УСТРОЙСТВО ИНДИКАЦИИ ИСКРЕНИЯ КОЛЛЕКТОРНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН ПОСТОЯННОГО ТОКА С РАЗРЕЗНЫМИ ЩЕТКАМИ

Полезная модель относится к электротехнике, а именно к устройствам, конструктивно связанным с токосъемником и служащим для индикации его состояния, например указывающие степень искрения щетки при испытаниях электрических машин, а также в процессе их эксплуатации.
В электрических машинах постоянного тока щетки используются для контакта с коллекторными пластинами коллектора, установленного на роторе. При работе машины между щетками и коллекторными пластинами или поверхностью коллектора может возникать искрение, которое даже при низком значении напряжения питания может вызвать повреждение поверхности коллектора. Если искрение не контролируется, и не принимаются соответствующие меры, оно ведет к значительным повреждениям коллекторных пластин и якорной обмотки, приводя к остановкам машины и дорогостоящим ремонтам. Контроль искрения щеток, следовательно, имеет большое значение. Известно большое число факторов вызывающих искрообразование на коллекторе, наиболее влияющими среди которых являются факторы электромагнитной природы. Точное обнаружение искрения щеток, особенно при низких его уровнях, вызывает существенные трудности в некоторых машинах из-за присутствия высокоамплитудных шумов, являющихся результатом коммутации преобразователей или других электронных устройств в системах питания коллекторных машин постоянного тока, и проявляющихся на тех же частотах, на которых наблюдается искрение щеток. В связи с этим существует насущная необходимость в недорогих устройствах, способных обеспечить контроль искрения.
Известны устройства для отслеживания различных типов искрения путем использования антенны, помещаемой на периферии щетки электрической машины, которая регистрирует электромагнитные волны в результате искрения щетки (JP 57049870; США 4577151). Радиочастотные сигналы, принимаемые антенной, усиливаются, демодулируются, и затем поступают на регистрирующее устройство, где анализируются элементы, характеризующие искрение щеток. Недостатками способа является то, что они требуют установки определенным образом специальных элементов, а также требуют сложной схемы устранения сигналов шума из-за больших помех, воспринимаемых антенной.
Патенты США №№3653019, 4058804, 4163227 и 4451786 описывают способы и оборудование для отслеживания искрения, в которых сигналы для этой цели снимаются непосредственно со щеток. Главная цель этих изобретений - отделить полезные сигналы от сигналов, вызванных искрением щеток и сигналов помех.
Для того, чтобы получить эти сигналы, необходимо предусмотреть специальные отводы (отпайки) на щетках. Сигналы помехи в данном случае являются сигналами, частотный диапазон которых совпадает с диапазоном полезного сигнала. В этом случае специальная схема пропускания используется для подавления сигналов помех, т.е., пики сигнала помех, которые возникают периодически и определенным образом распознаются, используются для того, чтобы предотвратить достижение сигналом помех регистрируемого уровня, или для того, чтобы открыть временное окно действительного наблюдения только после определенного времени после появления сигнала помехи. Недостатком таких устройств является то, что в период времени, когда производится гашение сигнала помехи, невозможно произвести никаких измерений. А этот период может составлять существенную часть общего времени.
Наиболее близким к заявляемой полезной модели является устройство для регистрации искрения коллекторных электрических машин по авторскому свидетельству SU 1029110. Устройство содержит катушки из токопроводящего изолированного провода, соединенные с регистрирующим прибором, рабочую щетку, выполненную с прорезями, которые разделяют ее рабочую поверхность на три части - сбегающий край, среднюю часть и набегающий край. При этом катушки намотаны на ферритовые кольца, размещенные в теле щетки над прорезями, оси отверстий которых расположены нормально к продольной оси щетки, а через отверстия ферритовых колец пропущены токопроводящие стержни, контактирующие своими концами с телом щетки и сбегающим или набегающим ее краями. Основным недостатком указанной конструкции является ее сложность, обусловленная необходимостью расположения трансформатора в теле самой щетки для того, чтобы снизить помехи и повысить чувствительность измерений.
Целью полезной модели является упрощение устройства индикации искрения на коллекторе электрической машины постоянного тока с разрезными щетками, возможность его установки без препарирования конструкции электрической машины, с одновременным повышением чувствительности и помехоустойчивости. Кроме того, целью полезной модели является обеспечение тарировки измеренных величин интенсивности искрения по шкале бальности искрения, принятой в ГОСТ 183-74 с визуальным представлением на экране монитора.
Поставленная цель достигается тем, что в устройстве индикации искрения, также как и в прототипе, используются катушки из токопроводящего изолированного провода, соединенные с регистрирующим прибором, намотанные на ферритовый сердечник, образующие вместе с ним трансформатор тока. В отличие от прототипа, трансформатор тока установленный на одном из щеткодержателей, содержит две первичные обмотки, включенные встречно, при этом выводные канатики разных частей разрезной щетки подключаются к разным первичным
обмоткам, а общая точка первичных обмоток соединена со щеткодержателем. Во вторичную обмотку трансформатора включено нагрузочное сопротивление, параллельно которому подключен регистрирующий прибор.
Для оценки величины искрения, регистрирующий прибор соединен с аналого-цифровым преобразователем, выход которого подключен к переносному компьютеру, в котором обеспечивается обработка полученных сигналов, их тарирование в соответствии со шкалой бальности и представление на экране монитора.
