СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ УСТАНОВКИ ЩЕТОК ДВИГАТЕЛЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА НА НЕЙТРАЛИ Российский патент 1997 года по МПК H02K5/14 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и позволяет контролировать установку щеток двигателя постоянного тока на нейтрали.

Важнейшим фактором, влияющим на режим работы двигателя постоянного тока, является точная установка щеток на нейтрали. Щетки размещаются в щеткодержателях, которые укрепляются на торцовых частях составов двигателей. Например, такое закрепление щеткодержателей на остове выполняется у тяговых двигателей электроподвижного состава, имеющих малое число полюсов (не более четырех). При большем числе полюсов щеткодержатели размещают на поворотной траверсе, выполненной в виде зубчатого венца и позволяющей перемещать их с помощью легкодоступного регулируемого узла, состоящего из съемного маховичка и зубчатого колеса. К точности ее установки предъявляют повышенные требования. Известно, что смещение щеток с нейтрали значительно ухудшает условия работы тяговых двигателей, что проявляется в нарушении нормальной коммутации, расхождении скоростных характеристик и повышенном износе щеток и коллектора.

Правильную установку щеток оценивают различными способами, в которых предусматриваются контроль и измерение таких параметров как ЭДС, ток, частота вращения якоря двигателя.

Известен способ установки щеток двигателя постоянного тока, в котором двигатель устанавливают на стенде с подключением к нему нагрузки и вращением его в произвольном направлении [1] На двигатель подают напряжение и ток номинального режима, которые поддерживают неизменными при различных смещениях траверсы. При каждом смещении измеряют частоту вращения якоря. Контроль установки щеток на нейтрали определяют по сравнению полученной частоты с ее номинальным значением согласно паспорта двигателя. Правильная установка щеток на нейтрали соответствует равенству частоты вращения якоря ее номинальной величине. Достоинствами данного способа являются возможность правильной установки щеток на нейтрали и оценка коммутационных свойств двигателя. Недостатками способа являются необходимость стабилизации подаваемого напряжения на двигатель при колебаниях напряжения в сети и достаточно большая продолжительность опыта из-за необходимости измерения контролируемого параметра только в установившемся стационарном процессе работы двигателя, который последует после режима пуска. При несоблюдении этих условий погрешность измерения контролируемого параметра может составить 7 8% Кроме этого, данный способ требует специального дополнительного оборудования на стенде и значительных затрат электрической энергии для осуществления режима нагрузки, которые усложняют и удорожают его проведение.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является способ, в котором двигатель устанавливают на стенде и осуществляют холостой режим работы с вращением его в одну и другую стороны (реверсирование) [2] На двигатель подают напряжение и измеряют частоту вращения якоря в обеих направлениях при различных смещениях траверсы. Контроль установки щеток двигателя на нейтрали определяют по сравнению частоты вращения якоря в обоих направлениях при одинаковом напряжении и одинаковом токе возбуждения двигателя. Правильная установка щеток на нейтрали соответствует равенству величин частоты вращения в ту или другую стороны. Такой способ не требует специального дополнительного оборудования на стенде и большого расхода электрической энергии для своего осуществления, что упрощает и удешевляет его. Однако этот способ имеет существенные недостатки. Прежде всего это необходимость стабилизации подаваемого на двигатель напряжения при колебаниях в сети. Кроме этого, измерение частоты вращения необходимо выполнять только в установившемся стационарном процессе работы двигателя, т.е. только после завершения режима пуска, когда ток двигателя достигнет своего определенного установившегося значения, а это потребует затрат времени на измерение контролируемого параметра. Частота вращения зависит от напряжения и тока двигателя, которые являются активными и меняющимися в определенных случаях от внешних условий параметрами цепи двигателя в процессе его работы

где U_g напряжение питания двигателя;
I_g ток двигателя;
Sr_д сумма активных сопротивлений обмоток двигателя;
C конструктивная постоянная двигателя;
Φ магнитный поток двигателя.

