Способ диагностирования электрических цепей, содержащих активное сопротивление и индуктивность

Изобретение относится к технической диагностике и может быть использовано для диагностирования электрических цепей, содержащих активное сопротивление и индуктивность, в частности обмоток электрических машин и аппаратов. Техническим результатом является повышение надежности диагностирования электрических цепей и достоверности диагностируемых параметров. В способе диагностирования электрических цепей, содержащих активное сопротивление и индуктивность, в частности обмоток электрических машин и аппаратов, в диагностируемую электрическую цепь дополнительно последовательно подключают конденсатор, на вход цепи подают переменное напряжение промышленной частоты и в режиме установившихся гармонических колебаний измеряют амплитуду и фазовый сдвиг напряжения на конденсаторе относительно поданного напряжения, вычисляют относительную амплитуду в виде отношения амплитуды напряжения на конденсаторе к амплитуде подаваемого напряжения и в качестве диагностируемых параметров принимают значение фазового сдвига и вычисленное значение относительной амплитуды. 2 з.п. ф-лы, 2 ил., 1 табл.

 

Изобретение относится к технической диагностике и может быть использовано для диагностирования электрических цепей, содержащих активное сопротивление и индуктивность, в частности обмоток электрических машин и аппаратов.

Известным является способ диагностирования электрических цепей, в частности автомобильного электрооборудования, по наличию тока в электрической цепи при подключении к источнику напряжения [Сергеев А.Г., Ютт, В.Е. Диагностирование электрооборудование автомобилей. - М.: Транспорт, 1987. - 159 с., ил.].

Недостатком такого способа является невозможность диагностировать дефекты электрической цепи, в частности автомобильного электрооборудования, без разрыва электрической цепи.

Известен способ диагностирования, выбранный за прототип, использующий в качестве параметра диагностирования постоянную времени тока переходного процесса в цепи диагностируемого электрооборудования автомобиля [RU 2314432 C2]. При этом измеряют мгновенные значения тока в течение переходного процесса и определяют постоянную времени.

Недостатком указанного способа являются значительные ошибки в определении постоянной времени по экспоненте, возникающие, в частности, при неточностях в определении установившегося значения тока, а также при отклонениях величины постоянного напряжения, подаваемого на диагностируемую электрическую цепь, что, в конечном счете, приводит к снижению надежности диагностирования электрических цепей и достоверности диагностируемых параметров. К примеру, на фиг.1 показан переходный процесс - кривая 1 изменения выходной величины, в виде напряжения на выходе датчика тока, для принятых значений T_факт=1c $$U_{уст.факт}^{*}=\mathrm{1,}$$

где Т_факт - фактическое значение постоянной времени,

$$U_{уст.факт}^{*}$$ - установившееся значение указанной выходной величины в относительных единицах, определяемое по выражению

$$U_{уст.факт}^{*}=\frac{U_{уст.факт}}{U_{с}},$$

где U_{уст.факт} - установившееся значение выходной величины в абсолютных единицах;

U_c - базовое значение входного, переменного напряжения промышленной частоты.

Установившемуся значению выходной величины на фиг.1 соответствует прямая 2. Для определения постоянной времени по графику переходного процесса обычно используется тот факт, что за время t=3T выходная величина достигает значения 0,95 от установившегося значения.

На фиг.1 прямой 3 соответствует значение $$\mathrm{0,95}\cdot U_{уст.факт}^{*}$$ для условий когда погрешности измерений отсутствуют. Из рисунка и проведенных расчетов следует, что значение $$\mathrm{0,95}\cdot U_{уст.факт}^{*}$$ достигается за время t=3 c, откуда измеренное значение постоянной времени совпадает с T_факт=1 c.

Проанализируем ошибки в определении постоянной времени, возникающие при погрешностях в измерении установившегося значения выходной величины. Предположим, что установившееся значение измеряется с погрешностью -2%, т.е. измеренное значение выходной величины в относительных единицах, определяемое по выражению

$$U_{уст.изм1}^{*}=\frac{U_{уст.изм1}^{*}}{U_c},\left(1\right)$$

составляет $$U_{уст.изм1}^{*}=\mathrm{0,98}$$ . Тогда $$\mathrm{0,95}\cdot U_{уст.изм1}^{*}=\mathrm{0,931}$$ , это значение соответствует прямой 4. Из чертежа и проведенных расчетов следует, что значение 0,931 будет достигаться за время t_изм.1=3T_изм.1=2,66с. Тогда измеренное значение постоянной времени будет равно Т_изм.1=0,887, следовательно ошибка измерения составит Δ%=11,3%.

