Вид РИД
Изобретение
Изобретение относится к электротехнике, а именно к способу определения коэффициента пропитки обмоток электрических машин, соединенных в звезду с изолированной нейтралью.
Известен способ контроля качества пропитки обмоток электрических машин, предложенный в работе [2], который заключается в измерении емкости обмотки относительно магнитного сердечника до пропитки Сдп и емкости относительно магнитного сердечника после пропитки и сушки обмотки Спп, а о качестве пропитки предложено судить по коэффициенту пропитки Кпр, определяемому из выражения
Недостатком способа-аналога является низкая точность контроля, так как величины Сдп и Спп зависят от расположения витков в обмотке, а также от того как распределился состав по корпусным полостям обмотки. При попадании одинакового количества (массы) пропиточного состав в две разные однотипные обмотки одной партии Кпр, определяемый по формуле (1), может давать существенно отличающиеся друг от друга значения. Поэтому формула (1) не позволяет объективно судить о насыщенности полостей обмотки пропиточным составом.
Наиболее близким к заявляемому способу является способ определения коэффициента пропитки обмоток, описанный в работе [2], частично устраняющий указанные выше недостатки аналога.
В способе-прототипе [2], по которому у каждой обмотки из данной партии измеряют емкости относительно корпуса до пропитки и после пропитки и сушки, одну из обмоток, произвольно выбранную из данной партии, после измерения емкости относительно корпуса до пропитки погружают в пропиточную жидкость с известной диэлектрической проницаемостью обмотки и измеряют емкость относительно корпуса, не вынимая обмотку из пропиточной жидкости, а коэффициент пропитки для каждой из оставшихся обмоток данной партии определяют по формуле
где Сдп, Спп - емкости обмотки относительно корпуса соответственно до пропитки и после пропитки и сушки; - емкость произвольно выбранной обмотки относительно корпуса до пропитки; - емкость произвольно выбранной обмотки относительно корпуса после выдержки в пропиточной жидкости с известной диэлектрической проницаемостью до полного заполнения ею полостей обмотки; ε1 - диэлектрическая проницаемость пропиточной жидкости; ε2 - диэлектрическая проницаемость отвержденного пропиточного состава.
Недостатком способа-прототипа является необходимость у одной из произвольно выбранных обмоток измерять емкость относительно корпуса до пропитки, затем, после измерения емкости относительно корпуса до пропитки, погружать упомянутую обмотку в пропиточную жидкость с известной диэлектрической проницаемостью, и измерять емкость обмотки относительно корпуса, не вынимая обмотку из пропиточной жидкости. Введение этой операции усложняет способ.
Кроме того, по способу-прототипу определяют усредненный коэффициент пропитки обмоток, но этим способом невозможно определить распределенность пропиточного состава по фазам обмотки, которая в большинстве электрических машин соединена в звезду с изолированной нейтралью, что снижает информативность и точность контроля качества пропитки.
Технической задачей, на которую направлено изобретение, является упрощение способа, повышение его информативности и точности.
Поставленная техническая задача решается тем, что в способе определения коэффициента пропитки обмоток электрических машин, характеризующем степень заполнения пропиточным составом полостей обмотки, при котором у каждой обмотки из данной партии измеряют электрические параметры до пропитки и после пропитки и сушки, в качестве электрических параметров выбирают емкости двух фаз обмотки, соединенной в звезду, которые поочередно измеряют до пропитки Сдп12, Сдп13, Сдп23 и после нее Спп12, Спп13, Спп23 относительно корпуса, после чего по результатам измерений определяют коэффициент пропитки каждых двух фаз Кпр12, Кпр13, Кпр23 по формулам
где - эквивалентная емкость последовательно соединенных емкостей эмали и корпусной изоляции двух фаз обмотки, p - количество пазов в магнитном сердечнике; S - площадь паза; ε0=8,854187·10-12 - электрическая постоянная; εэ - диэлектрическая проницаемость эмалевой пленки провода обмотки; εк - диэлектрическая проницаемость корпусной изоляции; dэ - толщина эмалевой изоляции провода; dк - толщина корпусной изоляции провода. После чего определяют коэффициенты пропитки каждой фазы обмотки по формулам
где Kпр1, Kпр2, Кпр3 - коэффициенты пропитки 1-й, 2-й, 3-й фаз соответственно.
На фиг 1. схематически представлена обмотка трехфазной электрической машины, соединенная звездой с изолированной нейтралью. Позициями 1, 2, 3 обозначены выводы фаз обмотки, позицией 4 обозначена нейтраль обмотки.
