УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДИАГНОСТИКИ СОСТОЯНИЯ КОММУТАЦИИ КОЛЛЕКТОРНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН

Полезная модель относится к области электромеханики, и может быть использовано для испытаний настройки коммутации коллекторных электрических машин.
Общеизвестно, что качество коммутации в значительной степени определяет работоспособность коллекторной электрической машины (КЭМ) и ее надежность в эксплуатации.
Известно большое количество методов и устройств для диагностирования состояния коммутации, основанных на измерении различных физических величин, взаимосвязанных с искрением на коллекторных пластинах под сбегающим краем щетки.
Проблема известных устройств для диагностики состояния коммутации коллекторной электрической машины заключается в низкой точности диагностирования степени искрения на коллекторных пластинах под сбегающим краем щетки КЭМ, что обусловлено неоднозначной связью степени искрения с измеряемыми физическими величинами, а также отсутствием взаимосвязи степени искрения с конкретными коллекторными пластинами.
Известно устройство для диагностики состояния коммутации коллекторной электрической машины, основанное на визуальном наблюдении световых импульсов искрения на каждой коллекторной пластине [Патент РФ на полезную модель №53020, МПК G01R 31/34 (2006.01). Устройство для диагностики состояния коммутации коллекторных электрических машин. / Р.X. Сайфутдинов (RU); ДВГУПС (RU). - №2005127171/22; заявлено 29.08.2005; опубл. 27.04.2006, Бюл. №12].
Устройство для диагностики состояния коммутации коллекторной электрической машины содержит оптический синхронизатор, предназначенный для синхронного пропускания светового потока по оптическому каналу, фотоэлектрический преобразователь, предназначенный для преобразования вспышек света искрения под сбегающим краем щетки КЭМ в электрический сигнал, усилитель, предназначенный для увеличения амплитуды электрического сигнала, и устройство для визуализации изображения, предназначенное для преобразования электрического сигнала в видимое изображение.
Оптический синхронизатор, выполненный в виде механического обтюратора с подвижным и неподвижными щелевыми дисками, расположен между коллекторной пластиной коллектора КЭМ под сбегающим краем щетки и фотоэлектрическим преобразователем.
Оптический вход фотоэлектрического преобразователя, выполненного в виде фотодиода, связан оптически через синхронизатор с коллекторной пластиной, расположенной под сбегающим краем щетки, а его выход подключен к входу усилителя. Выход усилителя подключен к входу устройства для визуализации изображения, выполненного в виде электронного осциллографа.
Устройство работает следующим образом.
Для исследования выбирается и маркируется одна из коллекторных пластин.
Перед началом испытаний оптический вход фотоэлектрического преобразователя направляется на участок коллектора КЭМ под сбегающим краем ее щетки.
При работе КЭМ синхронно с ее коллектором вращается подвижный диск обтюратора. Обтюратор при подходе исследуемой коллекторной пластины к сбегающему краю щетки открывает оптический канал, благодаря чему становится возможным визуальное наблюдение исследуемой коллекторной пластины и искрения на ней. После прохождения исследуемой коллекторной пластины под сбегающим краем щетки обтюратор закрывает оптический канал, делая невозможным наблюдение остальных коллекторных пластин.
При этом открытие и закрытие оптического канала обтюратором происходит постепенно, величина коэффициента пропускания оптического канала при проходе исследуемой коллекторной пластины под сбегающим краем щетки равномерно возрастает, достигая максимума в середине периода коммутации, и затем к концу периода коммутации равномерно снижается до нуля.
Световой поток от искрения только исследуемой коллекторной пластины при открытом оптическом канале поступает на фотоэлектрический преобразователь, где он преобразуется в электрический сигнал, эквивалентный общей интенсивности искрения на исследуемой коллекторной пластине под сбегающим краем щетки.
Полученный электрический сигнал усиливается в усилителе и подается на вход электронного осциллографа, где преобразуется в видимое изображение в виде импульса с длительностью, пропорциональной времени прохождения исследуемой коллекторной пластины под сбегающим краем щетки, и с амплитудой, пропорциональной интенсивности искрения под сбегающим краем щетки. По длительности и амплитуде импульса на осциллограмме производится оценка интенсивности искрения только на исследуемой коллекторной пластине под сбегающим краем щетки КЭМ. Для получения более достоверной информации о степени искрения КЭМ одновременно с измерением параметров импульсов на экране электронного осциллографа, производится визуальное наблюдение за коллектором КЭМ через синхронизатор.
