Методика проверки электродвигателя номинальным током и более без применения нагрузочных устройств, предложенная украинскими инженерами и учеными, расширяет возможности электроремонтных предприятий. Созданный авторами статьи стенд позволяет проводить испытания по методу динамического нагружения, повышающего готовность отремонтированного оборудования.

ПОСЛЕРЕМОНТНЫЕ ИСПЫТАНИЯ ДВИГАТЕЛЕЙ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
Стенд для динамического нагружения

Аркадий Вайнер, инженер, ОАО «АрселорМиттал Кривой Рог»
Алексей Мохнатый, Стас Набок, Сергей Калашник, инженеры, ООО «Криворожэлектромонтаж»
Вячеслав Хижняк, к.т.н., доцент КМФ НМетАУ г. Кривой Рог, Украина

В настоящее время большинство электроремонтных предприятий выполняют основные испытания отремонтированных двигателей только в режимах холостого хода. Причина – большая номенклатура типоразмеров двигателей, что затрудняет сочленение двигателя с устройством, создающим механическую нагрузку с регулируемым моментом. В результате заказчику ремонта может быть отправлен двигатель с необнаруженными дефектами.

Авторы представляют комплекс технических и программных средств, позволяющий испытывать двигатели номинальным током без механической нагрузки.

МЕТОД ДИНАМИЧЕСКОГО НАГРУЖЕНИЯ

Суть динамического нагружения электродвигателя заключается в применении режима противовключения по следующему алгоритму:

1. На статор подается напряжение в направлении вращения ротора, например, «Вперед», с ограничением пускового тока.
2. В момент начала уменьшения тока напряжение снимается и выполняется динамическое торможение до скорости примерно 0,3–0,5 номинальной.
3. Затем напряжение подается в направлении вращения ротора «Назад» также с ограничением пускового тока.
4. В момент начала уменьшения тока напряжение снимается и выполняется динамическое торможение до скорости примерно 0,3–0,5 номинальной.
5. Действия 1–4 повторяются в течение заданного периода, во время которого запоминаются и архивируются основные параметры двигателя – фазные токи при нагрузке и холостом ходе, вибрации подшипников и их температура.

Параметры по п.5 привязываются к типу, мощности и прочим данным испытуемого двигателя, а также к дате и реальному времени. Они могут быть выданы в печать и на дисплей.

КОНСТРУКЦИЯ ИСПЫТАТЕЛЬНОГО СТЕНДА

• реверсивный регулятор напряжения мощностью 300 кВт, 0,4 кВ;
• силовой шкаф коммутации, содержащий автоматический выключатель, два комплекта силовых шин на токи до 700 и 1300 А, два силовых контактора на эти токи, промежуточные электромеханические реле и четыре датчика температуры силовых шин;
• шкаф управления, содержащий измерительные контроллеры, контроллер управления и специальное программное обеспечение;
• рабочая станция, содержащая компьютер, источник бесперебойного питания и специальное программное обеспечение.

Технические данные стенда представлены в табл. 1.

Таблица 1. Технические данные стенда

Продолжительность испытаний устанавливается оператором.

Все технические средства стенда, за исключением измерительного контроллера, – стандартные. Измерительный контроллер разработан ООО «Криворожэлектромонтаж».

Назначение отдельных составляющих стенда (рис. 1):

• ТРН – тиристорный регулятор напряжения выдает на статор двигателя напряжение, обеспечивающее по командам контроллера управления заданные величины тока и времени разгона, торможения и противовключения (рис. 2);
• БДН – блок делителей, обеспечивающий масштабирование напряжения, подаваемого на входы БГР от силовой шины;
• БГР – блоки гальваноразвязки и нормализации сигналов, поступающих от БДН, имеющие один и тот же коэффициент усиления;
• ИК1–ИК7 – контроллеры для измерения и передачи в КУ и рабочую станцию мгновенных значений токов;
• СМт – двухпозиционные сигналы для автоматической подстройки масштаба измерительных трансформаторов тока в ТРН под токи испытуемых двигателей;
• К1, К2 – контакторы, подключающие к ТРН двигатели с соответствующим диапазоном токов по командам контроллера управления;
• СВК – двухпозиционные сигналы, выдаваемые контроллером управления, для переключения контакторов;
• КУ – контроллер управления со следующими функциями:
  • обмен данными с ИК и рабочей станцией по RS-485;
  • выдача в ТРН по RS-232 данных о требуемых величинах ограничения скорости нарастания и величины тока разгона, тока и времени торможения, максимального тока защиты;
  • прием из ТРН по RS-232 служебных данных: Готовность и Авария;
  • выдача команд выбора контактора (шина 700 или 1300 А);
• РС – рабочая станция со следующими функциями:
  • прием от оператора исходных данных об испытуемом двигателе, типе испытаний (измерение сопротивления изоляции, холостой ход и/или динамическое нагружение) и их продолжительности;
  • прием данных от ИК о мгновенных значениях токов и расчет их действующих значений;
  • прием данных от КУ о температуре шин, вибрации и сопротивлении изоляции;
  • оформление результатов испытаний в виде протокола;
  • архивирование и визуализация данных о результатах испытаний с привязкой к дате, времени и типу двигателя.

