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 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-XXI», 2010. - 356 с., стр. 39.), а значит приводит к увеличению погрешности диагностики изоляции обмотки асинхронного двигателя.
Недостатком устройства является низкая точность диагностики изоляции обмотки асинхронного двигателя, а так же ограниченные функциональные возможности, обусловленные отсутствияем возможности проведения оперативных регулировок величины тока, который должен протекать через обмотку диагностируемого электродвигателя, что в свою очередь, ограничивает диапазон типов электродвигателей подлежащих диагностики посредством данного устройства.
Наиболее близким аналогом - прототипом к заявляемому техническому решению является микроконтроллерное устройство диагностики межвитковой изоляции обмотки электродвигателя по ЭДС самоиндукции (патент RU 181798 U1, МПК G01R 31/06, G01R 27/02, 12.03.2018).
Микроконтроллерное устройство диагностики межвитковой изоляции обмотки электродвигателя по ЭДС самоиндукции содержит микроконтроллер, делитель напряжения, цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП), управляемый ключ, индикатор, RC-фильтр, управляемый источник тока, диагностируемую обмотку электродвигателя, при этом второй вывод управляемого источника тока 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 по средством первой группы выходов микроконтроллера, входы управления ЦАП подключены к регистру данных микроконтроллера по средством второй группы выходов микроконтроллера, выход ЦАП подключен к первому входу аналогового компаратора микроконтроллера, выход ШИМ микроконтроллера подключен к входу RC-фильтра, выход которого подключен к входу управления источника тока.
Недостатком известного решения являются ограниченные функциональные возможности, как 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, так и по причине отсутствия возможности проведения оперативных регулировок величины тока, который должен протекать через обмотку диагностируемого электродвигателя, что, в свою очередь, ограничивает диапазон типов электродвигателей подлежащих диагностики посредством данного устройства.
Раскрытие полезной модели
Технический результат, который может быть достигнут с помощью предлагаемой полезной модели, сводится к расширению ее функциональных возможностей.
Технический результат достигается тем, что в микроконтроллерное устройство диагностики межвитковой изоляции обмотки электродвигателя по ЭДС самоиндукции, содержащее микроконтроллер, делитель напряжения, цифроаналоговый преобразователь (ЦАП), управляемый ключ, RC-фильтр, 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, входы управления ЦАП подключены к регистру данных микроконтроллера по средством группы выходов микроконтроллера, выход ЦАП подключен к первому входу аналогового компаратора микроконтроллера, выход ШИМ микроконтроллера подключен к входу RC-фильтра, выход которого подключен к входу управления источника тока, введен преобразователь интерфейсов USART/USB, причем модуль USART микроконтроллера подключен к указанному преобразователю интерфейсов USART/USB, выполненному с возможностью подключения к интерфейсу USB компьютера, а микроконтроллер выполнен с возможностью подключения к нему клавиатуры посредством группы входов микроконтроллера
Краткое описание чертежей
На фиг. представлена структурная схема микроконтроллерного устройства для диагностики межвитковой изоляции обмотки электродвигателя по ЭДС самоиндукции.
Осуществление полезной модели
Микроконтроллерное устройство диагностики межвитковой изоляции обмотки электродвигателя по ЭДС самоиндукции содержит (фиг.) микроконтроллер 1, делитель напряжения 2, цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) 3, управляемый ключ 4, преобразователь интерфейсов USART/USB 5, RC-фильтр 6, управляемый источник тока 7, компьютер 8, клавиатуру 9.
Второй вывод управляемого источника тока 7 подключен ко второму выводу диагностируемой обмотки 10 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 10 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, входы управления ЦАП 3 подключены к регистру данных микроконтроллера 1 (на фиг. не показан) по средством 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, модуль USART (на фиг. не показан) микроконтроллера 1 подключен к преобразователю интерфейсов USART/USB 5, который подключен к интерфейсу USB компьютера 8, клавиатура 9 подключена к микроконтроллеру 1 посредством группы входов микроконтроллера 1.
Микроконтроллерное устройство диагностики межвитковой изоляции обмотки электродвигателя по ЭДС самоиндукции работает следующим образом.
Процессу диагностики предшествует ввод в микроконтроллер 1, посредством клавиатуры 9, необходимых параметров диагностируемого электродвигателя, в зависимости от которых микроконтроллер 1 определяет ток (посредством ШИМ микроконтроллера 1), который должен протекать через диагностируемую обмотку 7.
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 10 электродвигателя.
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 по средством группы выходов микроконтроллера 1.
В результате замыкания ключа 4, по цепи: первый вывод источника тока 7, диагностируемая обмотка 10 электродвигателя, ключ 4, второй вывод источника тока 7 протекает установившийся ток (ток разрыва).
Затем микроконтроллер 1 размыкает ключ 4, на выводах диагностируемой обмотки 10 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 10 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.
Предварительная установка параметров ШИМ микроконтроллера 1, посредством клавиатуры 9, обеспечивает оптимальный режим согласования диапазонов выходных напряжений делителя напряжения 2, ЦАП 3 и входных напряжений аналогового компаратора микроконтроллера 1, что позволяет избежать ошибок в процессе измерения.
Результаты измерений микроконтроллер 1 пересылает через преобразователь интерфейсов USART/USB 5 на компьютер 8. Который, в сравнении с микроконтроллером 1, обладает большей мощностью процессора и объемом памяти, обеспечивающих архивирование результатов измерений, вывод их в графической форме на монитор, сравнение с эталонными образцами или их моделями, а значит и более высокую степень достоверности диагностики межвитковой изоляции обмотки электродвигателя по ЭДС самоиндукции.
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 организации измерений под управлением компьютера.