Способ контроля коммутации коллекторных электрических машин

 

(19) Щ (11) рцs оо1кзак

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕН

К ПАТЕНТУ

Комитет Российской Федерации по патентам «r топарным знакам (21) 5025866/21 (22) 03.0292 (46) 30.1193 Ьол Мя 43-44 (76) Рябцун Александр Александрович; Матвеенко

Евгений Борисович; Мартемьянов Яков Борисович (54) СПОСОБ КОНТРОЛЯ КОММУТАЦИИ l(OJlЛЕКТОРНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН (57) Использование: в контрольно-измерительной технике, а именно при испытаниях и диагностике электрических машин, в частности при осуществлении текущего контроля качества коммутации коллекторных электрических машин. Сущность изобретения заключается в измерении полного импульсного магнитного поля тока на завершающей стадии коммутации с помощью магниточувствительного элемента, который устанавливают между петуц ком коллектора и близлежащей щеткой, формировании сигнала, пропорционального полному току, с последующим выделением сигнала, соответствующего мгновенным значениям тока разрыва коммутационной дуги, формировании параметра, пропорционального тепловому действию тока, причем измерение полного иьвульсного магнитного поля Тока производят у всех коммутируемых секций путем установки по крайней мере по одному магниточувствительному элементу на каждом щеточном бракете, выделении сигнала, пропорционального производной тока разрыва по каждой коммутационной дуге, распределении его по принципу приоритетности сигнала, находящегося на начальной стадии, над сигналом, уже имеющим место. получении последовательности импульсов, пропорциональной мгновенным значениям производных тока разрыва по всем коммутационным дугам, формировании из каждого сигнала этой последовательности трех сигналов: первого — пропорционального амплитуде производной тока разрыва коммутационных дуг, второго — пропорционального длительности коммутационных дуг, третьего — пропорционального амплитуде истинного значения тока разрыва, определении путем сравнения двух первых сигналов критерия опасности искрения и определении параметра теплового действия тока путем перемножения второго и квадрата третьего сигналов, выделений наибольшей величины теплового действия тока и контроля качЕства коммутации. 2 ил.

2003994

Изобретение относится к испытаниям и диагностике электрических машин, в частности к текущему контролю качества коммутации коллекторных электрических машин.

Известно устройство для контроля иск, рообразования на коллекторе электрической майины, в котором в качестве параметра объективной оценки интенсивности искрения используется величина, полученная путем. преобразования сигнала, спектр которого состоит из высокочастот. ных шумов, возникающих при искрении.

Сигнал измеряется антенной и в ходе er0 преобразования формируют параметр, величина которого пропорциональна произведению пикового значения амплитуды шумов искрения на его длительность.

Известное устройство имеет низкий уровень достоверности информации о.качестве а коммутации, так как исследуется суммарный измеренный сигнал высокочастотного шума, относящийся к одновременно существующим под различными щетками отдельным коммутационным дугам. Кроме того. энергия, переносимая высокочастотным шумом, составляет только небольшую часть общей энергии, выделяемой искрением при.эрозии материала контактной пары щетка-коллектор. - Параметр оценки искрообраэования, полученный в известном решении, имеет неоднозначную связь с износом щеточноколлекторного узла и соответственно низкую достоверность информации о качестве коммутации.

Известен способ определения величины искрения при коммутации в коллекторных электрических машинах постоянного .тока, заключающийся в регистрации через определенный интервал времени спектра и формы световой волны с помощью фото" электрического преобразователя, определении,эн -ргии и яркости световой волны как . факторов области существования и силы искрения, вычислении параметра для количественного определения искрения и сравнении его с эталоном.

Известный способ имеет следующие недостатки. Во-первых, световая волна формируется вследствие одновременного протекания определенного числа самостоятельных дуговых процессов, каждый из которых в отдельности имеет неадекватное воздействие на контактную. пару щеткаколлектор по сравнению с суммарным воздействием световой волны. Во-вторых, степень эрозийного износа контактной па.ры не имеет прямой связи с величиной световой волны, которая в большей степени зависит от физического состояния и химического состава элементов контактной пары, а также внешних условий, В третьих, распространение световой волны от источника до приемника зависит от состояния окружающей среды. В четвертых, зона образования искрения часто смещается под щетку и световую волну зарегистрировать невозможно, хотя процесс эрозии контактной пары щетка —.коллектор происходит, Исходя из выше" изложенного, следует, что известный способ определения величины искрения при коммутации не позволяет с достаточной достоверностью количественно определять flo сформированному параметру интенсивность воздействия искрения на контактную

15 пару щетка-коллектор..

