Ёмкостной способ контроля качества пропитки обмоток электрических двигателей общепромышленного применения Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 621. 316.3.048 (075.8)

ЁМКОСТНОЙ СПОСОБ КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА ПРОПИТКИ ОБМОТОК ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ДВИГАТЕЛЕЙ ОБЩЕПРОМЫШЛЕННОГО ПРИМЕНЕНИЯ

Смирнов Геннадий Васильевич1,

[email protected]

Смирнов Дмитрий Геннадьевич1,

[email protected]

1 Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники, Россия, 634045, г. Томск, пр. Ленина, 40.

Актуальность работы обусловлена тем, что основная часть технологических процессов практически во всех отраслях промышленности, в том числе связанных с добычей, транспортировкой, переработкой минерального сырья, не может быть реализована без использования электродвигателей. Высокая надежность работы этих машин обеспечивает безаварийность и является гарантом безопасности людей в указанных отраслях промышленности. Показатели надежности работы электрических машин зависят от состояния изоляции обмоток, которое в значительной мере определяется насыщенностью полостей обмотки пропиточным составом, проникшим в них при пропитке. Совершенствование же технологии пропитки обмоток электрических машин, повышение их качества и надежности изоляции, невозможно реализовать без надлежащих методов контроля качества пропитки. Цель работы: исследование применимости электрической ёмкости обмоток относительно корпуса для контроля качества пропитки обмоток электрических машин.

Методы исследования: электрические измерения ёмкостных характеристик обмоток электрических машин; измерения геометрических параметров компонент изоляции обмоток; метрологические методы оценки погрешностей косвенных измерений. Результаты. Доказана возможность определения коэффициентов пропитки путем измерения емкостных характеристик обмотки относительно ее корпуса. Проведено обоснование критериев для оценки качества пропитки и получены формулы для их расчета. Достоверность результатов подтверждена экспериментально. Осуществлён подробный анализ метрологических характеристик предлагаемого способа. Реальные примеры показывают, что использование предлагаемого способа позволяет обеспечить высокую точность определения коэффициента пропитки обмоток статоров электрических машин. Результирующая косвенная ошибка определения коэффициентов пропитки не превышает 3,8 %.

Ключевые слова:

Пропитка, компаунд, электрическая ёмкость, диэлектрическая проницаемость, магнитный сердечник, конденсатор, статистические смеси.

Введение

Самым ненадежным узлом электрической машины является изоляция обмоток электрических машин [1, 2]. При этом убытки обусловлены не только большими затратами на ремонт или замену отказавших электродвигателей, но и простоем оборудования, в котором была задействована отказавшая электрическая машина. Надёжность изоляции обмоток электрических машин во многом зависит от качества изоляции обмоточного провода, от вида и состояния намоточного оборудования и технологии пропитки [3-6]. Именно в процессе пропитки обмоток пленкой пропиточного состава скрываются дефекты в витковой, межфазной и корпусной изоляции. В результате пропитки улучшаются не только электроизоляционные свойства обмоток, но возрастает и их теплопроводность, влагостойкость, монолитность и другие характеристики, повышающие надежность изоляции обмоток.

Содержание влаги в воздухе, высокие и низкие температуры воздуха оказывают неблагоприятное воздействие на изоляцию обмоток электроприводов, ускоряя процесс изнашивания полимерных материалов, снижая их электрическую прочность [7, 8]. Процесс проникновения влаги в обмотки

электрических машин усугубляется при их плохой пропитке, когда степень заполненности межвитко-вых и прикорпусных полостей пропиточным составам низка. При этом в изоляции обмоток образуются многочисленные поры и капилляры, в которые проникает и адсорбируется влага, что приводит к ускоренному старению изоляции обмоток и значительному повышению вероятности их отказа [9].

Большую опасность представляет недопустимый нагрев обмоток электрических машин [8], вызываемый длительными перегрузками, ухудшением условий охлаждения электрооборудования, обрывом одной из фаз сети и работой электрооборудования в неполнофазном режиме, отклонениями напряжения выше допустимых пределов, частыми или затянувшимися пусками электродвигателей, а также их опрокидыванием и заклиниванием ротора и др. Важное значение для обеспечения надежности и безопасности работы имеет периодический контроль сопротивления изоляции обмоток, величина и скорость изменения которого при эксплуатации помимо прочих факторов зависит также и от качества пропитки обмоток.

Перед монтажом электродвигателя в промышленные установки его необходимо тщательно ос-

мотреть, при помощи мегомметра проверить сопротивление изоляции между фазами и между фазами и корпусом. Для проверки изоляции электродвигателей с рабочим напряжением обмоток 380/660 В рекомендуется пользоваться мегомметром на напряжение 1 кВ. Измеренное сопротивление изоляции между корпусом и обмоткой электродвигателя должно быть не менее 1,5 МОм. Однако высокое исходное сопротивление изоляции обмоток еще не является гарантией её высокой надежности. Это обусловлено тем, что при низкой степени заполнения межвитковых и прикорпу-сных полостей обмоток пропиточным составом в воздушных полостях незаполненной пропиточным составом изоляции обмотки может конденсироваться влага, пыль, различные химические вещества, что вызовет ускоренное снижение сопротивления изоляции.

