Диагностические параметры и методы диагностирования электропривода

Биты и байтыЭлектроника в промышленностиЭлектрические машины → Диагностические параметры и методы диагностирования электропривода
баня строительство

Деградация элементов электрических систем связана чаще всего с необратимыми структурными изменениями изоляционных, контактных и полупроводниковых материалов под действием внешних условий и времени. Общая особенность известных методов диагностирования элементов электрических цепей состоит в том, что они недостаточно информативны и, как правило, не пригодны для локализации дефектов. Например, локальные дефекты изоляции обмотки электрического

как от характера увлажнения, так и от других причин, . например сильно состарившаяся сухая изоляция даже при наличии локальных дефектов характеризуется довольно высоким сопротивлением. Объемное увлажнение такой изоляции может стать причиной пробоя, но не вызовет заметного падения сопротивления. В то же время поверхностное увлажнение, не столь опасное в смысле пробоя, приводит к резкому снижению сопротивления изоляции. В процессе сушки изоляции при повышении температуры сопротивление уменьшается, а затем вследствие удаления влаги растет, поэтому для электрических машин и аппаратов, находящихся в эксплуатации, основным методом оценки состояния изоляции по результатам измерения ее сопротивления является метод сравнения. Сравнивают сопротивление изоляции различных фаз с результатами предыдущих измерений. Не наблюдавшиеся ранее расхождения в сопротивлении изоляции различных фаз являются обычно следствием возникшего дефекта изоляции. Одновременное изменение сопротивления изоляции у всех трех фаз обмотки свидетельствует, как правило, об изменении состояния поверхности изоляции (загрязнении или увлажнении).

Наиболее интенсивное уменьшение

Таким образом, хотя значение сопротивления изоляции и принято в настоящее время основным показателем состояния, оно не может быть использовано как количественный диагностический параметр, несущий прогнозирующую информацию о предстоящем состоянии изоляции. Значение сопротивления изоляции позволяет дать лишь качественную оценку с некоторой вероятностью состояния изоляции обмоток в данный момент времени.

Наиболее интенсивное уменьшение тока происходит сразу после приложения напряжения к изоляции, затем ток меняется менее интенсивно и достигает установившегося значения. Соответственно этому изменяется и величина сопротивления изоляции. При увлажнении изоляции токи сквозной и поверхностной проводимости растут быстрее, чем ток абсорбции. При этом уменьшается не только установившееся сопротивление изоляции, но и темп изменения его времени. Наиболее точные результаты определения коэффициента абсорбции можно получить на начальном участке возникновения абсорбционного эффекта (но после завершения переходных электрических процессов за счет емкости изоляции). Однако измерения при малых интервалах времени требуют применения сравнительно сложных приборов, что ограничивает широкое использование таких измерений, особенно в условиях эксплуатации строительных машин.

Коэффициент абсорбции

В отличие от сопротивления изоляции, на величину коэффициента абсорбции меньше влияют размеры изоляции и ее температура. Например, при изменении температуры изоляции от 25 до 75° С сопротивление изоляции меняется в 5 раз, тогда как коэффициент абсорбции при этом меняется только на 10%. Величина коэффициента абсорбции зависит от материала изоляции и ее возраста, хотя в значительно меньшей степени, чем величина сопротивления изоляции. На величину коэффициента абсорбции могут оказывать влияние поверхностные загрязнения обмоток, которые часто не имеют для эксплуатационной надежности электрических машин существенного значения.

Допустимая величина коэффициента абсорбции нормирована.

Коэффициент абсорбции является вторым основным показателем состояния изоляции, но как самостоятельный диагностический параметр его используют для оценки степени увлажнения обмоток машин и аппаратов. Несколько большую информацию получают, используя величину совместно с другими диагностическими параметрами. Так же как и при измерении сопротивления изоляции, наилучшие результаты достигают при сравнении результатов измерений в фазах машины или аппарата.

Емкость изоляции. Состояние изоляции характеризуется также изменением ее емкости в процессе эксплуатации. Постепенное высыхание пропиточного лака, образование пор, пустот, трещин в изоляции вследствие ее га-рения приводят к уменьшению электрической емкости изоляции.

