СПОСОБ КОНТРОЛЯ ТОКОРАСПРЕДЕЛЕНИЯ ПО КОМПЛЕКТАМ ЩЕТОК УЗЛА ТОКОСЪЕМА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАШИНЫ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2002 года по МПК H01R39/00 H01R39/58 G01R19/00 G01R19/04 

Изобретение относится к электротехнике, преимущественно к измерениям характеристик электрических машин, и может быть использовано для постоянного контроля качества работы щеточно-контактных аппаратов в электрических машинах.

В процессе работы щеточно-контактного аппарата ток распределяется между щетками и комплектами (группами) щеток неравномерно. Поэтому одни щетки перегреваются и искрят, а другие - недогруженные - быстро изнашиваются. Неравномерность токораспределения является одной из основных причин возникновения кругового огня на контактных кольцах крупных турбогенераторов. В настоящее время токи отдельных щеток измеряют вручную при помощи портативных переносных токоизмерительных клещей. Постоянный автоматический контроль токораспределения позволяет производить своевременную настройку щеточно-контактного аппарата по критерию равномерности токораспределения, руководствуясь объективными данными.

Известны способы и устройства контроля работы щеточно-контактного аппарата (авторские свидетельства СССР N 1702465, МКИ H 01 R 39/58, 1536464, МКИ H 01 R 39/40), а также способы и устройства для измерения тока в электрической цепи (Электрические измерения. Средства и методы измерений (общий курс) / Под ред. Е. Г. Шрамкова. М. : "Высшая школа", 1972. С. 108, рис. 6.5. Электрические измерения. Общий курс. Изд. 4-е. / Под ред. А. В. Фремке. - Л. : "Энергия". 1973. С. 244, рис. 173).

Наиболее близкими являются способ измерения тока, протекающего по участку электрической цепи, заключающийся в регистрации через пары измерительных проводников падений напряжений на участках токоведущих шин, а также устройство для реализации указанного способа, состоящее из участков цепи токоведущих шин, к которым подсоединены одними концами пары измерительных проводников, подключенные другими концами к регистраторам, содержащим каждый последовательно включенный инструментальный усилитель с фильтром низкой частоты и блок отображения информации (авторское свидетельство СССР N 1161885, МКИ G 01 R 19/04).

Недостатком прототипа является невозможность постоянного контроля токораспределения по комплектам щеток узла токосъема электрической машины. Техническим результатом является достижение постоянного контроля токораспределения по комплектам щеток узла токосъема электрической машины, дополнительное ускорение, упрощение измерений и увеличение надежности устройства.

Указанная цель достигается тем, что в способе контроля токораспределения по комплектам щеток электрической машины, включающем регистрацию через пары измерительных проводников падений напряжений на контрольных участках электрических цепей токоведущих шин, регистрируют последовательно по замкнутому циклу для каждой токоведущей шины падения напряжения сначала на контрольном участке между началом токоведущей шины и первым комплектом щеток, затем на контрольных участках, расположенных между комплектами щеток, затем на контрольном участке между последним комплектом щеток и концом каждой токоведущей шины, а после каждого описанного цикла регистрации вычисляют величины токов, потребляемых от токоведущих шин комплектами щеток, после чего складывают величины токов, потребляемые каждым комплектом щеток от разных токоведущих шин, а результаты визуально отображают.

Кроме того, в заявленном способе регистрируют падения напряжения между серединами всех соседних контрольных участков каждой токоведущей шины и дополнительно с одного контрольного участка каждой токоведущей шины.