Кроме приведенных выше причин снижения качества изоляции обмоток, существуют еще так называемое естественной старение и износ изоляции, заключающийся в ухудшении состояния из-за воздействия окружающей среды и выделяемого обмоткой тепла, которое зависит от теплопроводности пропиточного состава и качества пропитки [10]. Вследствие нарушения изоляции происходит витковое замыкание. Если это замыкание произошло в обмотке якоря машины, то при вращении его в магнитном поле в замкнутых накоротко витках якоря, вследствие их малого сопротивления, возникнут большие токи и через несколько десятков секунд короткого замыкания изоляция обуглится. Кроме виткового замыкания, часто происходит замыкание между секциями обмотки. Такое замыкание может возникнуть на коллекторных пластинах вследствие их деформации, заполнения промежутков между пластинами проводящей влагой или проводящей пылью.

Пропитка обмоток приводит к повышению их монолитности, механической прочности, влагостойкости и теплопроводности, что в значительной мере приводит к повышению надежности, безотказности и безаварийности работы [11].

Совершенствование технологии пропитки, оперативное устранение технологических причин, приводящих к некачественной пропитке, невозможно реализовать без разработки и внедрения не-разрушающих методов контроля качества указанной технологической операции.

Теоретическая часть

Попытки найти простой и достоверный способ контроля пропитки предпринимались относительно давно. В частности, в работе [12] был предложен ёмкостной метод контроля качества пропитки обмоток электрических машин, который заключался в измерении емкости обмотки относительно магнитного сердечника до пропитки Сд и емкости относительно магнитного сердечника после пропитки и сушки обмотки Сп. Качество пропитки было

предложено оценивать по коэффициенту пропитки Кпр, определяемому из выражения

С

С (1)

Кпр1 -

С

Недостатком этого способа является низкая точность контроля, так как величины Сд и Сп 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. Кроме того, коэффициент пропитки, определяемый выражением (1), не дает представления о степени заполненности объема пор и капилляров в обмотке пропиточным составом.

В работе [13] для оценки наполненности обмотки пропиточным составом использовался метод, основанный на измерении ёмкости специально вставленного в обмотку центрального проводника относительно магнитного корпуса (магнитного сердечника) статора до и после пропитки. Необходимым условием использования данного метода является наличие центрального проводника, изолированного от остальных проводников обмотки, который в реальных обмотках электрических машин отсутствует. Поэтому применение данного метода требует изменения конструкции контролируемого изделия или подготовки имитационных макетов. Кроме того, метод обладает низкой точностью, поскольку измеряемая величина емкости проводника относительно корпуса, как до пропитки, так и после неё, мала и составляет лишь десятки пикофарад. Малое значение указанной емкости предъявляет высокие требования к точности используемых средств измерения и приводит к большим погрешностям.

Рассмотрим вопрос о возможности использовании ёмкости обмоток относительно магнитного сердечника в качестве информационного фактора, с помощью которого можно определить степень заполненности (насыщенности) пропиточным составом полостей обмотки.

Основываясь на представлении емкости обмотки относительно корпуса изделия в виде слоистой системы (см. рисунок) и постоянстве отношения емкостей обмотки после погружения ее в диэлектрическую жидкость к емкости этой же обмотки до погружения, покажем, каким образом можно найти Кпр [14, 15].

На рисунке а представлено сечение обмотки в одном из пазов. Оно состоит из проводов 1, покрытых слоем эмали 2, корпусной изоляции 3, поверхности паза 4, воздушных полостей между поверхностью обмотки и корпусной изоляцией 5 и воздушных полостей между корпусной изоляцией и

L

• • • • • ■ 1.«| • ••»•

Рисунок. Сечение обмотки в одном из пазов (а) и представление её корпусных полостей в виде слоистого конденсатора до пропитки (б) и после неё (в). 1 - провод; 2 - эмалевая изоляция; 3 - диэлектрическая изоляционная пленка (корпусная изоляция); 4 - поверхность паза; 5 - воздушные полости между поверхностью обмотки и изоляционной диэлектрической пленкой; 6 - воздушные полости между изоляционной диэлектрической пленкой и поверхностью паза; 7 - магнитный сердечник (корпус); 8, 9 - полости обмотки 5, 6 после пропитки и сушки; 10 - клин

Figure. The cross section of the winding in the groove (a) and its presentation in the form of multilayer capacitors before (b) and after (с) impregnation. 1 is the wire; 2 is the enamel insulation; 3 is the dielectric insulating film; 4 is the groove surface; 5 is the air cavities between the coil surface and the insulating dielectric film; 6 is the air cavity between the insulating dielectric film and the surface of the groove; 7is the magnetic core (body); 8, 9 are the windings 5, 6 hollows after impregnation and drying; 10 is the wedge

поверхностью паза 6, а также из магнитного сердечника (корпуса) 7.

