СПОСОБ КОНТРОЛЯ И ВИЗУАЛИЗАЦИИ РАБОТЫ ЩЕТОЧНО-КОЛЛЕКТОРНОГО УЗЛА ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ДВИГАТЕЛЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА Российский патент 2014 года по МПК G06G7/63 

Предлагаемое изобретение относится к автоматизированному контролю и интеллектуальной диагностике электрических машин.

Известны способы контроля и визуализации работы щеточно-коллекторного узла электрического двигателя постоянного тока, при которых измеряют параметр, характеризующий искрение, выполняют отображение и сравнение измеренной величины с допустимым значением (Патент РФ №2303272, МПК G01R 31/34. Опубл. 20.07.2007. - Бюл. №20; А.с. СССР №1810955, МПК H02K 13/14. Опубл. 23.04.93. - Бюл. №15; Комаров С.Г. Прибор для контроля искрения на коллекторе электрической машины постоянного тока // Современная техника и технологии. - Январь, 2013 [Электронный ресурс]. URL: http://technology.snayka.ru/2013/01/1459).

Известные способы позволяют контролировать искрение щеток двигателя и принимать меры по своевременному устранению причин нарушения нормальной работы. Вместе с тем при использовании известного способа не контролируется износ щеток и не определяются причины искрения.

Следовательно, недостатками известных способов являются ограниченные функциональные возможности и недостаточная надежность контроля работы щеточно-коллекторного узла электрического двигателя постоянного тока.

Из известных технических решений наиболее близким к предлагаемому по достигаемому результату является способ контроля и визуализации работы щеточно-коллекторного узла электрического двигателя постоянного тока, при котором измеряют температуру обмоток ротора, ток якорной обмотки, угловую скорость ротора, параметр, характеризующий искрение, преобразуют измеренные величины в цифровые коды и передают их в вычислительное устройство, например компьютер, с помощью которого выполняют отображение, регистрацию и сравнение измеренных величин с допустимыми значениями и формирование сигналов для системы защиты (Патент США №7873581, G06F 15/18; G06G 7/00, 2011).

При реализации известного способа обеспечивается контроль работы компонентов электрического двигателя постоянного тока путем получения информации о текущих значениях переменных, характеризующих работу элементов машины, в том числе параметра, характеризующего искрение, тока якорной обмотки, угловой скорости вращения ротора и температуры обмоток ротора. Вместе с тем при использовании известного способа не контролируется износ щеток и не определяются причины искрения.

Недостатками известного способа являются ограниченные функциональные возможности и недостаточная надежность работы щеточно-коллекторного узла электрического двигателя постоянного тока.

Цель предлагаемого изобретения - расширение функциональных возможностей и повышение надежности контроля работы щеточно-коллекторного узла электрического двигателя постоянного тока.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе контроля и визуализации работы щеточно-коллекторного узла электрического двигателя постоянного тока, при котором измеряют температуру обмоток ротора, ток якорной обмотки, угловую скорость ротора, параметр, характеризующий искрение, преобразуют измеренные величины в цифровые коды и передают их в вычислительное устройство, например компьютер, с помощью которого выполняют отображение, регистрацию и сравнение измеренных величин с допустимыми значениями и формирование сигналов для системы защиты, дополнительно измеряют длину щеток, хранят в памяти вычислительного устройства модель механической характеристики двигателя, синтезируют анимированное изображение искрения щеточно-коллекторного узла и положение рабочей точки двигателя в плоскости параметров ток - скорость на фоне механической характеристики, вычисляют оценки коэффициентов корреляции между параметром ξ, характеризующим искрение, и током i двигателя r_ξi и коэффициента корреляции между параметром ξ, характеризующим искрение, и угловой скоростью Ω двигателя r_ξΩ на скользящем интервале времени в зависимости от значений температуры обмоток, угловой скорости ротора, тока, длины щеток, параметра, характеризующего искрение, коэффициентов корреляции r_ξi и r_ξΩ определяют принадлежность режима работы двигателя к области нормальных, допустимых или аварийных режимов, выявляют причину искрения, регистрируют в памяти вычислительного устройства и отображают значения длины щеток и коэффициентов корреляции r_ξi и r_ξΩ, а также сообщение о режиме работы двигателя и вероятной причине искрения на экране монитора.