Рис. 1. Структурная схема стенда

Ш1 – шкаф силовой с тиристорным реверсивным регулятором напряжения (ТРН);
Ш2 – шкаф силовой с контакторами;
Ш3 – шкаф управления;
SA – автоматический выключатель;
К1 – контактор на токи до 700 А;
К2 – контактор на токи до 1300 А;
1, 2, 3 , 4 – линии связи с отрезками силовых шин;
Дв – испытываемый двигатель;
Входы – аналоговые и дискретные сигналы;
Выходы – дискретные сигналы управления;
— – линия связи для интерфейса RS-485 / RS-232;
И, В, Т – сигналы сопротивления изоляции, вибрации и температуры подшипников.

Рис. 2. График тока двигателя в функции сигналов управления

I_Н – номинальный ток двигателя;
I_Ф – фактический средний ток двигателя при испытаниях;
I₁ – ток разгона, равный 1,5 I_н (ограничивается ТРН);
I_Т – ток торможения;
I₂ – ток противовключения, равный 1,5 I_н (ограничивается ТРН);
В, Т и Н – соответственно двухпозиционные сигналы Вперед, Торможение и Назад;
Δτ – задержка в 50 мс для исключения КЗ в силовых цепях ТРН.

Для удобства восприятия токи на участках разгона и торможения условно показаны в одной полярности.

-----------------------------------

Программное обеспечение стенда включает в себя:

• подсистему определения фазных токов, размещенную в измерительных контроллерах,
• подсистему расчетов и управления, размещенную в контроллере управления,
• подсистему рабочей станции.

РС ведет диалог с оператором при помощи оконного интерфейса, системы подсказок и горячих клавиш. Для архивации данных используется СУБД FireBird. Протоколы испытаний сохраняются в формате RTF.

ПОДХОД К ИЗМЕРЕНИЯМ

1. Информация о токе в фазах А и В снимается в виде падения напряжения на отрезках силовых шин [3].

2. В связи с тем, что диапазон токов испытуемых двигателей равен 1:65, для повышения точности измерения токов падение напряжения шин по п. 1 подается одновременно на 28 входов аналого-цифрового преобразователя (АЦП) семи ИК. Каждый из ИК принимает только 4 сигнала с фаз А и В и вырабатывает двухпозиционный сигнал готовности, если входное напряжение АЦП соответствует заданному диапазону измерения.
3. Выдачу команд на реализацию режима динамического нагружения и контроль процесса испытаний выполняет КУ.
4. Испытания проводятся в режимах измерения сопротивления изоляции, холостого хода и динамической нагрузки с измерением уровня вибраций и температуры подшипников.
5. Результаты предыдущих видов испытаний – сопротивление обмоток постоянному току и проверка изоляции на пробой – вносятся в протокол оператором вручную с клавиатуры РС.

Для пояснения подхода к измерению токов в табл. 2 в качестве примера приведены числовые данные на выходах семи делителей для фазы А. Таким образом, 7 делителей обеспечивают измерение токов в семи диапазонах (0–100 А, 101–200 А и т.д.), для каждого из которых имеется одна и та же величина выходного напряжения, равная 30 мВ действующего значения при максимальном токе диапазона для соответствующего контроллера.

Таблица 2. Напряжение на выходах семи делителей для фазы А при фиксированном уровне тока в линии

Напряжение выхода каждого делителя поступает на входы БГР, который усиливает сигнал и сдвигает его таким образом, чтобы значение выходного напряжения было всегда больше нуля. При поступлении на вход блока сигнала уровнем более 45 мВ напряжение выхода не превышает 5 В.

Передаточная характеристика блока имеет вид:

где к – коэффициент усиления блока, равный 55.

Выходы БГР поступают на входы 4-канальных 10-битных АЦП измерительных контроллеров.

Измерение токов выполняют семь контроллеров одновременно и независимо друг от друга. Командой контроллеру на измерение является появление сигнала синхронизации, вырабатываемого компаратором контроллера в начале периода питающей сети. В конце каждого периода (20 мс) каждый из ИК проверяет условия (2), (3) и выдает дискретный сигнал (U_д.вых = 1) в КУ:

где U_вх – напряжение на входе АЦП контроллера.

В табл. 3 приведен пример комбинации аналоговых сигналов на входах АЦП и дискретных сигналов на выходах ИК при токе в линии 275 А. Видно, что сигнал готовности выработали те контроллеры, на входе которых присутствует напряжение по условию (2). КУ, получив данные о состоянии дискретных выходов, обращается к ИК3, выдающему напряжение, наиболее близкое к максимальному порогу АЦП. Такой алгоритм позволяет получить измерения с минимальной погрешностью.