Ёмкость обмотки относительно корпуса, которым является магнитный сердечник статора электрической машины, можно представить в виде слоистого плоского конденсатора до пропитки (рисунок, б) и после неё (рисунок, с). На рисунке б и с введены те же обозначения, что и на сечении обмотки, только на рисунке с вместо позиций 5 и 6 введены позиции 8 и 9, так как воздушные полости обмотки 5 и 6 после пропитки и сушки частично заполняются пропиточным составом. В связи с этим позициями 8 и 9 обозначены те же полости 5 и 6, но заполненные статистически распределенными по этим полостям частицами пропиточного состава. На рисунке, изображающем сечение обмотки в одном из пазов, цифрой 10 обозначен клин обмотки. Ёмкость непропитанной обмотки относительно корпуса изделия состоит из последовательно соединенных слоев (рисунок, б): эмалевой изоляции провода 2, корпусной изоляции 3, воздушной прослойки 5 между поверхностью обмотки и корпусной изоляцией, воздушной прослойки 6 между корпусной изоляцией и поверхностью паза изделия. Обозначим емкости слоев, соответственно, Су, С2, Сз, С4. С учетом того, что слои 2, 3, 5, 6 соединены последовательно, емкость любой 1-й не-пропитанной обмотки можно представить в виде выражения

11111

— = — + — + — +—. (2)

С С С С С

Формулу (2) можно преобразовать к виду 1 1 1

C

C„. C

(3)

С.Г.,

i1 i 3

C + C

-эквивалентная емкость после-

где C.

" 'Эк f

Ci1 ' 3

довательно соединенных слоев эмалевой 2 и кор-

CC

пусной 3 изоляции; C =

C + C

эквивалент-

'¿2 1 ^4

ная емкость воздушных прослоек 5 и 6.

Эквивалентную емкость воздушных прослоек С можно представить в виде произведения геометрического фактора gi на диэлектрическую проницаемость воздуха ев:

(4)

С учетом введенных обозначений формулу (3) можно представить в виде

1 1 1

(5)

C

C

При пропитке обмотки величины С^к и gi остаются неизвестными, а изменяется только величина С в результате замещения воздуха в полостях обмотки пропиточным составом (рисунок, с, слои 7 и 8).

Если представить пропиточный состав, оставшийся в обмотке после пропитки, в виде статистической смеси, состоящей из пропиточного состава объёмом У^ и пузырьков воздуха в нем, то емкость обмотки относительно корпуса изделия после пропитки можно представить в виде

С..„ С..„

gisi

(6)

где £ - эквивалентная диэлектрическая проницаемость статистической смеси [16-19].

Значение е■ можно определить из формулы Лихтенеккера-Ротера [20]:

. V. V - V ln е. =ln е--^ ln е

' V л V

(7)

где ел - диэлектрическая проницаемость пропиточного состава.

Учитывая, что диэлектрическая проницаемость воздуха ев=1, получим

ln е. =—п ln е = К ln е

' V л пр л

(8)

где V - суммарный объем прикорпусных воздушных полостей 5 и 6 до пропитки. Из формулы (8) следует, что 1

Кпр' = ,

ln е„

ln е. .

Из уравнения (6) получаем

*

е* =■

С С

'П 'эк

(9)

(10)

ёг (Сгэк С}п )

Однако в выражении (10) неизвестными величинами являются Сйк и д. Эти величины можно найти в каждой из *-й контролируемых обмоток, воспользовавшись примечательным свойством, которое заключается в следующем. Ёмкости не-пропитанных обмоток относительно магнитного сердечника имеют большой разброс. Однако, несмотря на это, если осуществить имитацию 100%-й пропитки путем погружения изделий в диэлектрическую невязкую жидкость с известной диэлектрической проницаемостью е1, то отношение ёмкостей обмоток относительно корпуса после имитации в них 100%-й пропитки к ёмкостям тех же обмоток до пропитки является постоянной величи-

С

ной А = -

С,.„

- = const, значение которой зависит

только от величины е1.

Поскольку величина А не зависит от первоначального значения емкостей обмотки относительно корпуса и одинакова для всех однотипных изделий при погружении их в диэлектрическую жидкость с проницаемостью е1, то для нахождения величины А достаточно измерить емкости относительно корпуса до погружения в жидкость и после погружения в нее только у одной из контролируемых обмоток.

Подставив значение величины А в выражения (5), (6) и учитывая, что для любой из контролируемых обмоток величина емкости относительно корпуса, измеренная после погружения обмотки в калибровочную диэлектрическую жидкость С1,100%, связана с емкостью этой же обмотки до погружения в жидкость Сд соотношением Си(Ю %=АСд, получим:

g' =■

СдАе - 1) (А - 1)е '

с,Ае -1)

Сэк (е- А)

(11)

(12)

Подставив уравнения (11) и (12) в (9), получим:

(13)

К . =-^ln_С'пе1( А -1)_.

'пр ln ел АСд (е, -1) - Сп(е, - А)

Расчет методических погрешностей контроля

Оценим погрешности в определении коэффициентов пропитки прикорпусных полостей обмотки Кпр.

