УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДИАГНОСТИКИ СОСТОЯНИЯ КОММУТАЦИИ КОЛЛЕКТОРНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН
DEVICE FOR DIAGNOSTICS OF ELECTRIC COMMUTATOR MACHINES SWITCHING CONDITION

Изобретение относится к электромеханике и может быть использовано для определения степени искрения при коммутационных испытаниях коллекторных электрических машин (КЭМ), в том числе одноякорных преобразователей, электромашинных усилителей, не имеющих выведенных наружу концов вала.
Состояние коммутации КЭМ в настоящее время оценивается по степени искрения на коллекторе под сбегающим краем щетки. Степень искрения может определяться визуально и диагностическими устройствами, основанными на регистрации параметров различных физических процессов, сопровождающих искрение.
При визуальной регистрации степени искрения определяются такие количественные показатели как интенсивность искрения и размер искрящей части края щетки, например: слабое искрение под небольшой частью края щетки, значительное искрение под всем краем щетки. Определяется также появление следов почернения на коллекторе и нагара на щетках. Повышенная степень искрения даже на одной коллекторной пластине может привести к выходу из строя КЭМ. Искрение под сбегающим краем щетки возникает в различные мгновения периода коммутации (при разных положениях коллекторной пластины под сбегающим краем щетки).
Таким образом, известные устройства позволяют качественно и количественно определить степень искрения на каждой исследуемой коллекторной пластине в отдельности, но дают искаженную информацию о степени искрения при каждом положении коллекторной пластины под сбегающим краем щетки. Это не позволяет правильно определить исправность КЭМ. Проблема известных устройств заключается в получении истиной информации о степени искрения при каждом положении коллекторной пластины под сбегающим краем щетки, позволяющей правильно судить об исправности КЭМ. Поэтому достоверное определение параметров степени искрения при каждом положении коллекторной пластины под сбегающим краем щетки является актуальной проблемой.
Известно устройство для диагностики состояния коммутации КЭМ [Толкунов В.П. Теория и практика коммутации машин постоянного тока. - М.: Энергия, 1979. - С.81], основанное на регистрации параметров световых импульсов при искрении в виде электрических сигналов. Оно содержит фотоэлектрический преобразователь, усилитель, электронный осциллограф и синхронизатор. Синхронизатор представляет собой импульсный источник света с регулируемой частотой световых вспышек.
Оптический вход фотоэлектрического преобразователя направлен на сбегающий край щетки, а его выход подключен к входу усилителя. Выход усилителя подключен к входу электронного осциллографа. Синхронизатор направлен на коллектор под сбегающим краем щетки для его освещения.
Устройство работает следующим образом. При диагностике состояния коммутации фотоэлектрический преобразователь направляется на сбегающий край щетки и преобразует световые импульсы при искрении в импульсы фототока, которые подаются на вход усилителя и усиливаются им до необходимой величины. Усиленные импульсы фототока подаются на вход электронного осциллографа, на экране которого формируется изображение последовательности импульсов фототока от искрения по коллекторным пластинам КЭМ. Одновременно синхронизатор импульсно освещает коллектор. Частота импульсов синхронизатора подбирается равной частоте вращения КЭМ. Это ставит в соответствие группу пластин на коллекторе и участок последовательности импульсов фототока от искрения на экране осциллографа.
Достоинством этого устройства является возможность качественного определения степени искрения на каждой коллекторной пластине в отдельности. Это обусловлено наличием синхронизации искрения на отдельных коллекторных пластинах с показаниями электронного осциллографа.
