Zastosowanie optoelektronicznego komputerowego analizatora iskrzenia szczotek do badań i diagnostyki komutacji maszyn prądu stałego

ZESZYTY NAUKOWE POLITECHNIKI ŚLĄSKIEJ Seria: ELEKTRYKA z. 109

________ 1969 Nr kol. 956

Władysław PASZEK Zbigniew RYCZKO Włodzimierz ZIELIŃSKI

ZASTOSOWANIE OPTOELEKTRONICZNEGO KOMPUTEROWEGO ANALIZATORA ISKRZENIA SZCZOTEK 00 BADAŃ I DIAGNOSTYKI

KOMUTACOI MASZYN PRĄDU STAŁEGO

Stre sz cz en ie. Przedstawiono nową metodę badania i oceny komuta­

cji maszyn prądu stałego opartę na zastosowaniu optoelektronicznego analizatora iskrzenia wspomaganego komputerowo. Analizator pracując całkowicie bezstykowo względem badanej maszyny przetwarza obserwo­

wane spektrum światła na wyjściowe sygnały elektryczne proporcjo­

nalne do intensywności iskrzenia. Zarejestrowane przez mikrokompu­

ter wyniki badania są prezentowane numerycznie lub graficznie.

Przedstawiono przykład zastosowania analizatora do badań komuta­

cji maszyny prądu stałego, zasilanej prądem twornika zawierającym składową przemienną typową dla przekształtnikowych układów zasila­

nia. Objaśniono zjawisko rozstrojenia biegunów komutacyjnych na sku tek oddziaływania prądów wirowych w poprzecznym obwodzie magnetycz­

nym maszyny przy pulsującym prądzie twornika.

1. Wstęp

Optoelektroniczny analizator iskrzenia służy do identyfikacji iskrze­

nia poszczególnych działek komutatora pod zbiegającymi lub nabiegającymi krawędziami szczotek, rejestracji intensywności iskrzenia oraz bezpo­

średniego opracowania zarejestrowanych sygnałów. Układ pomiarowy analiza­

tora pracuje całkowicie bezstykowo względem badanej maszyny, co zapewnia niewrażliwość na pasożytniczne zakłócenia natury elektromagnetycznej wywo łane przez zjawisko komutacji. Fotodiody i szerokopasmowe wzmacniacze przetwarzają obserwowane spektrum światła na wyjściowe sygnały elektrycz­

ne proporcjonalne do intensywności skrzenia (siła światła i czas trwania iskry). Spektrum rejestrowanych sygnałów świetlnych odpowiada dobrze wr a­

żeniom oka ludzkiego obserwującego iskrzenia szczotek, które są dotych­

czas podstawą subiektywnej oceny jakości komutscji.

2. Optoelekroniczny analizator .iskrzenia

Przedstawiony na rys. 1 schemat blokowy układu pomiarowego składa się z dwóch czujników optoelektronicznych: czujnika iskrzenia oraz czujnika

118 W. Paszek, Z. Ryczko, W. Zieliński

nadawczo-odbiorczego identyfikującego liczbę wycinków komutatora i ilość obrotów w czasie cyklu pomiarowego. Czujnik iskrzenia transmituje sygnały iskier świetlnych do ukłsdu przetwornika analogowo-cyfrowego, który za­

wiera wzmacniacz szerokopasmowy, układ komparatorów połączony z układem dzielników amplitudowych. Układ komparatorów zapewnia zmianę sygnałów ana­

logowych na standardowe sygnały cyfrowe, natomiast dzielniki amplitudowe umożliwiają wielopoziomową dyskretyzację intensywności skrzenia. IV przed­

stawionym tutaj rozwiązaniu przyjęto 10 klas intensywności iskrzenia.

Uformowane w ten sposób sygnały cyfrowe poprzez układ próbkująco-pamięta- jący i cyfrowy kodujący są podawane na wejście mikrokomputera, w pamięci którego są przechowywane. Tor iskrzenia wyposażony jest w układ kompensa­

cji tła i układ regulacji wzmocnienia. Pierwszy z nich uniezależnia po­

miary iskrzenia badanej maszyny od intensywności zewnętrznego oświetlenia, natomiast drugi układ pozwala na badania w szerokim zakresie intensywno­

ści iskrzenia. Czujnik nadawczo-odbiorczy identyfikujący liczbę wycinków komutatora i ilość obrotów odbiera impulsy światła odbitego od wycinków komutatora i znacznika liczby obrotów, transmituje je do przetwornika ana­

logowo-cyfrowego, stąd poprzez układ formowania impulsów i cyfrowy układ kodujący przesyła je na wejście mikrokomputera.

Zakodowane w ten sposób numery kolejnych wycinków komutatora w każdym obrocie komutatora w czasie cyklu pomiarowego i przypisane im zarejestro­

wane poziomy intensywności iskrzenia są zapamiętane w pamięci mikrokompu­

tera. Taki zestaw pomiarowy łącznie z urządzeniami peryferyjnymi połączo­

nymi z mikrokomputerem umożliwia pomiar, rejestrację i obliczenia wyników oraz ich prezentację zarówno w postaci numerycznej jak i graficznej.