Известен способ контроля искрения под щеткой коллекторных электрических машин, позволяющий сформировать количественный объективный параметр, одно2о значно связанный с износом контактной пары щетка-коллектор, по технической сути наиболее близкий к заявляемому. Известный способ заключается в измерении электромагнитного поля тока разрыва за период 5 существования коммутационной дуги. Измеренное датчиком; установленным между петушком коллектора и близлежащей щеткой вне тела щетки над контактирующей со щеткой коллекторной пластиной,.электро® магнитное поле преобразуют в сигнал, пропорциональный мгновенным значениям тока разрыва коммутационной дуги, протекающего по коммутируемой с искрением секции. Квантуют период существования дуги на

ЭБ элементарные интервалы времени. Определяют в каждом интервале квантования максимальную амплитуду тока и принимают ее в качестве статистически независимого ис- точника информации о .степени воздействия тока, Вычисляют величину заряда, протекающего за каждый интервал квантования и перемножают амплитуду тока и величину заряда, определяя тепловое действие тока в каждом интервале кванто > вания. Сравнивают по статистически независимой амплитуде тока тепловое действие на каждом интервале квантования с начальным эффективным эрозийным действием тока разрыва коммутационной дуги. Сумми50 руют эффективные тепловые действия тока на интервале существования коммутационной дуги, устанавливая по суммарному эффективному тепловому действию тока массу вынесенного материала в процессе электробб дуговой эрозии, по которой определяют качество коммутации.

С помощью прототипа можно точно измерять параметр объективной оценки искрения по тепловому действию тока разрыва коммутационной дуги. Но при осуществле2003994 нии текущего контроля за эксплуатацией электрической машины важнее иметь оперативную информацию о наихудшем коммутационном цикле из числа происходящих на всех щеточных бракетах, который может привести к аварийной ситуации. Если не . возникает аварийной ситуации (кругового огня), то нужно следить за износом контактной пары щетка-коллектор.

Возникает задача создания способа контроля коммутации коллекторных электрических машин, позволяющего осуществить оперативный текущий контроль с возможностью защиты от кругового огня, Задача осуществляется с помощью известного способа контроля коммутации, включающего измерение полного импульсного магнитного поля тока на завершающей стадии коммутации с помощью магниточувствительного элемента, который устанавливают между петушком коллектора и близлежащей щеткой вдоль продольной оси коллектора вне пространства, ограниченного шириной щеточного бракета, над контактирующей с крайней щеткой бракета коллекторной пластиной, формирование сигнала, пропорционального полному току, с последующим выделением сигнала, соответствующего мгновенным значениям тока разрыва коммутационной дуги, формирование параметра, пропорционального тепловому действию тока.

Но в известном способе измерение полного импульсного магнитного поля тока производят у всех коммутируемых секций путем установки по крайней мере по одному магниточувствительному элементу на каждом щеточном бракете, так как при коммутации коллекторных секций электрических машин имеет место неидентичность коммутационных циклов различных секций по различным щеточным бракетам.

Затем выделяют сигнал, пропорциональный производной тока разрыва по каждой коммутационной дуге, и распределяют

его по принципу приоритетности сигнала, находящегося на начальной стадии, над сигналом, уже имеющим место, получая полную длительность сигнала производной тока разрыва при опросе магниточувствительных элементов. Получают последовательность импульсов, пропорциональную мгновенным значениям производных тока разрыва, по всем коммутационным дугам, затем из каждого сигнала этой последовательностии импульсов формируют три сигнала, первый — пропорциональный амплитуде производной тока разрыва коммутационных дуг, второй — пропорциональный длительности коммутационных дуг, третий—

10

20 Известно, что процесс переноса материала при эрозии в коммутационной дуге осуществляется в основном протекающим

t

А= (t dr=i т=СИ, о

55 пропорциональный амплитуде истинного значения така разрыва. Определяют критерий опасности искрения путем сравнения двух первых сигналов и в случае превышения вторым сигналом первого делают вывод о наличии опасности искрения. Параметр— критерий опасности искрения сформирован на основании наблюдения эффекта понижения амплитуды производной тока разрыва при одновременном увеличении длительности коммутационной дуги в предаварийном состоянии. Затем производят формирование параметра теплового действия тока путем перемножения второго и квадрата третьего сигналов, выделяют наибольшую величину теплового действия тока за установленный период измерений, по которой осуществляется текущий контроль качества коммутации. током, т.е, потоком электронов и ионов, энергия которого. составляет подавляющую часть всей энергии, выделяющейся при переносе материала в канале дуги, поэтому величина количества электричества является величиной, пропорциональной. основной энергии переноса прй электродуговом процессе, а максимальная величина амплитуды тока по ка>кдой дуге указывает на силу, с которой осуществляется вынос материала из контактной пары щетка — коллектор, Отсюда следует, что сформированный параметр теплового действия тока вытекает из интеграла Джоуля обусловливает степень эрозии и имеет достоверную однозначную связь с качеством коммутации, а максимальная его величина указывает на наихудший коммута цион н ый цикл.