По сравнению с наиболее близким аналогичным техническим решением предлагаемое решение включает следующие новые операции:

- измеряют длину щеток;

- хранят в памяти вычислительного устройства модель механической характеристики двигателя;

- синтезируют анимированное изображение искрения щеточно-коллекторного узла и положение рабочей точки двигателя в плоскости параметров ток - скорость на фоне механической характеристики;

- вычисляют коэффициенты корреляции между параметром ξ, характеризующим искрение, и током i двигателя r_ξi и коэффициент корреляции между параметром ξ, характеризующим искрение, и угловой скоростью Ω двигателя r_ξΩ на скользящем интервале времени;

- в зависимости от значений температуры обмоток, угловой скорости ротора, тока, длины щеток, параметра, характеризующего искрение, коэффициентов корреляции r_ξi и r_ξΩ определяют принадлежность режима работы двигателя к области нормальных, допустимых или аварийных режимов и определяют причину искрения;

- регистрируют значения длины щеток и оценок коэффициентов корреляции r_ξi и r_ξΩ в памяти вычислительного устройства;

- отображают значения длины щеток и коэффициентов корреляции r_ξi и r_ξΩ, а также сообщение о режиме работы двигателя и вероятной причине искрения на экране монитора.

Следовательно, заявляемое техническое решение соответствует требованию «новизна».

При реализации предлагаемого изобретения повышается надежность и достоверность контроля параметров двигателя постоянного тока, так как обеспечивается наглядность и доступность информации о состоянии щеточно-коллекторного узла.

Следовательно, заявляемое техническое решение соответствует требованию «положительный эффект».

По каждому отличительному признаку проведен поиск известных технических решений в области электротехники, автоматики, контроля и диагностики.

Операция измерения длины щеток используется в известном способе аналогичного назначения (SIMOREG DC-MASTER 6RA70 // Siemens. - 2001 [Электронный ресурс]. URL: http://www.siemens-ru.com/images/siemens/docs/System_description.pdf).

Операция обработки электрических сигналов путем вычисления коэффициента корреляции между параметром ξ, характеризующим искрение, и током i двигателя r_ξi и коэффициента корреляции между параметром ξ, характеризующим искрение, и угловой скоростью Ω двигателя r_ξΩ на скользящем интервале времени в известных способах аналогичного назначения не обнаружена.

Операция определения причины искрения путем определения принадлежности значений температуры обмоток, угловой скорости ротора, тока, длины щеток, параметра, характеризующего искрение, коэффициентов корреляции r_ξi и r_ξΩ к области нормальных, допустимых или аварийных режимов работы двигателя в известных способах аналогичного назначения не обнаружена.

Операция синтеза анимированного изображения процесса искрообразования в известных технических решениях аналогичного назначения не обнаружена.

Таким образом, указанные признаки обеспечивают заявляемому техническому решению соответствие требованию «существенные отличия».

При реализации предлагаемого способа осуществляется полный контроль работы щеточно-коллекторного узла путем измерения температуры обмоток, параметра, характеризующего искрение, тока, угловой скорости двигателя и длины щеток. На основании данных непрерывных измерений вычисляются коэффициент корреляции между параметром ξ, характеризующим искрение, и током i двигателя r_ξi и коэффициент корреляции между параметром ξ, характеризующим искрение, и угловой скоростью Ω двигателя r_ξΩ на скользящем интервале времени, значения которых позволяют определить вероятную причину искрения и оценить состояние щеточно-коллекторного узла двигателя в зависимости от принадлежности рабочей точки в пространстве контролируемых параметров к области нормальных, допустимых или аварийных режимов. Компьютерная визуализация работы щеточно-коллекторного узла обеспечивает возможность непрерывной субъективной оценки состояния электрической машины путем удаленного мониторинга.

Следовательно, заявляемое техническое решение соответствует требованию «положительный эффект».

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами. На фиг.1 показана функциональная схема системы контроля и визуализации работы щеточно-коллекторного узла. На фиг 2 показан вид экрана панели оператора с анимированным изображением щеточно-коллекторного узла. На фиг.1 обозначено: 1 - многоканальный аналого-цифровой преобразователь; 2 - датчик угловой скорости ротора; 3 - электрический двигатель постоянного тока; 4 - вычислительное устройство, например компьютер; 5 - панель оператора; 6 - датчик длины щеток; 7 - датчик параметра, характеризующего искрение; 8 - датчик температуры обмоток ротора; 9 - датчик тока якорной обмотки; 10 - преобразователь напряжения; 11 - шина данных.