При визуальном наблюдении оцениваются дополнительные параметры искрения: длина искрящего края щетки и наличие следов почернения и нагара на исследуемой коллекторной пластине, которыми вместе с интенсивностью искрения характеризуется степень искрения, выраженная в баллах. При этом длина искрящего края щетки фиксируется субъективно, что влияет на оценку степени искрения.
Для полного исследования КЭМ аналогичным образом проверяются поочередно все остальные коллекторные пластины.
Оценка технической исправности КЭМ производится по степени искрения в соответствии с ГОСТ 183-74 «Машины электрические вращающиеся. Общие технические условия». При степени искрения менее 2 баллов делается вывод о исправности КЭМ: при степени искрения равной 2 баллам и выше - о технической неисправности КЭМ.
Достоинство известного устройства для диагностики состояния коммутации коллекторной электрической машины заключается в определенной точности диагностики состояния коммутации коллекторной электрической машины за счет оценки степени искрения для каждой отдельно взятой коллекторной пластины.
Однако точность диагностики состояния коммутации коллекторной электрической машины посредством известного устройства остается низкой вследствие низкой достоверности определения степени искрения на исследуемой коллекторной пластине. Это обусловлено тем, что, во-первых, при визуальном восприятии фиксируется только часть истинной картины искрения в силу влияния человеческого фактора, что приводит к потере части информации о степени искрения, искажая сведения об истинном техническом состоянии КЭМ; во-вторых, восприятие и измерение интенсивности искрения неравномерно за счет изменения величины коэффициента пропускания открытого оптического канала по мере поворота коллектора КЭМ.
Другим недостатком известного устройства для диагностики состояния коммутации коллекторной электрической машины является ограничение его функциональных возможностей, что обусловлено только качественной оценкой степени искрения на исследуемой коллекторной пластине под сбегающим краем щетки за счет субъективной фиксации длины искрящего края щетки.
Наиболее близким к заявляемому решению по совокупности существенных признаков является устройство для диагностики состояния коммутации коллекторной электрической машины, основанное на визуальном наблюдении световых импульсов искрения на каждой коллекторной пластине [Патент РФ на изобретение №2383030, МПК G01R 31/34 (2006.01), H02K 13/14 (2006.01), H01R 39/58 (2006.01). Устройство для диагностики состояния коммутации коллекторных электрических машин. / Р.X. Сайфутдинов (RU); ДВГУПС (RU). - №2008119263/09; заявлено 15.05.2008; опубл. 27.02.2010, Бюл. №6].
Устройство для диагностики состояния коммутации коллекторной электрической машины содержит оптический синхронизатор, предназначенный для синхронного пропускания светового потока по оптическому каналу, систему синхронизации, предназначенную для управления открытием и закрытием оптического синхронизатора, фотоэлектрический преобразователь, предназначенный для преобразования вспышек света искрения под сбегающим краем щетки КЭМ в электрический сигнал, усилитель, предназначенный для увеличения амплитуды электрического сигнала, и устройство для визуализации изображения, предназначенное для преобразования электрического сигнала в видимое изображение.
Оптический синхронизатор, выполненный в виде электрооптического модулятора светового потока, расположен между коллекторной пластиной коллектора КЭМ под сбегающим краем щетки и фотоэлектрическим преобразователем. Фотоэлектрический преобразователь выполнен в виде фотодиода.
Система синхронизации включает датчик положения коллектора КЭМ, устройство для регулируемой задержки импульсов и импульсный усилитель. Вход датчика положения коллектора КЭМ является входом системы синхронизации, а выход импульсного усилителя - выходом системы синхронизации. Вход датчика положения оптически связан со светоотражающей меткой на коллекторе КЭМ, нанесенной на петушковую часть одной из коллекторных пластин и имеющей угловой размер, равный угловому размеру коллекторной пластины. Выход датчика синхронизации подключен к устройству для регулируемой задержки импульсов. Выход устройства для регулируемой задержки импульсов подключен к входу импульсного усилителя.
Оптический вход фотоэлектрического преобразователя связан оптически через синхронизатор с коллекторной пластиной, расположенной под сбегающим краем щетки, а его выход подключен к входу усилителя. Выход усилителя подключен к входу устройства для визуализации изображения, выполненного в виде электронного осциллографа.
Устройство работает следующим образом.