В соответствии с выражением (13) погрешность в определении можно представить в виде

^ = я ^ + „ ^+

К

+д пС + „ ^+„ М,

С

С,

(14)

где В1, В2, В3, В4, В5 - коэффициенты влияния на погрешность составляющих ел, е1, Сп, Сд, А соответственно. Значения коэффициентов влияния, в соответствии с [21, 22], определяются по формуле

Д =

Кр X'

(15)

где х{ - параметры, соответственно, ел, е, С1п, Сд, А; 1=1,2,3,4,5.

С учетом выражений (13) и (15) получим:

д =

-1

ln е

В2 =

А(С, - Сд)

([АС'д (е -1) - С, (е - А)] х ^

х ln-

еСп (а -1)

(16)

(17)

Вз =

ас,д е -1) - Спе - А),

ас, д (е -1) ([АС'д (е -1) - Сп е - А)] х ^

х ln

еСп (А -1)

(18)

В4 =

АС ¡д (е -1) - Сп (е - А)

- ас д е -1) ([АС,д (е -1) - Сп(е - А)] х ^

х ln

еСп (А -1)

Д =

АС'д (е -1) - Сп(е - АХ

А(С'д - Сп)(е1 -1)

(19)

((А -1)[АСд(е -1) - Сп(е1 - А)] х^

х ln-

еС'п (А -1)

АС'.де -1) - Сп(е1 - А)

Для определения численных значений коэффициентов влияния Ву, В2, В3, В4 и В5 необходимо задаться численными значениями входящих в формулу (14) параметров. Диэлектрическая проницаемость ел компаунда КП-34 в отвержденном состоянии равна 3,3. Диэлектрическая проницаемость керосина е1( использованного нами для имитации 100%-й пропитки равна 2,074. Эти величины были измерены по методике, рекомендованной ГОСТ 64334-71. Для двигатяелей 4АИР112М4 номинальные значения Сд и Сп определялись по статистическим данным, набранным для этих электродвигателей на заводе ПО «Сибэлектромотор». Номинальные среднестатистические значения Сд и Сп были равны, соответственно, 2957 пФ и 4192 пФ. Величина А определялась по результатам статических исследований и была равна 1,553.

Подставив численные значения параметров в формулы (16)-(20), определяющие коэффициенты влияния, получим: В1=0,838, В2=1,124, В3=4,995, В4=4,995, В5=2,464.

Ае Де, АС. АС' АЛ

Оценим величины —л,—1,——,-д,—.

е е С С Л

л 1 ш 1д

Диэлектрическая проницаемость пропиточного состава КП-34 в отверждённом состоянии измерялась по ГОСТ 64334-71 на трехэлектродной зажимной ячейке с помощью цифрового измерителя емкости Е8-4. При подготовке образцов компаунда к измерению диэлектрической проницаемости продолжительность полимеризации в толстом (4-5 мм) слое осуществлялась при температуре (125±5) °С не более 3 минут. Диэлектрическая проницаемость определялась по формуле

£л = С"7Ь > (21)

Ся

где Ся, Сяп - емкости ячейки соответственно без образца пропиточного состава и с ним. В соответствии с выражением (14) можно записать:

Де „АС „ АС

—л = В,-- + В —3

е 6 С 7 С

(22)

где В6 и В7 - коэффициенты влияния, определяемые по формуле (15).

В соответствии с выражением (15) В6=В7=1.

Величины Ся и Сяп были равны, соответственно, 31,46 и 103,82 пФ.

В соответствии с паспортными данными на измеритель емкости Е8-4 погрешность С определяется по формуле

АС=(0,001С+0,02пФ+1 ед. счета), (23) где С - измеренная величина емкости.

Подставив в формулу (23) значения емкостей Ся и Сяп, получим:

АСя=6,145-10-2пФ;

АСяп=2,24-10-1пФ.

Следовательно, величина относительной погрешности в измерении ел, в соответствии с (22), равна:

Ае=6,145-ю-2 + 2,24-1Г2 = 0 0216. е 31,46 103,82

Величина относительной погрешности измерения диэлектрической проницаемости калибровочной жидкости (керосина) находится по аналогичной формуле:

Ае, = 6,М54Г2 + 9,5277 4°-2 = 0,00341.

31,46

65,27

Абсолютные погрешности в измерении емкостей обмотки Сд и Сп определяются из соотношения (23) и равны, соответственно, 3,977 и 5,212 пФ. Относительные погрешности в измерении емкостей Сд и Сп равны:

АС

С„

= 2,3-10

АС

С

= 2,4 -10 .

Оценим погрешность, вносимую в измерения коэффициента пропитки К!пр, величиной А. Ёмкости, входящие в соотношение (2), можно представить в виде выражений:

МЛ. (24)

С..„ = ■

С =

Сгуё

е0евР^п . йх

е0еи Р^п .