Работа системы происходит следующим образом. Сигналы с датчиков угловой скорости ротора 2, длины щеток 6, параметра, характеризующего искрение 7, температуры обмоток ротора 8 и тока якорной обмотки 8 коллекторной электрической машины 3, соединенной с электрической сетью посредством преобразователя 10, поступают на многоканальный аналого-цифровой преобразователь 1, а далее по шине данных 11 в вычислительное устройство, например, компьютер. Вычислительное устройство выполняет следующие функции:

- хранит в памяти модель механической характеристики двигателя;

- синтезирует изображение рабочей точки двигателя в плоскости параметров ток-скорость на фоне механической характеристики;

- вычисляет коэффициенты корреляции r_ξi и r_ξΩ на скользящем интервале времени в соответствии с формулами:

$$r_{\xi i}=\frac{{\displaystyle \sum _{k=n-N+1}^n[\xi (k)-\overline{\xi }]\cdot [i(k)-\overline{i}]}}{\sqrt{{\displaystyle \sum _{k=n-N+1}^n{[\xi (k)-\overline{\xi }]}^2}\cdot {\displaystyle \sum _{k=n-N+1}^n{[i(k)-\overline{i}]}^2}}}$$ ;

$$r_{\xi \Omega }=\frac{{\displaystyle \sum _{k=n-N+1}^n[\xi (k)-\overline{\xi }]\cdot [\Omega (k)-\overline{\Omega }]}}{\sqrt{{\displaystyle \sum _{k=n-N+1}^n{[\xi (k)-\overline{\xi }]}^2}\cdot {\displaystyle \sum _{k=n-N+1}^n{[\Omega (k)-\overline{\Omega }]}^2}}}$$ ,

где $$\overline{\xi }=\frac{1}{N}{\displaystyle \sum _{k=n-N+1}^n\xi (k)}$$ , $$\overline{i}=\frac{1}{N}{\displaystyle \sum _{k=n-N+1}^{n}i(k)}$$ , $$\overline{\Omega }=\frac{1}{N}{\displaystyle \sum _{k=n-N+1}^n\Omega (k)}$$ , $$n\ge N$$ .

n - базисная точка на оси времени, N -количество отсчетов на скользящем интервале времени;

- синтезирует анимированное изображение искрения щеточно-коллекторного узла, по следующей схеме: если $$r_{\xi i}\approx 0$$ и $$r_{\xi \Omega }\approx 0$$ , то искрение отсутствует, если $$r_{\xi i}>>r_{\xi \Omega }$$ , то причины искрения электромагнитные и искры изображаются голубым цветом, если $$r_{\xi i}<<r_{\xi \Omega }$$ , то причины искрения механические и искры изображаются зеленым цветом, если $$r_{\xi i}\approx r_{\xi \Omega }$$ и $$r_{\xi i}>>0$$ , то причины искрения смешанные и искры изображаются одновременно зеленым и голубым цветами;

- в зависимости от значений температуры обмоток, угловой скорости ротора, тока, длины щеток, параметра, характеризующего искрение, коэффициентов корреляции r_ξi и r_ξΩ определяет принадлежность режима работы двигателя к области нормальных, допустимых или аварийных режимов и определяет причину искрения;

- регистрирует значения длины щеток и оценок коэффициентов корреляции r_ξi и r_ξΩ в памяти вычислительного устройства;

- определяет принадлежность режима работы двигателя к области нормальных, допустимых или аварийных режимов. Области нормальных, допустимых и аварийных режимов задаются системами неравенств:

- для нормальных режимов:

$$\{\begin{array}{l}\left|i\right|\le I_{Н};\\ \left|\Omega \right|\le {\Omega }_{Н};\\ \theta \le {\theta }_{Н};\\ \xi \le {\xi }_{Н};\\ l\ge l_{Н},\end{array}\text{ (1)}$$

где I_н, Ω_н, ξ_н, l_н - значения границ тока, скорости, параметра, характеризующего искрение, и длины щеток для нормального режима работы;

- для допустимых режимов:

$$\{\begin{array}{l}\left|i\right|\le I_{д};\\ \left|\Omega \right|\le {\Omega }_{д};\\ \theta \le {\theta }_{д};\\ \xi \le {\xi }_{д};\\ l\ge l_{д},\end{array}\text{ (2)}$$

где I_д, Ω_д, ξ_д, l_д - значения границ тока, скорости, параметра, характеризующего искрение, и длины щеток для допустимого режима работы;

- для аварийных режимов:

$$\{\begin{array}{l}\left|i\right|>I_{д};\\ \left|\Omega \right|>{\Omega }_{д};\\ \theta >{\theta }_{д};\\ \xi >{\xi }_{д};\\ l>l_{д}.\end{array}\text{ (3)}$$

В случае если все переменные находятся в нормальных интервалах значений в соответствии с (1), режим работы двигателя считается нормальным. Если хотя бы один из параметров выходит из интервала, соответствующего нормальному режиму, и при этом ни один из параметров не выходит за границы интервала, соответствующего допустимому режиму, заданному системой (2), режим работы двигателя считается допустимым. Если хотя бы один из параметров выходит из интервала, соответствующего допустимому режиму работы, то в этом случае двигатель работает в аварийном режиме, который задан системой (3).