Емкость изоляции электрической машины или аппарата

При увлажнении

При увлажнении емкость изоляции (измеренная путем заряда ее от источника постоянного тока) увеличивается. При приложении к изоляции напряжения переменного тока емкость зависит от частоты. С увеличением частоты величина емкости уменьшается из-за уменьшения диэлектрической проницаемости воды). Чем больше изоляция увлажнена, тем сильнее выражена зависимость. Особенно существенны изменения емкости при низких частотах. В качестве диагностического параметра используют отношение емкостей, измеренных при разных частотах испытательного напряжения, например. Нормальному состоянию изоляции при этих частотах соответствуют значения изоляция нуждается в сушке, чтобы избежать пробоя. Значение этого отношения чувствительно только к объемному увлажнению. Значение же коэффициента абсорбции чувствительно как к объемному, так и к поверхностному увлажнению, поэтому, измеряя оба коэффициента для изоляции некоторых типов, можно определять не только степень, но и характер увлажнения.

Величина увлажнения, в отличие от сопротивления изоляции, почти не зависит от ее размеров, поскольку с изменением размеров изоляции машины или аппарата пропорционально меняется как сопротивление, так и ее емкость. Пропорциональный рост обеих составляющих токов а и с наблюдается и при увеличении приложенного к диэлектрику напряжения, поэтому с увеличением напряжения измеренное значение 1дб не меняется или только незначительно возрастает.

Величина существенно зависит от температуры, причем вид зависимости для разных материалов и конструкций изоляции неодинаков.

Величина

В общем случае в диапазоне положительных температур (20...80°С) растет по экспоненциальному закону. Как видно из рисунка, наименьшая зависимость от температуры в диапазоне 10...40°С.

Величина дает усредненную объемную характеристику состояния изоляции, так как, чтобы изменилось значение 1дб, активная составляющая тока, текущего через изоляцию, в месте дефекта должна возрасти до величины, соизмеримой с активной составляющей тока, текущего через всю изоляцию обмотки, поэтому значение позволяет обнаружить общее (т.е. охватывающее

можно сделать вывод, что изоляция влажна, но при (с=1, 4 - это увлажнение поверхностное, а при Кс>>1, 4 - объемное. В первом случае для восстановления надежности изоляции достаточна сушка, а во втором - сушка с последующей пропиткой.

Тангенс угла диэлектрических потерь представляет собой отношение активной составляющей тока, текущего через изоляцию к емкостной составляющей: большую часть объема объекта диагностирования) ухудшение изоляции.

Степень локализации при измерении обычно тем выше, чем меньше общий объем изоляции.

Зависимость токов утечки от напряжения определяется путем снятия характеристики:

При увлажненной изоляции зависимость тока утечки от величины прикладываемого напряжения становится существенно нелинейной. Критерием состояния изоляции является коэффициент нелинейности минимальное прикладываемое к изоляции напряжение.

Данный метод

У сухой изоляции Rн <2...3, при влажной изоляции Дн >3...4. При чрезмерно влажной изоляции значение коэффициента нелинейности падает, поэтому результаты определения целесообразно сопоставлять с результатами измерения сопротивления изоляции и коэффициента абсорбции. Возникновение скачков тока утечки в изоляции диагностируемой обмотки при плавном увеличении напряжения свидетельствует о возникновении в изоляции пробоев или разрушении проводящих «мостиков» в изоляции, т.е. о наличии дефектов.

Данный метод применяют для оценки состояния изоляции класса В.

Температура, устанавливающаяся при работе двигателей и электрических аппаратов, является одной из характеристик их состояния. Например, наличие витковых замыканий в обмотках переменного тока вызывает их перегрев. По результатам измерений температур обмоток и стали можно локализовать дефекты.

Все изоляционные материалы очень чувствительны к высоким температурам. Долговечность изоляции уменьшается вдвое, если температура, при которой она работает, на 6...8°С превосходит предельную для данного типа изоляции.

Нормируется не абсолютное значение температуры, а ее превышение над температурой окружающей среды. Электрических двигателях, не имеющих принудительной вентиляции, превышение температуры определяют относительно температуры окружающего воздуха. Например, если температура обмотки двигателя равна 110°С, а температура окружающего воздуха 20°С, то превышение температуры - 90°С.

Интегральные диагностические параметры

Для каждого типа изоляции существует свое значение превышения температуры (ГОСТ 8865-70). Для основных частей двигателей в зависимости от класса нагрево стойкости изоляции, установлены следующие допустимые температуры.

Приведенные предельно-допустимые превышения температур предусматривают измерение их по сопротивлению обмоток.

