметь определенное, заранее известное значение, которое свидетельствует об исправной работе устройства, то в этом случае можно проводить диагностирование обмотки 7 электродвигателя.
Далее ключ 8 переводится в «нижнее» положение, т.е. подключена диагностируемая обмотка 7 электродвигателя. Микроконтроллер 1 выводит на входы резистивного сумматора 13 токов определенное значение (заранее рассчитанное) двоичного кода. Через управляемый ключ 4 протекает нарастающий ток по цепи: второй вывод источника 6 постоянного напряжения, диагностируемая обмотка 7 электродвигателя, второй-первый выводы ключа 8, второй-первый выводы управляемого ключа 4, второй-первый токовые выводы датчика 15 тока, первый вывод источника 6 постоянного напряжения. В определенный момент микроконтроллер 1 размыкает управляемый ключ 4, на выводах диагностируемой обмотки 7 электродвигателя возникает ЭДС самоиндукции, которая приложена к делителю 2 напряжения. Если, межвитковая изоляция содержит дефекты, снижающие значение пробивного напряжения, а также обладает малым сопротивлением, то часть энергии запасенной в диагностируемой обмотке 7 электродвигателя, после размыкания ключа 4 рассеется в виде тепла на сопротивлениях межвитковой изоляции. В этом случае ЭДС самоиндукции будет ниже значения ЭДС самоиндукции диагностируемой обмотки 7 без дефектов 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 управляемого источника 3 опорного напряжения и вновь замыкает первый управляемый ключ 4, цикл повторяется до тех пор, пока микроконтроллер 1 не определит значение амплитуды ЭДС самоиндукции, которое выводит через преобразователь 5 интерфейсов USART/USB на компьютер 12. По значению амплитуды ЭДС самоиндукции производится оценка состояния изоляции. Клавиатура 14 предназначена для ввода в микроконтроллер 1 необходимых параметров, диагностируемого электродвигателя, в зависимости от которых микроконтроллер 1 определяет ток, который должен протекать через диагностируемую обмотку 7 и рассчитывает значение двоичного кода, который выводит на входы резистивного сумматора 13 токов в процессе измерения.
Реализация функции мегомметра осуществляется следующим образом.
Контролируемое сопротивление изоляции между обмотками электродвигателя или между обмоткой и корпусом подключается к обкладкам конденсатора 11 (на фиг. контролируемое сопротивление не показано). Ключ 8 находится в «верхнем» положении, т.е. включена образцовая индуктивность 9. Микроконтроллер 1 периодически замыкает/размыкает ключ 4, на выводах образцовой индуктивности 9 возникают импульсы ЭДС самоиндукции, которая приложена к делителю 2 напряжения, а также к аноду полупроводникового диода 10 и ко второй обкладке конденсатора 11. Конденсатор 11 заряжается под действием положительных импульсов ЭДС самоиндукции до определенного значения. Если, контролируемое сопротивление изоляции, к которой приложено напряжение конденсатора 11 имеет высокое значение, то напряжение конденсатора 11 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 11 имеет низкое значение, то напряжение конденсатора 11 также будет иметь низкое значение. Таким образом, напряжение на конденсаторе 11, приложенное к контролируемой изоляции будет определяться значением сопротивления контролируемой изоляции. Так как микроконтроллер 1 измеряет напряжение на конденсаторе 11, то по определенному алгоритму микроконтроллер 1 определяет значение сопротивления контролируемой изоляции, таким образом, реализуется функция мегомметра.
Предварительно обработанные результаты измерений микроконтроллер 1 пересылает через преобразователь 5 интерфейсов USART/USB на компьютер 12, 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.
Предлагаемое изобретение по сравнению с прототипом и другими известными решениями имеет преимущество - расширены функциональные возможности микропроцессорного устройства диагностики межвитковой изоляции электродвигателя по ЭДС самоиндукции с функцией мегомметра за счет организации измерений под управлением компьютера.