Brevet FR2250103A1 — publié le 19750530

La présente invention concerne un dispositif pour évaluer et mesurer objectivement l'intensité d'étincelles aux balais de machines éîectriqwes présentant des contacts glissants. la sûreté de fonctionnement et la longévité de machines électriques dans lesquelles des bagues de frottement, des pistes de frottement ou des collecteurs sont utilisés en combinaison avec des balais pour transmettre le courant à l'organe en mouvement, dépendent essentiellement du contact à balai soumis à de fortes contraintes et de sa résistance à l'usure. Etant donné que l'usure des deux éléments de contact coopérants augmente fortement lorsque le contact s'établit avec formation d'étincelles, on cherche à régler et à Saire fonctionner les machines de telle manière que les étincelles aux balais se trouvent soit entièrement supprimées, soit limitées dans leur intensité à une valeur admissible. Cela a pour condition indispensable l'utilisation d'une méthode de mesure objective et productive pour évaluer de manière graduée l'intensité dtétincelles produites au niveau de balais et/ou pour déterminer les conditions dans lesquelles des étincelles commencent à se produire au niveau des balais. I1 a déjà été prosé, pour mesurer objectivement l'intensité d'étincelles produites au niveau d'un ou plusieurs balais d'une machine électrique à collecteur, de disposer une cellule photoélectrique dans la zone de rayonnement des étincelles et d'indiquer le signal de sortie de la cellule photoélectrique au moyen d'un appareil de mesure électrique. I1 est également connu de remplacer la cellule photoélectrique par un multiplicateur d'électrons secondaires ou bien, en utilisant un faisceau de conducteurs de lumière, de permettre à un tel multiplicateur d'électrons secondaires d'être installé à une certaine distance de 1' objet de mesure. Les méthodes de mesure mentionnées ci-dessus ont plusieurs inconvénients qui sont décrits ci-dessous. Dans les méthodes de mesure connues le résultat de mesure est influencé sensiblement par de la lumière provenant de sources étrangères, soit directement, soit par réfléchissement sur des organes tournants, puisque les principes de mesure connus jusqu'ici ne permettent pas d'obtenir un réglage sélectif en fonction du flux lumineux émanant des étincelles aux balais. Jusqu'à présent il fallait, pour mesurer objectivement l'intensité d'étincelles au niveau de balais, soit travailler dans un local obscurci, soit monter le capteur dans une machine fermée ou encore prévoir une protection contre de la lumière extérieure atteignant directement la zone de travail du capteur. Ces restrictions au point de vue des conditions de travail constituent un alourdissement de la tâche du personnel et excluent au moins dans les deux derniers cas d'application cités, la possibilité d'observer en même temps visuellement les étincelles aux balais. En raison de la place nécessaire pour disposer le transducteur photoélectrique dans la zone de rayonnement des- étincelles au niveau de balais, l'utilisation des méthodes de mesure connues reste limitée à des machines électriques moyennes et importantes. La possibilité d'effectuer les mesures est également exclue pour des machines électriques dans lesquelles, par suite de leur forme de construction, une observation visuelle directe des étincelles au niveau des balais n'est pas possible. La nécessité de monter le transducteur photoélectrique au niveau du balai ou dans la zone de rayonnement direct des étincelles a jusqu'ici limité l'utilisation des méthodes de mesure connues à des cas où le transducteur photoélectrique ne risquait pas de subir des dommages mécaniques et où l?s valeurs de mesure n'avaient pas besoin d'être transmises sur des distances relativement importantes. Les méthodes de mesure connues jusqu'ici sont prévues pour déterminer la valeur latérale moyenne du flux lumineux émis à la manière d'impulsions par les étincelles au niveau de balais. De ce fait Je résultat de mesure varie cependant, de manière connue, comme le carré de la distance entre la source de rayonnenent et le récepteur et en outre, par suite de la largeur des balais disposés les uns à côté des autres, le résultat de mesure dépend également de la position de l'axe optique du récepteur par rapport à la disposition des balais. La présente invention a pour objet d'éviter les inconve- nients de ltétat actuel de la technique. Elle crée à cette fin un dispositif permettant de mesurer objectivement, en l'absence de toute influence de lumière extérieure et de sollicitations mécaniques, l'intensité d'étincelles aux balais de machines électriques à collecteur de type quelconque et cela dans des conditions telles que la distance entre le capteur et l'objet de mesure n'exerce pas d'influence sur le résultat de mesure à l'intérieur d'une plage présentant un intérêt sur le plan technique et que les résultats de mesure puissent être transmis sur des distances relativement importantes. le dispositif de mesure doit en outre être apte à évaluer objectivement l'intensité d'étincelles aux balais de machines électriques comportant des bagues ou pistes de frottement. La solution apportée suivant la présente invention aux pro blèmes