Нарушение этих условий приводит к увеличению погрешности измерения контролируемого параметра, которая может составить 9 10%
В основу изобретения положена задача создания упрощенного и более достоверного способа контроля установки щеток двигателя постоянного тока на нейтрали, в котором повышение точности измерения обеспечивается за счет измерения пассивного параметра, не зависящего от внешних условий.

Поставленная задача решается тем, что в способе определения установки щеток двигателя постоянного тока на нейтрали, заключающимся во вращении двигателя на холостом ходу в противоположных направлениях, в измерении контролируемого параметра и в суждении о точности установки щеток на нейтрали по разности контролируемого параметра при вращении двигателя в противоположных направлениях, в качестве контролируемого параметра выбирают электромеханическую постоянную времени двигателя, измеренную в режиме пуска. По величине разности измеренных параметров судят о точности установки щеток на нейтрали.

Благодаря измерению электромеханической постоянной двигателя достигается точность контроля установки щеток на нейтрали. Это обусловлено тем, что электромеханическая постоянная времени двигателя является пассивным параметром и практически не зависит от внешних условий.

Электромеханическая постоянная времени Т_эм зависит от конструктивных и пассивных параметров цепи двигателя

где I момент инерции двигателя;
r_а активное сопротивление якоря двигателя;
C конструктивная постоянная двигателя;
Φ магнитный поток возбуждения двигателя.

За время действия на двигателе переходного процесса магнитный поток возбуждения F можно считать постоянным, так как его изменение во времени происходит значительно медленнее, чем изменение тока и напряжения двигателя, вызвавшее переходной процесс. Таким образом, контролируемый параметр - электромеханическая постоянная времени двигателя -является независимым от напряжения и тока параметром, а следовательно, и определение установки щеток на нейтрали является более достоверным и точным. Погрешность составляет 2 - 3%
На фиг. 1 показана схема устройства для реализации способа определения установки щеток двигателя постоянного тока на нейтрали, на фиг.2 представлены графики работы элементов устройства.

Устройство для реализации способа содержит два датчика тока двигателя 1, каждый из которых через блок изменения 2 [3] соединен с элементом сравнения 3, имеющим табло индикации, на котором регистрируется результат сравнения (разность) электромеханических постоянных времени двигателя при вращении его в противоположные стороны. В свою очередь каждый блок измерения 2 содержит интегрирующую 4 и дифференцирующую 5 цепи, индикатор экстремума напряжения 6, электронный ключ 7, триггер 8, генератор импульсов 9, логическую схему И 10 и счетную схему 11.

Способ осуществляется следующим образом.

На невращающемся двигателе устанавливают в определенном положении траверсу с щетками. В исходящем состоянии при t <t₁ генератор импульсов 9 вырабатывает периодическую последовательность импульсов U₉ c периодом следования t_u. Триггер 8 находится в нулевом состоянии U₈ (t <t₁) 0 и логическая схема И 10 закрыта U₁₀ (t < t₁) 0. В момент времени t₁ запускается двигатель на холостом ходу и с датчика 1, включенного в якорную цепь двигателя, в блок измерения 2 подается входной сигнал U₁, пропорциональный току двигателя в режиме пуска. Выходной сигнал дифференцирующей цепи U₅ (t_1M) переводит триггер 8 в единичное состояние U₈ (t₁), логическая схема И 10 открывается и начинает пропускать импульсы с генератора 9 на счетную схему 11 U₁₀(t₁).