Недостатком этого устройства является отсутствие однозначной количественной связи степени искрения на одной и той же коллекторной пластине с регистрируемым электрическим сигналом при повторных измерениях. Это обусловлено зависимостью величины регистрируемого электрического сигнала от пространственного положения фотоэлектрического преобразователя относительно источника искрения на коллекторе, которое изменяется при каждой новой установке фотоэлектрического преобразователя для каждого нового эксперимента. Изменение положения фотоэлектрического преобразователя при разных измерениях приводит к изменению величины регистрируемого электрического сигнала, которое не связано со степенью искрения, что затрудняет повторяемость количественной оценки степени искрения по величине регистрируемого электрического сигнала.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков является устройство для диагностики состояния коммутации КЭМ [Патент РФ на полезную модель №53020, МПК G01R 31/34 (2006.01). Устройство для диагностики состояния коммутации коллекторных электрических машин. / P.X.Сайфутдинов (RU); ДВГУПС (RU). - №2005127171/22; заявлено 29.08.2005; опубл. 27.04.2006, Бюл. №12], основанное на регистрации параметров световых импульсов при искрении в виде электрических сигналов и визуальном наблюдении. Это устройство содержит фотоэлектрический преобразователь, усилитель, электронный осциллограф и оптический синхронизатор.
Оптический синхронизатор выполнен в виде непрозрачных подвижного диска с одной прорезью, неподвижного диска с одной прорезью и вала. Угловой размер прорезей не превышает углового размера каждой коллекторной пластины по окружности коллектора. Диски расположены соосно друг с другом. Подвижный диск установлен на валу, который связан с валом КЭМ.
Фотоэлектрический преобразователь, усилитель и электронный осциллограф электрически соединены между собой. При этом оптический вход фотоэлектрического преобразователя направлен на коллектор под сбегающим краем щетки КЭМ, а его выход подключен к входу усилителя. Выход усилителя подключен к входу электронного осциллографа. Оптический синхронизатор расположен между оптическим входом фотоэлектрического преобразователя и сбегающим краем щетки КЭМ. Область пространства между оптическим входом и сбегающим краем щетки, является оптическим каналом. Каждая коллекторная пластина предварительно промаркирована.
Устройство работает следующим образом. При работе КЭМ диск посредством вала вращается синхронно с ее коллектором. При совмещении прорези подвижного диска с прорезью неподвижного диска открывается оптический канал и световой импульс от искрения под сбегающим краем щетки на одной исследуемой коллекторной пластине проходит по оптическому каналу на оптический вход фотоэлектрического преобразователя. Это совмещение прорезей повторяется периодически для каждого полного оборота коллектора и соответствует выходу одной и той же исследуемой коллекторной пластины из-под щетки.
Фотоэлектрический преобразователь преобразует световые импульсы в импульсы фототока, которые подаются на вход усилителя и усиливаются им до необходимой величины. Усиленные импульсы фототока подаются на вход электронного осциллографа, на экране которого формируется изображение импульса фототока от искрения только на одной исследуемой коллекторной пластине, выходящей из-под щетки, поскольку искрение на других коллекторных пластинах происходит при перекрытом оптическом канале. По изображению импульса фототока на экране электронного осциллографа качественно оценивается степень искрения на исследуемой коллекторной пластине.
Одновременно ведется визуальное наблюдение коллектора сквозь прорези дисков оптического синхронизатора. При визуальном наблюдении фиксируется та же исследуемая коллекторная пластина и степень искрения на ней.
При этом согласно ГОСТ 183-74 «Машины электрические вращающиеся. Общие технические условия» осуществляется количественная регистрация степени искрения. Производится регистрация интенсивности искрения и размера искрящей части края щетки, например: слабое искрение под небольшой частью края щетки, значительное искрение под всем краем щетки, наличие крупных и вылетающих искр. Определяется также появление следов почернения на коллекторе и нагара на щетках. Поэтому такая визуальная регистрация степени искрения является количественной.
Для определения степени искрения на каждой из остальных коллекторных пластин в отдельности диск поворачивается вручную вокруг его оси на такой угол, при котором визуально фиксируется предварительно маркированная следующая коллекторная пластина в положении выхода ее из-под щетки. Процесс регистрации степени искрения этой коллекторной пластины осуществляется, как описано выше.