Используя предельно допустимые значения, можно в процессе эксплуатации контролировать тепловой режим обмоток электрических двигателей и аппаратов. Однако нормальные для эксплуатационных режимов работы двигателей и аппаратов температуры обмоток могут быть ниже предельно допустимых, поэтому для локализации дефектов лучше пользоваться методом сравнения температур обмоток фаз одного двигателя или температур однотипных двигателей и аппаратов, установленных на разных машинах, но работающих в подобных режимах.

Другим информативным диагностическим параметром является темп нарастания температур при определенном режиме нагружения. Препятствием для использования этого параметра является сложность создания нормированной нагрузки машины в эксплуатационных условиях.

Интегральные диагностические параметры обмоток электрических машин и аппаратов. Активное сопротивление обмоток характеризует соответствие его величины расчетным (паспортным) данным, а в трехфазных машинах и аппаратах - симметрию фаз. Первое имеет особое значение для диагностирования отремонтированных машин и аппаратов, гак как позволяет установить наличие отклонений в числе витков. Нарушение симметрии фаз может быть следствием целого ряда причин: витковых замыканий, недостаточного качества паек и др. Допустимое отклонение величины активного сопротивления от расчетного (паспортного) значения и допустимая не симметрия сопротивления фаз не более 2%.

Полное сопротивление

Полное сопротивление и сопротивление обмоток на резонансной частоте. Одним из общих параметров, характеризующих техническое состояние реле, пускателей и электромагнитных приводных устройств (включая катушки и механические системы), является величина полного сопротивления, измеренного на переменном токе. Ток в цепи катушки с сердечником определяют по формуле.

Составляющие в первом приближении можно принять постоянными для выбранного режима работы диагностируемого электромагнита. Тогда изменения тока катушки будут определяться изменением составляющей в, зависящей главным образом от параметров катушки и величины воздушного зазора в магнитной системе:

При постоянстве приложенного напряжения и отсутствии короткозамкнутых витков составляющая в тока намагничивания однозначно связана с величиной зазора 6, поэтому измеренное значение тока можно использовать как диагностический параметр, характеризующий состояние регулировки магнитной системы реле, пускателей и приводных электромагнитов.

Зависимость тока и полного сопротивления от величины зазора в тормозном электромагните МО-200 башенного крана показана. Этот параметр является интегральным, т. е. позволяет локализовать дефекты, так как отклонения значения тока в катушке от нормы могут быть вызваны рядом причин: разрегулировкой или повреждением механической части реле, пускателя или приводного механизма, пониженным напряжением питания, плохим контактом в месте присоединения катушки к электрической схеме и т. д.

Другой интегральный диагностический параметр - относительное сопротивление на частоте резонанса:

Параметр

Параметр у отличается высоким значением коэффициента относительной дифференциации, при одном короткозамкнутом витке величина у=0, 4, т.е. снижается на 60% по сравнению с катушкой, не имеющей дефекта. Разброс величин новых катушек обычно не превышает 10%, поэтому диагностирование с меньшей точностью можно производить и при отсутствии результатов измерений 10 для диагностируемой катушки. Этот метод может быть использован практически для всех катушек, имеющих достаточно высокую добротность.

Характеристики переходных процессов, возбуждаемых в обмотках электрических машин и аппаратов в результате подачи на них импульсов, используют для определения короткозамкнутых витков и обрывов в катушках, а при более тщательном анализе форм кривых переходных процессов может быть получена информация для обнаружения и других дефектов, например в электромеханических системах реле и пускателей.

При помощи специальных устройств осуществляют осциллографические сравнения кривых переходных процессов, полученных в результате поочередного воздействия импульсов на две катушки, одна из которых является эталонной. В трехфазных машинах и аппаратах сравнивают кривые переходных процессов попарно на каждых двух из трех обмоток.

Наличие аномалий и дефектов в электромеханических системах реле пускателей и приводных электромагнитов сказывается на видах осциллограмм тока срабатывания и отпускания, поскольку ход изменения токЬ-временной осциллограммы характеризует динамику переходных процессов притяжения и отпускания якоря. Форма осциллограмм переходных процессов реле несет значительно большую информацию о небольших дефектах, которые при длительной работе могут стать причиной отказа, чем измеренные стрелочным прибором токи срабатывания и отпускания.

Вид токовременных характеристик

Вид токовременных характеристик существенно различен для разных типов реле, пускателей и приводных электромагнитов, поэтому определять эталонные кривые, а также устанавливать связи между характерными аномалиями кривых необходимо для каждого конкретного типоразмера объекта диагностирования.