На фиг.2 представлено сечение обмотки в одном из пазов, представляющее слоистую систему.
Она состоит из проводов обмотки 5, покрытых слоем эмали 6, корпусной изоляции 7, поверхности паза 8, воздушных полостей между поверхностью обмотки и корпусной изоляцией 9 и воздушных полостей между корпусной изоляцией и поверхностью паза 10, магнитного сердечника (корпус) 11.
На фиг.3 изображены емкости обмотки относительно корпуса, которым является магнитный сердечник статора электрической машины, представлены в виде слоистого плоского конденсатора до пропитки (фиг.3,А) и после нее (фиг.3,Б). На фиг.3,А и фиг.3,Б введены те же обозначения, только на фиг.3,Б вместо позиций 9 и 10 введены позиции 12 и 13, так как воздушные полости обмотки 9 и 10 после пропитки и сушки частично заполняются пропиточным составом. В связи с этим позициями 12 и 13 обозначены те же слои 9 и 10, но заполненные статистически распределенными по этим слоям частицами пропиточного состава. Фиг.1, фиг.2 и фиг.3 служат для пояснения сущности изобретения.
Сущность способа заключается в следующем.
Обмотки трехфазных электрических машин обычно соединяют звездой (см. фиг.1).
В способе-прототипе выводы фаз 1, 2, 3 соединяют между собой и до пропитки измеряют емкость обмотки Сдп относительно магнитного сердечника. После пропитки и сушки обмотки вновь соединяют выводы 1, 2, 3 между собой и измеряют емкость обмотки Спп. Затем по формуле (2), используя результаты всех измерений, описанных в способе-прототипе, определяют интегральный усредненный коэффициент пропитки обмотки. Между тем качество пропитки оценивается не только этим усредненным интегральным коэффициентом пропитки, но и тем, насколько равномерно распределился пропиточный состав по полостям обмотки.
Обмотка электрической машины, размещенная в пазы магнитного сердечника, представляет собой слоистую систему (см. фиг.1). Так как толщина dэ эмалевой изоляции 6 провода 5, толщина dк корпусной изоляции 7, и суммарная толщина dв воздушных полостей между поверхностью обмотки и корпусной изоляцией 9 и воздушных полостей между корпусной изоляцией и поверхностью паза 10 пренебрежительно малы и составляют несколько микрон, то емкость обмотки относительно корпуса можно с пренебрежительно малой погрешностью представить в виде слоистого плоского конденсатора (см. фиг.3). Если до пропитки соединить между собой выводы фаз 1 и 2 (фиг.1) и измерить емкость этих двух фаз относительно магнитного сердечника до пропитки Сдп12, а затем повторить эту же процедуру с выводами 1-3 и 2-3 и измерить до пропитки емкости двух соответствующих фаз Сдп13 и Сдп23, то эти емкости, поскольку они соединены последовательно, можно записать, в соответствии с фиг.2, в виде следующих соотношений:
где Сэ12, Сэ13, Сэ23 - емкости слоя эмаль-изоляции у двух фаз 1-2, 1-3, 2-3 соответственно, Ск12, Ск13, Ск23 - емкости слоя корпусной изоляции у двух фаз 1-2, 1-3, 2-3 соответственно, Св12, Св13, Св23 - суммарные емкости воздушных слоев 9 и 10 (фиг.3) у двух фаз 1-2, 1-3, 2-3 соответственно.
Так как у однотипных обмоток количество пазов, в которых расположены две фазы обмотки, площадь паза, толщина dэ эмалевой и толщина корпусной dк изоляции одинаковые, то следует принять, что Сэ12=Сэ13=Сэ23=Сэ(13) и Ск12=Ск13=Ск23=Ск (14).
