СПОСОБ ДИАГНОСТИКИ КОММУТАЦИИ ОБМОТОК ЯКОРЯ И КАЧЕСТВА ПИТАНИЯ КОЛЛЕКТОРНЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ ПОСТОЯННОГО ТОКА
METHOD OF DIAGNOSING COMMUTATION OF ARMATURE WINDINGS AND QUALITY OF POWER SUPPLY TO DIRECT CURRENT COMMUTATOR MOTORS

Изобретение относится к области электромашиностроения и эксплуатации электрических машин, в частности к методам определения электрических повреждений.
Электродвигатели постоянного тока в сочетании с электрооборудованием на основе тиристорных схем управления в современных условиях наиболее полно соответствуют комплексу требований по надежности, экономичности и массогабаритным показателям, предъявляемым к широко регулируемым электроприводам с тяжелыми режимами работы (гребные, буровые электродвигатели, электроприводы траловых и грузовых лебедок и т.д.). Однако при эксплуатации данного класса машин возникает ряд трудностей, связанных, прежде всего с вопросами коммутации и надежной работы выпрямителей.
Согласно ГОСТ 183-74 оценка качества коммутации производится визуальным методом в соответствии со степенями искрения. Методу визуальной оценки присущ ряд недостатков, основными из которых являются его субъективность и невозможность автоматизации контроля.
Известны способы объективного контроля технического состояния электрических машин по изменению параметров ближнего к машине электромагнитного поля. Например, коммутация электрических машин оценивается по спектру электромагнитного поля искрения в радиодиапазоне частот внутри коллекторной камеры (Тарасов С.В. Диагностирование электрических машин методом спектрального анализа искрения на коллекторе // Л.: Изд. ЛЭТИ: Сборник научных трудов. / Системы электроэнергетики и управления движением судна, 1988, вып.402, с.46-50). Недостатком метода является сложность спектрального анализа высокочастотных сигналов, сложность интерпретации спектров, низкая помехозащищенность и селективность по причине слабого затухания электромагнитных полей радиодиапазона.
Известен принятый за прототип способ диагностики и контроля витковых замыканий в роторе синхронной машины, основанный на низкочастотном спектральном анализе ближнего электромагнитного поля, заключающийся в том, что сигнал с одного или двух расположенных диаметрально противоположно индукционных датчиков поступает на анализатор спектра и диагностическое заключение о состоянии машины формируется на основе анализа спектра сигнала. Использование второго индукционного датчика необходимо для повышения чувствительности и достоверности контроля, так как одинарный датчик подвержен действию любых внешних электромагнитных помех. Так как в отличие от обмоток ротора синхронной машины щетки коллекторных машин неподвижны относительно статора, такой способ исключения влияния помех при оценке коммутации не подходит.
Техническим результатом, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, является обеспечение объективной оценки качества коммутации обмоток якоря с одновременной оценкой качества напряжения питания электродвигателей постоянного тока, помехозащищенности диагностики электромашин применительно к контролю коммутации коллекторных машин и упрощение способа (процедуры измерения и анализа сигнала).
Для достижения указанного технического результата в способе диагностики коммутации обмоток якоря и качества питания коллекторных электродвигателей постоянного тока, заключающемся в использовании на входе измерительного вольтметра сигналов наведенных при подаче в обмотку якоря постоянного тока электродвижущих сил в двух установленных неподвижно и включенных навстречу друг другу индукционных датчиках с идентичными частотными характеристиками, проведении спектрального анализа наведенных в датчиках электродвижущих сил, критерием для диагностики служит отсутствие или наличие в спектре наведенных в датчиках электродвижущих сил гармонических составляющих, индукционные датчики устанавливают вблизи поверхности контролируемой щеточной траверсы статора на небольшом друг от друга расстоянии, определяемом степенью неоднородности электромагнитного поля, сигналы наведенных в датчиках электродвижущих сил только вычитают и получают разностный сигнал наведенных в датчиках электродвижущих сил, о качестве коммутации судят по величине разностного сигнала наведенных в датчиках электродвижущих сил, чем больше это значение, тем выше балл коммутации, для оценки качества питания также используют величину разностного сигнала наведенных в датчиках электродвижущих сил при проведении его спектрального анализа, критерием качественного питания является практическое отсутствие в спектре разностного сигнала наведенных в датчиках электродвижущих сил гармонических составляющих, кратных частоте сети переменного тока на входе питающего выпрямителя. Отличительными признаками предлагаемого способа являются следующие:
- индукционные датчики устанавливают вблизи контролируемой щеточной траверсы,
- датчики устанавливают на небольшом расстоянии друг от друга,
- это расстояние определяется степенью неоднородности электромагнитного поля, чем выше неоднородность электромагнитного поля, тем меньше расстояние между датчиками, оно составляет 10-15 мм,
- сигналы с датчиков только вычитают и получают разностный сигнал наведенных в них электродвижущих сил,
- о качестве коммутации судят по величине разностного сигнала, чем он выше, тем выше балл коммутации,
- для оценки качества питания также используют разностный сигнал при проведении его спектрального анализа,
- отсутствие в спектре разностного сигнала гармонических составляющих, кратных частоте переменного тока на входе питающего выпрямителя, свидетельствует о качественном питании коллекторных электродвигателей постоянного тока.