Новизна предлагаемого способа по сравнению с прототипом состоит в том, что измерение полного импульсного магнитного поля тока производят индивидуально в каждой коммутируемой секции по всем бракетам в течение всего времени контроля, выделяют из каждого измеренного сигнала величину, пропорциональную производной тока разрыва, и распределяют сигналы по принципу приоритетности, формируют последовательность импульсов, пропорциональную мгновенным значениям производных тока разрыва по всем коммутационным дугам, из каждого, сигнала этой последовательности

2003994 импульсов формируют три сигнала, кото- Ток, протекая по короткозамкнутой секрые используют для формирования пара- ции, в том числе и па сбегающей и набегаюметров — критерия опасности искрения и щей коллекторным пластинам, создает параметра теплового действия тока с вы- вокруг них импульсное электромагнитное делением наибольшей величины теплово- 5 поле;, го действия тока. Для регистрации импульсного электроРегистрация и дальнейшее преобразова- магнитного поля. устанавливают на каждом ниесигналов, воспринимаемыхмагниточувст- щеточном бракете магниточувствительные вительными элементами, дают возможность " элементы (индукци )нные датчики, по крайполучить полную и наглядную информацию о 10 ней мере по одному), которые располагают коммутации flo всем щеточным бракетам, ис- между петушком коллектора и близлежащей ключая наложение сигналов, относящихся к . к нему щеткой вне пространства, ограниченотдельным коммутационйым дугам. Рас- . ного шириной щеточного бракета, над конпределение сигнала,: пропорционального тактируемыми с краями крайних щеток производной тока разрыва, по каждой ком- 15 бракета коллекторными пластинами (сбегамутационной дуге по принципу приоритет- ющей и набегающей), Индукционные датчи. ности сигнала, начавшегося над сигналом,: . ки. 1 ориентируют по направлению уже имеющим место,.позволяет обеспечить: протекания тока разрыва перпендикулярно регистрацию полной длительности сигйала4" . силовым линиям электромагнитного поля, при опросе датчиков (магниточуйствитель- 20 образуемым этим током. С помощью индукHblx элементов), установленных на различ- . ционных датчиков 1 а,á,в ...и измеряют веных бракетах. При этом увеличивается . личину, пропорциональную производной скорость опроса датчиков за счет полного полного измеряемого тока, в том числе тока заполнения времени между каммутацион- разрыва коммутационных дуг каждой секными циклами секций и бракетов, что увели- 25 ции под всеми бракетами. Одновременно чивает объем информации и исключает без искажений передается полный. измепропуск информационного сигнала:ренн ый сигнал от каждого .бракета

Формирование нового йараметра- кри- (А,Б;В...N) на буферные согласующие усили- . терия опасности искрения позволяет в слу- тели 2, расположенные в непосредственной чае аварийной ситуации безошибочно 30 близостиотщеточныхбракетов..Согласовысработать сигнализирующему и защитному вают сигналы, полученные на индукционустройствам, осуществляя защиту коллек- . ных датчиках, с физической линией торных электрических машин от кругового передачи(симметричной, коаксиальной, опогня, Формирование параметра теплового тической) и усиливают.. Затем выделяется действия тока происходит не так детально и 35 селекторами 3 (a,á,â,п) по всем бракетам иэ с большой степенью точности, как в прото- полного измеренного сигнала часть, соот-, типе, но сформированный параметр обьек- ветствующая мгновенным значениям противен и вполне достаточен для текущего - изводнойтокаразрывадуги. Формируются оперативного контроля, Выделяется наи- .. блоком 4.управления управляющие сигналы большая величина теплового действия тока 40 на основании принципа приоритетности и по ней судят о степени состояния комму- сигнала, находящегося на начальной статации.Такимобразом,контрольпроизводят дии, над сигналом, уже начавшимся ранее. по наихудшему, коммутационному циклу за По сформированным управляющим сигнаустановленный период измерений. . лам считываются в блоке 5 с каждого бракеНа фиг.1 показаны схема измерения им- 45 та си г н ал ы, . и ро п о р ц и о н ал ь н ы е пульсного магнитного поля тока с помощью . производным тока разрыва. Из последовадатчиков и дальнейшее преобразование тельностиимпульсовна выходе блока5(точсигналов; на фиг.2 — временные диаграммы . ка е), пропорциональных производным тока алгоритма осуществления способа, разрыва, формируются три последовательПример реализации предлагаемогоспо- 50 ности импульсов в блоках 6,7,8. Последовасоба., тельность импульсов в блоке 6 (точка fj, При коммутации щетками секций кол- пропорциональная только амплитуде произ. лекторной электрической машины под сбе- водной тока разрыва, образуется путем прегающими и набегающими краями щетки образования импульсов, пропорциональных возникают коммутационные дуги (искре- 55 производной тока разрыва. Последовательние). 3а период существования каждой дуги ность импульсов, пропорциональных только через ее канал и соответственно через ком- . длительности производных тока разрыва, обмутируемую секцию протекает в виде быст- разуется вблоке7(точка б) путемфункциональроизменяющегося импульса ток разрыва ного преобразования последовательности секции. импульсов производной тока разрыва. После3003994