Учитывая соотношения (13) и (14), выражения (10), (11) и (12) можно переписать в виде
Для плоского конденсатора можно записать
где р - количество пазов в магнитном сердечнике статора, εэ, εк, εв - диэлектрические проницаемости эмали, корпусной изоляции, воздуха соответственно, ε0=8,854187817·10-12 - электрическая постоянная; Св12, Св13, Св23 - суммарные емкости воздушных слоев 9 и 10 (фиг.2) двух фаз 1-2, 1-3, 2-3 соответственно. Подставив выражения (18), (19), (20), (21), (22) в формулы (15), (16), (17) и учитывая, что диэлектрическая проницаемость воздуха εв=1, можно записать
Из выражений (23), (24) и (25) следует
После пропитки и сушки обмоток объемы полостей 12 и 13 частично заполняются пропиточным составом, имеющим диэлектрическую проницаемость εп (см. фиг.3,Б). Так как пропиточный состав не полностью заполняет объемы полостей 12 и 13, а статистически распределен по полостям 12 и 13, то в упомянутых полостях образуется бинарная статистическая смесь, состоящая из частиц пропиточного состава и частиц воздуха, с диэлектрической проницаемостью ε*. Диэлектрическая проницаемость бинарной смеси ε* подчиняется распределению Лихтенеккера-Ротера [3], в соответствии с которым можно записать для фаз 1-2 в виде
где Vп12 - объем, который занимают частицы пропиточного состава в слоях 11 и 12,
V12-Vп12 - объем воздуха в слоях 12 и 13, ε12* - диэлектрическая проницаемость статистической смеси в слоях 12 и 13 фаз 1-2.
Учитывая, что диэлектрическая проницаемость воздуха εв=1, a lnεв=0, выражение (29) можно записать в виде
В выражении (30) отношение есть не что иное, как коэффициент пропитки Kпр12 объемов полостей фаз 1-2, характеризующий степень заполнения объема полостей V12 пропиточным составом.
Аналогичные выражения можно записать для слоев 12 и 13 (фиг.3,Б) для фаз 1-3 и 2-3
Если после пропитки и сушки измерить емкости Cпп12, Cпп13, Спп23 двух соответствующих фаз относительно корпуса и учесть, что пропиточный состав, диэлектрическая проницаемость которого εп, статистически распределился по объемам зазоров d12, d13, d23, то емкости слоев 12 и 13 в соответствующих двух фазах можно представить выражениями
Подставив в уравнения (15), (16) и (17) вместо Св12, Св13, Св23 величины Cп12, Cп13, Сп23, можно записать выражения для емкостей Cпп12, Cпп13, Спп23
Из соотношений (36), (37), (38) выразим зазоры d12, d13, d23
Так как после пропитки и сушки зазоры d12, d13, d23 в контролируемой обмотке не изменились, то можно приравнять правые части выражений (26), (27), (28) к правым частям соответствующих выражений (39), (40), (41), получим
Из соотношений (42), (43), (44) выразим , , и, преобразовав полученные выражения, запишем
где - эквивалентная емкость последовательно соединенных емкостей эмали и корпусной изоляции.
Выразим из соотношений (30), (31), (32) коэффициенты пропитки Kпр12, Kпр13, Кпр13 соответствующих фаз 1-2, 1-3, 1 и 2-3, получим
Подставив в выражения (49), (50) и (51) значения , , из соотношений (45), (46), (47), получим
Коэффициенты пропитки Кпр12, Kпр13, Кпр23 являются среднестатистической характеристикой пропитки соответствующих двух фаз, и их величины можно определить из выражений
где Kпр1, Кпр2, Кпр3 - коэффициенты пропитки фаз 1, 2 и 3.
Решив систему уравнений (55), (56), (57), относительно коэффициентов пропитки фаз Кпр1, Кпр2, Кпр3, получим
где Сдп, Спп - емкости обмотки относительно корпуса соответственно до пропитки Пример. Производилось определение коэффициентов пропитки обмоток статоров асинхронного электрического двигателя типа 4А112М по способу-прототипу и по заявляемому способу. По способу-прототипу до пропитки и после пропитки измерялись емкости всех трех фаз обмоток, соединенных в звезду, относительно магнитного сердечника статора на частоте электрического поля f=1000 Гц мостом Е2-12. Результаты измерений емкостей произвольно выбранных обмоток до пропитки и после нее приведены в таблице 1.
|
Произвольно выбранный статор №1 с погружали в бинарную жидкость диоксан-вода с диэлектрической проницаемостью ε1=2,23. У погруженной в жидкость обмотки измеряется емкость относительно статора. Она равна . По результатам измерений обмотки №1 определяют отношение
Обмотки статоров пропитываются лаком КП-34 струйно-капельным методом. После сушки обмоток при температуре полимеризации компаунда КП-34, равной 160°С, измерялись емкости обмоток относительно статора Спп. По результатам измерений обмотки №1 статора и контролируемых обмоток статоров определяют коэффициенты пропитки обмоток по выражению (2)
Диэлектрическая проницаемость отвержденного пропиточного компаунда КП-34 равняется ε2=εп=4,2.
