МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ДИАГНОСТИКИ ИЗОЛЯЦИИ АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОГО ПРОИЗВОДСТВА НА ОСНОВЕ ЧАСТИЧНЫХ

где ,, – слагаемые индуктивности витка, соответственно равные потокосцеплениям в стали статора и ротора, в изоляции внутри паза и внутри проводника.

а) б)

Рисунок 11 – Реальный (а) и эквивалентный (б) паз в разрезе

В структуре эквивалентного паза (см. рисунок 11 б) полная индуктивность слоя может быть представлена как

,

где собственная индуктивность витка k-го слоя; nk – число проводников k-го слоя; - взаимная индуктивность k-го и i-го слоев.

Комплексный параметр взаимоиндуктивности слоев

, (20)

где М`П k -i взаимоиндуктивность контуров k, i, обусловленная

потокосцеплением через пазовую изоляцию;

М`СТ k -i взаимоиндуктивность контуров k, i, обусловленная

потокосцеплением в стали.

Для контуров равной длины взаимоиндуктивность М`П k -i вычисляется по формуле

, (21)

где dвн – диаметр внутреннего контура; dн – диаметр внешнего контура;

lП – длина паза; F1 , F2 – коэффициенты, зависящие от геометрических размеров контуров.

Взаимоиндуктивность М`СТ k -i определяется по формуле

где = 4 •10-7 магнитная проницаемость вакуума; lп длина паза;

li , ai средняя длина и ширина участка магнитной линии; n количество расчетных участков магнитной цепи; в , aв толщина и ширина воздушного зазора под зубцом статора; kв – коэффициент расширения магнитного потока в зазоре; ш относительная комплексная магнитная проницаемость пакета шихтованной стали:

где 2b1 , 2b2 толщины листов стали и изоляционного зазора между ними; ст = 7,14 См/м удельная проводимость стальных листов; r = 180 относительная магнитная проницаемость стали на частотах волновых процессов; круговая эквивалентная частота.

Предварительным расчетом в системе MathCAD 2001 установлено, что взаимоиндуктивность М`П k-i представляет собой величину 3…5-го порядков по сравнению с взаимоиндуктивностью М`СТ k-i , что позволяет пренебречь первой составляющей формулы (20). Учитывая только основную составляющую М`СТ k-i и переходя от взаимоиндуктивности массивного витка к расчетной катушке, получим

, (25)

где nk , ni числа витков соответственно k-го и i-го слоев.

Число витков i-го слоя геометрической равно

(26)

Рассматривая зависимость (26) общим членом рекурсивной последовательности, составлен циклический программный блок MathCAD 2001, распределяющий общее число витков по слоям эквивалентного паза:

Индуктивность центрального проводника в среде изоляция

, (28)

где длина витка обмотки; Dэкв, диаметр эквивалентного паза; d диаметр проводника без изоляции.

Внутренняя индуктивность цилиндрического проводника

где удельная проводимость меди; r1 радиус проводника без изоляции;

, функции Бесселя 1-го рода порядков нуль и один;

коэффициент.

Индуктивность центрального слоя (витка) с учетом взаимоиндуктивности с другими слоями

(30)

Для других слоев расчет усложняется, поскольку необходимо учесть удаление с проводника от центра эквивалентного паза. С этой целью проводится конформное преобразование, суть которого сводится к отображению проводника – эксцентрического кольца в Z-плоскости, концентрическим кольцом в W-плоскости (рисунок 12).

Рисунок 12 – Конформное отображение проводника

Математически конформное преобразование выполняется с помощью дробно-линейной функции

(31)

где , - абсциссы симметричных точек относительно окружностей

С1, С2, определяемые из характеристического уравнения:

(32)

При конформном отображении окружности С1, С2 перейдут в некоторые окружности С1' и С2' в плоскости W. Пусть окружность С2' имеет единичный радиус. Тогда

(33)

Радиус окружности С1' – радиус проводника

Используя формулу (26), найдем

Индуктивность k-го слоя по формуле (19) составит

Комплексный параметр полная индуктивность секции LC определится как сумма индуктивности отдельных слоев

Индуктивность и активное сопротивление секции

По настоящей методике составлен алгоритм и полная программа волнового расчета в системе MathCAD 2001. Приемлемая точность расчетной методики подтверждена снятием АЧХ электродвигателя и его компьютерной модели с расчетными параметрами.