posés consiste en ce que, dans un dispositif pour évaluer et mesurer objectivement l'intensité d'étincelles au niveau d'un ou plusieurs balais d'une machine électrique à collecteur, il est prévu un conducteur optique par lequel la lumière émanant d'un bord de balai ou, en cas de réalisation sous forme multipolaire, la lumière émanant de plusieurs ou de tous les bords de balais est captée directement ou, dans le cas de moteurs fermés ou à moitié fermés, indirectement par réflexion de la lumière sur la paroi intérieure de la machine, puis est addition- née optiquement et amenée à un dispositif qui transforme les courts arcs électriques successifs, en ce qui concerne leur durée d'existence et leur intensité, en un signal électrique et en ce qu'en aval dudit dispositif il se trouve un dispositif additionnel qui évalue le signal électrique et l'indique ou l'enregistre. Dans cet agencement le dispositif pour transformer le flux lumineux en un signal électrique est accordé sélectivement sur les paramètres du flux lumineux émanant des étincelles produites au niveau de balais de telle sorte que le résultat de mesure ne risque pas d'entre influencé par la lumière du jour, la lumière de sources d'éclairage et le réfléchissement d'une telle lumière par des organes tournants. Pour évaluer le flux lumineux émanant des étincelles au niveau de balais et le signal électrique résultant d'un tel flux lumineux l'amplitude des impulsions, leur largeur ou leur puissance à l'intérieur d'un intervalle de temps donné est déterminée quant à sa valeur moyenne ou sa valeur de crête, linéairement ou de manière pondérée, et est amenée à un dispositif indicateur ou enregistreur. le dispositif décrit ci-dessus est applicable aux essais de type et de série de machines électriques pour-déterminer la limite de formation d'étincelles au niveau de balais, pour évaluer de manière graduée l'intensité des étincelles aux balaiset, lorsque les grandeurs électriques et mécaniques du moteur influant en vertu d'un rapport de cause à effet sur les étincelles au niveau de balais sont représentées de manière correspondante dans le temps, pour identifier la cause des étincelles. I1 peut en outre être utilisé,pour surveiller le fonctionnement, signaler des dégats ou à des fins de protection de machines électriques.En outre, dans le cas de machines électriques montées dans des circuits régulateurs adaptables, la vitesse de réglage et la valeur des paramètres électriques et mécaniques peuvent Qtre réglées respectivement de manière optimale et maximale à l'aide de la grandeur de mesure obtenue au moyen du dispositif. La présente invention est expliquée plus en détail ci-dessous à l'aide d'un exemple de réalisation illustré au dessin an nexé. La figure unique représente le dispositif suivant 1 'inven- tion pour évaluer l'intensité des étincelles aux balais d'une machine électrique à collecteur. Le dispositif pour évaluer l'intensité des étincelles aux balais est constitué principalement par le conducteur optique 5, un transducteur opto-électronique 6 et une unité d'exploitation 7, 8. En tant que transducteur opto-électronique il est utilisé un détecteur à semi-conducteur faisant pàrtie intégrante d'un circuit amplificateur accordé séléctivement suivant les paramètres des étincelles aux balais. La sélectivité du circuit a pour effet d'exclure l'influence de sources lumineuses extérieures sur le résultat de mesurer de sorte que seules les impulsions lumine uses émanant des étincelles aux balais sont transformées en un signal électrique correspondant.L'intégration du détecteur à semi-conducteur avec un amplificateur opérationnel à large bande de bonne qualité permet d'exploiter meme de faibles intensités lumineuses et ainsi, outre la saisie directe du flux lumin eux émanant des étincelles aux balais, de capter ces étincelles également indirectement en mesurant la réflexion des étincelles, par exemple contre la paroi intérieure d'une machine électrique, au moyen du conducteur optique. La lumière émise par les étincelles au niveau des balais est produite par de courts arcs électriques et ses paramètres peuvent être identifiés en se référant à l'intensIté et à la durée des impulsions individuelles se succédant dans le temps. le signal délivré par le transducteur opto-électronique équivaut en ce qui concerne son déroulement dans le temps au flux lumineux capte par le conducteur optique.Ce signal est amené à une unité dfexploitation constituée par un circuit d'évaluation et un dispositif indicateur ou est indiqué directement au moyen d'un oscillographe. la représentation directe sur l'oscillograpbe permet, lorsque les grandeurs électriques et mécaniques du moteur contrôlé qui influent en vertu d'un rapport de cause à ef fet sur les étincelles aux balais sont représentées d'une manière correspondante dans le temps, d'identifier la cause des étincelles. L'unité l'exploitation montée suivant la présente invention en aval du transducteur opto-électronique doit Entre apte à évaluer correctement, suivant le degré auquel la streté de fonctionnement et la durée de vie de la machine électrique examinée sont compromises, le signal analogique représentatif des étincelles aux balais. En vertu de lois physiques