С 2 =

е0ев Р^п

(25)

(26)

(27)

где е0 - коэффициент размерности; ев, еи, еэ - диэлектрические проницаемости соответственно воздушной прослойки, корпусной изоляции, эмали провода; - площадь поверхности паза; р - количество пазов статора; , й1, ¿и, йг - эквивалентные толщины эмали провода, воздушной прослойки между корпусом изделия и корпусной изоляцией, корпусной изоляции и воздушной прослойки между корпусной изоляцией и обмоткой соответственно.

Из выражения (2), с учетом выражений (24)-(27), ёмкость Сд будет равна:

С = е0евеэеи Р^п (28)

,д ¿вее + Ке + ¿еК'

где ¿„=^+¿2; е„=1.

С учетом того, что диэлектрическая проницаемость воздуха ев=1, выражение (28) можно записать в виде

е0еэеи Р^п

С. =-

,л лвеэеи + + ¿е)

(29)

У погруженного в диэлектрическую жидкость изделия выражение для расчета электрической емкости С100 % между корпусом изделия и проводом обмотки, с учетом выражения (29), имеет вид:

е0е1еэеиР^п

С

л веэеи +(л иеэ + л эеи )е1

(30)

Величину А, с учетом выражений (29) и (30), можно записать в виде

A = Cioo% £og3g„ + ( + )

, (31)

Сд + (+ ^и )е1

Для статоров электродвигателей 4А112М4 число пазов р=36, йп=4536 мм2, еи=2,1; еэ=2,2; ¿„=0,25 мм, ¿э=0,04 мм.

Величина электрической ёмкости эмалевого слоя и корпусной изоляции, в соответствии с выражениями (24), (25), будет равна:

С _£о£эА -4- й ~

8,8540-3 • 2,2 • 36 • 4536

0,04

С,.а =

= 79484,33 пФ;

S0SH PSn

8,85 •ÎO 3 • 2,17 • 36 • 4536 0,25

= 2752,704 пФ.

Среднестатистическое значение емкости непро-питанной обмотки относительно корпуса равно: С;д=2957 пФ. Используя эту величину, определим из выражения (29) численное значение эквивалентного воздушного зазора ¿в:

ее е Б р - С... (й е + й е )

0 э и п * га ^ иэ э и ^ _

d„ =-

С..„ se„

8,85• 10-3 • 2,2 • 2,1 • 36• 4536 --2957(0,25 • 2,2 + 0,04 • 3,1)

2957 • 2,2 • 2,1

= 0,351 мм.

Атт1=1,589, Аттм=1,613.

При наихудших сочетаниях эквивалентных толщин слоев величина Сд, в соответствии с формулой (29), будет иметь значения:

Садтм=4712,6 пФ, Сйтш=1677,7 пФ.

Разброс емкостей непропитанных обмоток относительно среднестатистического значения емкости составит:

4712,6 - 2957

SC...

8C„

2957 1677,7 -2957

• 100 % = +59 %;

100 % = -43,3 %.

2957

Разброс Ат относительно среднего теоретического составит:

S^ = 1,589 - 1,593 • 100 0% = -2,51 0%;

SA

1,593 1,613 -1,593

• 100 % = +1,26 %.

Эксперименты показали, что емкости непропи-танных обмоток относительно корпуса могут отличаться друг относительно друга на 15-20 %. Этот разброс емкостей может быть обусловлен рядом причин: нестабильностью толщины эмалевого покрытия провода нестабильностью толщины корпусной изоляции ¿и; нестабильностью эквивалентного воздушного зазора ¿в. Оценим, насколько приемлемо допущение постоянства величины А для всех однотипных обмоток. Для этой цели найдем, в каком диапазоне значений изменяется величина А, если емкости непропитанных обмоток имеют разброс ±20 %.

Пусть толщина эмалевого покрытия и корпусной изоляции от обмотки к обмотке изменяется на ±30 %, а толщина эквивалентного воздушного зазора - на ±40 %. Тогда минимальные и максимальные значения толщины эмали, корпусной изоляции и воздушного зазора будут равны: <и=0,028 мм, ¿8тах=0,052 мм; ¿Ит1„=0,175 мм, ¿Итах=0,325 мм; ¿вт1п=0,2106 мм, ¿втах=0,4914 мм.

В соответствии с формулой (31) при наихудших сочетаниях эквивалентных толщин слоев расчетная величина Ат будет иметь значение:

1,593

Таким образом, варьирование толщины корпусной изоляции и эмали провода в пределах ±30 %, а толщины эквивалентного воздушного промежутка в пределах ±40 % приводит к максимальной погрешности, вызванной непостоянством значения величины А, не более чем на 2,51 %, в то время как величина емкостей непропитанных обмоток при указанных вариациях изменяется на величину ±59,37 %, что можно считать теоретическим подтверждением постоянства величины. Эксперименты, проведенные на 50 обмотках электродвигателей серии 4АИР112М4 путем имитации в них 100%-й пропитки погружением их в керосин, показали что при среднем значении Аэ=1,553 абсолютная погрешность в измерении АА=±0,021, а относитель-

АА +0,021 ная погрешность ——- _ ___ - +0,0135.

