Устройство регистрации интенсивности искрения тяговых двигателей в условиях эксплуатации

Полезная модель относится к области электротехники и может быть применена в качестве устройства регистрации интенсивности искрения тяговых электродвигателей (ТЭД) постоянного тока в условиях эксплуатации на подвижном составе (например, на карьерных самосвалах «БелАЗ»).
Аналогом предлагаемой полезной модели является 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.
Недостатком аналога является отсутствие возможности анализа взаимосвязи неудовлетворительного состояния коммутации с особенностями режимов работы ТЭД в условиях эксплуатации и 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.
Другим аналогом предлагаемой полезной модели является устройство для оценки интенсивности искрения щеток коллекторно-щеточного узла посредством визуального наблюдения искрения, содержащее Web-камеру, установленную на манипуляторе, состоящем из штатива с узлом крепления Web-камеры на крышке смотрового люка электродвигателя, узла регулирования положения Web-камеры по вертикали, и узла регулирования углового положения Web-камеры в горизонтальной и в вертикальной плоскостях, при этом указанная Web-камера через TV-тюнер связана с монитором персонального компьютера или с телевизором, на экране которого отображается непосредственная картина искрения (RU 75254 U1, 27.07.2008).
Недостатком аналога является отсутствие возможности анализа взаимосвязи неудовлетворительного состояния коммутации с особенностями режимов работы ТЭД в условиях эксплуатации. Также недостатком является то, что изменение светового потока от внешних источников света, не связанных с искрением под щетками, приводит к изменению величины регистрируемого светового сигнала, что снижает достоверность и затрудняет повторяемость количественной оценки степени искрения.
Прототипом предлагаемой полезной модели является устройство для диагностики состояния коммутации коллекторных машин, приведенное в описании патента на изобретение, позволяющее осуществить способ диагностики состояния коммутации коллекторных машин, заявленный в данном патенте на изобретение (RU 2551429 С1, 27.05.2015). Устройство для диагностики состояния коммутации коллекторных машин содержит систему синхронизации, фотоэлектрический преобразователь, сумматор-накопитель, фильтр, интегратор и устройство для визуализации изображения. Система синхронизации содержит датчик положения коллектора и устройство для регулируемой задержки импульса. Входом системы синхронизации является оптический вход датчика положения коллектора, а ее выходом - электрический выход устройства для регулируемой задержки импульса. Выход датчика положения коллектора подключен к входу устройства для регулируемой задержки импульса. Выход системы синхронизации соединен с электрическим входом фотоэлектрического преобразователя. Фотоэлектрический преобразователь и устройство для визуализации изображения соединены через последовательно соединенные сумматор-накопитель, фильтр и интегратор. Фотоэлектрический преобразователь выполнен на основе интегральной микросхемы - ПЗС-матрицы с буферизацией столбцов.
Недостатком прототипа является отсутствие возможности анализа взаимосвязи неудовлетворительного состояния коммутации с особенностями режимов работы ТЭД в условиях эксплуатации.
Целью предлагаемой полезной модели является расширение функциональных возможностей устройства за счет обеспечения возможности выявления взаимосвязи неудовлетворительного состояния коммутации с показателями режимов работы ТЭД постоянного тока.
a
a
в
Указанная цель достигается тем, что устройство регистрации интенсивности искрения тяговых двигателей в условиях эксплуатации, содержащее накопитель видеоинформации, имеющий вход для ввода сигнала от цифровой видеокамеры, фильтр, первый вход которого подключен к выходу накопителя видеоинформации, интегратор, вход которого подключен к выходу фильтра, отличающееся тем, что дополнено накопителем информации о показателях режимов работы, оснащенным четырьмя входами для сигналов (скорости вращения якоря n, напряжения якоря U, тока якоря I, тока возбуждения I), характеризующих режимы работы тягового двигателя, блоком масштабирования, первый вход которого соединен с выходом накопителя информации о показателях режимов работы, блоком ввода информации, первый выход которого подключен ко второму входу фильтра, второй выход подключен ко второму входу блока масштабирования, блоком синхронизации и расчета временных диаграмм, первый вход которого соединен с выходом интегратора, второй вход соединен с выходом блока масштабирования, третий вход соединен с третьим выходом блока ввода информации, а выход подключен к устройству визуализации.