Дальнейшая разработка волновых SPICE моделей АД велась по обобщенному алгоритму на основе цепной схемы замещения с блоком Т-ключей имитации ЧР. В результате компьютерного анализа получены характеристики диагностических сигналов на внешнем датчике в зависимости от расположения дефекта и при замыкании разного числа витков секции обмотки двигателя. Показаны преимущества режима импульсной сушки изоляции как диагностического, что обеспечивается совмещением двух операций, лучшими спектральными характеристиками тока сушки, уменьшением амплитуды информативных импульсов не более чем на 20 % по сравнению с рабочим режимом, экспоненциальным законом распределения получаемых от секций с номером N сигналов

Uим = 14,88 е - 0, 88 N (40)

По результатам исследований выработаны требования к диагно­стическому устройству и выполнено его компьютерное проектирование в САПР Micro-Cap. Разработанная SPICE модель блока диагностики в совокупности с волновой моделью 4-х полюсного двигателя представлена на рисунке 13.

Рисунок 13 – Объединенная SPICE модель АД – блок диагностики

Модель содержит восемь последовательно включенных звеньев, что соответствуют схеме включения обмоток АД при импульсной сушке изоляции. Первое звено выполнено активно-индуктив­ным делителем напряжения L1, R2, L2, R4, при этом соотношение его плеч опреде­ляется числом замкнутых при разряде витков к общему в секции. Частичные разряды имитируются блоком быстродействующих Т-ключей S1-S9. Компьютерным АС анализом уточнялись характеристики входного фильтра C19, C20, L10, решались вопросы его согласования с трансформатором Т1, опти­мизировался режим работы дифкаскада. В результате достигнуты требуемые для достоверной диагностики характеристики устройства: подавление паразитного спектра гармоник составило 168 дБ (т.е. в 10960 раз) на частоте 50 Гц и не менее 30 дБ на частоте 3,5 кГц, ко­эффициент усиления аналоговой части тракта 40 дБ, ФЧХ близка к линейной.

ТА анализ модели, результаты которого представлены на рисунке 14, эквивалентен реальному процессу диагностики по ЧР. Импульсы сигналов волнового тока на датчике R1 (рисунок 14, верхний график) пронумерованы как 1…9 по числу создающих их Т-ключей. Импульс под номером 5 увеличен электронной лупой, его форма свидетельствует о максимальной величине первого выброса импульсного напряжения, соответствующего пробегу прямой волны и определяющего видимую в масштабе основного графика амплитуду всплесков на основной синусоиде. Согласно нижнему графику устройство штатно реагирует на каждый из импульсов, вырабатывая на выходе прямоугольные сигналы постоянных параметров: амплитудой 8 В и длительностью 0,2 мс. Максимальная чувствительность устройства определяется реакцией на импульс 2, амплитуда которого 1 мВ.

Рисунок 14 – Моделируемый процесс диагностики

В четвертой главе "Методика экспериментальных исследований, предлагаемые средства диагностики и повышения эксплуатационной надежности асинхронных двигателей" обоснованы параметры импульсной сушки изоляции АД. Суть импульсного способа сушки заключается в подаче в обмотку коротких нагревающих импульсов переменного тока частотой 50 Гц, после чего следуют более длинные паузы – "отлежки". Времен­ными параметрами импульсного нагрева служат длительность токового им­пульса И, длительность паузы П и период следования Т. Значения указанных параметров, обеспечивающие интенсификацию процесса сушки в 1,3–1,6 раза по сравнению с обычной непрерывной сушкой и сокращение в такой же мере расхода электроэнергии, найдены расчетно-экспериментальным путем и представлены в виде номограммы.

Свойства сквозного влагозаполненного дефекта изоляции исследовались по специальной методике, включающей предварительное изготовление моделей – скруток из обмоточного провода ПЭТВ с искусственным дефектом изоляции. Дефект заполнялся влагой, после чего снимались его электрические характеристики при помощи измерительных схем. В опытах постоянного тока получены ВАХ, свидетельствующие о низком пробивном напряжении влагозаполненного дефекта изоляции: 11 В при температуре 25 0С и 3 В при температуре 80 0С. Зона частичных разрядов, как предшествующих пробою, лежит в области напряжений, меньших указанных; напряжения начала ЧР составляют 8 и 1 В. Опыты переменного тока проводились путем записи сквозного тока через дефект компьютерным АЦП. Они подтвердили генерацию ЧР дефектом при низком испытательном напряжении (10 Вэфф), а также особую динамику развития разрядных процессов: первые импульсы ЧР появляются после периода инерционности (15…17 с), после чего процесс быстро интенсифицируется (1 с) и прекращается из-за испарения влаги в дефекте.