В устройстве для контроля токораспределения по комплектам щеток электрической машины, содержащем токоведущие шины с контрольными участками электрических цепей, к которым подсоединены одними концами пары основных измерительных проводников, подключенные другими концами к регистраторам, содержащим каждый последовательно включенные усилитель постоянного тока с фильтром низкой частоты и блок визуального отображения информации, пары измерительных проводников подключены одними концами к соответствующим контрольным участкам на каждой токоведущей шине, расположенным между началом токоведущей шины и первым комплектом щеток токоведущей шины, между последним комплектом щеток токоведущей шины и концом токоведущей шины, а также между комплектами щеток, подсоединенных к данной токоведущей шине, а другими концами - к регистраторам, содержащим каждый последовательно соединенные кольцевой коммутатор, усилитель постоянного тока с фильтром низкой частоты, аналого-цифровой преобразователь, микропроцессор нижнего уровня с присоединенным к нему блоком управления кольцевым коммутатором, связанным с кольцевым коммутатором, а микропроцессоры нижнего уровня через блоки связи соединены с центральным процессором, который связан с блоком визуального отображения информации, содержащим индикаторы.

В заявленном устройстве измерительные проводники подключены к серединам контрольных участков токоведущих шин, и к одному из контрольных участков каждой токоведущей шины дополнительно подключена пара измерительных проводников.

Кроме того, в устройстве порядковый номер участка, к которому подключена указанная пара измерительных проводников, определяется по формуле
x = int[{ n+1} /2] , (1)
где int - функция выделения целого; n-количество комплектов щеток на токоведущей шине.

Кроме того, контрольные участки конкретной токоведущей шины имеют одинаковую длину и отстоят на равные расстояния от соседних комплектов щеток конкретной токоведущей шины.

На фиг. 1 приведена блок-схема устройства для непрерывного контроля токораспределения по комплектам щеток узла токосъема электрической машины (см. пункты формулы 1, 3). На фиг. 2 изображена электрическая схема присоединения кольцевого коммутатора, указанного на фиг. 1, к участкам токоведущей шины узла токосъема (щеточно-контактного аппарата) электрической машины (см. пункт формулы 3). На фиг. 3 изображена альтернативная электрическая схема присоединения кольцевого коммутатора, указанного на фиг. 1, к участкам токоведущей шины щеточно-контактного аппарата электрической машины (см. пункт формулы 4). На фиг. 4 приведен расчетный фрагмент альтернативной электрической схемы присоединения кольцевого коммутатора к участкам токоведущей шины узла токосъема электрической машины.

Устройство для непрерывного контроля токораспределения по комплектам щеток узла токосъема электрической машины (см. фиг. 1) содержит кольцевой коммутатор 1, выполненный на герконовых реле, соединенный с контрольными участками токоведущей шины 2 узла токосъема электрической машины посредством пар измерительных проводников ЛА1 и ЛВ1, ЛА2 и ЛВ2, . . . , ЛАi и ЛВi, . . . , ЛАn и ЛВn, ЛАn+1 и ЛВn+1 (подробно см. фиг. 2), где i = 1, 2, . . . , n-порядковый номер комплекта щеток на конкретной токоведущей шине, считая от ее начала (на фиг. 2 комплекты щеток, подсоединенных к токоведущей шине, обозначены как Щ1, Щ2, . . . , Щi, . . . , Щn. Щетки прижаты к коллектору или токосъемному кольцу электрической машины (не показаны)); n-количество комплектов щеток на конкретной токоведущей шине. Контрольные участки токоведущей шины 2 пронумерованы также с использованием индекса i. На фиг. 2 i = 1 соответствует контрольному участку L₁ между началом шины и 1-м комплектом щеток; i = n+1 соответствует контрольному участку L_n+1 между n-ым комплектом щеток и концом токоведущей шины; i-й контрольный участок расположен между i-1-ым и i-м комплектами щеток, при i = 2, 3, . . . , n. К кольцевому коммутатору 1 (см. фиг. 1) последовательно подсоединены усилитель постоянного тока 3 со встроенным фильтром низкой частоты, потом аналого-цифровой преобразователь 4 и затем микропроцессор нижнего уровня 5, который в свою очередь связан через посредство блока управления кольцевым коммутатором 6 с кольцевым коммутатором 1. Центральный процессор (процессор верхнего уровня) 7 связан с блоками отображения и ввода информации 8, 9 и соединен с микропроцессором нижнего уровня 5 через блок связи 10, который состоит из двух приемопередающих блоков 11. Каждый приемопередающий блок содержит передатчик 12 и приемник 13. Приемопередающие блоки связаны линиями связи 14, имеющими гальванические развязки. Блоки 1, 3, 4, 5, 6 представляют собой регистратор 15, входы которого связаны проводниками с токоведущей шиной 2, и через блок связи - с процессором верхнего уровня 7. Выход регистратора 15, являющийся также выходом микропроцессора нижнего уровня 5, подсоединен через блок связи 10 к входу процессора верхнего уровня 7. Выход процессора верхнего уровня 7 соединен с входом регистратора 15 через блок связи 10. Токоведущих шин 2 может быть несколько (см. фиг. 1). Соответственно, к каждой из этих токоведущих шин подключен свой регистратор 15 с помощью пар проводников ЛАi, ЛВi, соединенный через блок связи 10 с одним центральным процессором 7.