Перед началом работы на петушковую часть одной из коллекторных пластин наносится светоотражающая метка, также выбирается и маркируется одна из коллекторных пластин.
При работе КЭМ во время прохождения светоотражающей метки мимо датчика положения коллектора, последним формируется электрический синхроимпульс, длительность которого равна времени прохождения коллекторной пластины под сбегающим краем щетки. Сформированный электрический синхроимпульс подается на устройство для регулируемой задержки импульса, которым задерживается на время подхода исследуемой пластины под сбегающий край щетки.
В момент подхода исследуемой коллекторной пластины под сбегающий край щетки задержанный синхроимпульс подается на импульсный усилитель и далее усиленный синхроимпульс поступает на синхронизатор, который, практически мгновенно открывает оптический канал. Во время действия синхроимпульса оптический канал открыт, световой поток от искрения проходит через оптический канал, но в силу оптических свойств только ½ светового потока проходит через оптический канал, остальная же часть задерживается синхронизатором.
После прекращения воздействия синхроимпульса на синхронизатор мгновенно закрывает оптический канал.
Световой поток от искрения только исследуемой коллекторной пластины при открытом оптическом канале поступает на фотоэлектрический преобразователь, где он преобразуется в электрический сигнал, эквивалентный интенсивности искрения на коллекторной пластине под сбегающим краем щетки. Полученный электрический сигнал проходит через усилитель, в котором при сохранении его временных параметров увеличивается амплитуда сигнала.
Усиленный сигнал подается на вход электронного осциллографа, где преобразуется в видимое изображение в виде импульса с длительностью, пропорциональной времени прохождения исследуемой коллекторной пластины под сбегающим краем щетки, и с амплитудой, пропорциональной интенсивности искрения под сбегающим краем щетки.
По величине длительности и амплитуды импульса на осциллограмме производится оценка интенсивности искрения под сбегающим краем щетки КЭМ только для исследуемой коллекторной пластины.
Для получения более достоверной информации о степени искрения КЭМ одновременно производится визуальное наблюдение за коллектором КЭМ через синхронизатор. При визуальном наблюдении оцениваются дополнительные параметры: длина искрящего края щетки, наличие вылетающих искр и наличие следов почернения и нагара на исследуемой коллекторной пластине, которые вместе с интенсивностью искрения качественно характеризуют степень искрения, выраженную в баллах. При этом длина искрящего края щетки фиксируется субъективно, что влияет на оценку степени искрения.
Для полного исследования КЭМ аналогичным образом проверяются поочередно все остальные коллекторные пластины.
Оценка технической исправности КЭМ производится соответствии с ГОСТ 183-74 «Машины электрические вращающиеся. Общие технические условия» по степени искрения, которую в баллах оценивает испытатель.
При степени искрения менее 2 баллов делается вывод об исправности КЭМ, при степени искрения 2 балла и выше - о технической неисправности КЭМ.
Достоинство известного устройства для диагностики состояния коммутации коллекторной электрической машины заключается в повышении точности диагностики искрения под сбегающим краем щетки на отдельных коллекторных пластинах, что обусловлено обеспечением постоянной величины коэффициента пропускания оптического канала в период его открытого состояния, приводящего к исключению потери части информации о степени искрения.
Однако обеспечиваемая известным устройством для диагностики состояния коммутации коллекторной электрической машины точность диагностики состояния коммутации КЭМ остается недостаточной. Это обусловлено искажением информации о степени искрения за счет субъективного человеческого фактора, позволяющего визуально фиксировать только часть истинной картины искрения, а также за счет низкой величины коэффициента пропускания оптического канала.