Одновременно с этим по заявляемому способу определяли у тех же обмоток коэффициенты пропитки соответственных двух фаз Kпр12, Kпр13, Кпр23 по формулам (52), (53), (54), а затем коэффициенты пропитки каждой из фаз Kпр1, Kпр2, Кпр3, используя выражения (58), (59) и (60).
Предварительно по выражению (6) определяли величину Сэкв, исходя из следующих обмоточных данных:
р=36; S=0,5375×10-2 м2; dэ=0,7×10-3 м; dк=1×10-3 м; εэ=3,85; εк=5,92
Экспериментальные значения, необходимые для определения коэффициентов пропитки, и результаты контроля по заявляемому способу внесены в таблицу 2.
|
Из сравнения результатов, приведенных в таблице 1, и результатов, приведенных в таблице 2, можно сделать следующие выводы.
Имитация 100% пропитки путем погружения обмотки №1 в невязкую жидкость как по способу-прототипу, так и по заявляемому способу дает одинаковые результаты, показывающие, что в обмотке №1 действительно произошло полное заполнение пор и капилляров пропиточной жидкостью. Как следует из таблицы 1, обмотка №2 имеет наибольший коэффициент пропитки среди всех обмоток партии, который в соответствии со способом-прототипом равен 0,56.
В то же время по заявляемому способу обмотка №2 имеет самую большую неравномерность распределения пропиточного состава и в фазе 1 наблюдается один из самых низких коэффициентов пропитки, равный 0,28. Так как надежность обмотки определяется самым слабым звеном, то низкий коэффициент пропитки 0,28 в фазе 1 обмотки указывает на низкое качество обмотки. Наиболее качественно пропитаны, как это следует из таблицы 2, обмотки №3, №4 и №8, так как пропиточный состав в этих обмотках равномерно распределился по фазам обмотки, а коэффициенты пропитки фаз этих обмоток имеют высокие значения.
Таким образом, заявляемый способ по сравнению со способом-прототипом имеет следующие преимущества.
В заявляемом способе устранены присутствующие в способе-прототипе операции: погружение одной из партий контролируемых обмоток в невязкую жидкость с известной диэлектрической проницаемостью, измерение у этой обмотки емкости относительно корпуса перед погружением и после него, и процедура вычисления отношения емкостей у погруженной обмотки к емкости той же обмотки до погружения, что упрощает заявляемый способ.
В заявляемом способе стало возможным определять не только усредненный коэффициент пропитки, но и распределение пропиточного состава по фазам обмотки, что по сравнению со способом-прототипом существенно повышает информативность и точность контроля.
Список использованной литературы
1. Кондратьева Н.Г. и др. Оценка возможности использования электрической емкости обмотки статоров для контроля качества пропитки статоров электродвигателей низкого напряжения. - Электротехническая промышленность. Серия "Электрические машины", вып. 5/75, 1977.
2. А.с. №1241361. Способ определения коэффициента пропитки обмоток электрических машин / Г.В.Смирнов, Г.Г.Зиновьев. - Опубл. 30.06.86. Бюл. №24 - прототип.
3. Смирнов Г.В. Надежность изоляции обмоток электротехнических изделий. - Томск: Изд-во Том. ун-та. 1990. - стр.131.
Способ определения коэффициента пропитки обмоток электрических машин, характеризующего степень заполнения пропиточным составом полостей обмотки, при котором у каждой обмотки из данной партии измеряют электрические параметры до пропитки и после пропитки и сушки, отличающийся тем, что в качестве электрических параметров выбраны емкости двух фаз обмотки, соединенной в звезду, которые поочередно измеряют до пропитки С, С, С и после пропитки С, С, С относительно корпуса, после чего по результатам измерений определяют коэффициент пропитки каждых двух фаз К, К,К по формулам , , ,где - эквивалентная емкость последовательно соединенных емкостей эмали и корпусной изоляции двух фаз обмотки, р - количество пазов в магнитном сердечнике; S - площадь паза; ε=8,854187·10 - электрическая постоянная; ε - диэлектрическая проницаемость эмалевой пленки провода обмотки; ε - диэлектрическая проницаемость корпусной изоляции; d - толщина эмалевой изоляции провода; d - толщина корпусной изоляции провода, после чего определяют коэффициенты пропитки каждой фазы обмотки по формуламК=К-К+К,К=К-К+К,К=К-К+К,где К, К, К - коэффициенты пропитки 1-й, 2-й, 3-й фазы соответственно.