В известном устройстве полное совмещение прорезей происходит только в одно из мгновений периода коммутации, когда сбегающий край щетки находится над срединой исследуемой коллекторной пластины. При этом оптический канал имеет номинальное сечение и световой импульс от искрения регистрируется без ослабления интенсивности светового потока. При каждом другом положении коллекторной пластины под сбегающим краем щетки оптический канал открыт лишь частично за счет неполного совмещения прорезей, его сечение при каждом положении коллекторной пластины под сбегающим краем щетки, а значит и коэффициент пропускания изменяется от нуля до номинального значения и обратно до нуля. Интенсивность регистрируемого светового потока от искрения при этом уменьшается и определяется не только степенью искрения КЭМ, но и сечением оптического канала. Так в конце периода коммутации, когда вероятность появления искрения наиболее высока, сечение оптического канала стремится к нулю. Это искажает информацию о состоянии коммутации и не позволяет правильно определить исправность КЭМ.
Достоинством известного устройства является возможность определения состояния коммутации на каждой отдельной коллекторной пластине как качественно, так и количественно. Это обусловлено наличием визуальной оценки степени искрения на каждой отдельной коллекторной пластине, исключающей неоднозначность результатов регистрации при каждом новом измерении степени искрения КЭМ.
Недостатком известного устройства является искажение информации о степени искрения при каждом положении каждой отдельной коллекторной пластины под сбегающим краем щетки. Это обусловлено изменением интенсивности регистрируемого светового потока от искрения при каждом положении исследуемой коллекторной пластины под сбегающим краем щетки за счет изменения коэффициента пропускания оптического канала. Это искажает информацию о состоянии коммутации и не позволяет правильно определить исправность КЭМ.
Задача, решаемая изобретением, заключается в разработке устройства для диагностики состояния коммутации КЭМ, позволяющего получить достоверную информацию о степени искрения для каждой исследуемой коллекторной пластины при каждом ее положении под сбегающим краем щетки благодаря обеспечению постоянства коэффициента пропускания оптического канала при каждом положении отдельной коллекторной пластины под сбегающим краем щетки.
Для решения поставленной задачи устройство для диагностики состояния коммутации коллекторных электрических машин, содержащее оптический синхронизатор, электрически связанные между собой фотоэлектрический преобразователь, усилитель, электронный регистрирующий прибор, при этом коллектор электрической машины под сбегающим краем щетки, оптический синхронизатор и оптический вход фотоэлектрического преобразователя связаны оптически, оно снабжено системой управления оптическим синхронизатором, содержащей электрический датчик синхронизации положения коллектора, устройство регулируемой задержки импульсов и импульсный усилитель, при этом выход датчика синхронизации положения коллектора подключен к входу устройства регулируемой задержки импульсов синхронизации, выход которого соединен с входом импульсного усилителя, а оптический синхронизатор представляет собой электрооптический амплитудный модулятор света, электроды которого соединены с выходом импульсного усилителя. При этом электрооптический амплитудный модулятор света представляет собой последовательно установленные на одной оптической оси поляризатор, ячейку Керра и анализатор, или поляризатор, электрооптическую ячейку с эффектом Поккельса и анализатор. Электрический датчик синхронизации положения коллектора выполнен в виде светоотражающей метки на роторе коллекторной электрической машины, оптически связанной с источником света и фотоэлектрическим приемником или намагниченной метки на роторе коллекторной электрической машины, связанной магнитно с магнитоэлектрическим датчиком. Угловой размер метки равен угловому размеру контактной поверхности коллекторной пластины.
Наличие существенных отличительных признаков свидетельствует о соответствии заявляемого решения критерию патентоспособности изобретения «новизна».
Введение в устройство системы управления оптическим синхронизатором, включающей электрический датчик синхронизации положения коллектора, выход которого подключен к входу устройства регулируемой задержки импульсов синхронизации, выход которого соединен с входом импульсного усилителя, и выполнение оптического синхронизатора в виде электрооптического амплитудного модулятора света, электроды которого соединены с выходом импульсного усилителя, позволяет обеспечить постоянство коэффициента пропускания оптического канала при каждом положении отдельной коллекторной пластины под сбегающим краем щетки и, как следствие, достоверную информацию о степени искрения для каждой отдельной исследуемой коллекторной пластины при каждом ее положении под сбегающим краем щетки.