Контрольные участки токоведущей шины 2: L₁, L₂, . . . , L_i, . . . , L_n, L_n+1 (см фиг. 2) могут иметь одинаковую длину L_i = L, а также располагаться на равных расстояниях относительно ближайших щеточных комплектов. Кольцевой коммутатор 1 (см. фиг. 2) содержит совокупность герконовых реле с контактами КА1, КА2, . . . , KAi, . . . , КАn+1, которые подключены к началам контрольных участков токоведущих шин и контактами KB 1, КВ2, . . . , KBi, . . . , KBn+1, которые подключены к концам контрольных участков токоведущих шин (катушки реле на фиг. 2 не показаны, они подключены к блоку управления кольцевым коммутатором 6). Контрольный участок L₁ токоведущей шины 2 связан своими крайними точками через пару проводников ЛА1 и ЛВ1 с входными контактами реле КА1 и KBI; контрольный участок L₂ связан своими крайними точками через пару проводников ЛА2 и ЛВ2 с входными контактами реле КА2 и КВ2 1; и т. д. ; контрольный участок L_i связан своими крайними точками через пару проводников ЛАi и ЛВi с входными контактами реле KAi и KBi, контрольный участок L_n+1 связан своими крайними точками через пару проводников ЛАn+1 и ЛВn+1 с входными контактами КАn+1 и KBn+1. Выходные контакты реле КА1, КА2, . . . , KAi, . . . , КАn+1 присоединены к выходному проводнику П1, а выходные контакты реле KB1, КВ2, . . . , KBi, . . . , KBn+1 присоединены к выходному проводнику П2. Проводники П1 и П2 подключены на вход усилителя 3. Блок отображения информации может представлять собой дисплей, либо панель с комплектом столбиковых индикаторов, число которых соответствует числу щеточных комплектов на токоведущей шине 2. На фиг. 2 слева изображена еще одна токоведущая шина, которая в данном случае подключена к тем же комплектам щеток, что и первая шина, и имеет аналогичное соединение контрольных участков через проводники к своему аналогичному регистратору, который на фиг. 2 не показан.