Предположим, что установившееся значение выходной величины измеряется с погрешностью +2%, измеренное значение выходной величины в относительных единицах, определяемое по выражению (1), составляет $$U_{уст.изм2}^{*}=\mathrm{1,02}$$ . Тогда значение $$\mathrm{0,95}\cdot U_{уст.изм2}^{*}=\mathrm{0,969}$$ , этому значению на фиг.1 соответствует прямая 5. Из чертежа и проведенных расчетов следует, что это значение будет достигаться за время t_изм2=3Т_изм.2=3,47 с. Тогда измеренное значение постоянной времени Т_изм.2=1,157, а ошибка измерений составит Δ%=15,7%.

Таким образом, в способе, принятым за прототип неточности определения установившегося значения тока, а также отклонения величины постоянного напряжения, подаваемого на диагностируемую электрическую цепь, могут приводить к значительным ошибкам в определении значения диагностируемого параметра, что, в итоге, приводит к снижению надежности диагностирования электрических цепей и достоверности диагностируемых параметров.

Техническим результатом предлагаемого способа диагностирования электрических цепей, содержащих активное сопротивление и индуктивность, является повышение надежности диагностирования параметров электрических цепей и достоверности диагностируемых параметров.

Технический результат достигается тем, что в способе диагностирования электрических цепей, содержащих активное сопротивление и индуктивность, в частности обмоток электрических машин и аппаратов, в диагностируемую электрическую цепь дополнительно последовательно подключают конденсатор, на вход цепи подают переменное напряжение промышленной частоты и в режиме установившихся гармонических колебаний измеряют амплитуду и фазовый сдвиг напряжения на конденсаторе относительно поданного напряжения, вычисляют относительную амплитуду напряжения в виде отношения амплитуды напряжения на конденсаторе к амплитуде подаваемого напряжения и в качестве диагностируемых параметров принимают значение фазового сдвига и вычисленное значение относительной амплитуды, причем значение емкости конденсатора выбирается из условия резонанса по выражению $$C=\frac{1}{{\omega }_C^2\cdot L_{НОМ}}$$ , где L_НОМ - индуктивность цепи с номинальными значениями электрических параметров, ω_C - частота подаваемого напряжения.

Кроме того, отклонение относительной амплитуды $$U_{mД}^{*}$$ напряжения в диагностируемой электрической цепи по сравнению с относительной амплитудой $$U_{mН}^{*}$$ напряжения в цепи с номинальными электрическими параметрами определяют по выражению

$${\Delta }_1=\frac{U_{mН}^{*}-U_{mД}^{*}}{U_{mН}^{*}}\cdot 100\%.\left(2\right)$$

Кроме того, отклонение фазового сдвига φ_Д в диагностируемой электрической цепи по сравнению с фазовым сдвигом φ_НОМ в цепи с номинальными электрическими параметрами определяют по выражению

$${\Delta }_2=\frac{{\varphi }_{НОМ}-{\varphi }_{Д}}{{\varphi }_{НОМ}}\cdot 100\%.\left(3\right)$$

Повышение надежности диагностирования достигается благодаря высокой чувствительности принятых параметров диагностирования к изменению электрических параметров цепи, вызванных, в частности, витковыми замыканиями в обмотках электрических машин и аппаратов.

Использование в изобретении в качестве диагностируемого параметра относительного значения амплитуды напряжения на конденсаторе позволяет исключить погрешности при отклонениях величины напряжения, подаваемого на диагностируемую электрическую цепь. В этом случае одновременно изменяются амплитуда подаваемого переменного напряжения и амплитуда напряжения на конденсаторе, а значение относительной амплитуды остается неизменным.

В изобретении диагностируемые параметры измеряются в режиме установившихся колебаний. Режим, близкий к установившемуся, в электрической цепи после подачи на нее переменного напряжения промышленной частоты наступает через время, равное (10…20)T, где T=R*C - постоянная времени электрической цепи [Бессонов, Л.А. Теоретические основы электротехники. - М.: «Высшая школа», 1996. - 623 с., ил.]

Значение относительной амплитуды напряжения в электрической цепи с номинальными электрическими параметрами определяется экспериментально или может быть вычислено по выражению [Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники. - М.: «Высшая школа», 1996. - 623 с., ил.]

$$U_{mН}^{*}=\frac{1}{R_H}\cdot \sqrt{\frac{L_H}{C}}.$$

Фазовый сдвиг напряжения на конденсаторе относительно подаваемого напряжения в электрической цепи с номинальными электрическими параметрами составляет φ_НОМ=-90 эл. град.

В качестве примера диагностируемой электрической цепи, содержащей активное сопротивление и индуктивность, взята фазовая обмотка статора автомобильного генератора 94.3701. Номинальные значения электрических параметров обмотки: число витков W_Ф=48, L=0,001447 Гн, R=0,0373 Ом.

