Выбор датчика тока для переносной системы диагностики машин и механизмов.

Борисов А.А. СЕВЗАПУЧЦЕНТР.

 

К наиболее эффективным методам функциональной диагностики работающих машин и механизмов относятся их диагностика по вибрации, тепловому излучению и току приводного электродвигателя. Метод оценки состояния собственно электродвигателя и приводимых им во вращения механизмов по потребляемому току, в мировой практике получивший название Motor Current Signature Analysis (MCSA) не так хорошо известен в России, как два других. Возможно, это связано с определенной практической сложностью проведения электрических измерений в электроустановках, находящихся под напряжением.

Диагностика по току требует, прежде всего, измерения переменных составляющих тока разной частоты, которые присутствуют в электрических цепях любых электродвигателей, в том числе и постоянного тока. Основной вид измерений – это измерение спектра тока в широком диапазоне частот, обычно до 10кГц. Основное средство анализа – анализатор спектра, аналогичный тому, который используется для анализа вибрации. Используется лишь другой вид измерительного преобразователя – измерительный трансформатор тока.

Ниже приводится краткий анализ трех основных типов измерительных трансформаторов (датчиков) тока, которые могут использоваться в переносных системах диагностики – на основе простейшего трансформатора напряжения, на основе датчика Холла и на основе измерительного пояса Роговского.

1. Выходные сигналы измерительного преобразователя тока.

Выходным сигналом датчика тока должно быть электрическое напряжение, пропорциональное величине мгновенного тока в охватываемом магнитной цепью датчика силовом электрическом кабеле. В обычном трансформаторе это напряжение на активном сопротивлении (или его части), представляющим собой оптимальную нагрузку на вторичную обмотку трансформатора. Первичной обмоткой с одним витком и является силовой кабель (шина), в котором измеряется ток.

В измерительном преобразователе тока на основе датчика Холла выходным сигналом является разность потенциалов на выходе датчика Холла, пропорциональная напряженности магнитного поля, воздаваемого в специально формируемом зазоре у окружающего силовой кабель магнитопровода, т.е. в простейшем измерительном преобразователе такого типа вторичной обмотки нет.

В гибком измерительном преобразователе на основе пояса Роговского есть и первичная обмотка (силовой кабель), и вторичная обмотка с большим количеством витков, но нет охватывающего силовой кабель накопителя магнитной энергии – магнитопроводящего сердечника, поэтому выходной сигнал такого преобразователя пропорционален не измеряемому току, а его производной.

2. Спектры измеряемых токов.

К напряжению трехфазных силовых сетей переменного тока обычно предъявляются достаточно жесткие требования – искажения формы напряжения (отличие от синусоидальной формы), как правило, не должны быть более двух процентов. Аналогичные требования обычно предъявляются и к линейности фазового электрического сопротивления машин переменного тока, поэтому в спектре тока типовой машины обычно не бывает сильных гармонических составляющих потребляемого тока, но частотный диапазон, в котором есть информативные составляющие тока, достаточно широк. Так, на рис.1 приведена форма и спектр тока в одной из фаз асинхронного электродвигателя без сильных дефектов. Для наглядности спектр тока по оси ординат приведен в логарифмическом масштабе.

 

Рис.1.Форма тока, потребляемого асинхронным электродвигателем, и его спектр

В последние годы в качестве приводного электродвигателя все шире используется наиболее дешевый и надежный асинхронный электродвигатель, а для управления частотой его вращения и упрощения пуска используется статический преобразователь частоты питающего напряжения. На вход такого преобразователя подается трехфазное напряжение с частотой 50Гц, а на выходе формируется трехфазное напряжение другой частоты, оптимальной по энергопотреблению агрегата или другим контролируемым параметрам. Естественно, что форма выходного напряжения такого преобразователя, если она жестко не стандартизована, также как и потребляемого электродвигателем тока, существенно отличается от синусоидального, а спектр тока содержит большое количество различных составляющих, как это показано на рис. 2.

Рис.2 Форма и спектр тока асинхронного электродвигателя при использовании статического преобразователя частоты питающего напряжения.

Похожая ситуация складывается и напряжением питания двигателей постоянного тока. Как правило, двигатель постоянного тока питается от трехфазного выпрямителя переменного тока. Если регулирование частоты вращения агрегата организовано так, что выпрямленное напряжение питания не меняется, искажения напряжения питания и потребляемого тока будут минимальными, уложатся в 2% от выпрямленного напряжения (тока якоря) и проявятся, в основном на частоте 300Гц. Но в большинстве практических случаев регулирование частоты вращения двигателя производится статическим регулятором выпрямленного напряжения. Форма тока якоря двигателя при использовании наиболее распространенного тиристорного регулятора напряжения приведена на рис. 3. Там же приведен и спектр тока якоря.

Рис. 3. Форма и спектр тока якоря при питании машины постоянного тока от тиристорного регулятора напряжения.

Сказанное подтверждает необходимость измерения спектра тока, потребляемого электродвигателем, по крайней мере, до 10кГц, при решении задач диагностики, как электропривода, так и приводимого во вращение механизма.

3. Конструктивные особенности измерительных преобразователей тока.

Первый тип преобразователей тока – это разъёмные трансформаторы тока, основанные на принципе электромагнитной индукции (рис.4).

 

a)			б)
в)

Рис.4. Разъёмный токовый трансформатор для установки в стационарной\стендовой системе(а), для использования с переносными приборами (б) и эквивалентная схема подключения вторичной обмотки трансформатора к приёмнику данных, через нагрузочное сопротивление (в).