На фигуре представлена функциональная схема устройства регистрации интенсивности искрения тяговых двигателей в условиях эксплуатации.
Предлагаемое устройство регистрации интенсивности искрения тяговых двигателей в условиях эксплуатации состоит из накопителя видеоинформации 1, фильтра 2, интегратора 3, блока ввода информации 4, накопителя информации о показателях режимов работы 5, блока масштабирования 6, блока синхронизации и расчета временных диаграмм 7.
a
a
в
Накопитель видеоинформации 1 имеет вход для ввода сигнала от цифровой видеокамеры, первый вход фильтра 2 подключен к выходу накопителя видеоинформации 1, вход интегратора 3 подключен к выходу фильтра 2, накопитель информации о показателях режимов работы 5, оснащен четырьмя входами для ввода сигналов, характеризующих величины показателей режимов работы тягового двигателя (скорости вращения якоря n, напряжения якоря U, тока якоря I, тока возбуждения I), первый вход блока масштабирования 6 подключен к выходу накопителя информации о показателях режимов работы 5, первый выход блока ввода информации 4 подключен ко второму входу фильтра 2, второй выход блока ввода информации 4 подключен ко второму входу блока масштабирования 6, первый вход блока синхронизации и расчета временных диаграмм 7 подключен к выходу интегратора 3, второй вход блока синхронизации и расчета временных диаграмм 7 подключен к выходу блока масштабирования 6, третий вход блока синхронизации и расчета временных диаграмм 7 подключен к третьему выходу блока ввода информации 4, выход блока синхронизации и расчета временных диаграмм 7 имеет подключение к устройству визуализации.
Устройство работает следующим образом.
Для получения видеокадров в цифровом формате, поступающих в накопитель видеоинформации 1, необходимо подключить его вход к цифровой видеокамере, закрепленной на подвижном составе. Объектив видеокамеры должен быть направлен на зону искрения на сбегающем краю щеток одного из щеточных бракетов ТЭД.
Фильтр 2 на сохраненных видеокадрах по маркерным отметкам вырезает изображения зоны коммутации, в которой непосредственно происходит искрообразование. Далее на каждом вырезанном изображении зоны коммутации «засвеченные» пиксели (т.е. пиксели, имеющие яркость выше некоторой пороговой величины, заранее заданной оператором) закрашиваются белым цветом, остальные пиксели - черным цветом. Пороговая величина яркости для выделения «засвеченных» пикселей определяется оператором субъективно и передается в настройки фильтра 2 с помощью блока ввода информации 4. Маркерные отметки, ограничивающие края зоны коммутации для обрезки видеокадров, также задаются, а в случае необходимости корректируются оператором посредством блока ввода информации 4. Результат ввода пороговой величины яркости и маркерных отметок оператор видит на устройстве визуализации, подключенном к выходу блока синхронизации и расчета временных диаграмм 7. В качестве устройства визуализации может служить, например, планшет, компьютер или микроконтроллерное устройство с экраном и необходимым программным обеспечением.
Полученные в результате фильтрации исходных видеокадров черно-белые изображения зоны коммутации передаются в интегратор, который подсчитывает на каждом изображении количество белых пикселей. Черно-белые изображения зоны коммутации с подсчитанным количеством белых пикселей для каждого из изображений передаются в блок синхронизации и расчета временных диаграмм 7.