Задача, решаемая полезной моделью, заключается в разработке устройства для диагностики состояния коммутации коллекторной электрической машины, позволяющего повысить точность диагностики состояния коммутации КЭМ за счет получения полной информации о степени искрения за большое число оборотов коллектора КЭМ, а также за счет увеличения величины коэффициента пропускания оптического канала в открытом состоянии
Для решения поставленной задачи устройство для диагностики состояния коммутации коллекторной электрической машины, содержащее фотоэлектрический преобразователь, предназначенный для преобразования светового потока от искрения на коллекторной пластине под сбегающим краем щетки КЭМ в электрический сигнал, устройство для визуализации изображения, предназначенное для преобразования электрического сигнала в видимое изображение, систему синхронизации с соединенными между собой датчиком положения коллектора и устройством для регулируемой задержки импульса, предназначенную для управления фотоэлектрическим преобразователем, при этом оптический вход фотоэлектрического преобразователя оптически связан со сбегающим краем щетки КЭМ, оптический вход датчика положения коллектора является входом системы синхронизации и оптически связан с меткой на коллекторе КЭМ, оно снабжено оперативным запоминающим устройством, предназначенным для сохранения сигнала в течение времени обработки, сумматором-накопителем, предназначенным для сложения электрических сигналов и хранения их суммы, элементом совпадения, предназначенным для выполнения операции логическое «И» над электрическими сигналами, при этом выход фотоэлектрического преобразователя соединен с входом оперативного запоминающего устройства, первый информационный выход которого подключен к первому входу сумматора-накопителя, второй выход готовности - к первому входу элемента совпадения, выход сумматора-накопителя подключен к входу устройства визуализации изображения, выход устройства для регулируемой задержки импульса является выходом системы синхронизации и подключен к второму входу элемента совпадения, выход которого соединен с управляющим входом фотоэлектрического преобразователя, а в качестве фотоэлектрического преобразователя выбран матричный фотоэлектрический преобразователь.
В качестве матричного фотоэлектрического преобразователя выбрана ПЗС-матрица с буферизацией столбцов.
Введение в устройство для диагностики состояния коммутации коллекторной электрической машины оперативного запоминающего устройства, сумматора-накопителя, элемента совпадения, приводящее к новым взаимосвязям элементов в устройстве, отличает заявляемое решение от прототипа, что свидетельствует о соответствии заявляемого решения критерию патентоспособности полезной модели «новизна».
Введение в устройство для диагностики состояния коммутации коллекторной электрической машины оперативного запоминающего устройства, сумматора-накопителя, элемента совпадения с образованием новых взаимосвязей элементов в устройстве приводит к повышению точности диагностики состояния коммутации КЭМ за счет получения полной информации о степени искрения, а также за счет увеличения величины коэффициента пропускания оптического канала в открытом состоянии и уменьшения его в закрытом состоянии.
На фигуре представлена функциональная схема устройства для диагностики состояния коммутации КЭМ, подтверждающая промышленную применимость и работоспособность заявляемой полезной модели.
Устройство для диагностики состояния коммутации коллекторной электрической машины содержит фотоэлектрический преобразователь 1, предназначенный для преобразования светового потока от искрения на коллекторной пластине под сбегающим краем щетки КЭМ в электрический сигнал, оперативное запоминающее устройство 2, предназначенное для сохранения сигнала в течение времени обработки, сумматор-накопитель 3, предназначенный для сложения электрических сигналов и хранения их суммы, устройство для визуализации изображения 4, предназначенное для преобразования электрического сигнала в видимое изображение, систему синхронизации 5, предназначенную для управления фотоэлектрическим преобразователем, элемент совпадения 6, предназначенный для выполнения операции логическое «И» над электрическими сигналами,
Фотоэлектрический преобразователь 1 представляет собой интегральную микросхему - ПЗС-матрицу с буферизацией столбцов.
Система синхронизации 5 содержит датчик положения коллектора 7 и устройство для регулируемой задержки импульса 8. Входом системы синхронизации 5 является оптический вход датчика положения коллектора 7, а ее выходом - электрический выход устройства для регулируемой задержки импульса 8. Выход датчика положения коллектора 7 подключен к входу устройства для регулируемой задержки импульса 8.
Оптический вход фотоэлектрического преобразователя 1 оптически связан с сбегающим краем 9 щетки КЭМ. Электрический выход фотоэлектрического преобразователя 1 соединен с входом оперативного запоминающего устройства 2. Первый выход оперативного запоминающего устройства подключен к входу сумматора-накопителя 3, а второй выход оперативного запоминающего устройства - к первому входу элемента совпадения 6. Выход сумматора-накопителя 3 подключен к входу устройства для визуализации изображения 4.
Вход системы синхронизации 5 оптически связан со светоотражающей меткой на коллекторе КЭМ, а его выход системы синхронизации 5 подключен ко второму входу элемента совпадения 6, выход которого соединен с управляющим входом фотоэлектрического преобразователя 1.
Устройство для диагностики состояния коммутации КЭМ работает следующим образом.
Перед началом исследования на петушковую часть одной из коллекторных пластин наносится светоотражающая метка, также выбирается и маркируется исследуемая коллекторная пластина.