Таблица 3. Пример комбинации аналоговых сигналов на входах АЦП и дискретных сигналов на выходах ИК при токе в линии 275 А

Результаты измеренных мгновенных значений токов двигателя должны быть представлены в виде действующих значений:

, (4)

где Т – время испытания двигателя или период сигнала.

В рассматриваемом случае для вычисления действующего значения в цифровом виде используется формула:

, (5)

где N – количество измерений с заданным периодом дискретизации,
I_i – мгновенное значение тока в i-й момент времени.

По результатам расчетов за один период действующее значение синусоиды с амплитудой 2,45 В, определенное по (4), отличается от значения, определенного по (5) на 0,4%.

Токи, протекающие по силовой шине, нагревают ее, что влечет за собой погрешность в их измерении. Для исключения этой погрешности на шинах установлены датчики температуры. Сигналы от них поступают на преобразователи термосопротивлений (БГР8 и БГР9) и далее в КУ, где сохраняются с привязкой ко времени. После испытаний двигателя значения температур передаются в РС, которая пересчитывает реальные значения токов, корректируя принятые значения.

Сопротивление алюминия (материал силовой линии) с изменением температуры определяется по формуле:

где R_ф – фактическое сопротивление алюминия;
R_20°С – сопротивление алюминия при 20°С;
0, 0042 – температурный коэффициент алюминия;
t – текущая температура;
20 – температура 20°С, при которой определено R_20°С.

Фактическое значение тока определяется выражением:

(7)

где: I_факт – фактическое значение тока;
I_изм – измеренное значение тока;
R_нал – сопротивление шины, определенное при наладке;
R_факт – фактическое сопротивление шины на момент измерений;
t_нал – температура шины при наладке;
t – фактическая температура шины при испытаниях.

Таким образом, вместо определения фактического сопротивления шины достаточно зафиксировать температуру, при которой проводилась наладка, и рассчитывать реальные значения токов, учитывая разность температур при наладке и последующих испытаниях двигателей.

Предложенное решение позволяет достаточно точно определять ток в цепи, питающей двигатель.

Поведение токов при испытаниях поясняет осциллограмма (рис. 3) токов и вибраций испытуемого двигателя (тип МО-132, мощность 132 кВт, ток 270 А, обороты – 970 в минуту), где:
а) фазные токи на начальном участке разгона двигателя,
б) напряжение, питающее стенд,
в) фазные токи на участке перехода с разгона на установившуюся скорость (режим холостого хода),
г) токи в режимах разгона, торможения и холостого хода,
д) виброскорость.

КАЛИБРОВКА ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ КАНАЛОВ

Калибровка проводилась следующим образом. В разрыв силовых линий были установлены шунты. Милливольтметры V1 и V2 класса 0,5 были подключены к шунтам в точках 1–2, 3–4. Регистратор аналоговых сигналов (ВИЗИР-3) был подключен к точкам 1–2, 3–4, 5–6 и 7–8. Регистратор не является образцовым прибором и используется для облегчения и ускорения процесса калибровки, а также в качестве архиватора. Нагрузочным устройством последовательно в каждой фазе устанавливалось два значения тока, одно из которых соответствует 0,5 измеряемого диапазона, второе – 0,9. Допуск на эти значения до ±10%. Например, для первого диапазона (ИК1 на рис. 4) первое значение тока находится в пределах 40–50 А, второе – в пределах 85–95 А.

Вес младшего разряда (2⁰) в амперах АЦП каждого канала ИК определялся исходя из выражения:

2⁰ =I_ш / N = (U_ш · 500 / 75) / (k · 2ⁱ) ,

где I_ш – ток шунта;
N – результат измерения на выходе канала АЦП;
500 – номинальный ток шунта, А;
75 – падение напряжения на шунте при номинальном токе, мВ;
U_ш – измеренное падение напряжения на шунте, мВ;
k – двоичное содержимое i-го разряда значения АЦП («0» или «1»);
2ⁱ – вес i-го разряда значения АЦП.

Данный метод позволяет выполнить калибровку с малыми трудозатрами, т.к. не требует расчета коэффициентов передачи каждого звена в измерительной цепи стенда.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ЛИТЕРАТУРА

1. Пономарев В.А., Суворов И.Ф. Комплексный метод диагностики асинхронных электродвигателей на основе использования искусственных нейронных сетей // Новости ЭлектроТехники. 2010. № 3.

2. Родькин Д.И. Системы динамического нагружения и диагностики электродвигателей при послеремонтных испытаниях. М.: Недра, 1992. С. 236.
3. 3. Ткаченко Г.И., Пирогов А.В., Баленко Ю.В и др. Измерения токов в кабельных линиях связи без трансформаторов и шунтов // Металлургическая и горнорудная промышленность. 2009. № 6.