СИСТЕМА МОНИТОРИНГА ИСКРЕНИЯ ЩЕТОЧНО-КОЛЛЕКТОРНЫХ УЗЛОВ ТЯГОВЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ ПОДВИЖНОГО ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО СОСТАВА

Полезная модель относится к устройствам текущего контроля качества коммутации коллекторных электрических машин, в частности, к устройствам для объективного и достоверного контроля работы коллекторно-щеточных узлов тяговых электродвигателей подвижного железнодорожного состава в процессе испытаний или эксплуатации.
В коллекторных электрических машинах, искрение, возникающее под щетками на коллекторе во время работы, может привести к выходу из строя коллекторно-щеточного узла. По данным ежегодного анализа выходов из строя тягового железнодорожного транспорта основной причиной являются порчи тяговых электродвигателей (ТЭД) - 52% случаев из всех причин, связанных с электрооборудованием электровоза. Отсюда - необходимость текущего контроля над эксплуатацией тяговых электродвигателей для исключения аварийных ситуаций.
Оценка степени искрения по стандартам (ГОСТ 183-74) производится визуально. Она имеет ряд недостатков: оценка в большой степени субъективна, у разных наблюдателей расхождение в оценке искрения может составить целый класс; не у всех машин хорошо просматриваются щеткодержатели; опасность визуального наблюдения искрения и невозможность постоянного наблюдения в производственном цикле работы машины.
Около 150 лет делаются попытки разработать приборы для объективной оценки коммутации.
Одна группа приборов выполняется с фотоэлементами и усилителями, в которых интенсивность искрения измеряется стрелочными приборами или с помощью осциллографа (патент GB 1476527). Однако широкого распространения они не получили из-за следующих недостатков: для одновременного наблюдения за всеми щетками нужна целая система фотоэлементов, которую сложно установить на машине; показания индикаторов сильно зависят от взаимного расположения щеток и фотоэлемента.
В патентах США 3, 653, 019 и 4, 058, 804 описываются системы для мониторинга интенсивности искрения щеток, в которых в качестве параметра объективной оценки интенсивности искрения используется величина, полученная путем преобразования сигнала, спектр которого состоит из высокочастотных шумов, возникающих при искрении. Сигнал измеряется антенной и в ходе его преобразования формируют параметр, величина которого пропорциональна произведению пикового значения амплитуды шумов искрения на его длительность. Но такое устройство мало эффективно, во-первых, из-за
того, что вклад в высокочастотный шум дают и другие элементы электрической машины, а во-вторых, такие устройства мало эффективны и даже бесполезны при наличии нескольких двигателей. Кроме того, эффективность работы такой системы зависит от регулярности возникновения шумовых пиков в спектре.
Наиболее близкой к заявляемой полезной модели по существенным признакам и получаемому результату является «Диагностическая система оценки качества работы коллекторно-щеточного узла тяговых электрических машин», разработанная в Омском государственном университете путей сообщения, информация о которой размещена на сайте www.omgups.ru. Диагностическая система предназначена для объективного и достоверного контроля состояния качества работы коллекторно-щеточного узла тяговых электродвигателей. В процессе диагностирования осуществляется формирование информационного массива данных о распределении искрения по коллектору и состоянии его рабочей поверхности. Оценка осуществляется с использованием устройства контроля профиля коллектора, основанного на применении вихретокового первичного преобразователя, обладающего повышенной термостабильностью результатов измерения, и снабженного цифровым накопителем информации о состоянии профиля коллектора, и устройства обработки и накопления информации о распределении импульсов искрения по коллектору, использующего сигнал с емкостного датчика, устанавливаемого на щеткодержателе тягового электродвигателя.
Недостатками такой диагностической системы являются: невозможность ее применения на подвижном составе, она используется только для диагностики на испытательных стендах; система конструктивно изменяет коллекторно-щеточный узел, нарушая нормальный режим работы двигателя; высоковольтная измерительная цепь выводится за пределы электродвигателя, представляя опасность для оператора; сложность установки на двигатель электровоза; а также сложность настройки системы. Мониторинг искрения предполагает одновременный контроль всех электродвигателей электровоза, что с данной системой невозможно.
