УСТРОЙСТВО КОНТРОЛЯ УГЛОВОЙ СКОРОСТИ ВРАЩЕНИЯ ЯКОРЯ И КОММУТАЦИИ ТЯГОВОГО ДВИГАТЕЛЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Полезная модель относится к контрольно-измерительной технике и может быть использована для контроля угловой скорости вращения якоря тягового двигателя постоянного тока и оценки интенсивности искрения коллекторно-щеточного узла, а именно коммутации тягового двигателя постоянного тока.
Названные в заголовке заявки параметры тягового двигателя постоянного тока обычно контролируются по отдельности, а именно - устройствами одного типа контролируют угловую скорость вращения якоря двигателя, устройствами другого типа - коммутацию тягового двигателя постоянного тока.
В данной заявке будет предложено единое устройство для измерения названных обоих параметров.
Известно устройство для определения скорости вращения электрических машин постоянного тока [авторское свидетельство SU на изобретение №162227], состоящее из магнитоэлектрического логометра и фильтра, выделяющего гармоническую составляющую полюсных пульсаций. При помощи сопротивления и конденсатора ток гармонической составляющей разделяют на активную и реактивную составляющие, которые подаются на обмотку логометра.
Известно также устройство для измерения угловой скорости вращения якоря электрических машин постоянного тока [авторское свидетельство SU на изобретение №1002965], содержащее формирователь импульсов, подключенный к якорной цепи электрической машины, запоминающее устройство, индикатор и блок синхронизации, подключенный к цепи питания электрической машины.
Однако установление контролирующих приборов для измерения угловой скорости вращения якоря тягового двигателя в зоне двигателя не разрешается правилами эксплуатации двигателей транспортных средств.
Измерение другого параметра - коммутации тягового двигателя постоянного тока осуществляется другой группой устройств, не связанных с измерением угловой скорости вращения якоря. А именно, известны также устройства контроля коммутации электрических машин постоянного тока [авторские свидетельства SU на изобретения 1073715, 1182283], содержащие щетку-датчик, установленную на сбегающем крае рабочей щетки на коллекторе электрической машины, токовый шунт, источник разнополярных опорных напряжений, схему определения полярности, коммутатор импульсов, два канала обработки положительных и отрицательных импульсов соответственно, каждый из которых содержит амплитудный селектор, линейные ключи, последовательно с ним соединенный преобразователь интегрирующий, преобразователь напряжение-частота и осциллографический индикатор.
Однако в данных устройствах щетка-датчик расположена непосредственно в щеточно-коллекторном узле электрической машины постоянного тока, что снижает его эксплуатационную надежность и повышает погрешность измерений. Датчики, расположенные непосредственно в щеточно-коллекторном узле электрической машины постоянного тока, не в состоянии обнаружить искрение, локализованное под щеткой.
Известно также устройство контроля коммутации коллекторных электрических машин, описанное в патенте RU на изобретение №2003994 и содержащее магниточувствительный элемент, который устанавливается между петушком коллектора и близлежащей щеткой вдоль продольной оси коллектора вне пространства, ограниченного шириной щеточного бракета, над контактирующей с крайней щеткой бракета коллекторной пластиной.
Однако магниточувствительный элемент располагается непосредственно в щеточно-коллекторном узле электрической машины постоянного тока, что снижает эксплуатационную надежность устройства.
Наиболее близким аналогом к заявляемой полезной модели является «Устройство для контроля коммутации электрической машины» [авторское свидетельство SU на изобретение №907476], содержащее датчик радиосигналов, блок радиофильтров и блок индикации. Блок фильтров выполнен в виде набора настроенных на разную частоту полосовых фильтров, выходы которых подключены к соответствующим интеграторам. Блок индикации содержит наборы схем сравнения, схем опорных сигналов и дешифратор. Каждая из схем сравнения подключена одним входом - к схеме опорных сигналов, а выходы схем сравнения соединены с входами дешифратора.
Однако использование данного устройства не позволяет добиться приемлемой точности измерения, так как наличие и отсутствие спектра высокочастотных электромагнитных колебаний незначительно зависят от интенсивности искрения и при слабом искрении (степень искрения порядка 1,5 балла), которое со временем может приобрести прогрессирующий характер, спектр высокочастотных электромагнитных колебаний во время нарушения коммутации не регистрируется. Этот недостаток обусловлен тем, что испарение меди с поверхности коллекторных пластин при замедленной или ускоренной коммутации зависит от среднего значения выделяющейся энергии, которая, в свою очередь, связана с интенсивностью искрения. Кроме того, показания индикатора зависят не только от интенсивности излучения электромагнитных помех источника, но и от взаимного расположения источника и датчика регистрации радиопомех, а также от внешних электромагнитных помех.
Изготовление и установка самого датчика радиосигналов в коллекторно-щеточный узел электрической машины, а также дальнейшее техническое обслуживание системы контроля, связаны со значительными экономическими затратами.
Задачей заявляемой полезной модели является разработка устройства контроля угловой скорости вращения якоря и коммутации тягового двигателя постоянного тока, обеспечивающего возможность проведения измерения двух технических параметров тягового двигателя постоянного тока одним прибором при упрощении конструкции устройства и повышении точности результатов.
