Способ контроля искрения под щеткой коллекторных электрических машин Советский патент 1992 года по МПК G01R31/02 

Изобретение относится к испытаниям и диагностике электрических машин, в частности к оценке качества коммутации новых и эксплуатируемых коллекторных электрических машин.

Известно устройство для контроля иск- рообразования на коллекторе электрической машины, в котором в качестве

параметра объективной оценки интенсивности искрения используется величина, полученная путем преобразования сигнала, измеряемого антенной. Спектр этого сигнала состоит из высокочастотных шумов, воз- никающих при искрении. Известное устройство позволяет с большей степенью достоверности по сформированному им параметру, величина которого пропорциональна произведению пикового значения амплитуды шумов искрения на его длительность, определять степень искрения щеток. Оно также позволяет количественно характеризовать по полученному параметру интенсивность искрения щеток в диапазоне от почти невидимого искрения до искрения, где его интенсивность практически невозможно объективно регламентировать существующими в настоящее время стандартами.

Однако известное техническое решение имеет следующие основные недостатки. Параметр определения интенсивности искрения получен путем преобразований суммарного измеренного сигнала высокочастотного шума, относящегося одновременно к существующим под различными щелками отдельным коммутационным ду гам. Энергия, переносимая высокочастотным шумом, составляет только небольшую часть общей энергии, выделяемой искрением при эрозии материала контактной пары щетка - коллектор. Поэтому предложенный параметр оценки интенсивности искрения имеет неоднозначную связь с износом ще- точно-коллекторного узла и, соответственно, низкую достоверность информации о качестве коммутации. Это приводит к неправильному выбору параметров, обусловливающих удовлетворительные условия коммутации, что влияет на срок службы коллекторной электрической машины.

Наиболее близким к предлагаемому по достигаемому результату является способ определения величины искрения при коммутации в коллекторных электрических машинах постоянного тока. Сущность этого способа заключается в регистрации через определенный интервал времени спектра и формы световой волны с помощью фотоэлектрического преобразователя, определении энергии и яркости световой волны как факторов области существования и силы искрения, вычислении параметра для количественного определения искрения и сравнении его с эталоном,

Однако известный способ имеет следующие недостатки. Количественная оценка интенсивности искрения по световой волне недостоверна по следующим причинам Во- первых, световая волна формируется вследствие одновременного протекания определенного числа самостоятельных дуговых процессов, каждый из которых в отдельности имеет неадекватное воздействие на контактную пару щетка - коллектор по сравнению с суммарным воздействием световой волны. Во-вторых, степень эрозийного износа контактной пары 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 (запыленность, наличие газов и т.д.). В-четвертых,

0 зона образования искрения часто смещается под щетку и световую волну зарегистрировать (измерить) невозможно, хотя процесс эрозии контактной пары щетка - коллектор происходит. В-пятых, описанный

5 способ до конца не устраняет неоднозначность количественного контроля интенсивности искрения ввиду несовершенства сформированного параметра оценки.

Исходя из изложенного можно сделать

0 вывод, что описанные технические решения не позволяют с достаточной достоверностью количественно определять по сформи- рованному параметру интенсивность воздействия искрения на контактную пару

5 щетка - коллектор.

Целью изобретения является повышение достоверности оценки искрения под щеткой коллекторных электрических машин.

0Поставленная цель достигается тем, что

в способе определения величины искрения при коммутации в машинах постоянного тока, заключающемся в измерении спектра излучения коммутационной дуги под щет5 кой коллекторной электрической машины, измеряют низкочастотную составляющую спектра излучения, т.е. электромагнитное полетока разрыва за период существования коммутационной дуги. Измеренное датчи0 ком, установленным между петушком коллектора и близлежащей щеткой, у края щетки, ориентированного вдоль продольной оси коллектора, вне тела щетки над контактирующей со щеткой коллекторной

5 пластиной, электромагнитное поле преобразуют в сигнал, пропорциональный мгновенным значениям тока разрыва коммутационной дуги, протекающего по коммутируемой с искрением секции. Кван0 туют период существования дуги на элементарные интервалы времени. Определяют в каждом интервале квантования максимальную амплитуду тока и принимают ее в качестве статистически независимого источника

5 информации о степени воздействия тока. Вычисляют величину заряда, протекающего на каждый интервал квантования, Перемножают амплитуду тока и величину заряда, определяя тепловое действие тока в каждом интервале квантования. Сравнивают по статистически независимой амплитуде тока тепловое действие на каждом интервале квантования с начальным эффективным эрозионным действием тока разрыва коммутационной дуги. Суммируют эффективные тепловые действия тока на интервале существования коммутационной дуги. Устанавливают по суммарному эффективному тепловому действию тока массу вынесенного материала в процессе электродуговой эрозии.

Сравнительный анализ показателей прототипа с показателями предлагаемого способа выявил следующее.