Известно, что искрение щеток может быть вызвано множеством причин, к основным из которых относятся механические (механическое искрение) и электромагнитные (электромагнитное искрение) (Мандыч Н.К. Ремонт электродвигателей. Пособие электромонтеру // Киев. Тэхника. 1989. - 152 с.).

Механические причины, вызывающие искрение, не зависят от нагрузки. При механическом искрении искры зеленого цвета распространяются по всей ширине щетки, подгар коллектора не закономерный, беспорядочный. Механические искрения щеток вызываются: местным или общим биением, задирами на скользящей поверхности коллектора, царапинами, выступающей слюдой, плохой продорожкой коллектора (прорезка слюды между коллекторными пластинами), тугой или слабой посадкой щеток в обоймы щеткодержателей, податливостью бракет, вызывающей вибрацию щеток, вибрацией машин и др.

Электромагнитные причины, вызывающие искрение щеток, более сложные, что касается их выявления. Искрение, вызванное электромагнитными явлениями, изменяется пропорционально нагрузке и мало зависит от частоты вращения. Электромагнитное искрение обычно имеет бело-голубой цвет. Форма искр шаровидная или каплеобразная. Подгар коллекторных пластин носит закономерный характер, по которому можно определить причину искрения. Если в обмотке и уравнителях произойдет замыкание, нарушится пайка или возникнет прямой обрыв, искрение будет неравномерным под щетками, а подгоревшие пластины расположатся по коллектору на расстоянии одного полюсного деления. Если щетки под бракетом одного полюса искрят больше, чем под бракетами других полюсов, значит произошло витковое или короткое замыкание в обмотках отдельных главных или добавочных полюсов; неправильно расположены щетки или ширина их больше допустимой.

С целью выявления вероятной причины искрения в предлагаемом способе вычисляются коэффициенты корреляции r_ξi и r_ξΩ, затем по ним определяется причина искрения по следующей схеме: если $$r_{\xi i}\approx 0$$ и $$r_{\xi \Omega }\approx 0$$ , то искрение отсутствует, если $$r_{\xi i}>>r_{\xi \Omega }$$ , то причины искрения электромагнитные и искры изображаются голубым цветом, если $$r_{\xi i}<<r_{\xi \Omega }$$ , то причины искрения механические и искры изображаются зеленым цветом, если $$r_{\xi i}\approx r_{\xi \Omega }$$ и $$r_{\xi i}>>0$$ , то причины искрения смешанные и искры изображаются одновременно зеленым и голубым цветами.

В качестве параметра, характеризующего искрение, возможно использование интенсивности электромагнитного излучения, наводимого на приемную антенну датчика искрения. Установлено, что спектр сигнала, регистрируемый датчиком интенсивности искрения на коллекторе электрической машины постоянного тока, есть функция, определяющая величину амплитуды составляющей в зависимости от ее частоты и количества выделяющейся электромагнитной энергии (Комаров С.Г. Прибор для контроля искрения на коллекторе электрической машины постоянного тока // Современная техника и технологии. - Январь, 2013 [Электронный ресурс]. URL: http://technology.snauka.ru/2013/01/1459).

Искрение щеток измеряется в баллах. Нормальным при работе машины постоянного тока считается слабое точечное искрение под небольшой частью щетки (1/4 балла). Искрение под всем краем щетки (2 балла) допускается только при переходных режимах и кратковременных перегрузках. Сильное искрение (3 балла) ни при каких условиях не допускается. При возникновении такого искрения машина должна быть немедленно отключена от сети и подвергнута осмотру и при необходимости ремонту (Энергия ветра, ветрогенераторы - технологии и разработки // Генераторы постоянного тока. Якорь машины. Обмотка якоря. - Январь, 2011 [Электронный ресурс] URL: http://vetrodvig.ru/?p=1313).