На альтернативной схеме подключения кольцевого коммутатора 1 к токоведущим шинам 2 узла токосъема электрической машины, изображенной на фиг. 3, показаны точки подключения измерительных проводников. Измерительный проводник Л1 подключен к середине первого контрольного участка L₁ токоведущей шины 2, измерительный проводник Л2 подключен к середине 2-го контрольного участка L₂ токоведущей шины 2, и т. д. Измерительный проводник Лi подключен к середине i-го контрольного участка L₁, измерительный проводник Л_n подключен к середине n-го контрольного участка L_n, измерительный проводник Л1 подключен к середине n+1-го контрольного участка L_n+1. Другими своими концами измерительные проводники Л1. . . Лn+1 подключены к соответствующим контактам герконовых реле K1, K2, . . . , Ki, . . . , Kn, Kn+1. Пара дополнительных измерительных проводников ЛАx и ЛВx подключены другими концами к контактам дополнительных герконовых реле кольцевого коммутатора КАх и КВх соответственно. Участок, к которому подключены измерительные проводники ЛАх и ЛВх, предпочтительно располагается посередине токоведущей шины, т. е. равноудален от ее концов. Т. к. точное положение указанного участка посередине шины не всегда возможно, то его порядковый номер определяют по формуле x= int[{ n+1} /2] , где int - функция выделения целого. На фиг. 3 в качестве упомянутого измерительного участка выбран первый участок L₁. Выходные клеммы всех нечетных контактов реле К1, К3, К5, . . . , а также контакт реле КАх подключены к выходному проводнику П1. Выходные клеммы всех четных контактов герконовых реле К2, К4, К6, . . . , а также контакт реле КВх подключены к выходному проводнику П2.

Контрольные участки L_i конкретной токоведущей шины могут иметь одинаковую длину и отстоять на равные расстояния от соседних комплектов щеток конкретной токоведущей шины.

Устройство, изображенное на фиг. 1 и фиг. 2, работает следующим образом. Производят регистрацию с помощью регистратора 16 падений напряжений на контрольных участках токоведущих шин 2 узла токосъема электрической машины. Каждый акт регистрации заключается в снятии соответствующего напряжения через пару проводников путем последовательного подключения их с помощью кольцевого коммутатора 1, содержащего контакты реле, к усилителю постоянного тока 3, усилении полученного напряжения, преобразовании усиленного напряжения U_ус в цифровую форму аналого-цифровым преобразователем 4 и запоминании преобразованного значения микропроцессором нижнего уровня 5. Регистрируют последовательно по замкнутому циклу для каждой токоведущей шины через пары проводников ЛА1 и ЛВ1, ЛА2 и ЛВ2, . . . , ЛАi и ЛВi, . . . , ЛАn и ЛВn, ЛАn+1 и ЛВn+1 падения напряжения U₁, U₂, . . . , U_i, . . . , U_n+1 на контрольных участках L₁, L₂, . . . , L_i, . . . , L_n+1. Регистрация производится в следующей последовательности: сначала на контрольном участке L₁ между началом токоведущей шины и первым комплектом щеток Щ1, затем последовательно на контрольных участках L₂, . . . , L_i, . . . , L_n, расположенных между комплектами щеток Щ1. . . Щn, затем на контрольном участке L_n+1 между последним комплектом щеток Щn+1 и концом токоведущей шины. Необходимо заметить, что каждый контакт реле замыкают на время t₃, а затем размыкают и после этого замыкают следующий контакт. Время замкнутого состояния контакта определяют по формуле: t₃ ≥ 3 Т_y, где T_y - постоянная времени усилителя с фильтром низкой частоты. После каждого описанного цикла регистрации запомненные микропроцессором нижнего уровня значения пересылают через блок связи 10 в процессор верхнего уровня 7 и запоминают в нем. Затем с помощью программы, ранее введенной в процессор верхнего уровня, вычисляют токи, потребляемые от токоведущих шин 2 комплектами щеток Щi по формуле.