В блоке синхронизации и расчета временных диаграмм 7 по количеству белых пикселей на каждом изображении определяется интенсивность искрения (А) по таблице, содержащей диапазоны соответствия количества белых пикселей (N) определенным баллам интенсивности искрения. Данная таблица функционального соответствия А=f(N) задается оператором посредством блока ввода информации 4. Соответствие диапазонов значений N интенсивности искрения А определяется оператором с применением визуального способа по ГОСТ 2582-2013.
в
в
в
Далее в блоке синхронизации и расчета временных диаграмм 7 формируются два функционально связанных множества чисел: множество значений интенсивности искрения (А) на каждом видеокадре и множество значений времени, пройденного от начала видеозаписи, начинающееся от нуля и имеющее шаг равный периоду записи видеокадров T=1/f (f - частота записи видеокадров). Полученные множества чисел позволяют отобразить временную диаграмму интенсивности искрения А=f(t) на устройстве визуализации.
a
a
в
Одновременно с записью видеокадров посредством цифровой камеры в накопитель информации о показателях режимов работы 5 передаются сигналы, характеризующие величины показателей режимов работы тягового двигателя (скорость вращения якоря n, напряжение якоря U, ток якоря I, ток возбуждения I). Данные сигналы формируются посредством соответствующих датчиков, передающих первичные сигналы на аналогово-цифровые преобразователи (АЦП), выходы которых подключаются к входам накопителя информации о показателях режимов работы 5. Примером реализации такой системы датчиков и АЦП для формирования сигналов о величинах показателей режимов работы тягового двигателя может служить штатная система мониторинга карьерных самосвалов «БелАЗ».
a
a
в
ф
ф
ф
a
a
в
Информация из накопителя информации о показателях режимов работы 5 передается в блок масштабирования 6, где значения показателей режимов работы тягового двигателя умножаются на требуемые масштабирующие коэффициенты для приведения значений напряжения и токов в международную систему единиц СИ (соответственно В, А), а частоты вращения к оборотам в минуту (об/мин). Требуемые масштабирующие коэффициенты задаются в блок масштабирования 6 и при необходимости корректируются оператором посредством блока ввода информации 4. Величина масштабирующих коэффициентов может быть определена, например, по паспортным параметрам датчиков и АПЦ или экспериментально. Полученные в результате масштабирования значения показателей режимов работы тягового двигателя (n, U, I, I) передаются в блок синхронизации и расчета временных диаграмм 7. В данном блоке каждому из множеств значений показателей режимов работы тягового двигателя ставится в соответствие множество значений времени, пройденного от начала их фиксации, начинающееся от нуля и имеющее шаг равный периоду их фиксации T=1 /f (f - частота фиксации показателей режимов работы тягового двигателя). Полученные четыре пары множеств чисел позволяют отобразить четыре временные диаграммы показателей режимов работы тягового двигателя (n=f(t), U=f(t), I=f(t), I=f(t) на устройстве визуализации.
a
a
в
Все временные диаграммы А=f(t), n=f(t), U=f(t), I=f(t), I=f(t) поступают по соответствующим соединениям к устройству визуализации, которое наглядно их отображает.
Таким образом, применение предлагаемого устройства на основе дальнейшего анализа полученных результатов позволит выявить взаимосвязь неудовлетворительного состояния коммутации с показателями режимов работы ТЭД в условиях эксплуатации. Выявленная таким образом взаимосвязь позволит определить особенности режимов работы ТЭД в конкретных условиях эксплуатации, приводящие к недопустимому ухудшению коммутации (такая работа приведена в статье:
a
a
в
Харламов, В.В. Моделирование процесса коммутации тягового двигателя постоянного тока карьерного самосвала / Харламов В.В., Москалев Ю.В., Найден С.Н. // Омский научный вестник. 2020. №2 (170). С. 31-36). Полученные результаты в свою очередь позволят выработать рекомендации по эксплуатации конкретной единицы подвижного состава в конкретных условиях эксплуатации, что позволит избежать режимы работы с недопустимыми с точки зрения коммутационной устойчивости ТЭД значениями показателей n, U, I, I.