Далее сущность полезной модели поясняется рисунками, на которых представлено: на фиг.1 - схематический вид устройства индикации искрения, на фиг.2 - схема работы щеточно-коллекторного узла с разрезной щеткой и на фиг.3а, 3b - осциллограммы тока, снятые с нагрузочного сопротивления вторичной обмотки трансформатора тока.
Показанное на фиг.1 и фиг.2 устройство индикации искрения состоит из трансформатора тока 1, две встречно включенные первичные обмотки 2 и 3 которого подсоединены соответственно к двум частям разрезной щетки 4 и 5, между которыми имеется изолирующий слой 6. Первичные обмотки 2 и 3 намотаны на тороидальный сердечник 7. В цепь вторичной обмотки 8 указанного трансформатора включено нагрузочное сопротивление 9, с которого снимаются сигналы, характеризующие интенсивность искрения с помощью вольтметра 10. Кроме того, для оценки величины искрения и представления ее в удобном для оператора виде, сигналы искрения оцифровываются устройством 11, и обрабатываются с помощью специальной программы на компьютере 12 с визуальным представлением на экране монитора, например, в шкале баллов интенсивности искрения по ГОСТу 183-74. Коллектор электрического двигателя обозначен цифрой 13.
Для объяснения работы устройства обратимся к фиг.2, где схематически показана часть щеточно-коллекторного узла с разрезной щеткой, состоящей из частей 4 и 5, коллектора 13 с коллекторными пластинами 14, 15 и 16 и секциями якорной обмотки 17, 18, 19, соединенными между соответствующими пластинами.
к
a
Допустим, что при вращении якоря электрической машины коллекторные пластины перемещаются относительно щеток 4 и 5 в направлении, указанном стрелкой. Если отдельные части щетки 4 и 5 изолированы друг от друга, то в момент времени, показанный на рисунке, по ним будут протекать токи, отличающиеся на величину дополнительного тока i, возникающего при реверсировании направления тока i через секцию в момент, когда эта секция накоротко замкнута обеими частями щетки.
k
Направление этого дополнительного тока i в процессе коммутации определяется суммой ЭДС, наводимых в коммутируемой секции. Поэтому плотности тока под «сбегающими» и
k
k
k
«набегающими» частями щетки будут существенно различаться, что приводит к искрению того или иного края щетки. Интенсивность искрения напрямую зависит от величины этого дополнительного тока i. Превышение этим током некоторой допустимой величины, согласно энергетической теории коммутации, изложенной в работе А.Е.Алексеева «Тяговые электрические машины и преобразователи» Л., Энергия, 1967, с.225., приводит к возникновению искрения. Интенсивность искрения щеток определяется мощностью ΔР, выделяемой под единицей длины щетки 1 за единицу времени, где t - коллекторное деление (шаг коллекторных пластин), V - окружная скорость коллектора и L - индуктивность секции.
k
k
k
k
Согласно этой формуле, если производить регистрацию тока i, то будет известна выделяемая под щеткой мощность, по величине которой можно определить наличие и величину искрения на коллекторе. Для регистрации этого тока i и используется датчик в виде трансформатора тока 1, как это показано на Фиг.1. Токи каждой части щетки создают свои потоки в ферритовом сердечнике трансформатора тока. Постоянные составляющие токов параллельных ветвей обмотки, которые направлены встречно друг другу, уничтожаются, не замагничивая ферритовый сердечник 7, а переменные составляющие (ток i) суммируются, удваивая регистрируемый ток, наводимый во вторичной обмотке 8. В итоге, с нагрузочного сопротивления 9 вторичной обмотки снимается сигнал, пропорциональный удвоенному значению дополнительного тока i. При этом повышается чувствительность регистрирующей аппаратуры, устраняется необходимость в дополнительных схемах, устраняющих помехи и повышающих чувствительность аппаратуры. Действующее значение этого сигнала регистрируется вольтметром 10, затем оцифровывается АЦП 11, обрабатывается по специальной программе и визуализируется на экране монитора, например в баллах интенсивности искрения, по ГОСТу 183-74.
k
На Фиг.3а и 3b представлены примеры осциллограмм дополнительного тока i для различных интенсивностей искрения: на фиг.3а - для интенсивности искрения менее 1 балла, на фиг.3b - для интенсивности искрения в 3 балла.
Устройство индикации искрения по данной полезной модели, не требует какого-либо изменения конструкции щеточно-коллекторного узла. Эксперименты показали, что щетки находящиеся на одном бракете с указанным устройством, не оказывают существенного влияния на выходной сигнал, и их влияние может быть учтено в процессе настройки и тарирования измерительного устройства. Искрение щеток в бракетах, не содержащих измерительных датчиков устройства индикации искрения, оказывает влияние на выходной
сигнал только в тех случаях, когда искрение обусловлено причинами электромагнитного характера, т.е. приводит к повышению коммутационной ЭДС секции. В случае искрения, вызванного механическими причинами, например сколом щетки, уменьшением давления на щетку, ее вибрацией, изменение сигнала устройства индикации искрения практически не наблюдается. Выбор размеров и параметров измерительного трансформатора не зависит от мощности, напряжения и токовой загрузки двигателя. Устройство индикации искрения может быть успешно применено для диагностики и мониторинга состояния искрения машин постоянного тока с разрезными щетками в процессе эксплуатации. Разработанное устройство индикации искрения прошло испытания в условиях испытательной станции локомотивного депо Тайга, а также в условиях реальной эксплуатации тяговых электродвигателей на электровозе.