I_ki= U_i•G_i-U_i+1•G_i+1, (2)
где i = 1. . . n - порядковый номер комплекта щеток на конкретной токоведущей шине, считая от ее начала; n - количество комплектов щеток на конкретной токоведущей шине; i = 1 соответствует контрольному участку между началом шины и 1-м комплектом щеток; i = n+1 соответствует контрольному участку между n-м комплектом щеток и концом токоведущей шины; i-й контрольный участок расположен между i-1-м и i-м комплектами щеток, при i= 2, 3, . . . , n; U_i, U_i+1, G_i, G_i+1 - зарегистрированные падения напряжения для соответствующих контрольных участков конкретной токоведущей шины и проводимости данных контрольных участков;
Затем складывают с помощью процессора верхнего уровня 9 значения токов, потребляемых каждым комплектом щеток от разных токоведущих шин, а результаты визуально отображают с помощью блока вывода информации 9, например, в виде гистограмм, имеющих n столбцов, для которых устанавливают высоту каждого i-го столбца равно пропорционально суммарному току, потребляемому i-м комплектом щеток или току, потребляемому i-м комплектом щеток от конкретной токоведущей шины. Возможно отображение также в виде различного вида диаграмм, графиков и т. д. Кольцевым коммутатором управляют с помощью микропроцессора нижнего уровня 5, содержащего программу, реализующую вышеописанный алгоритм управления кольцевым коммутатором. Замыкание и размыкание контактов реле производится через посредство блока управления кольцевым коммутатором 6.

Устройство, изображенное на фиг. 1 и фиг. 3, работает следующим образом. Регистрируют падения напряжения U_ki = U_1i + U_2i (см. фиг. 4, фиг. 3) между серединами всех соседних контрольных участков L_i каждой токоведущей шины 2 через измерительные проводники Л_i, Л_i+1 (i= 1. . . n). Для этого последовательно замыкают контакты пар герконовых реле К1 и К2, К2 и К3, К3 и К4, и т. д. , Кn и Кn+1. Затем дополнительно регистрируют падение напряжения U_x с одного контрольного участка L_x каждой токоведущей шины через измерительные проводники ЛАx и ЛВx путем замыкания контактов герконовых реле КАx и КВx (на фиг. 3 в качестве такого участка выбран участок L₁, т. е. индекс данного участка i= x= 1). Токи I_ki, потребляемые от токоведущих шин комплектами щеток Щi вычисляют из системы уравнений (3-5) (см. фиг. 4)
I_ki = I_i - I_i+1, (3)

I_x = U_x•G_x, (5)
где I_i, I_i+1 - токи, протекающие по i-му и i+1-му контрольным участкам конкретной токоведущей шины; U_ki - зарегистрированное падение напряжения между серединами i-го и i+1-го контрольных участков конкретной токоведущей шины; G_1i, G_2i - проводимости отрезков токоведущей шины между i-ым комплектом щеток и серединами i-го и i+1-го контрольных участков конкретной токоведущей шины; U_x, I_x, G_x, - зарегистрированное напряжение, дополнительно снятое с одного из контрольных участков конкретной токоведущей шины, ток на этом участке, проводимость данного участка.

Способ и устройство, описанные в п. п. 1, 3 формулы изобретения, позволяют осуществлять постоянный контроль всех токов, потребляемых комплектами щеток узла токосъема электрической машины, в то время как прототип дает возможность осуществлять контроль лишь одного тока, протекающего по отдельному участку токоведущей шины узла токосъема электрической машины. Указанный положительный эффект заявляемого объекта обусловлен всей совокупностью отличительных признаков, приведенных п. п. 1, 3 формулы, и является сверхсуммарным.

Дополнительное ускорение измерения (см. п. п. 2, 4 формулы изобретения) определяется меньшим количеством соединений с токоведущей шиной и меньшим числом актов регистрации падений напряжений на контрольных участках шины. Меньшее количество электрических соединений с токоведущей шиной создает также дополнительный положительный эффект повышения надежности устройства.

Размещение контрольного участка, к которому подключена отдельная пара измерительных проводников (см. п. 5), определяемое его порядковым номером x, создает положительный эффект повышения точности измерения, т. к. уменьшается ошибка, накапливающаяся на каждом шаге рекуррентной процедуры решения системы уравнений (3-5). Вычисление при этом разделяется на две приблизительно равных последовательности шагов. В то время как при другом номере x одна из вычислительных последовательностей будет всегда иметь большее число шагов, что вызовет большее накопление ошибки.