В отдельной серии опытов изучались характеристики зондирующего воздействия – тока сушки, для чего между силовыми клеммами устройства УДС-2 и обмоткой двигателя включался низкоомный резистивный датчик, сигнал от которого через развязывающий трансформатор подавался на вход компьютерного АЦП с функцией спектроанализатора. В результате установлена близкая к синусоидальной форма тока сушки и его спектр, распространяющийся до частоты не более 6 кГц. При спектре диагностируемых волновых сигналов свыше 10 кГц это создает предпосылки для частотного разделения информативного и паразитного спектров и решения задачи обнаружения ЧР.

Функциональная схема диагностики представлена на рисунке 15. Устройство диагностики и сушки изоляции УДС-2 (на схеме полностью не показано) подключено к электродвигателю М1 и коммутационному аппарату КМ1. Блок диагностики включает следующие узлы: датчики R1, R2, трансформатор Т1, входной ФВЧ Z1, УВЧ А1, детектор импульсов U1, одновибратор DD1, светодиодный индикатор HL1, двухполупериодный выпрямитель U2, стрелочный индикатор Р1. Светодиодный индикатор реагирует на последовательность прямоугольных импульсов на выходе устройства (см. рисунок 14), стрелочный совместно с драйвером U2 реализует измерительный алгоритм (16).

При снятии диагностических параметров АД по указанной схеме изоляция статорной обмотки подвергалась предварительному увлажнению и последующей импульсной сушке и диагностике. В опытах контролировалось сопротивление изоляции, время сушки, мгновенные и усредненные характеристики диагностических сигналов. Мгновенные сигналы записывались компьютерным АЦП на выходе УВЧ А1 в 1, 5, 10, 20, 40, 80-ю мин. процесса сушки, средние – фиксировались по показаниям индикатора Р1.

Рисунок 15 – Функциональная схема диагностики по ЧР

Фрагменты компьютерной осциллограммы электродвигателя 4А71А4 в первую минуты сушки представлены на рисунке 16. Как видно, динамика развития разрядных процессов близка к ранее исследованным явлениям в отдельно взятом дефекте изоляции. Первоначально также наблюдается период инерционности, когда разряды отсутствуют. Первые импульсы фиксируются в период 11-14 с, при этом их интенсивность значительна уже на 13-ой секунде (рисунок 16 а). Затем процесс ЧР быстро нарастает (рисунок 16 б), однако этот период непродолжителен. На 27-ой секунде интенсивность импульсных сигналов снижается (рисунок 16 в), что в диагностическом устройстве вызывает уменьшение показаний индикатора Р1 и снижение яркости светодиода HL1. Еще через несколько секунд импульсы полностью прекращаются. Остатки неподавленного спектра гармоник (рисунок 16 г) лежат ниже порога срабатывания регистрирующего узла устройства и не вызывают реакции индикаторов, причем такое состояние сохраняется на всем дальнейшем протяжении сушки, что подтверждают осциллограммы, снятые в остальных точках кривой сушки, которые практически совпадают с осциллограммой по рисунку 16 г. Такой же вид имеют осциллограммы новых двигателей с бездефектной изоляцией.

Усредненные значения диагностического сигнала измерялись в двух сериях опытов: при сопротивлении изоляции 0,2  и 1 МОм. Корректность повторных измерений обеспечивалась снятием показаний индикатора Р1 в одни и те же моменты времени, отсчитываемые по секундомеру. После обработки экспериментальных данных в программе Ms Excel получены кривые, показанные на рисунке 17.

а) б)

в) г)

Рисунок 16 – Импульсные диагностические сигналы АД

Рисунок 17 – Усредненные значения диагностического

сигнала

Очевидно, что усредненный диагностический сигнал изменяется во времени по характерному экстремальному закону и при этом практически не зависит от сопротивления изоляции. На практике это дает еще один признак, заключающийся в распознавании характера кривой VСР = f(t) по показаниям индикатора Р1 в процессе диагностики.

Проведенные исследования позволяют определить технологию диагностики, которая заключается в том, что на протяжении первых 30-и секунд процесса импульсной сушки при установленных параметрах И = П = 3…4 с о дефектности изоляции АД судят по свечению индикатора HL1 и экстремально изменяющимся во времени показаниям индикатора Р1. Соответствующие диагностические признаки приведены в таблице 1. Процесс диагностики не критичен к сопротивлению изоляции, которое может достигать 1…2  МОм.

Таблица 1 – Распознавание состояния скрытого отказа АД по показаниям

индикаторов устройства УДС-2

Индикатор	Номер периода наблюдения (рисунок 17)
	1	2	3	4	5	6
HL1 (0/1)*	0	1	1	1	1	0
P1 (Vn)	V1 = 0	V2 > 0	V3 > V2	V4 > V3	V5	V6 = 0