Для реализации способа диагностирования электрических цепей, содержащих активное сопротивление и индуктивность, к обмотке фазы статора дополнительно последовательно подключен конденсатор C, величина емкости которого выбрана из условия резонанса по выражению $$C=\frac{1}{{\omega }_C^2\cdot L_{НОМ}}$$ , где L_НОМ - индуктивность цепи с номинальными значениями электрических параметров, ω_c - частота подаваемого напряжения.

Значения диагностируемых параметров фазовой обмотки статора с номинальными электрическими параметрами, полученные расчетным путем и моделированием приведены во втором столбце таблицы.

Диагностируемый параметр	Значение диагностируемого параметра	Отклонение параметра диагностирования, %
в электрической цепи с номинальными электрическими параметрами	в электрической цепи с межвитковым замыканием
1	2	3	4
Относительная амплитуда напряжения на конденсаторе	12,2	4,21	65,5
Фазовый сдвиг, эл. град	-90	-17	81,1

В результате экспериментальных исследований установлено, что при дефекте в виде межвиткового замыкания 5 витков фазы статора индуктивность и активное сопротивление диагностируемой цепи имеют значения: L=0,00112 Гн, R=0,0318 Ом.

Значения диагностируемых параметров фазовой обмотки статора с указанным повреждением витков обмотки, полученные экспериментально и путем моделирования, приведены в 3-м столбце таблицы.

Отклонения значений диагностируемых параметров, вычисленные по выражениям (2), (3) приведены в 4-м столбце таблицы.

Полученные результаты свидетельствуют о высокой чувствительности используемых в предлагаемом способе параметров диагностирования к изменению электрических параметров диагностируемой электрической цепи, вызванных, в частности межвитковыми замыканиями. Для рассматриваемого в примере повреждения обмотки фазы статора изменение относительной амплитуды составляет 65,5%, изменение фазового сдвига 81,1%.

Схема измерения фиг.2 состоит из последовательно соединенных источника переменного напряжения промышленной частоты 1, коммутирующего устройства 2, диагностируемой электрической цепи 3 с дополнительно последовательно включенным конденсатором, измерительно-вычислительного устройства 4, вход которого соединен с выходом коммутирующего устройства 2 и регистрирующего устройства 5 на базе ПК.

Измерения производятся следующим образом. С помощью коммутирующего устройства 2 диагностируемую электрическую цепь 3 подключают к источнику 1 переменного напряжения промышленной частоты. С помощью измерительно-вычислительного устройства 4 после подачи переменного напряжения обеспечивается выдержка времени, равная (10…20)R*C для наступления установившегося режима, в режиме установившихся гармонических колебаний производится измерение мгновенных значений напряжения на конденсаторе, определяются значения диагностируемых параметров и по выражениям (2), (3) вычисляются отклонения диагностируемых параметров от их номинальных значений. Полученные отклонения диагностируемых параметров передаются и хранятся в регистрирующем устройстве 5.

Как показали экспериментальные и расчетные результаты, значения принятых параметров диагностирования существенно изменяются при наличии дефекта в диагностируемой электрической цепи, что позволяет обеспечить высокую надежность диагностирования.

1. Способ диагностирования электрических цепей, содержащих активное сопротивление и индуктивность, в частности, обмоток электрических машин и аппаратов, путем подачи на электрическую цепь напряжения и сравнения значений измеряемых диагностируемых параметров в диагностируемой электрической цепи и цепи с номинальными значениями электрических параметров, отличающийся тем, что в диагностируемую электрическую цепь дополнительно последовательно подключают конденсатор, на вход цепи подают переменное напряжение промышленной частоты и в режиме установившихся гармонических колебаний измеряют амплитуду и фазовый сдвиг напряжения на конденсаторе относительно поданного напряжения, вычисляют относительную амплитуду в виде отношения амплитуды напряжения на конденсаторе к амплитуде подаваемого напряжения и в качестве диагностируемых параметров принимают значение фазового сдвига и вычисленное значение относительной амплитуды, причем значение емкости конденсатора выбирается из условия резонанса по выражению $$C=\frac{1}{{\omega }_C^2\cdot L_{НОМ}},$$ где L_НОМ - индуктивность цепи с номинальными значениями электрических параметров, ω_C - частота подаваемого напряжения.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что отклонение относительной амплитуды $$U_{mД}^{*}$$ напряжения в диагностируемой электрической цепи по сравнению с относительной амплитудой $$U_{mН}^{*}$$ напряжения в цепи с номинальными электрическими параметрами определяют по выражению
$${\Delta }_1=\frac{U_{mН}^{*}-U_{mД}^{*}}{U_{mН}^{*}}\cdot 100\%.$$

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что отклонение фазового сдвига φ_Д в диагностируемой электрической цепи по сравнению с фазовым сдвигом φ_НОМ в цепи с номинальными электрическими параметрами определяют по выражению
$${\Delta }_2=\frac{{\phi }_{НОМ}-{\phi }_{Д}}{{\phi }_{НОМ}}\cdot 100\%.$$