Сущность заявляемой полезной модели заключается в том, что устройство контроля угловой скорости вращения якоря и коммутации тягового двигателя постоянного тока, включающее блок фильтров частот и соответствующие им интеграторы, блок обработки сигналов, порт для соединения со средствами индикации и визуализации, дополнительно содержит преобразователь напряжение-частота, два разделительных конденсатора, амплитудный селектор, источник опорного напряжения, два входа для подключения к клеммам обмотки возбуждения якоря, при этом блок фильтров частот включает фильтр нижних частот с полосой пропускания ≤45 кГц и два полосовых фильтра частот, один из которых с полосой пропускания от 610 до 930 кГц, а второй - ≥930 кГц, и вышеназванные узлы и элементы соединены следующим образом: амплитудный селектор - с преобразователем напряжение-частота, с источником опорного напряжения и посредством параллельных ветвей, содержащих по одному фильтру и интегратору - с блоком обработки сигналов, который, в свою очередь, подключен к источнику опорного напряжения и к порту для соединения со средствами индикации и визуализации, а преобразователь напряжение-частота соединен с входами для подключения к клеммам обмотки возбуждения якоря через разделительные конденсаторы.
Технический результат заявляемой полезной модели заключается, во-первых, в возможности осуществить контроль двух параметров не двумя типами измерительных приборов, а всего одним с минимально возможным количеством узлов, поскольку некоторые узлы для измерения этих разных параметров оказались сходными. Это позволило упростить, облегчить и минимизировать схему измерения и контроля интересующих параметров. Второй технический результат дал технические преимущества, связанные с повышением надежности схемы контроля (через измерение) значимых параметров. Существующее правило запрета вторжения непосредственно в зону двигателя для измерения динамических параметров практически во всех аналогах (см. обзор публикаций в данной заявке) нарушен по той причине, что, скорее всего, это двигатели не транспортного средства - самолета или железнодорожного локомотива, а бытового прибора. Поэтому невозможность установления датчиков-измерителей в запретную зону двигателя в заявляемом предложении решается снятием параметров контроля непосредственно с обмотки возбуждения двигателя, не входя в него. Эта возможность осуществлена подсоединением к клеммам обмотки возбуждения якоря электродвигателя, находящимся на наружной поверхности корпуса электродвигателя. Таким образом, данное решение пригодно для динамического контроля параметров двигателей транспортных средств.
Заявляемая полезная модель поясняется с помощью Фиг.1-4, на которых изображены: на Фиг.1 - блок-схема устройства контроля угловой скорости вращения якоря и коммутации тягового двигателя постоянного тока; на Фиг.2 - блок-схема полосового фильтра; на Фиг.3 - амплитудно-частотная характеристика полосового фильтра; на Фиг.4 - блок-схема фильтра нижних частот. Фиг.2-4 являются дополнительными иллюстрациями и демонстрируют конкретные примеры. На Фиг.1 позициями 1-13 обозначены:
1 - амплитудный селектор;
2 - преобразователь напряжение-частота;
3 - источник опорного напряжения;
4 - фильтр нижних частот;
5 - полосовой фильтр частот с полосой пропускания от 610 до 930 кГц;
6 - полосовой фильтр частот с полосой пропускания ≥930 кГц;
7, 8, 9 - соответствующие каждому из фильтров частот интеграторы;
10 - блок обработки сигналов;
11 - порт для соединения со средствами индикации и визуализации;
12 - входы для подключения к клеммам обмотки возбуждения якоря;
13 - разделительные конденсаторы.
Вышеназванные узлы и детали в устройстве соединены следующим образом. Амплитудный селектор 1 соединен с преобразователем напряжение-частота 2, с источником опорного напряжения 3 и посредством параллельных ветвей, содержащих по одному фильтру частот 4, 5, 6 и интегратору 7, 8, 9 - с блоком обработки сигналов 10, который, в свою очередь, подключен к источнику опорного напряжения 3 и к порту для соединения со средствами индикации и визуализации 11. Преобразователь напряжение-частота 2 соединен с входами для подключения к клеммам обмотки возбуждения якоря 12 через разделительные конденсаторы 13.
Устройство контроля угловой скорости вращения якоря и коммутации тягового двигателя постоянного тока работает следующим образом.