Постоянство коэффициента пропускания оптического канала при каждом положении исследуемой коллекторной пластины под сбегающим краем щетки обусловлено быстродействием электрооптического амплитудного модулятора света, позволяющим осуществить в требуемые моменты мгновенность перехода электрооптического амплитудного модулятора света из состояния непропускания в состояние пропускания и обратно при подходе исследуемой коллекторной пластины к сбегающему краю щетки и выходе из-под нее.
Таким образом, причинно-следственная связь «Введение в устройство системы управления оптическим синхронизатором на основе датчика синхронизации положения коллектора и выполнение оптического синхронизатора в виде электрооптического амплитудного модулятора света приводит к постоянству коэффициента пропускания оптического канала при каждом положении отдельной коллекторной пластины под сбегающим краем щетки» явно не следует из уровня техники, и, следовательно, заявляемое решение соответствует критерию патентоспособности «изобретательский уровень».
На чертеже представлена функциональная схема устройства для диагностики состояния коммутации КЭМ.
Устройство содержит оптический синхронизатор 1, фотоэлектрический преобразователь 2, усилитель 3, электронный регистрирующий прибор 4 и систему управления оптическим синхронизатором 5.
Оптический синхронизатор 1 представляет собой электрооптический амплитудный модулятор света, выполненный в виде либо последовательно установленных и оптически связанных поляризатора 6, ячейки Керра 7 с электродами 8 и анализатора 9, либо последовательно установленных и оптически связанных поляризатора 6, электрооптической ячейки с эффектом Поккельса 7 с электродами 8 и анализатора 9. Плоскости поляризации поляризатора 6 и анализатора 9 взаимно перпендикулярны.
Система управления оптическим синхронизатором 5 содержит электрический датчик синхронизации положения коллектора 10, устройство регулируемой задержки импульсов синхронизации 11 и импульсный усилитель 12.
Датчик синхронизации положения коллектора 10 выполнен либо в виде светоотражающей метки 13 на роторе 14 КЭМ, оптически связанной с источником света 15 и фотоэлектрическим приемником 16, либо в виде намагниченной метки 13 на роторе 14 КЭМ, связанной магнитно с магнитоэлектрическим датчиком 16. Выходом электрического датчика синхронизации положения коллектора 10 является выход фотоэлектрического приемника 16, который соединен с входом устройства регулируемой задержки импульсов синхронизации 11, выход которого соединен с входом импульсного усилителя 12. Выход импульсного усилителя 12 подключен к электродам 8 электрооптического амплитудного модулятора света.
Угловой размер метки 13 равен угловому размеру контактной поверхности каждой коллекторной пластины 17.
Фотоэлектрический преобразователь 2, усилитель 3 и электронный регистрирующий прибор 4 электрически соединены между собой. При этом оптический вход 18 фотоэлектрического преобразователя 2 направлен на коллектор 19 под сбегающим краем щетки 20 КЭМ, а его выход подключен к входу усилителя 3. Выход усилителя 3 подключен к входу электронного регистрирующего прибора 4. Оптический синхронизатор 1 расположен между оптическим входом 18 фотоэлектрического преобразователя 2 и сбегающим краем щетки 20 КЭМ. Область пространства между оптическим входом 18 и сбегающим краем щетки 20 является оптическим каналом 21, который может находиться в закрытом или открытом состоянии.
Каждая коллекторная пластина должна быть предварительно промаркирована.
В качестве фотоэлектрического преобразователя 2 использован фотодиод ФД-3, усилитель 3 выполнен на микросхеме К140УД8, в качестве электронного регистрирующего прибора 4 использован электронный осциллограф марки С1-93. В качестве поляризатора 6 и анализатора 9 использованы поляризационные светофильтры марки ПФ-52. Устройство регулируемой задержки импульсов синхронизации 11 выполнено на микросхемах серии К155. Импульсный усилитель 12 выполнен на транзисторах типа КТ704.