В прототипе фиксируется спектр излучения световой волны, энергия которой составляет незначительную часть (1%) от энергии излучения коммутационной дуги. Основная часть энергии спектра излучения, определяющая эрозию контактной пары щетка - коллектор, сосредоточена в низкочастотной части спектра излучения дуги, которая измеряется для дальнейшей обработки по формированию нового параметра объективной оценки интенсивности искрения в предлагаемом способе. Основную энергию в этой части спектра излучения обусловливает джоулево тепло или тепловое действие тока дуги, которая описывается интегралом Джоуля

А-

И

i2 dt ,

где i - мгновенное значение тока разрыва коммутационной дуги.

Ввиду того что тепловые процессы инерционны, при длительности интервала квантования, равной единицам микросекунд, максимальную амплитуду тока на каждом элементарном интервале квантования можно считать величиной квазипостоянной. Тогда выражение (1) принимает вид

tn An in / i(t)dt

tn -1

где In-максимальная амплитуда тока на п-м интервале квантования, характеризующая силу воздействия тока при эрозии материала контактной пары щетка - коллектор;

tn

/ (t) dt - количество электричества, tn -i

протекающее по каналу дуги за п - интервал квантования.

Известно, что процесс переноса энергии в дуге осуществляется в основном током, т.е. потоком электронов и ионов.

энергия которого составляет подавляющую часть всей энергии переноса. Поэтому величина количества электричества, определяемая из (2), является величиной,

5 пропорциональной энергии переноса при электроннодуговом процессе, а максимальная величина амплитуды тока на каждом элементарном интервале указывает на силу, с которой осуществляется перенос. Отсюда

10 следует, что сформированный параметр представляет тепловое действие тока разрыва дуги, которое обусловливает степень эрозии и имеет достоверную однозначную связь с массой материала, вынесенного с

15 контактной пары щетка - коллектор.

На фиг.1 изображена схема измерения мгновенных значений токов разрыва коммутационных дуг; на фиг.2 - алгоритм формирования параметра объективной оценки

20 искрения; на фиг.З - блок-схема устройства для реализации способа.

Предлагаемый способ контроля искрения под щеткой коллекторных электрических машин реализуется следующим

25 образом.

При коммутации секции 1 коллекторной электрической машины под сбегающим краем 2 щетки 3 возникает искрение 4. За период существования коммутационной дуги

30 через ее канал и, соответственно, через коммутируемую секцию 1 протекает быстроиз- меняющийся импульс тока разрыва дуги, как показано на фиг.2а. Протекая по смежным коллекторным пластинам 5 и 6, входя35 щим в коммутируемую секцию, импульс тока разрыва коммутационной дуги искрения создает вокруг коллекторных пластин 5 и 6 низкочастотный спектр излучения электромагнитного поля.

40Бесконтактным индукционным датчиком 7 тока разрыва ,не превышающим ширину коллекторной пластины 5,6, установленным между петушком коллектора 8 и близлежащей щеткой 3, у края 2 щетки,

45 ориентированного вдоль продольной оси коллектора, вне тела щетки 3, над контактирующей со щеткой коллекторной пластиной 5. измеряют параметр электромагнитного поля, обусловленный импульсом тока раз50 рыва коммутационной дуги. Сигнал, пропорциональный производной полного измеряемого тока, в том числе и тока разрыва, форма кривой которого показана на фиг.2 б, с выхода датчика 7 для дальнейшей

55 обработки, формирования и определения параметра объективной оценки интенсивности искрения поступает на вход усилителя 9 блока 10 измерений устройства.

Мгновенные значения полного измеряемого тока фиксируются бесконтактным инАукционным датчиком 7 и усиливаются буферным усилителем 9 блока 10 измерения. В блоке 11 выделения состоящем из дифференциатора 12, выпрямителя 13, первого компаратора 14, триггерного элемента 15, логического элемента И 16, второго компаратора 17 и аналогового ключевого элемента 18, из полного сигнала выделяется сигнал, соответствующий только мгновенным значениям производной тока разрыва дуги.

Путем интегрирования в блоке 19 интегрирования восстанавливают его истинные мгновенные значения. Длительность импульса тока разрыва квантуется на элементарные интервалы времени с помощью блока 20 квантования, состоящего из генератора 21 квантования, формирователя 22 импульсов, распределителя 23 и блока 24 аналоговых элементов. Затем в блоке 25 вычислений на каждом интервале квантования (а - п) измеряют с помощью пиковых детекторов 26 (а - п) максимальную амплитуду сигнала и принимают ее в качестве статистически независимого источника информации о силе воздействия тока на процесс электродуговой эрозии. Одновременно на каждом интервале квантования путем операции интегрирования с помощью интеграторов 27 (а - п) определяют площадь импульсов а,б.в,п, как показано на фиг.2в, что соответствует величине зарядов Qa, Qe, Ов, Qn, протекающих по каналу коммутационной дуги за соответствующие интервалы квантования та , ТВ , тв , тп . Затем одноименные амплитуды и величины зарядов перемножаются с помощью перемножителей 28 (а - п), и на выходах блока вычислений 25 формируется сигнал, пропорциональный параметру теплового действия тока для каждого интервала квантования (а - п).

