Sähkökoneen sähköturvallisuusmittausten automatisointi

Abstract

Tässä kandidaatintyössä tarkastellaan sähkökoneiden sähköturvallisuusmittausten tulosten raportointiin käytettäviä erilaisia ratkaisuja. Työ on tehty yhteistyössä The Switch Drive Systems Oy:n (myöh. TSW) kanssa, ja työ on kohdennettu TSW:llä valmistettaviin SRM0355 sähkökoneelle tehtäviin mittauksiin. Työn tavoitteena on kartoittaa erilaisia vaihtoehtoja, joilla voitaisiin mittausraportointi toteuttaa automaattisesti, sekä lisäksi toteuttaa tarvittavat muutokset mittausprosessille, jotta mittaustuloksista saadaan automaattisesti luotua mittausraportit. Koneille suoritetaan IEC-60034-1 mukaisesti sähköturvallisuusmittaukset, joista tähän työhön rajattiin eristysvastusmittaus, sekä korkeajännitekoestus. Molemmille mittauksille on asetettu tarkat ohjeet niiden suorituksesta, sekä rajat joihin koneiden tulee päästä. Nämä rajat muuttuvat koneen teholuokan, sekä konetyypin mukaan. Eri mittauksille on asetettu tietyt ajalliset pituudet, sekä kriteerit, joten ei suoralla mittalaitteiden päivityksellä välttämättä saada suoraa etua ajallisesti. On olemassa kaupallisia ratkaisuja, jotka pystyvät toteuttamaan tulosten automaattisen raportoinnin yhteensopivan mittalaitteen kanssa. Ei kuitenkaan ole kaupallista ratkaisua, joka pystyisi toteuttamaan molemmat, eristysvastusmittauksen, sekä korkeajännitekoestuksen, vaan vaadittaisiin tähän 2 erillistä mittausohjelmaa ja mittalaitetta. Asiaa tarkasteltiin myös itse toteutettavan tietokoneohjelman näkökulmasta, jolloin voitaisiin toteuttaa juuri tarkoitukseen sopiva mittausjärjestelmä. Jo käytössä olevissa mittalaitteissa on RS-232 sarjaportti, joka mahdollistaa mittalaitteiden ja tietokoneen välisen kommunikoinnin. Koska kaupalliset mittausohjelmat olisivat vaatineet mittalaitepäivityksiä, joiden kustannukset voivat olla korkeat, sekä niiden heikon muokattavuuden vuoksi päädyttiin toteuttamaan mittausohjelma itse. Ohjelman ohjelmointikieleksi valittiin Python, sillä se on monipuolinen dynaaminen ohjelmointikieli, jolle on jo olemassa ammattiosaaminen. Ohjelmalle asetettiin seuraavat vaatimukset: kyetä toteuttamaan mittaukset automaattisesti, raportoida tulokset automaattisesti, sekä yksinkertainen helppokäyttöinen graafinen käyttöliittymä. Ohjelman tulisi myös olla jatkossa laajennettavissa muillekin konetyypeille kuin SRM0355. Ohjelman kirjoittamiseen käytettiin avoimen lähteen kirjastoja, jolloin vältyttiin kirjastojen uudelleen kirjoittamiselta. Ohjelmaa testattiin White-Box-testauksella, sekä käytännön kokeiluilla, jotta sen toimivuudesta varmistuttaisiin. Lopputuloksena saatiin mittausohjelma Windows 7- ja 10-käyttöjärjestelmille, joka pääsee lähes sille asetettuihin tavoitteisiin. Mittausohjelma ei pysty toteuttamaan eristysvastusmittausta suoraan tietokoneelta ohjattuna vaan täytyy mittalaitetta ohjata käyttäjän itse, johtuen mittalaitteen rajoituksista. Tämä voitaisiin tulevaisuudessa korvata uudella mittalaitteella, jossa on kyseinen toiminnallisuus. Voidaan myös todeta, että itse toteutettava mittausohjelma on vakavasti otettava vaihtoehto kaupalliselle ratkaisulle, ja tarjoaa suuremman muokattavuuden, sekä käyttötarkoitukseen sopivuuden.

In this bachelor’s thesis we examine automatization of electrical safety measures of electrical drive, and different solutions to perform that. This thesis has been produced in co-operation with The Switch Drive Systems Oy (later. TSW). This thesis is focused on measurements done to SRM0355, an electrical machine model produced at TSW Lappeenranta factory. Goal of this thesis is to map out different options to perform these measurements, made so that measurement reports are generated automatically. This contains making necessary changes that have to be made on the production line. Measurements are based on IEC-60034-1 standard, and following measurements are included in this thesis: voltage withstand test, insulation resistance measurement, and polarization index measurement. All these measurements have strict criteria determined in the standard. These criteria are different based on the machine, and criteria will wary based on machine rated power and machine type. Different measurements have also strict guidelines on how these measurements should be performed. These guidelines include measurement time, so upgrading measurement devices doesn’t translate directly to time savings. There are commercial applications that does automatized measurement reports, with a compatible device. There isn’t a single device that does all of these measurements, and meet the required criteria, so it’s required to use two different devices to perform these measurements. This also makes it so, that you will require two different software to use these devices. Since the initial financial cost of these devices can be high, looking into self-made measuring programs using existing hardware became a reasonable solution. Since you could fuse the functionality of two different commercial software under one. Upon further inspection, it came into realization that already used measurement devices at TSW, have the required functionality for this software. Devices have RS-232 serial port, that makes communication with devices on PC possible. Also, self-made software could have better customization options. Based on these arguments, self-made software was chosen as the approach. Chosen programming language for application was Python, because it is a versatile dynamic programming language, and there was already solid foundation on it. Following requirements were made for the program: it should be able to make the test report automatically, and it should have easy to use graphical user interface. Application should also be later to be updated to support more machine models. Application was built on open-source libraries, so writing unnecessary code was avoided. Application was tested using White-Box testing method, with frequent onfield tests. Result was a measuring application based on Windows 7, and 10 operating system, that almost meets all the requirements that were made for it. Measurement application can’t perform all of the measurements without user intervention. Reason for this is, not all used devices support it. This could be fixed in the future, with upgrading of this particular device to a one that supports this functionality. It can also be stated that, self-made measuring application is a good alternative to a commercial solution, since it offers greater flexibility, and it is made with a clear purpose.