О повышении электробезопасности эксплуатации электрических машин путем периодического тестирования комплексного сопротивления изоляции их обмоток

Существующие измерительные приборы (тестеры изоляции) [1–4] имеют целый ряд недостатков, что ограничивает их практическое применение на производстве. В первую очередь, подобного рода аппаратура имеет достаточно высокую стоимость, и предприятиям невыгодно оснащать каждый технологический механизм такими устройствами диагностики. Во-вторых, подавляющее большинство измерителей сопротивления изоляции работают на постоянном токе и не в состоянии контролировать величину комплексного сопротивления изоляции электротехнического механизма. В то же время при питании, например, асинхронного электродвигателя от преобразователя частоты (ПЧ) с широтно-импульсной модуляцией не исключено, что потеря электрической прочности изоляции обмоток начинается с уменьшения его не активного, а ёмкостного сопротивления. Однако, подобного рода измерители [5–8], которые могли бы решать указанную задачу, имеют крайне высокую стоимость, исчисляемую сотнями тысяч рублей, и поэтому их применение на промышленных объектах нецелесообразно. Общим недостатком подавляющего большинства тестеров изоляции является отсутствие цифрового выхода, хотя «внутри» их схем производится цифровая обработка данных.

Ниже рассматривается принцип построения индикатора комплексного сопротивления (ИС), в основе которого лежит принцип частотноимпульсной модуляции выходного сигнала в функции величины контролируемого сопротивления.

Теоретическая часть

Структурная схема индикатора комплексного сопротивления (ИС) (рис. 1, а) содержит интегратор И с постоянной времени Т _И, релейный элемент РЭ с симметричной относительно «нуля» гистерезисной характеристикой, суммирующий счетчик СТ, регистр памяти RG и элемент задержки DL. Выходной сигнал РЭ меняется дискретно в пределах ± А . Выходное напряжение интегратора И имеет пилообразную форму с амплитудой, ограниченной порогами переключения РЭ.

ИС относится к классу автоколебательных систем с амплитудно-частотно-импульсной модуляцией [9–12], где частота выходных импульсов РЭ зависит от величины сопротивления Z ₀ контролируемого объекта, в которую подаются выходные импульсы РЭ (см. рис. 1, а). Под действием сигнала отклика контролируемого объекта меняется постоянная времени интегратора И, что, соответственно, приводит к изменению частоты импульсов на выходе РЭ:

f ВЫХ = ^{[ 4} b ■ Т И ⁽ Z 0 ) ] ,

Рис. 1. Обобщенная структурная схема (а) и статическая характеристика (б) аналого-цифрового индикатора значения комплексного сопротивления изоляции

где b = | b/A | — нормированная величина порогов переключения РЭ.

Затем выходные импульсы РЭ поступают на счетный С-вход суммирующего счетчика СТ. Интервал преобразования Z ₀ в цифровой код задается внешним генератором тактовых импульсов, под действие которых данные из СТ переносятся в регистр памяти RG. После этого с задержкой по времени (единицы микросекунд), задаваемой элементом задержки DL, счетчик СТ обнуляется и цикл преобразования повторяется.

Практическая часть

Экспериментальная статическая характеристика ИС ^ ВЫХ = f ( Z 0 ) приведена на рис. 1, а. Диапазон преобразуемого сопротивления составляет от 10,0 до 10⁵ кОм. Линеаризация зависимости ^ ВЫХ = f ( Z 0 ) , если таковая потребуется, осуществляется программным путем, где F _ВЫХ – частота выходных импульсов РЭ. Температурный дрейф «нуля» ИС не превышает 1–3 % в диапазоне от –15 °С до +50 °С. Для работы ИС достаточно 8 разрядов двоичного кода.

В системах управления электроприводами и другим электротехническим оборудованием, на наш взгляд, целесообразны следующие варианты применения ИС (рис. 2).

• 1.    Ручной режим . В этом случае (рис. 2, а) при останове электродвигателя М, когда разомкнут автоматический выключатель АВ, ИС поочередно подключается к цепям «фаза А – корпус», «фаза В – корпус», «фаза С – корпус» и между обмотками фаз «А – В», «А – С» и «В – С» с ручной фиксацией результатов измерения. Если величина Z ₀ хотя бы в одной из проверок оказывается ниже допустимой величины, обслуживающий персонал обязан заменить исполнительный электродвигатель на исправный.

• 2.    Локальный автоматический режим . Здесь (рис. 2, б) каждый из электроприводов снабжается индивидуальным ИС, а диагностика М, как и ранее, осуществляется при его отключении от сети, но в автоматическом режиме без участия оператора. Система управления электроприводом СУ, дающая команду на отключение преобразователя частоты ПЧ и АВ, одновременно запускает систему мультиплексирования каналов диагностирования МХ и входящий в нее тактовый генератор, с помощью которой ИС периодически подключается к измеряемым цепям. Если состояние

• 3.    Централизованный автоматический режим . Его отличие от предыдущего случая заключается в том, что здесь ИС связан с централизованной базой данных, где содержатся данные изоляции электрооборудования всех технологических установок цеха для каждой из цепей диагностирования. Сигнал «1» формируется с помощью цифрового компаратора ЦК, сравнивающего код с выхода ИС с кодом, который хранится в базе данных.

Электромеханические системы

Сеть

Рис. 2. Режим ручного (а), локального автоматического (б) и централизованного автоматического тестирования сопротивления изоляции электрической машины

изоляции М неудовлетворительное, ИС формирует сигнал «1», блокирующий возможность включения системы управления СУ, ПЧ и АВ.

Выводы

• 1.    Рассмотрена обобщенная структурная схема ИС с частотно-импульсной модуляцией, отличающаяся простотой технической реализации и

• относительно высокой стабильностью характеристик. Диапазон контролируемых сопротивлений изоляции составляет 10,0… 105 кОм.

• 2.    Предложены варианты построения на базе ИС систем диагностирования, как для ручного, так и для автоматических режимов работы [8–11].