При работе КЭМ световой поток от искрения полностью попадает на фотоэлектрический преобразователь 1, благодаря чему оптический канал в открытом состоянии имеет коэффициент пропускания близкий к 1.
После включения устройства диагностики состояния коммутации КЭМ в оперативном запоминающем устройстве 2 формируется электрический сигнал готовности.
При работе КЭМ в момент прохождения светоотражающей метки в зоне действия датчика положения коллектора 7 в нем формируется электрический синхроимпульс, длительность которого равна времени прохождения коллекторной пластины под сбегающим краем щетки 9.
Сформированный электрический синхроимпульс, поступая в устройство для регулируемой задержки импульса 8, задерживается им на время подхода исследуемой пластины под сбегающий край щетки 9.
Задержанный синхроимпульс из системы синхронизации и сигнал готовности из оперативного запоминающего устройства поступают в элемент совпадения. При одновременном поступлении задержанного синхроимпульса и сигнала готовности в устройство совпадения 6 оно пропускает задержанный синхроимпульс на фотоэлектрический преобразователь 1.
При воздействии синхроимпульса на фотоэлектрический преобразователь 1 световой поток от искрения на исследуемой коллекторной пластине под сбегающим краем щетки 9 преобразуется им в электрический сигнал, эквивалентный изображению искрения на исследуемой коллекторной пластине под сбегающим краем щетки. Полученный электрический сигнал буферизируется после прекращения действия синхроимпульса и поступает в оперативное запоминающее устройство 2.
Из оперативного запоминающего устройства 2 полученный сигнал подается в сумматор-накопитель 3, где складывается с предыдущими сигналами, эквивалентными изображениям искрения на исследуемой коллекторной пластине при предыдущих оборотах КЭМ.
На выходе сумматора-накопителя 3 формируется электрический сигнал, эквивалентный сумме изображений искрения на исследуемой коллекторной пластине под сбегающим краем щетки за несколько оборотов, который подается на устройство для визуализации изображения 4, где преобразуется в видимое изображение. Таким образом, на устройстве для визуализации изображения отображается изображение полной картины искрения на исследуемой коллекторной пластине под сбегающим краем щетки,
По полученному видимому изображению производится визуальная оценка длины искрящего края щетки, интенсивности искрения на исследуемой пластине под сбегающим краем щетки 9 и наличия следов нагара и почернений на исследуемой коллекторной пластине. По перечисленным параметрам определяется степень искрения на исследуемой коллекторной пластине под сбегающим краем щетки 9.
Для полного исследования КЭМ аналогичным образом проверяются поочередно все остальные коллекторные пластины.
Оценка технической исправности КЭМ производится по степени искрения в соответствии с ГОСТ 183-74. При степени искрения менее 2 баллов делается вывод о исправности КЭМ, при степени искрения 2 балла и выше - о технической неисправности КЭМ.
Фиксация информации за большое число оборотов отражает полную картину искрения под сбегающим краем щетки, что делает эту информацию более достоверной и позволяет точнее оценить степень искрения под сбегающим краем щетки.
Опытная проверка работоспособности устройства для диагностики состояния коммутации КЭМ проведена в лаборатории «Электрические машины» ДВГУПС. Для испытания использована коллекторная электрическая машина ПО-550.
При осуществлении конкретного устройства для диагностики состояния коммутации КЭМ в качестве фотоэлектрического преобразователя 1 выбрана интегральная микросхема ICX404AL. Оперативное запоминающее устройство 2, сумматор-накопитель 3 и элемент совпадения 6 объединены в микросхеме ВСМ2835. В качестве устройства для визуализации изображения 4 выбран монитор SAMSUNG S20B300N. В качестве датчика положения коллектора 7 выбраны светодиод АЛ307, фотодиод ФД5 и операционный усилитель К157УД2. Устройство для регулируемой задержки импульса 8 выполнено на микросхемах серии 564.
Диагностика состояния коммутации КЭМ проведена на шестидесяти коллекторных пластинах. Результаты диагностирования приведены в таблице
Таблица
Количество пластин с допустимой степенью искрения
Количество пластин с недопустимой степенью искрения
Устройство-прототип
26
16
Заявляемое устройство
23
19
Заявляемое устройство при реализации позволяет повысить точность диагностирования степени искрения на каждой коллекторной пластине на 10% по сравнению с устройством-прототипом.