As

1,553

Ошибки, составляющие результирующую погрешность, не коррелируют между собой, так как их источником являются разные причины. С учетом полученных численных значений коэффициентов влияния и погрешностей величин, входящих в формулу (3.91), величина максимальной результирующей относительной погрешности определения коэффициента пропитки прикорпусных полостей обмоток равна:

АКп

(D Дел ^2 (D Де1 ^2 (D АС,п Ï2

I B1-t) +i ^J +i B>C:>

( АС, ^2 ( АА

+lB4 cfJ +lB- АА

3,28•Ю-6 +1,47 -10 5 +1,44 •Ю 4 + +1,32 •Ю-4 +1,11 •Ю-3 = 3,75 • 10-2.

и

Таким образом, результирующая погрешность изменения Kпр по двум измерениям ёмкости обмотки относительно магнитного сердечника статора до и после пропитки.

Заключение

В работе проведено обоснование ёмкостного способа контроля качества пропитки. Обоснован выбор критериев для оценки качества пропитки. Приведены формулы для определения коэффициента пропитки прикорпусных полостей обмотки, показывающие, что степень заполненности указанных по-

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Курбатова О.А., Павлюченко В.М. Монтаж и ремонт горных машин и электрооборудования. - Владивосток: Изд-во ДВГТУ, 2004. - 286 с.

2. Применение магнитодиэлектрического композита на основе ультрадисперсного порошка никель-цинковых частиц для ресурсосберегающей технологии пропитки обмоток электрических машин / Г.В. Смирнов, О.Л. Хасанов, Д.Г. Смирнов,

B.В. Полисадова, М.С. Петюкевич, З.Г. Бикбаева // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. - 2015. - Т. 326. - № 11. - С. 106-117.

3. A new generation of aluminum enameled winding wires / B. Smy-rak, T. Knych, A. Mamala, P. Uliasz, M. Jablo?ski // Wire Journal International. - 2012. - V. 45. - № 1. - P. 55-61.

4. PDIV characteristics of twisted-pair of magnet wires with repetitive impulse voltage / K. Kimura, S. Ushirone, T. Koyanagi, M. Hikita // IEEE Trans. on Dielectrics and Electrical Ins. - Chicago, June 2007. - V. 14. - № 3. - P. 744-750.

5. ГОСТ IEC 60851-5-2011. Провода обмоточные. Методы испытаний. Ч. 5. Электрические свойства. - М.: Стандартинформ, 2014. - 19 с.

6. IEC 60851-5:1996 Methods of test winding wires. Part 5: Electrical properties. URL: http://www.cntd.ru/assets/files/uplo-ad/240713/60851-5-2011.pdf (дата обращения 08.02.2016).

7. Похолков Ю.П., Бесперстов П.П., Пыхтин В.В. Исследование влияния технологического процесса изготовления обмоток на дефектность витковой изоляции асинхронных двигателей // Известия Томского политехнического института. - 1975. -Т. 222. - С. 52-65.

8. Борисенко А.И, Костиков О.Н., Яковлев А.И. Охлаждение промышленных электрических машин. - М.: Энергоатомиз-дат, 1983. - 296 с.

9. Смирнов Г.В. Надежность изоляции обмоток электротехнических изделий. - Томск: Изд-во Томского государственного университета, 1990. - 192 с.

10. Тепловые свойства магнитодиэлектрических композиционных составов на основе компаунда КП-34 и ультрадисперсного никель-цинкового порошка / Г.В. Смирнов, О.Л. Хасанов, Д.Г. Смирнов, В.В. Полисадова, М.С. Петюкевич, С.А. Пона-марева // Известия вузов. Физика. - 2015. - Т. 58. - № 6/2. -

C. 291-296.

лостей пропиточным составом можно определить по изменению в процессе пропитки ёмкости обмоток относительно магнитного сердечника. Проведена оценка погрешностей предлагаемого способа контроля на примере реальных двигателей серии АИР. Показано, что результирующая погрешность контроля качества пропитки не превышает 3,75 %.

Предлагаемый способ имеет достаточно высокую точность, не требует изготовления дорогостоящих оригинальных средств контроля, а позволяет использовать обычные, широко распространенные на практике измерители ёмкости.

11. Кондратюк А.А., Матренин С.В., Недосекова О.Ю. Исследование влияния количества наполнителя на механические характеристики композиционных полимеров // Известия вузов. Физика. - 2015. - Т. 57. - № 9/3. - С. 98-102.

12. Кондратьева Н.Г., Кузнецов Н.А. Сравнительная оценка коэффициентов заполнения паза пропиточным составом, определенных различными методами // Технология электротехнического производства. - 1981. - № 12. - С. 14-16.

13. Дудкин А.Н. Разработка методов оценки технологического процесса пропитки обмоток асинхронных двигателей: дис. ... канд. техн. наук: 05.09.01. - Томск, 1980. - 163 с.

14. Способ определения коэффициента пропитки обмоток электрических машин: авт. свид. СССР № 1241361; заявл. 24.06.83; опубл. 30.06.86. Бюл. № 24. - 4 с.