к
Входы 12 подсоединяют параллельно к клеммам обмотки возбуждения якоря тягового двигателя постоянного тока. После включения тягового двигателя на обмотку возбуждения якоря поступает пульсирующее постоянное напряжение. Так как коллектор тягового двигателя постоянного тока является механическим преобразователем частоты, то ток в цепи якоря изменяет свое направление в обмотке якоря с коллекторной частоты f=n·z/60, где n - число оборотов якоря в минуту, z - число коллекторных пластин. Через разделительные конденсаторы ток коллекторной частоты подается на преобразователь напряжение-частота, который преобразует переменную составляющую тока разрыва якоря во входное переменное напряжение частотой, равной коллекторной. Преобразованный сигнал далее идет на амплитудный селектор, который выделяет отдельные нижние частоты и импульсы искрения коллекторно-щеточного узла из спектра входного сигнала и ограничивает их амплитуду до расчетного уровня, который задается источником опорного напряжения. Затем выделенный сигнал нижних частот проходит через фильтр нижних частот и соответствующий интегратор в блок обработки сигналов и обеспечивает измерение угловой скорости. Наряду с этим при нарушении условий коммутации возникший сигнал верхних частот поступает на фильтр соответствующей частоты, где происходит выделение нужной частоты. Далее сигнал с избирательно настроенного на определенную частоту полосового фильтра поступает через соответствующий интегратор, который осуществляет квантование сигнала по частоте и усреднение по амплитуде, в блок обработки сигналов, где осуществляется сравнение принятого с полосового фильтра сигнала и априори известных сигналов при разных видах коммутации. При сравнении, если частота попадает в диапазон от 610 до 930 кГц - сигнал оценивается, как соответствующий ускоренной коммутации (предаварийное состояние), если ≥930 кГц - то как соответствующее круговому огню по коллектору (аварийная ситуация). Блок обработки сигналов преобразует полученные результаты в цифровой код, которые через порт устройства выводятся на средства индикации и визуализации, в частности, на пульт управления и бортовой регистратор транспорта.
Пример.
Амплитудный селектор может быть выполнен на микросхеме К174АФ1. Блок обработки сигналов выполнен на интегральных микросхемах аналогово-цифрового преобразователя К572ПВ2, компараторов К555СП1, дешифраторов К531ИД14. Фильтр нижних частот и полосовые фильтры выполнены на интегральной микросхеме К140УД1. Источник опорного напряжения выполнен на интегральной схеме МАХ038.
Конструирование полосовых фильтров - важных элементов заявляемого устройства построено на операционных усилителях. В полосовых фильтрах полностью исключается использование катушек индуктивности, это позволяет обеспечить уменьшение их стоимости и ограничить размеры, особенно на низких частотах.
Необходимый порядок полосовых фильтров получен последовательным соединением типовых каскадов 2-го и 3-го порядка. Если порядок полосовых фильтров n - четное число, то используется n/2 каскадов 2-го порядка. Если же n - нечетное число, то используется (n-2)/2 каскадов второго порядка и один каскад 3-го порядка.
Каждый отдельный каскад имеет единичное усиление, а очень малое выходное сопротивление операционных усилителей позволяет осуществлять непосредственное соединение каскадов.
Требуется полосовой фильтр с центральной частотой 600 кГц и шириной полосы пропускания 50 кГц. Учитывается, какому уровню затухания соответствует ширина полосы пропускания 200 кГц.
Требуемый полосовой фильтр является узкополосным. Реализуются такие фильтры с добротностью 3 схемой, приведенной на Фиг.2. На центральной частоте 600 кГц такой полосовой фильтр имеет единичное усиление.
х
Уровень затухания - x[dB] на границе полосы пропускания при известной ширине полосы пропускания B на этом уровне можно вычислить по формуле:
,
где  - ширина полосы пропускания, Гц;
здB
B=50, Гц;
0
F - центральная частота, Гц;
Q - добротность.
Указанное выше уравнение соответствует амплитудно-частотная характеристика нормированного полосового фильтра первого порядка (Фиг.2), если в качестве нормированной частоты взять отношение . Добротность полосового фильтра определим как . Выбираем C=0,01 мкФ.
Для схемы на Фиг.2 основные соотношения записываются следующим образом:
.
.
3
1
R=2·R=2·318=636,6≈637 Ом.
.
Ширина полосы пропускания 200 Гц соответствует уровню затухания 12,3 dB.
Исходя из амплитудно-частотной характеристики (Фиг.3) получаем полосовой фильтр с полосой пропускания от 550 кГц до 650 кГц для ускоренной коммутации секций якоря.
В соответствии с методикой конструируется полосовой фильтр для резонансной частоты 900 кГц, с полосой пропускания от 850 кГц до 950 кГц при «круговом огне искрения секций якоря» тягового электродвигателя типа РТ-51М для электропоезда переменного тока серии ЭР 9Т.
,
.
.
3
1
R=2·R=2·318=636,6≈637 Ом.
0
Полученный полосовой фильтр имеет такие же значения, как полосовой фильтр на F=600 кГц.
Конструирование фильтра нижних частот с частотой среза полосы пропускания 4000 Гц и гарантированным затуханием 50 dБ на граничной частоте 6000 Гц, необходимо осуществить следующие операции:
1. Нормировать исходные данные посредством вычисления крутизны A его амплитудно-частотной характеристики.
2. Выбрать соответствующий фильтр по графикам, представленным на Фиг.4.
3. Составить схему фильтра нижних частот, осуществить стыковку необходимого числа каскадов.
4. Масштабировать выбранный нормированный фильтр нижних частот по частоте и импедансу .
Выбираем фильтр Баттерворта 5-го порядка. Схема нормированного фильтра нижних частот представлена на Фиг.4.