Задача полезной модели - обеспечение возможности мониторинга искрения на каждом электродвигателе электровоза в процессе его эксплуатации или испытаний в реальных условиях работы, обеспечение безопасности и удобного представления информации об искрении на щеточно-коллекторных узлах всех электродвигателей.
Для решения поставленной задачи, система мониторинга искрения щеточно-коллекторных узлов тяговых электродвигателей подвижного железнодорожного состава, так же как и прототип, включает датчики искрения, установленные на щеткодержателях электродвигателей, а также устройство обработки и отображения информации о сигналах
искрения. В отличие от прототипа, в указанной системе в качестве датчиков искрения используются датчики поперечного тока разрезной щетки, выполненные в виде измерительных трансформаторов тока, установленных на щеткодержателях всех тяговых электродвигателей. Выходы всех датчиков соединены с многоканальным аналого-цифровым преобразователем, который, в свою очередь, соединен с ПЭВМ, обрабатывающей параллельно сигналы со щеткодержателей всех электродвигателей по заданному алгоритму, включающему вычисление действующего значения каждого сигнала, пересчет полученных значений в значения балльности с помощью тарировочных коэффициентов. Бортовая ПЭВМ связана с устройством отображения и/или с записывающим устройством типа «черный ящик», которые обеспечивают вывод информации об искрении по каждому тяговому двигателю локомотива в режиме реального времени.
Такое выполнение системы мониторинга искрения позволяет отслеживать интенсивность искрения на каждом двигателе с визуальным отображением информации в значениях балльности искрения со щеткодержателя каждого двигателя; используемые датчики не изменяют конструкцию коллекторно-щеточного узла, т.к. выполнены на основе штатной разрезной щетки электродвигателя, и не оказывают влияния на работу двигателя; гальваническая развязка обеспечена в самом датчике внутри двигателя, за пределы выводится низковольтный сигнал, т.е., система обеспечивает безопасную работу оператора.
Далее сущность полезной модели поясняется с помощью рисунков, на которых представлено:
Фиг.1: принципиальная схема системы мониторинга искрения Фиг.2: алгоритм обработки сигналов с датчиков искрения ПЭВМ Система состоит из ряда датчиков контроля искрения 1, 2,...n, (по одному датчику УКИ на двигатель) установленных на щеточно-коллекторном узле каждого тягового электродвигателя локомотива. В системе используются датчики, представляющие собой модифицированные измерительные трансформаторы тока в соответствии с полезной моделью РФ №67284, каждый из которых включен в цепь щеток для измерения поперечного тока разрезной щетки. Эти датчики монтируются на щеткодержатель каждого тягового электродвигателя локомотива, и с помощью проводов соединяются с аналого-цифровым преобразователем 3, в качестве которого, например, может использоваться 8-ми канальный прибор N1 USB-9201 с частотой оцифровки 70 кГц. Выходы аналого-цифрового преобразователя соединены с ПЭВМ 4, имеющей устройство отображения информации в виде монитора 5.
Работа системы начинается сразу после запуска электродвигателей. Поскольку датчики 1, 2,...n выполняют роль стандартных щеток в составе щеточно-коллекторных узлов, они сразу начинают регистрировать поперечные токи разрезных щеток. Сигналы напряжения, соответствующие величине этих токов поступают на аналого-цифровой преобразователь 3, где оцифровываются, и, в виде массива мгновенных значений напряжения поступают на вход ПЭВМ 4. Обработка полученных сигналов производится на основе программного обеспечения среды виртуальных приборов LabVIEW 8.2. Сначала мгновенные значения пересчитываются на действующие значения напряжения. Затем полученный массив данных пересчитывается в баллы коммутации, определяемые по ГОСТ 183-74. Осуществляется линейная калибровка массива мгновенных значений действующего напряжения путем деления каждого значения на тарировочный коэффициент, который определяется при первичной тарировке датчиков на каждый тип двигателя. Алгоритм обработки цифрового сигнала представлен на Фиг.2. После преобразований массив данных представляет собой информацию об искрении в баллах на каждом тяговом электродвигателе. Эта информация отображается в виде виртуальных приборов на экране монитора.