Пример 1. Электрооптический амплитудный модулятор света выполнен на основе ячейки Керра, а электрический датчик синхронизации положения коллектора - на основе источника света, светоотражающей метки на роторе и фотоэлектрического приемника.
Ячейка Керра 7 выполнена в виде стеклянного сосуда с никелевыми электродами 8, заполненного нитробензолом. Светоотражающая метка 13 выполнена в виде полосы светоотражающей краски на петушковой части коллекторной пластины. В качестве источника света 15 использована лампа накаливания МЫ 6,3-0,3 с фокусирующей линзой, а фотоэлектрическим приемником 16 является фотодиод ФД-3
Устройство работает следующим образом. При работе КЭМ на каждом обороте коллектора 19 светоотражающая метка 13 отражает свет от источника света 15 на фотоэлектрический приемник 16 во время прохождения исследуемой коллекторной пластины 17 под сбегающим краем щетки 20. На выходе фотоэлектрического приемника 16 появляется электрический импульс, длительность которого равна времени прохождения исследуемой коллекторной пластины 17 под сбегающим краем щетки 20. Этот электрический импульс проходит через устройство регулируемой задержки импульсов синхронизации 11, задержка которого установлена равной нулю, и усиливается импульсным усилителем 12 до величины, необходимой для работы ячейки Керра 7. Усиленный импульс с выхода импульсного усилителя 12 поступает на электроды 8 ячейки Керра 7, в которой возникает квадратичный электрооптический эффект. Это соответствует состоянию пропускания электрооптического амплитудного модулятора света и открытому состоянию оптического канала 21.
Одновременно световой импульс от искрения на одной исследуемой коллекторной пластине 17 под сбегающим краем щетки 20 приобретет линейную поляризацию в поляризаторе 6 и под действием электрического импульса на электродах 8 изменяет плоскость поляризации в ячейке Керра 7 на 90 градусов в результате квадратичного электрооптического эффекта. Поскольку плоскости поляризации поляризатора 6 и анализатора 9 взаимно перпендикулярны, то анализатора 9 пропускает световой импульс от искрения. Таким образом, световой импульс от искрения проходит через оптический синхронизатор 1 на оптический вход 18 фотоэлектрического преобразователя 2 через открытый оптический канал 21. Фотоэлектрический преобразователь 2 преобразует световые импульсы в импульсы фототока, которые подаются на вход усилителя 3 и усиливаются им до необходимой величины. Усиленные импульсы фототока подаются на вход электронного регистрирующего прибора 4, на экране которого формируется изображение импульса фототока от искрения только на одной исследуемой коллекторной пластине 17, выходящей из-под щетки 20. По изображению импульса фототока на экране электронного регистрирующего прибора 4 качественно оценивается степень искрения на этой коллекторной пластине.
При прохождении других не исследуемых коллекторных пластин под сбегающим краем щетки 20 искрение на них происходит при закрытом оптическом канале 21. Светоотражающая метка 13 при таких положениях коллектора сдвинута относительно линии распространения луча от источника света 15 к фотоэлектрическому приемнику 16 и отражает свет от источника света 15 мимо фотоэлектрического приемника 16. При этом напряжение на электродах 8 отсутствует и ячейка Керра 7 сохраняет поляризацию световых импульсов от искрения на других коллекторных пластинах и анализатор 9 не пропускает эти световые импульсы. Оптический канал 21 при этом закрыт, и световые импульсы от искрения на других коллекторных пластинах не проходят через оптический синхронизатор 1 на оптический вход 18 фотоэлектрического преобразователя 2.
Одновременно ведется визуальное наблюдение коллектора 19 через оптический синхронизатор 1. При визуальном наблюдении фиксируется исследуемая коллекторная пластина 17 и степень искрения на ней.
Открытое состояние оптического канала 21 повторяется периодически для каждого полного оборота коллектора 19 и соответствует выходу одной и той же исследуемой коллекторной пластины 17 из-под щетки 20. Стробоскопический эффект позволяет визуально зафиксировать предварительно маркированную исследуемую коллекторную пластину 17, выходящую из-под щетки 20. При этом визуально регистрируются количественные параметры степени искрения: интенсивность искрения и размер искрящей части сбегающего края щетки 20, появление следов почернения на коллекторе 19.