15. Способ определения коэффициента пропитки отверждаемым полимерным составом обмоток электрических машин: пат. Рос. Федерация № 2521439; заявл. 25.10.12; опубл. 27.06.2014, Бюл. № 18. - 22 с.

16. Prasad А., Prasad K. Effective permittivity of random composite media: a comparative study // Physica. - 2007. - V. 396. - Р. 132-137.

17. Measurement of bubble sizes influidised beds using electrical capacitance tomography / T.C. Chandrasekera, Y. Li, D. Moody, M.A. Schnellmann, J.S. Dennis, D.J. Holland // Chemical Engineering Science. - 2015. - V. 126. - P. 679-687.

18. Dielectric Materials for Pulse Power Energy Storage / Barber P., Balasubramanian S., Y. Angucha my, Gong S., Wibowo A., Gao H., Ploehn H., Loye H. // Materials. - 2009. - V. 2. -P. 1697-1733.

19. Тареев Б.М. Физика диэлектрических материалов. - М.: Энергия, 1973. - 328 с.

20. Kanuta Musataka, Hakamada Taheschi, Kana Ikusi. Function tests for induction motor insulation // Hitachi Review. - 1975. -V. 21. - № 11. - P. 436-443.

21. Новицкий П.В., Зограф И.А. Оценка погрешностей результатов измерений. - Л.: Энергоатомиздат, Ленингр. отд-ние, 1985. - 248 с.

22. The new concepts of measurement error theory / Xiaoming Ye, Xuebin Xiao, Junbo Shi, Mo Ling // Measurement. - 2016. -V. 83. - P. 96-105.

Поступила 13.02.2016 г.

Информация об авторах

Смирнов Г.В., доктор технических наук, профессор, директор Научно-исследовательского института электронного технологического оборудования и средств связи Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники.

Смирнов Д.Г., кандидат технических наук, старший научный сотрудник Научно-исследовательского института электронного технологического оборудования и средств связи Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники.

UDC 621.316.3.048 (075.8)

CAPACITIVE METHOD FOR CONTROLLING THE QUALITY OF WINDING IMPREGNATION IN ELECTRIC MOTOR FOR GENERAL INDUSTRIAL USE

Gennadiy V. Smirnov1,

[email protected]

Dmitriy G. Smirnov1,

[email protected]

1 Tomsk State University of Control Systems and Radioelectronics, 40, Lenin Avenue, Tomsk, 634045, Russia.

The relevance of the work is caused by the fact that the majority of technological processes almost in all industries, including those related to extraction, transportation, processing of mineral raw materials, cannot be implemented without the use of electric motors. High reliability of these machines provides trouble-free operation and guarantees human safety in these industries. The reliability indices of electrical machine operation depend on insulation condition of the windings, which is largely determined by the quality of impregnation. It is impossible to improve winding impregnation, increase the quality and reliability of isolation, without certain methods for controlling the impregnation quality.

The main aim of the research is to study the applicability of winding electrical capacitance relative to the housing to control the quality of winding impregnation in electrical machines.

Research methods: measurement of electrical capacitive characteristics of the windings of electrical machines; measurement of geometric parameters of winding components; metrological methods to estimate errors of indirect measurements. Results. The authors have proved the possibility of determining the impregnation coefficients by measuring the capacitive characteristics of the winding relative to its body; substantiated the criteria to evaluate the quality of impregnation and formulas for their calculation. The reliability of the results is confirmed experimentally. The paper introduces the detailed analysis and evaluation of metrological characteristics of the proposed method. Real examples show that using the proposed method allows ensuring high accuracy in determining the winding impregnation coefficient in stators of electric machines. Indirect error of determining the impregnation coefficients does not exceed 3,8 %.

Key words:

Impregnation, compound, electrical capacitance, dielectric constant, magnetic core, capacitor, statistical mixture.

REFERENCES

1. Kurbatov O.A., Pavlyuchenko V.M. Montazh i remont gornogo oborudovaniya [Installation and repairing of mining machinery and electrical equipment.] Vladivostok, Publ. house of DVGTU, 2004.286 p.

2. Smirnov G.V., Khasanov O.L., Smirnov D.G., Polisadov V.I., Pe-tukevich M.S., Bikbaiva Z.G. Application of magneto-electric composite based on ultrafine powder of Nickel-zinc particles for resource-saving technology of impregnation of windings of electrical machines. Bulletin of the Tomsk Polytechnic University. Geo Assets Engineering, 2015, vol. 326, no. 11, pp. 106-117. In Rus.

3. Knych T., Mamala A., Uliasz P., Jablo?ski M. A new generation of aluminum enameled winding wires. Wire Journal International, 2012, vol. 45, no. 1, pp. 55-61.

4. Kimura K., Ushirone S., Koyanagi T., Hikita M. PDIV characteristics of twisted-pair of magnet wires with repetitive impulse voltage. IEEE Trans. on Dielectrics and Electrical Ins. Chicago, June 2007. Vol. 14, no. 3, pp. 744-750.