Достаточно объективной характеристикой состояния реле и пускателей является время замыкания и размыкания при срабатывании или отпускании реле. Эти измерения могут быть выполнены сравнительно простыми средствами.

Диагностические параметры электромеханических характеристик двигателей. Ток и потери холостого хода. Измерение тока и потерь холостого хода в процессе эксплуатации и сравнение полученных данных с номинальными позволяет обнаружить некоторые дефекты, возникающие в двигателях. Так, например, увеличение тока и потерь холостого хода может быть вызвано осевым смещением ротора относительно статора, а также отжигом стали при ремонте или укладкой при перемотке меньшего числа витков; увеличение тока холостого хода также может произойти при увеличенном воздушном зазоре между статором и ротором и т. д.

Под холостым ходом понимают работу электродвигателя, подключенного к сети, но не соединенного с каким-либо механизмом. Характеристики холостого хода представляют собой зависимости линейного тока и потребляемой мощности (потерь) на холостом ходу от напряжения, прикладываемого к двигателю.

На показаны кривые предельных значений тока холостого хода в зависимости от номинальной мощности для трехфазных асинхронных двигателей мощностью до 5 кВт и мощностью 5... 100 кВт.

Характеристика короткого замыкания

Характеристика короткого замыкания представляет собой зависимость линейного тока короткого замыкания и потерь короткого замыкания от приложенного к статору двигателя напряжения. Ток и потери холостого хода получают непосредственно в результате измерений, а пусковой ток и начальный пусковой момент определяют по характеристике короткого замыкания.

Диагностические параметры и методы диагностирования контактов. Контактное сопротивление. Физические процессы, протекающие в электрических контактах, весьма разнообразны и сложны. Они определяются как конструкцией контактов, свойствами материалов проводников, так и условиями, существующими во внешней среде и в электрической цепи при замкнутом положении контактов, при их разомкнутом положении и в процессах включения и отключения. Наиболее известный параметр, определяющий состояние электрических контактов,- сопротивление между двумя проводящими элементами контакта.

Сопротивление контактного устройства складывается из трех составляющих: сопротивления металлических частей, сопротивления пленок и посторонних слоев.

Следствием загрязнения или окисления поверхностей контакта. Наконец, сопротивление стягивания которое образуется в результате того, что при сжатий двух плоских контактных поверхностей касание их происходит не по всей плоскости, а только отдельными площадками, наличие которых зависит от микрогеометрии сдавливаемых поверхностей. Ток проходит через поперечного сечения контакта, поэтому сопротивление контакта возрастает. Сопротивление металлических частей контакта чаще всего (по крайней при отсутствии клепаных соединений) не меняется в процессе эксплуатации, а составляющая в процессе эксплуатации может меняться в очень широких пределах.

Сопротивление стягивания

Сопротивление стягивания зависит в первую очередь от материала контактов, числа площадок и силы сжатия.

Параметром, используемым для диагностирования, является контактное сопротивление: Неконтактное сопротивление к в процессе эксплуатации не остается постоянным, а имеет релаксационный характер изменения. Такой характер изменения сопротивления объясняется следующим. Контактное сопротивление представляет собой источник дополнительных джоулевых потерь, сопротивление контактов обычно выше, чем прилегающих к нему металлических частей. Именно это способствует интенсивному окислению поверхностей контакта под воздействием кислорода и других агрессивных газов, содержащихся в воздухе. Результатом окисления поверхности контакта является появление пленки, толщина которой со временем увеличивается, что приводит к увеличению падения напряжения на контакте, к повышению градиента электрического поля в пленке и повышению температуры площадки соприкосновения.

Действие электрического поля и температуры разрушает пленку, при этом сопротивление контакта падает до первоначального значения, после чего вновь происходят рост сопротивления пленки и последующее ее разрушение. Если же пленка достаточно прочна, то сопротивление контакта может возрасти до величин, вызывающих недопустимый нагрев контактов. Интенсивность возникновения пленок на поверхности контактов зависит от материала контактов, их температуры и среды, в которой они работают. Окислению наиболее подвержены контакты, установленные в силовых электрических цепях, поскольку за счет больших токов они подвержены

Большему нагреву, поэтому одним из методов оценки состояния контактов является определение их температуры в процессе эксплуатации с помощью накладных термопар и термометров сопротивления, термисторных термощупов или тепловизоров.