В интервале времени t₁ t₂ мгновенное значение выходного сигнала U₄ интегрирующей цепи 4 нарастает и подается на вход индикатора экстремума напряжения 6. Его выходной сигнал U₆ остается равным нулю до тех пор, пока сигнал U₄ еще не достиг экстремального значения. При этом счетная схема 11 продолжает считать импульсы U₁₀ (t₁ - t₂). В момент времени t₂ мгновенное значение выходного сигнала U₄ интегрирующей цепи 4 принимает экстремальное значение и на выходе индикатора 6 появляется сигнал U₆ (t₂), в результате которого срабатывает электронный ключ 7. Сигнал с его выхода U₇ (t₂) подается на второй вход триггера 8 и переводит его в нулевое состояние. Логическая схема И 10 закрывается и схема 11 прекращает счет импульсов U₁₀ (t > t₂). На табло индикации элемента сравнения 3 высвечивается число импульсов m, cосчитанное за время достижения выходным сигналом U₄ интегрирующей цепи 4 экстремального значения t_э t₁ t₂ m•t_u.

Далее реверсируют двигатель и вновь его запускают на холостом ходу в момент времени t₁. С второго датчика 1, также включенного в якорную цепь двигателя, во второй блок измерения 2 подается входной сигнал . Работа элементов второго блока измерения происходит аналогично работе первого, описанного выше. Если щетки неточно установлены на нейтрали, то кривая сигнала будет спадать иначе и экстремум напряжения сигнала индикатор 6 зафиксирует, например, при t₃>t₂ (фиг.2), в результате чего счетная схема 11 второго блока измерения будет больше работать по времени и на табло индикации элемента сравнения 3 высвечивается сигнал разности U₃=Δ числа импульсов m, полученных при вращении в ту и другую стороны . По величине разности Δ судят о точности установки щеток на нейтрали.

При достаточно точной установке щеток не нейтрали сигналы U₁ и датчиков тока двигателя при вращении его в ту и другую стороны будут достаточно близко совпадать, так как электромеханическая постоянная времени зависит только от конструктивных и пассивных параметров цепи двигателя и не зависит от величины напряжения и тока двигателя:

где I момент инерции двигателя;
r_a активное сопротивление якоря двигателя;
c конструктивная постоянная двигателя;
Φ магнитный поток возбуждения двигателя.

При вращении двигателя на холостом ходу в ту и другую стороны параметры I, r_a, С неизменны и на величину Т_эм может повлиять только величина F которая будет несколько отличаться друг от друга при реверсировании, если щетки будут установлены неточно. Отличие получается в результате появления продольной составляющей намагничивающей силы якоря, возникающей в результате смещения щетки с нейтрали, которая усиливает или ослабляет магнитный поток возбуждения в зависимости от направления смещения щеток относительно нейтрали. При точной установке щеток на нейтрали продольная составляющая намагничивающей силы якоря исчезает. Следовательно, магнитные потоки возбуждения реверсируемого двигателя будут равны, а электромеханические постоянные времени одинаковы. Погрешность изменения Т_эм при этом способе будет весьма небольшой и составит не более 2 3%
Для оценки качества системы измерения в переходном процессе, каким является пусковой режим двигателя, применяется такой показатель качества, как точность измерения, характеризуемая динамической и статической ошибками. Предельно допустимой нормой такой точности является 5%

Использование: изобретение относится к контрольно-измерительной технике. Сущность изобретения: вращают двигатель на холостом ходу в противоположных направлениях, измеряют электромеханическую постоянную времени двигателя в обоих случаях, сравнивают результаты измерения и по разности измеряемых параметров, не превышающей 5% предельно допустимой нормы, судят о правильности установки щеток на нейтрали. 2 ил.

Способ определения установки щеток двигателя постоянного тока на нейтрали, заключающийся во вращении двигателя на холостом ходу в противоположных направлениях, в измерении контролируемого параметра и в суждении о точности установки щеток на нейтрали по разности контролируемого параметра при вращении двигателя в противоположных направлениях, отличающийся тем, что в качестве контролируемого параметра выбирают электромеханическую постоянную времени двигателя, измерение параметров осуществляют в режиме пуска, а о точности установки щеток на нейтрали судят по разности величин электромеханических постоянных времени реверсируемого двигателя, не превышающей 5% предельно допустимой нормы.