10 нал, пропорциональный количеству электричества, протекающему через каждую коммутационную дугу т.е. параметр, имеющий связь с мощностью искрения. Этот сигнал (точка S), пропорциональный количеству электричества, перемножается в блоке 12 с максимальной амплитудой тока разрыва каждой коМмутационной дуги, при этом получают сигнал, пропорциональный тепловому действию тока разрыва. Выделяется максимальное значение теплового действия давательность импульсов. пропорциональных амплитуде истинного значения тока разрыва, образуется путем интегрирования последовательности импульсов производных тока разрыва в блоке 8 (точка m).

Для формирования критерия опасности искрения сравнивают напряжение (уровень) последовательности импульсов, пропорциональных амплитуде производной тока разрыва каждой коммутационной дуги, с найряжением последовательности импульсов, пропорциональных длительности одноименных производных тока разрыва, При превышении уровня напряжения последовательности импульсов, пропорциональных напряжению производной тока разрыва, уровнем напряжения последовательности импульсов, пропорциональных длительно" сти производных тока разрыва на определенную величину (с учетом уставки), формируется в блоке 9 сигнал (точка I), который управляет сигнализирующим и защитным устройствами блока 10, Тем самым по сформированному параметру с учетом критерия опасности искрения осуществляется 2 защита.коллекторн ых электрических машин от развития кругового огня. . Одновременно в блоке 11 перемножаются относящиеся к одному и тому >ке коммутационному циклу величина напряжения последовательности импульсов, пропорциональных длительности тока разрыва, с величиной напряжения последовательности импульсов, пропорциональных амплитуде тока разрыва. Таким образом, получают сиг10 тока в блоке 13 (точка р) и на индикаторе 14 отображается наибольшее значение теплоасго действия тока разрыва"дуги за установ15 ленное время, которое имеет однозначную связь с наибольшим износом щеточно-коллекторного узла, по которому осуществляют контроль (текущий) качества коммутации коллекторных электрических машин. Этот параметр можно получить путем возведения в квадрат величины, пропорциональ20 ной амплитуде тока разрыва и затем перемноженной с величиной, пропорциональной длительности каждой коммутационной дуги.

Заявляемый способ контроля коммутации не имеет ограничения на использование в силу того, что критерий опасности искрения и параметр оценки коммутации не зависят от типа и мощности коллекторных

30 электрических машин. (56) Авторское свидетельство СССР

N 1734053, кл. 6 01 R 31/02, 1909, 35 лектора и близлежащей щеткой, вдоль дящегося на начальной стадии, над сигнапродольной оси коллектора, вне простран-. ncM, уже имеющим место, получают послества, ограниченного шириной щеточного ф довательность импульсов, бракета, над контактирующей с крайней пропорциональную мгновенным эначенищеткой бракета коллекторной пластиной, ям производных тока разрыва по всем формирование сигнала, пропорционально- коммутационным дугам, затем иэ каждого сигнала этой последовательности импульго полному току, с последующим выделением сигнала, соответствующего 55" сов формируют три сигнала, один - промгновенным значениям тока разрыва ком- порциональный амплитуде производной мутационной дуги, формирование параметра, пропорционального тепловому тока разрыва коммутационных дуг, второй

- пропорциональный длительности коммудействию тока, отличающийся тем, что измерение полного импульсного магнитного . тационных дуг, третий - пропорциональный амплитуде истинного значения тока поля тока производят у всех коммутируеФормула изобретения

СПОСОБ КОНТРОЛЯ КОММУТАЦИИ 40, мых секций путем установки по крайней

КОЛЛЕКТОРНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ MA- мере по одному магниточувствительному

ШИН, включающий измерение полного им- элементу на каждом щеточном бракете, и пульсного магнитного поля тока на эавер- выделяют сигнал, пропорциональный прошаЮщей стадии коммутации с помощью - изводной тока разрыва по каждой коммумагниточувствительного элемента, кото- тационной дуге, распределяют его по рый устанавливают между петушком кол- принципу приоритетности сигнала, нахо2003994

12 разрыва, определяют критерий. опасности искрения путем сравнения двух первых сигналов, в случае превышения вторым сигналом первого делают вывод о наличии опасности искрения, а формирование па. раметра теплового действия тока произво: дят путем перемножения второго и квадрата третьего сигналов, выделяют наибольшую величину теплового действия тока за установленный период измерений, 5 по которой осуществляют текущий контроль качеСтва коммутации,