Разъёмные трансформаторы тока измеряют параметры только переменного тока. Основной недостаток токовых трансформаторов – большие габариты магнитного сердечника и высокие напряжения на выходе при размыкании вторичной электрической цепи. Кроме того, такие трансформаторы не предназначены для измерения постоянной и низкочастотных составляющих тока в диапазоне ниже 2-5Гц, поэтому в переносных средствах измерения их обычно не используют. В то же время их рекомендуется устанавливать в щиты питания машин переменного тока стационарно, с выводом маломощного сигнала в место, доступное для измерений переносной системой диагностики.

Второй тип преобразователей, который получил наиболее широкое распространение при бесконтактном измерении тока, - это токовые клещи с датчиком Холла, которые могут измерять параметры, как переменного, так и постоянного токов (рис.5).

Рис.5. Токовые клещи с датчиком Холла

Измерение параметров тока осуществляется посредством измерения напряжения, индуцируемого на обкладках полупроводниковой пластины (датчика Холла), установленной в зазоре магнитопровода, пропорционально величине напряжённости магнитного поля, созданного в магнитопроводе проводником с измеряемым током.

Недостатком такого вида преобразователей является наличие небольшого постоянного смещения выходного напряжения, вносящего систематическую ошибку в результаты измерения постоянной составляющей тока. Для исключения этой ошибки в преобразователи либо встраивается переменный резистор «установки нуля», который легко настраивается, либо в магнитный сердечник устанавливается обмотка, для компенсации постоянной составляющей магнитного поля. Преобразователи без компенсационной обмотки получили наименования «открытого типа» («open loop») или прямого усиления, с компенсационной обмоткой - «закрытого типа» («closed loop»).

Третий тип  – гибкие измерительные преобразователи тока, которые в России более широко известны под термином «пояс Роговского» (рис.6).

Рис.6. Гибкие измерительные преобразователи тока («пояс Роговского»).

 Гибкие преобразователи измеряют скорость изменения тока в проводнике, поэтому сигнал с выхода такого преобразователя должен интегрироваться для получения значений тока. С помощью пояса Роговского возможно измерение параметров только переменного тока, причем начиная с частот порядка 5-10Гц. Верхняя граничная частота измеряемых составляющих тока практически неограниченна, поэтому чаще всего такой преобразователь используется для специальных измерений тока на частотах в сотни кГц и выше. При этом, как правило, измеряемый сигнал не интегрируется.

4. Особенности применения измерительных преобразователей тока при решении диагностических задач.

В переносных системах диагностики по току электродвигателей чаще всего используются минимальные по габаритам измерительные преобразователи тока с датчиком Холла, так как позволяют измерять ток в широком диапазоне частот, начиная с постоянной составляющей. Измерения составляющих тока с инфранизкими частотами, начиная от 0,001Гц очень важны при диагностике низкооборотных агрегатов (конвейеров и т.п.) с приводом постоянного тока.

Преобразователи с компенсационной обмоткой используется гораздо реже, чем без нее из-за необходимости использовать магнитопровод с обмоткой, что увеличивает габариты преобразователя и требует достаточно мощного источника компенсационного тока. Операция установки нуля в простейших преобразователях с датчиками Холла перед измерениями постоянного тока обычно выполняется путем предварительного измерения тока в цепях переменного тока, в которых постоянная составляющая практически отсутствует.

Главная особенность гибкого измерительного преобразователя тока – отсутствие жесткого сердечника и определяет его применимость при проведении диагностических измерений в сложных условиях.

На некоторых объектах контроля целесообразно использование полустационарной (стендовой) системы диагностики, когда группа датчиков тока устанавливается стационарно (при этом могут использоваться как разъёмные так и неразъёмные трансформаторы), а сигналы снимаются непосредственно многоканальным измерительным прибором, либо предварительно накапливаются в цифровой форме в специальном накопителе информации на месте измерения.

Еще один важный практический случай – измерение тока во вторичных измерительных цепях с помощью измерительного трансформатора тока. Действительно, в цепях крупных электрических машин часто устанавливаются стационарные измерительные трансформаторы тока для устройств контроля или автоматического управления. Токи во вторичных цепях таких трансформаторов достаточно велики, чтобы изменять и анализировать их бесконтактно, с помощью токовых клещей. Только нужно использовать клещи с верхней граничной величиной измеряемого тока в несколько ампер, а не сотен ампер.

Основные параметры, по которым необходимо определиться перед выбором измерительного преобразователя тока для переносной системы диагностики:

• тип измеряемого тока: переменный или постоянный ток (датчики, предназначенные для измерения постоянного тока, имеют обозначение AC/DC (переменный/постоянный), так как они могут измерять значения, как переменного, так и постоянного тока);
• наибольшее и наименьшее измеряемое значение тока. Необходимо определить подходит ли точность измерения в нижнем амплитудном диапазоне т.к. многие датчики имеют высокую точность измерения только в верхнем амплитудном диапазоне;
• диаметр провода, который необходимо охватить и доступность измерительного преобразователя для периодической установки под напряжением;
• значение напряжения для проводника, на котором выполняется измерение т.к.большинство типовых датчиков тока не должно использоваться для напряжений выше 600 В.
• тип выходных разъёмов преобразователя для подключения к сборщику данных (например, BNC);  
• тип единиц на выходе преобразователя для согласования со сборщиком данных (мА, мВ, AC, DC, и т.п.);

Если электродвигатель питается от статического преобразователя напряжения, необходимо убедиться, что имеющиеся искажения напряжения и создаваемые ими составляющие в спектре тока не мешают выявлять диагностические признаки дефектов собственно электродвигателя и вращаемого им механизма.