Для регистрации искрения на любой другой, выбранной в качестве исследуемой коллекторной пластине, производится задержка электрических импульсов синхронизации в устройстве регулируемой задержки импульсов синхронизации 11 на время поворота коллектора 19 до состояния начала выхода выбранной коллекторной пластины из-под сбегающего края щетки 20. При этом оптический канал 21 открывается только на время прохождения выбранной коллекторной пластины под сбегающим краем щетки 20.
Пример 2. Электрооптический амплитудный модулятор света выполнен на основе ячейки с эффектом Поккельса, а электрический датчик синхронизации положения коллектора - на основе намагниченной метки на роторе и магнитоэлектрического датчика.
Электрооптическая ячейка с эффектом Поккельса 7 выполнена в виде кристалла дигидрофосфата калия, снабженного электродами 8. Намагниченная метка 13 представляет собой постоянный магнит, прикрепленный к валу КЭМ, а магнитоэлектрическим датчиком 16 является датчик Холла.
Устройство работает, как в примере 1. Отличия в работе этого устройства заключаются в том, что при работе КЭМ на каждом обороте коллектора 19 намагниченная метка 13 создает магнитное поле в датчике Холла 16 во время прохождения исследуемой коллекторной пластины 17 под сбегающим краем щетки 20. На выходе датчика Холла 16 появляется электрический импульс, длительность которого равна времени прохождения исследуемой коллекторной пластины 17 под сбегающим краем щетки 20.
Этот электрический импульс через устройство регулируемой задержки импульсов синхронизации 11 и импульсный усилитель 12 поступает на электроды 8 электрооптической ячейки с эффектом Поккельса 7, в которой возникает линейный электрооптический эффект. Это соответствует состоянию пропускания электрооптического амплитудного модулятора света и открытому состоянию оптического канала 21.
Время срабатывания электрооптического амплитудного модулятора света на основе ячейки Керра и электрооптической ячейки с эффектом Поккельса составляет
-9
-13
-4
10-10 с [Физика. Большой энциклопедический словарь / Гл. ред. А.М.Прохоров. - 4-е изд. - М.: Большая Российская энциклопедия, 1999. - С.281]. Это время много меньше времени прохождения выбранной коллекторной пластины под сбегающим краем щетки (для КЭМ с 100 коллекторными пластинами при частоте вращения 6000 об/мин время прохождения одной коллекторной пластины под сбегающим краем щетки составляет 10 с). Это соотношение позволяет мгновенно открывать оптический канал при подходе исследуемой коллекторной пластины к сбегающему краю щетки и мгновенно закрывать его при выходе исследуемой коллекторной пластины из-под сбегающего края щетки, сохраняя параметры оптического канала неизменными при каждом положении исследуемой коллекторной пластины под сбегающим краем щетки.
Таким образом, устройство для диагностики состояния коммутации коллекторных электрических машин позволяет обеспечить постоянство коэффициента пропускания оптического канала при каждом положении каждой отдельной коллекторной пластины под сбегающим краем щетки и получить достоверную информацию о степени искрения в каждое мгновение периода коммутации на каждой коллекторной пластине.
Лабораторные испытания заявляемого устройства проводились для диагностики состояния коммутации коллекторной электрической машины ПО-550. Одновременно оценивалось состояние коммутации этой машины при помощи устройства-прототипа. Результаты лабораторных испытаний приведены в таблице.
Таблица
Степень искрения
Количество коллекторных пластин с обнаруженной степенью искрения
заявляемым устройством
устройством-прототипом
Допустимая
36
42
Недопустимая
16
10
Результаты испытаний показали, что заявляемое устройство позволило повысить достоверность информацию о степени искрения в каждое мгновение периода коммутации на каждой коллекторной пластине исследуемой машины на 12% по сравнению с достоверностью, полученной при использовании устройства-прототипа.