Контактное сопротивление

Контактное сопротивление на постоянном и переменном токе. Контактное сопротивление можно измерять на постоянном токе. Величина тока, пропускаемого через контакт при этих измерениях, во избежание влияния нелинейных электрических свойств пленок окислов на контактах должна быть близкой к номинальному длительному току, коммутируемому диагностируемым контактом. Изменение сопротивления пленок от величины тока в контактах с большим усилием прижатия наблюдается в значительно меньшей степени.

При диагностировании контактов, работающих в цепях переменного тока, часто применяют также постоянный ток, в основном с целью исключения влияния на результаты измерений фазовых сдвигов от реактивного сопротивления трансформатора, используемого в качестве источника тока. Перед измерением на постоянном токе сопротивления контактов переменного тока через диагностируемый контакт пропускают в течение нескольких секунд переменный ток, близкий по величине к номинальному значению для диагностируемого контакта.

Для некоторых типов контактов переменного тока результаты измерения, полученные на постоянном токе, могут отличаться от результатов, получаемых на переменном токе. Кроме того, получение постоянных токов большой величины связано в эксплуатационных условиях с известными трудностями. В этих случаях применяют метод измерения активной мощности переменного тока, рассеиваемой на диагностируемых контактах. Ветчина рассеиваемой активной мощности характернее тепло и может быть нормирована для и. о типоразмера контактов.

Электрических системах постоянного тока с по напряжению источником тока и фиксированным значением активного сопротивления нагрузки только падение напряжения на контактах.

Диагностические параметры

Контактное сопротивление при импульсном токе. Непосредственное измерение величин сопротивления на границе раздела может быть осуществлено импульсным методом. В основу этого метода положена во времени тепловых реакций границы раздела и объема металла на прохождение импульса тока, которая возникает в результате разности металлических масс, образующих контактное соединение. Поскольку массы непосредственно контактных поверхностей очень малы, в них возникает тепловая реакция на прохождение тока за время около, тогда как всей массе контакта для этого требуется время от секунды и более. Следовательно, короткий электрический импульс длительностью около 1 мс будет всецело влиять на участки непосредственно контактной поверхности, не оказывая ощутимого влияния на остальные составные части контакта.

Для достижения такого различия к диагностируемому контакту должен прикладываться достаточно мощный импульс тока с крутым фронтом, способный нагреть область контактной поверхности до точки размягчения металла. Этот ток соответствует так называемому напряжению размягчения, при котором температура в зоне контакта достигает такой величины, что механические свойства металла изменяются, происходит его размягчение, под действием приложенной силы площадь контакта увеличивается, а сопротивление уменьшается.

Диагностические параметры и методы диагностирования диодов и тиристоров.

Вольтамперные характеристики. Вольтамперные характеристики представляют собой зависимость тока, протекающего через диод или тиристор, от прикладываемого к ним напряжения. Нормальные диоды и тиристоры не имеют заметных отличий вольтамперных характеристик от идеальных. Степень деградации диодов, проявляющаяся в процессе их эксплуатации, может быть установлена по изменениям прямой и обратной ветвей вольтамперных характеристик.

Интер металлические включения

Интер металлические включения в контакте диода, микротрещины и т. д. приводят к искажению прямой ветви вольтамперной характеристики.

Коэффициент крутизны в этом выражении может быть использован в качестве диагностического параметра. Полупроводниковые приборы с повышенным значением коэффициента наклона вольтамперной характеристики имеют крайне непродолжительный срок службы.

Искажения различного вида формы характеристик обратной ветви могут быть вызваны:

-неоднородное ми и посторонними включениями в поверхностном слое перехода, что в свою очередь ведет к локальному повышению градиента напряжений в отдельных зонах перехода и ускорению деградации диода. При этом наблюдается увеличение крутизны падения обратной ветви;

-загрязнением поверхности перехода или попаданием туда частиц конденсата влаги, что вызывает обычно смещение верхней части обратной ветви;

-повышением концентрации примесей и перегревом диода, что ведет к изменению крутизны обратной ветви наряду с опусканием верхней части кривой.

В тиристорах вид вольтамперной характеристики, снятой до момента переключения, используют для определения состояния среднего перехода. Форму вольт-амперной характеристики при напряжении обратной полярности используют для оценки состояния коллекторного перехода. При наличии дефектов в тиристорах на их вольтамперных характеристиках появляются разрывы, на некоторых участках они могут стать петлеобразными и могут наблюдаться их существенные изменения после прогрева тиристора.