5. GOSTIEC 60851-5-2011. Provoda obmotochnye. Metody ispyta-ny. Ch. 5. Elektricheskie svoystva [Magnet wires. Test methods. P. 5. The electrical properties]. Moscow, Standartinform Publ., 2014. 19 p.

6. IEC 60851-5:1996 Methods of test winding wires. P. 5: Electrical properties. Available at: http://www.cntd.ru/assets/files/uplo-ad/240713/60851-5-2011.pdf (accessed 08 February 2016).

7. Pokholkov Yu.P., Besperstov P.P., Pykhtin V.V. Issledovanie vli-yaniya tekhnologicheskogo protsessa izgotovleniya obmotok na de-fektnost vitkovoy izolyatsii asinkhronnykh dvigateley [Study of the influence of technological process of manufacturing the win-

dings on the deficiency of turn insulation of induction motors]. Bulletin of the Tomsk Polytechnic Institute, 1975, vol. 222, pp. 52-65.

8. Borisenko A.I, Kostikov O.N., Yakovlev A.I. Okhlazhdenie pro-myshlennykh elektricheskikh ustanovok [Cooling of industrial electric machines.] Moscow, Energoatomizdat Publ., 1983. 296 p.

9. Smirnov G.V. Nadezhnost izolyatsii obmotok elektrotekhniches-kikh izdely [Reliability of winding insulation in electrical products]. Tomsk, Tomsk State University Press, 1990. 192 p.

10. Smirnov G.V., Khasanov O.L., Smirnov D.G., Polisadov V.I., Pe-tukevich M.S., Ponamarev S.A. Thermal properties magnetodie-lectrics composition based on the compound KP-34, and ultrafine Nickel-zinc powder. Izvestiya vuzov. Physics, 2015, vol. 58, no. 6/2, pp. 291-296. In Rus.

11. Kondratyuk A.A., Matrenin S.V., Nedosekova A.Yu. Study of the influence of amount of filler on the mechanical characteristics of the composite polymers. Izvestiya vuzov. Physics, 2015, vol. 57, no. 9/3, pp. 98-102. In Rus.

12. Kondrateva G.N., Kuznetsov I.N. Sravnitelnaiya otsenka koeffit-sientov zapolneniya paza propitochnym sostavom, opredelennykh razlichnymi metodami [Comparative evaluation of the factor of a groove filling with impregnating composition defined by different methods]. Technology of electrical production, 1981, no.12, pp. 14-16.

13. Dudkin A.N. Razrabotka metodov otsenki tekhnologicheskogo protsessa propitki obmotok asinkhronnykh dvigateley. Dis. Kand. Nauk [Development of methods for evaluating winding impregnation of in induction motors. Cand. Diss.]. Tomsk, 1980. 163 p.

14. Smirnov G.V., Smirnov D.G. Sposob opredeleniya koeffitsienta propitki obmotok elektricheskikh mashin [Method for determining

the coefficient of impregnation of windings of electrical machines]. Author certificate, The USSR, no. 1241361, 1986.

15. Smirnov G.V., Smirnov D.G. Sposob opredeleniya koeffitsienta propitki otverzhdaemym polimernym sostavom obmotok elek-tricheskikh mashin [Method of determining the coefficient of winding impregnation with curable polymer composition in electrical machines]. Patent RF, no. 2521439, 2014.

16. Prasad A., Prasad K. Effective permittivity of random composite media: a comparative study. Physica, 2007, vol. 396, pp. 132-137.

17. Chandrasekera T.C., Li Y., Moody D., Schnellmann M.A., Dennis J.S., Holland D.J. Measurement of bubble sizes influidised beds using electrical capacitance tomography. Chemical Engineering Science, 2015, vol. 126, pp. 679-687.

18. Barber P., Balasubramanian S., Angucha my Y., Gong S., Wi-bowo A., Gao H., Ploehn H., Loye H. Dielectric Materials for Pul-

se Power Energy Storage. Materials, 2009, vol. 2, pp. 1697-1733.

19. Tareev B.M. Fizika dielektritcheskikh materialov [Physics of dielectrics]. Moscow, Energiya Publ., 1973. 328 p.

20. Kanuta Musataka, Hakamada Taheschi, Kana Ikusi. Function tests for induction motor jnsulation. Hitachi Review, 1975, vol. 21, no. 11, pp. 436-443.

21. Novitskiy P.V., Zograf I.A. Otsenkapogreshnostey rezultatov iz-mereny [Estimation of errors of measurement results]. Leningrad, Energoatomizdat Publ., 1985. 248 p.

22. Xiaoming Ye, Xuebin Xiao, Junbo Shi, Mo Ling. The new concepts of measurement error theory. Measurement, 2016, vol. 83, pp. 96-105.

Received: 13 February 2016.

Information about the authors

Gennadiy V. Smirnov, Dr. Sc.,professor, director, Tomsk State University of Control Systems and Radioelectronics. Dmitriy G. Smirnov, Cand., Sc., senior researcher, Tomsk State University of Control Systems and Radioelectronics.