connues il existe un rapport direct entre l'usure des éléments de contact groupés par paire (balai, collecteur, bague de frottement) et 1' énergie transformée dans ltarc électrique. Pour des arcs électriques du type dit arcs courts, auxquels appartiennent les étincelles émanant de balais, l'énergie convertie à l'intérieur de l'arc électrique varie en outre suivant une loi physique comme le carré de la durée d'existence de l'arc électrique De ce fait, tant la puissance des impulsions que leur durée ou leur amplitude peuvent être utilisées comme critère pour l'évaluation du signal délivré par le transducteur - opto-électronique. L'évaluation de la durée d'impulsion pour juger de la qualité de commutation de machines électriques convient notamment lorsqu'il n'est pas possible de respecter une distance bien définie et reproductible entre le conducteur optique et le contact glissant ou lorsque, par suite d'un encrassement important du conducteur optique ou de l'air environnant celui-ci, l'intensité lumineuse ne peut pas être captée d'une manière proportionnelle sur une durée de temps relativement prolongée. A la figure unique, les éléments 1, 2 et 3 représentent un détail d'une machine électrique à collecteur. En cours de fonctionnement de la machine, il se produit, en particulier au niveau du bord de balai aval 4, des étincelles qui sont captées au moyen du conducteur optique 5 et sont transformées dans le transducteur opto-électronique 6 en impulsions électriques équivalentes. lie circuit d'exploitation 7 transforme ce signal de telle manière que seule la largeur des impulsions puisse être utilisée pour l'exploitation ultérieure. A condition que l'amplificateur opérationnel utilisé conjointement avec le transducteur opto-électronique 6 permette une amplification suffisamment importante, la distance entre 4 et 5 n'exerce aucune influence sur le résultat de mesure obtenu. Suivant les conditions requises, le circuit d'évaluation 7 délivre un signal de sortie proportionnel au taux des impulsions successives ou proportionnel à I'aiwdes impulsions, lequel signal est affiché au moyen du dispositif indicateur 8. En raison de la dépendance physique entre l'usure des éléments de contact coopérants, l'énergie convertie à l'intérieur de l'arc électrique et la durée d'allumage de l'arc électrique, le taux d'impulsions indiqué est un indice objectif pour la qualité de la commutation. REVEEDICATIONS I - Dispositif destiné à évaluer et mesurer de manière objective l'intensité d'étincelles aux balais de machines électriques à contacts glissants et dont le principe de fonctionnement consiste à recueillir le flux lumineux émis par les étincelles aux balais, à transformer ledit flux lumineux en un signal électrique à l'aide d1un transducteur photoélectrique et à l'indiquer au moyen d'un appareil de mesure électrique, caractérisé en ce qu'il comprend un conducteur optique 5 par lequel la lumière émise par un bord de balai 4 ou, dans le cas d'une forme de réalisation multipolaire, la lumière émise par plusieurs ou par tous les bords de balais est captée directement ou indirectement, puis totalisée et transmise à un transducteur optoélectronique 6 qui transforme les impulsions lumineuses provenant des arcs électriques courts en un signal électrique équivalent et à la suite duquel est monté un dispositif additionnel 7, 8 qui évalue le signal électrique et l'affiche ou l'enregistre. 2 - Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le transducteur opto-électronique 6 est accordé sélectivement sur le flux lumineux émis par les étincelles au niveau des balais et ne risque pas d'entre influencé par la lumière du jour, de la lumière provenant de sources d'éelairage et son réfléchissement par des organes tournants. 3 - Dispositif suivant l'une des revendications 1 et 2, ca ractérise en ce que, pour évaluer le flux lumineux provenant des étincelles aux balais et le signal électrique qui en résulte, soit l'amplitude, soit la largeur ou encore la puissance des impulsions est déterminée quant à sa valeur moyenne ou sa valeur de crête, linéairement ou de manière pondérée, à l'intérieur d'un laps de temps donné et est amenée au dispositif indicateur ou enregistreur. 4 - Dispositif suivant l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il est utilisé au cours d'essais de type ou de série de machines électriques pour déterminer la limite de formation d'étincelles aux balais et pour évaluer de manière graduée l'intensité des étincelles aux balais et/ou en ce que, en représentant concurremment dans le temps les grandeurs électriques et mécaniques de la machine qui influent suivant un rapport de cause à effet sur les étincelles aux balais, il permet d'identifier la cause des étincelles. 5 - Dispositif suivant l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il est utilisé pour surveiller le fonctionnement de machines électriques, pour signaler des dommages subis par ces derniers ou à des fins de protection. 6 - Dispositif suivant l'une des revendications 1 à 3, Ca- ractérisé en ce que dans des circuits régulateurs à réaction la grandeur de mesure sert à influer sur la vitesse réglée et la grandeur des paramètres électriques et mécaniques d'une machine électrique.