Упрощение измерения (см п. 6) обусловлено тем, что при описанной конфигурации контрольных участков при вычислениях будут использоваться одинаковые величины электрических проводимостей. Поэтому отпадает необходимость организации массивов для их хранения и процедур циклической подстановки их значений при расчетах. Можно сказать также, что данная совокупность признаков несколько повышает быстродействие объекта.

Изобретение относится к электротехнике, преимущественно к измерениям характеристик электрических машин, и может быть использовано для постоянного контроля качества работы щеточно-контактных аппаратов в электрических машинах. Способ контроля включает регистрацию через пары измерительных проводников падений напряжений на контрольных участках электрических цепей токоведущих шин. Регистрируют последовательно по замкнутому циклу для каждой токоведущей шины падения напряжения сначала на контрольном участке между началом токоведущей шины и первым комплектом щеток, затем на контрольном участке между последним комплектом щеток и концом каждой токоведущей шины, а после каждого описанного цикла регистрации вычисляют величины токов, потребляемых от токоведущих шин комплектами щеток. Техническим результатом является повышение точности измерения, упрощение измерения, повышение быстродействия объекта. 2 с. и 4 з. п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ контроля токораспределения по комплектам щеток электрической машины, включающий регистрацию через пары измерительных проводников падений напряжений на контрольных участках электрических цепей токоведущих шин, отличающийся тем, что регистрируют последовательно по замкнутому циклу для каждой токоведущей шины падения напряжения сначала на контрольном участке между началом токоведущей шины и первым комплектом щеток, затем на контрольных участках, расположенных между комплектами щеток, затем на контрольном участке между последним комплектом щеток и концом каждой токоведущей шины, а после каждого описанного цикла регистрации вычисляют величины токов, потребляемых от токоведущих шин комплектами щеток, после чего складывают величины токов, потребляемые каждым комплектом щеток от разных токоведущих шин, а результаты визуально отображают. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что регистрируют падения напряжения между серединами всех соседних контрольных участков каждой токоведущей шины и, дополнительно, с одного контрольного участка каждой токоведущей шины. 3. Устройство для контроля токораспределения по комплектам щеток электрической машины, содержащее токоведущие шины с контрольными участками электрических цепей, к которым подсоединены одними концами пары основных измерительных проводников, подключенные другими концами к регистраторам, содержащим каждый последовательно включенные усилитель постоянного тока с фильтром низкой частоты и блок визуального отображения информации, отличающееся тем, что пары измерительных проводников подключены одними концами к соответствующим контрольным участкам на каждой токоведущей шине, расположенным между началом токоведущей шины и первым комплектом щеток токоведущей шины, между последним комплектом щеток токоведущей шины и концом токоведущей шины, а также между комплектами щеток, подсоединенных к данной токоведущей шине, а другими концами - к регистраторам, содержащим каждый последовательно соединенные кольцевой коммутатор, усилитель постоянного тока с фильтром низкой частоты, аналого-цифровой преобразователь, микропроцессор нижнего уровня с присоединенным к нему блоком управления кольцевым коммутатором, связанным с кольцевым коммутатором, а микропроцессоры нижнего уровня через блоки связи соединены с центральным процессором, который связан с блоком визуального отображения информации, содержащим индикаторы. 4. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что измерительные проводники подключены к серединам контрольных участков токоведущих шин и к одному из контрольных участков каждой токоведущей шины дополнительно подключена пара измерительных проводников. 5. Устройство по п. 4, отличающееся тем, что порядковый номер участка, к которому подключена указанная пара измерительных проводников, определяется по формуле х= int[{ n+l} /2] , где int - функция выделения целого; n - количество комплектов щеток на токоведущей шине. 6. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что контрольные участки конкретной токоведущей шины имеют одинаковую длину и отстоят на равные расстояния от соседних комплектов щеток конкретной токоведущей шины.