Для определения суммарного эффективного теплового действия тока за период существования коммутационной дуги тепловые действия, вычисленные на каждом элементарном интервале квантования (а - п), перед суммированием сравнивают в блоке 29 на эффективность по величине начального эффективного тока разрыва, который способен вызвать электродуговой процесс с эрозией материалов щетки и коллектора.

Блок 29 сравнения, состоящий из компаратора 30 и аналоговых ключевых элементов 31 (а - п), формирует на одноименных выходах (а - п) сигналы,пропорциональные тепловым действиям тока с мгновенными значениями амплитуды тока разрыва, превышающим начальное эффективное значение тока разрыва, т.е. значимые значения.

После сравнения значимые тепловые действия тока поступают в блок 32 аналоговой памяти и суммирования, который состоит из аналоговых элементов памяти 33 (а - п) и

сумматора 34. На выходе блока 32 получается сигнал, пропорциональный сумме тепловых действий тока за весь период эффективного эрозионного действия тока дуги. Затем этот сигнал поступает в индикаторное устройство 35. Индикаторное устройство 35 регистрирует суммарную величину теплового действия импульса тока разрыва коммутационной дуги в единицах системы СИ. Эта величина однозначно связана с выносом материала из контактной пары щетка - коллектор при электродуговой эрозии.

Таким образом, эффективные суммарные тепловые действия импульса тока разрыва каждой коммутационной дуги определяются по алгоритму, описываемому следующим математическим выражением;

Г

Ак | А, | Г j ltldt

i - ai - at -

В процессе испытаний по наибольшей величине Ак, измеренной за определенный

интервал времени при заданном режиме работы электрической машины, сравнивая с эталоном, устанавливают массу вынесенного дугой материала из щеточно-коллектор- ного узла. По массе вынесенного материала

определяют интенсивность искрения, т.е. качество коммутации. Это позволяет однозначно с большей степенью достоверности определять эксплуатационный срок работы и допустимый режим работы электрической

машины.

Использование предлагаемого способа контроля искрения под щеткой коллекторных электрических машин обеспечивает по сравнению с существующими способами

следующие преимущества: позволяет сформировать количественный объективный параметр, однозначно связанный с износом контактной пары щетка - коллектор; при оценке степени искрения по сформированному с применением предлагаемого способа параметру можно качество коммутации определять количественно не сколько по видимому искрению, сколько по производимому им результату практически мгновенно,

п° соответствующей плавной шкале, про- градуированной в реальных физических единицах, входящих в систему СИ, способ позволяет определить надежный интервал работы высокоиспользованных электрических машин с временем эксплуатации до

получаса, у которых степень искрения щеток невозможно регламентировать существующими стандартами.

Формула изобретения Способ контроля искрения под щеткой коллекторных электрических машин, заключающийся в измерении спектра излучения коммутационных дуг искрения, отличающийся тем, что, с целью повышения достоверности контроля искрения, измеряют мгновенные значения тока разрыва за период существования дуги, квантуют период существования дуги на элементарнее ин- тервалы времени, определяют в-каждом интервале максимальную амплитуду тока, принимают ее В -качестве статистически

- - - /

0

5

независимого источника информации о степени воздействия тока, вычисляют величину заряда за каждый элементарный интервал времени, перемножают амплитуду тока и величину заряда, определяя тепловое действие тока в каждом интервале квантования, сравнивают по статистически независимой амплитуде тока тепловое действие тока на каждом интервале с начальным эффективным эрозионным действием тока разрыва дуги, суммируют эффективные тепловые действия тока на интервале существования коммутационной дуги, устанавливают по суммарному эффективному тепловому действию тока массу вынесенного материала в процессе электродуговой эрозии,

Изобретение относится к электроизмерительной технике, в частности к оценке качества коммутации новых и эксплуатируемых коллекторных электрических машин. Цель изобретения - повышение достоверности контроля. Способ заключается в том, что измеряют мгновенные значения тока разрыва коммутационной дуги за время ее существования, квантуют период существования дуги на элементарные интервалы времени, определяют в каждом интервале максимальную амплитуду тока и величину заряда. Вычислив в каждом интервале тепловое действие тока, сравнивают его с начальным эффективным эрозийным действием тока разрыва коммутационной дуги. По суммарному эффективному тепловому действию тока устанавливают массу вынесенного материала с контактной пары щетка - коллектор.3 ил. сл с к о ел w

j

S/

фиг.1

5)

U,

Ъ«т

&)

Ы

$

фиг.г

dip

-KCU

a

Qs

A

t

Q

Ґ-4

тяж

Ј1

2

3

rt