Благодаря наличию этих признаков обеспечена не только объективная оценка качества коммутации обмоток якоря с одновременной оценкой качества питания электродвигателей постоянного тока, но и упрощен способ, т.к. сигналы с датчиков только вычитают и получают один разностный сигнал, который и анализируют, а также обеспечена помехозащищенность диагностики электромашин применительно к контролю коммутации, т.к. исключено влияние помех при оценке коммутации. Предлагаемый способ поясняется чертежами, представленными на фиг.1-4.
я
4
4
1
1
На фиг.1 представлена общая схема диагностики, на фиг.2 - полученная экспериментально зависимость разностного сигнала датчиков (сигнал измерен в децибелах, дБ относительно 3 мкВ) от расстояния до щеточной траверсы, на фиг.3 - зависимость разностного сигнала датчиков от тока в якоре, сигнал измерен в децибелах, дБ, на фиг.4 - результаты спектрального анализа разностного сигнала на четных гармониках сетевой частоты (2с=100 Гц). На фиг.3 представлены результаты эксперимента по определению взаимосвязи между значением разностного сигнала и субъективной оценкой качества коммутации по ГОСТ 183-74. Качество коммутации варьировалось за счет изменения тока якоря J и угла смещения траверсы от нейтрали. Значениям уровней разностного сигнала до 70 дБ соответствует темная коммутация - балл искрения 1; значениям уровней от 70 дБ до 80 дБ соответствует искрение щеток с баллами 1/ и 1/, значениям уровней свыше 80 дБ соответствует интенсивное искрение щеток - балл искрения равен 2,3.
Способ осуществляется следующим образом.
1
2
Вблизи одной из щеточных траверс 1 статора коллекторного электродвигателя постоянного тока устанавливают два индукционных датчика 2 с идентичными характеристиками. Расстояние от датчиков до поверхности щеточной траверсы 1 составляет 10-15 мм. Датчики 2 подключены навстречу друг другу и находятся на небольшом расстоянии друг от друга. Расстояние между датчиками 2 определяется степенью неоднородности электромагнитного поля: чем выше неоднородность электромагнитного поля, тем меньше расстояние между датчиками 2, и составляет оно 10-15 мм. При подаче постоянного тока в обмотку 3 вращающегося якоря в 2-х индукционных датчиках наводятся электродвижущие силы (ЭДС и ЭДС), сигналы с датчиков 2 только вычитают и получают разностный сигнал наведенных в последних электродвижущих сил, который поступает на вход измерительного вольтметра 4. Этот сигнал пропорционален градиенту электромагнитного поля в области установки датчиков 2. По величине этого разностного сигнала оценивают коммутацию обмоток 3 якоря. Чем выше уровень разностного сигнала с датчиков, тем выше класс коммутации (степень искрения) щеток на исследуемой траверсе по ГОСТ 183-74. Далее разностный сигнал через аналого-цифровой преобразователь 6 в цифровой форме поступает на компьютер 5, на котором осуществляют анализ спектра разностного сигнала для оценки качества питания коллекторных электродвигателей постоянного тока. При наличии в спектре разностного сигнала гармонических составляющих, кратных частоте сети переменного тока на входе питающего выпрямителя, делают вывод о недостаточном качестве (недопустимых пульсациях) питающего напряжения.
Предложенный способ обеспечивает хорошую помехозащищенность и селективность диагностики коммутации, так как градиент электромагнитного поля процесса коммутации резко уменьшается с увеличением расстояния от датчиков до щеточной траверсы. Кроме того, способ достаточно прост, т.к. сигналы с датчиков только вычитают, получают один разностный сигнал, по анализу величины и спектра которого производят оценку качества коммутации обмоток якоря и качества питания коллекторных электродвигателей постоянного тока.