Таким образом, использование в известном способе контроля и визуализации работы щеточно-коллекторного узла электрического двигателя постоянного тока, при котором измеряют температуру обмоток ротора, ток якорной обмотки, угловую скорость ротора, параметр, характеризующий искрение, преобразуют измеренные величины в цифровые коды и передают их в вычислительное устройство, например компьютер, с помощью которого выполняют отображение, регистрацию и сравнение измеренных величин с допустимыми значениями и формирование сигналов для системы защиты, дополнительно операций измерения длины щеток, хранения в памяти вычислительного устройства модели механической характеристики двигателя, синтеза анимированного изображения искрения щеточно-коллекторного узла и положения рабочей точки двигателя в плоскости параметров ток - скорость на фоне механической характеристики, вычисления оценок коэффициента корреляции между параметром ξ, характеризующим искрение, и током i двигателя r_ξi и коэффициента корреляции между параметром ξ, характеризующим искрение, и угловой скоростью Ω двигателя r_ξΩ на скользящем интервале времени, в зависимости от значений температуры обмоток, угловой скорости ротора, тока, длины щеток, параметра, характеризующего искрение, коэффициентов корреляции r_ξi и r_ξΩ, определения принадлежности режима работы двигателя к области нормальных, допустимых или аварийных режимов, выявления причины искрения, регистрации перечисленных параметров в памяти вычислительного устройства и отображения значения длины щеток, коэффициентов корреляции r_ξi и r_ξΩ, а также сообщения о режиме работы двигателя и вероятной причине искрения на экране монитора позволяет расширить функциональные возможности и повысить надежность контроля работы щеточно-коллекторного узла электрического двигателя постоянного тока.

Использование предлагаемого способа для контроля работы щеточно-коллекторных узлов машин постоянного тока в промышленности позволит повысить надежность работы технологического оборудования.

Изобретение относится к автоматизированному контролю и интеллектуальной диагностике электрических машин. Техническим результатом является повышение точности выявления причины искрения щеточно-коллекторного узла. В заявленном способе измеряют температуру обмоток ротора, ток якорной обмотки, угловую скорость ротора, параметр, характеризующий искрение, и длину щеток, преобразуют измеренные величины в цифровые коды и передают их в вычислительное устройство и далее на панель оператора. В памяти вычислительного устройства хранят модель механической характеристики двигателя, синтезируют анимированное изображение искрения коллекторно-щеточного узла и положение рабочей точки двигателя в плоскости параметров ток - скорость на фоне механической характеристики, вычисляют значения коэффициентов корреляции между параметром ξ, характеризующим искрение, и током i двигателя r_ξi и коэффициента корреляции между параметром ξ, характеризующим искрение, и угловой скоростью Ω двигателя r_ξΩ на скользящем интервале времени в зависимости от значений температуры обмоток, угловой скорости ротора, тока, длины щеток, параметра, характеризующего искрение, коэффициентов корреляции r_ξi и r_ξΩ, определяют принадлежность режима работы двигателя. 2 ил.

Способ контроля и визуализации работы щеточно-коллекторного узла электрического двигателя постоянного тока, при котором измеряют температуру обмоток ротора, ток якорной обмотки, угловую скорость ротора, параметр, характеризующий искрение, преобразуют измеренные величины в цифровые коды и передают их в вычислительное устройство, например компьютер, с помощью которого выполняют отображение, регистрацию и сравнение измеренных величин с допустимыми значениями и формирование сигналов для системы защиты, отличающийся тем, что дополнительно измеряют длину щеток, хранят в памяти вычислительного устройства модель механической характеристики двигателя, синтезируют анимированное изображение искрения коллекторно-щеточного узла и положение рабочей точки двигателя в плоскости параметров ток - скорость на фоне механической характеристики, вычисляют значения коэффициентов корреляции между параметром ξ, характеризующим искрение, и током i двигателя r_ξi и коэффициента корреляции между параметром ξ, характеризующим искрение, и угловой скоростью Ω двигателя r_ξΩ на скользящем интервале времени в зависимости от значений температуры обмоток, угловой скорости ротора, тока, длины щеток, параметра, характеризующего искрение, коэффициентов корреляции r_ξi и r_ξΩ, определяют принадлежность режима работы двигателя к области нормальных, допустимых или аварийных режимов, выявляют причину искрения, регистрируют в памяти вычислительного устройства и отображают значения длины щеток и коэффициентов корреляции r_ξi и r_ξΩ, а также сообщение о режиме работы двигателя и вероятной причине искрения на экране монитора.