Analizator okazał się pożytecznym urządzeniem przy badaniu maszyn prądu stałego.

Zastosowanie optoelektronicznego komputerowego analizatora. 119

3. Przykład zastosowania analizatora do badania komutacji maszyn prądu stałego

Stosując ten układ pomiarowy przeprowadzono badania własności komuta­

cyjnych maszyn prądu stałego przy zasilaniu z przekształtników prostowni­

kowych. Stwierdzono pomiarowo wpływ składowych przemiennych prądu tworni- ka na iskrzenie szczotek. Przy masywnym jarzmie stojana tłumiące oddziały­

wanie prądów wirowych wpływa na komutację prędu twornika zawierającego składowe stałą i przemienną. Rozstrojenie komutacji powoduję składowe przemienne napięć w zezwojach komutujących: w napięciu rotacji e r ~ o>n<J)

indukowanym przez strumień biegunów pomocniczych i w napięciu indukowanym przez strumień rozpro- szenia e = =— i przy prostoliniowej komuta- 2Ls

'k

cji (napięcie transformacji przy praktycznie sta­

łym strumieniu jest pomijalnie małe). Uwzględnia­

jąc znaczne różnice okresu komutacji T, i okre- su składowej przemiennej prądu twornika C2^jl)^ » T .K

ciągły przebieg składowych przemiennych erw i eo_

można zastąpić z dobrym przybliżeniem przez krzy­

wą schodkową o stałej wartości w przedziale cza- Rys. 2 sowym (nys. 2). Przy sinusoidalnych przebie­

gach przemiennych można je odwzorować przez schod­

kowe zniekształcony wirujący wskaż napięcia. Napięcie zakłócające komuta­

cję jest określone przez

j .nT.

ez~ = R e ^ z e > " = 1 ‘2 = Łr - ^

Komutacja jest prostoliniowa, jeśli E = 0.

Tłumiące oddziaływanie prądów wirowych w poprzecznym obwodzie magne­

tycznym (wytłumienie amplitudy oraz przesunięcie fazowe napięcia rotacji) prowadzi do odpowiedniego rozstrojenia komutacji w stosunku do komutacji prosto li ni ow ej.

Granicę iskrzenia określa się wykorzystując statyczny obszar beziskro- wej komutacji <f>r = f(l^) (rys. 3) wyznaczony pomiarowo za pomocą sondy ha ll otronowej. Składowe przemienne prądu twornika i strumienia biegunów komutacyjnych opisuję w ogólnym przypadku w układzie współrzędnych ($r . Ir ) zamkniętą trajektorię. Przy sinuosidalnych przebiegach składo­

wych przemiennych jest to elipsa. VI przypadku pomijalnie małej inercji poprzecznego obwodu magnetycznego trajektoria przekształca się w prosto­

liniowy odcinek będący osią symetrii statycznej strefy beziskrowej komu­

tacji. Teoretyczna granica komutacji zostaje przekroczona przy przecięciu statycznej linii granicznej. Na podstawie pomiarowo zarejestrowanych punk-

120 W. Paszek. 2. Ryczko, W. Zieliński

Rys. 3

Statyczny

tów pracy ($,.. Ip) można określić rozstrojenie komutacji w st atycz­

nym obszarze beziskrowej komuta­

cji.

Badaną maszynę o mocy 10 k'.V z masywnym jarzmem stojana w y po sa­

żono w dodatkowe uzwojenie bi e g u ­ nów pomocniczych. Przy wygładzonym prądzie twornika zasilano te uzwo­

jenie prądem przemiennym o zm i e n ­ nej częstotliwości. Wykorzystując sond ę hallotronowę i oscyloskop katodowy badano intensywność iskrzenia (rys. 4). Przy często­

tliwościach poniżej 100 Hz przekroczenie statycznej granicy iskrzenie ujawnia się praktycznie tak samo jak przy prędzie stałym. Przy zasilaniu obwodu twornika prądem zawierającym składową stałą i przemienną rozstro­

jenie komutacji odpowiada nieznacznemu przekroczeniu statycznej granicy iskrzenia przez elipsę (rys. 5a i b).

)0

[ms]

A l > 0

Zastosowanie optoelektronicznego komputerowego analizatora...__________ 12 1

Rys.5a,b

M ya n ek k i l kJ2 k l3 kl4 k is klS

m

u to Yk Ys

Ml 2 1 0 0 1 0 0 0 0 0 4 9

W2 2 0 0 0 0 0 0 0 0 0 2 2

W3 2 2 0 0 0 0 0 0 0 0 4 6

M4 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 i 2

MS 3 0 2 0 l 0 0 0 0 0 6 K

W6 f 0 0 0 1 0 0 0 0 0 2

M7 1 0 3 0 0 0 0 0 0 0 4 10

MO

0 0 0

2

•

1 0 0

0 0 0 0 0 0 0 0 3

ę

0

4

M77 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

M78 2 0 0

1 0 0 0 0 0 3 ⁷

M70 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 ⁰

W 80

4 1 0 0 0 0 0 0 0 0 3 6

M81 3 0 0 0 0 0 0 0 0 0 3 3

liczba wszystkich iskier ¿ - ¿ C i

wartość ważona Zs *4 4 6

Rys. 6

Wyższe harmoniczne szczególnie harmoniczne żłobkowe silnie zniekształ­

cają elipsę. Obraz ich wpływu można określić jako krzywę Lissajou. Opra­

cowany algorytm obliczeń dla pracujęcego "on-line" komputera umożliwiał:

- kontrolę identyfikacji poszczególnych działek komutatora, - kontrolę prędkości obrotowej,

- wybór czasu trwania cyklu pomiarowego (maksymalnie do 50 000 kolejnych obrotów),

- ocenę Iskrzenia poszczególnych działek komutatora poprzez obliczania prostych sygnałów świetlnych (liczba iakiar) lub ważonych wartości średnich,

122 W. Paszek. Z. Ryczko, IV. Zieliński

- ocenę iskrzenia maszyny poprzez obliczenie prostych wartości sygnałów świetlnych lub ważonych wartości w całym cyklu pomiarowym (rys. 6):

10

Z„ = 2 1 ' Z i' klasa=i

- kontrolę intensywności iskrzenia każdej działki w każdym kolejnym obro­

cie w cyklu pomiarowym.

IV pobliżu granicy iskrzenia jako lepsze przy ocenie iskrzenia okazały się proste wartości średnie (rys. 7a), ponieważ wartości ważone in tensyw­

ności sygnałów świetlnych sę zbliżone do liczby iskier. Natomiast przy znacznym przekroczeniu granicy iskrzenia lepsze sę ważone średnie inten­

sywności sygnałów świetlnych (rys. 7b).

Optoelektroniczny analizator iskrzenia wspomagany komputerowo należy uważać za metodę pomiarowę będęcę w fazie praktycznego wy p r ó b o w y w a n i a . Powstaje jeszcze wiele niewyjaśnionych zagadnień, między innymi zagadnie­

nie optymalnego skalowania.

P ro cen to w y u d z ia ł is k ie r w poszczeg ó ln ych k la s a c h

1 0 0 ■

a o.

1 2 3 4 5 6 7 3 9 10 [klasa]

Procentowy u d z i a ł ważonych wartości iskier

p o szc ze g ó ln y c h k la s a c h

l% ] ZSk/Z3 *100

100 3 0 6 0 4 0

1 -23,4 %

2 - 1 7,5

I 2 3 4 5 6 7 5 3 10 [ k l a s a ]

Rys. 7a,b

LITERATURA

[l] Paszek W., Glinka T . : Zagadnienia komutacji w stanach ustalonych ma­

szyn prędu stałego zasilanych z układów tyrystorowych. Zeszyty Proble­

mowe 19/1974, Maszyny Elektryczne OBRME Kornel, Katowice.

Zastosowanie optoelektronicznego komputerowego analizatora.. 123

[2] Paszek W. : Stationäre, und transiente Betriebseigenschaften der Gleich­

strommotoren bei Speisung!über Thyristorumrichter. Elektrotechnik und Maschinenbau 8/1981.

[ 3] Krisch E.: Computer aided measuring system for the evaluation of commutation performance of d.c. machines dur]ing steady state and transient Operation. 31 Internationales Wissensch^ftliches Kolloquium 1986, Ilmenau DDR Heft 1.

Recenzent: Doc. dr hab. inż. Piotr Wach

Wpłynęło do Redakcji 15 czerwca 1987 r.

n P M E H E H H E OIlTOcjjIEKTPOHHOrO KCMIlbEJTEPHOrO AHAJIH3AT0PA HCKPEHHH KOJIJIEKTOPHHX DJETOK

HCIIiJTAHHH H IHA rH OCTHKH K C m jyT A IJD I B MA1DHHAX IIOCTOHHHOrO TOKA

P

io

e

B c i a i s e npeflCtaBzeH

IS M eio# zcnbiraH zz z oqezKH KOMMyiaczz

«amzKax nocTozHH oro T oza

npHMezeHzeM onTosjieKTpoHHoro KOMpbBTepHoro aHajiH3aTopa zcK peH zz, AHaaz3aTop paSoTaeT Booßme Öe3KOHTaKTHO oiHoczTeasHO zcnuTaeMoił MamzHH z n p e o 6 p a 3 y e i cneKTp c B e ia

sxeK TpzzecK oe Hanpascezze n p o n o p z z o - zajibHoe

ZHTeHCZBHOCTz zcK peH zs, KoMnbMTepHaji p e r z c i p a io i a npeACTaBaei pe3yjibxaTH zcnhiraH zz

ipięppoBoił

rp ajizzecK oił ęopMe. AHaaz3aTop npzMeHeH npz zcnbETaHzzx MamzHti nooTosHHoro

ona npz nyjibczpyraHeti to z e a z o p a nzTaeMo- r o H3 npeo6pa3 0BaiejibHhix ycT pozcT B , B A zczy cczz npeflCTaBJieHO BJizzHze peaKigiz BzxpeBbDC

nonepezH oii u enz MaązHH Ha KOMMyiaipiK n yabczpyionero ło z a HKOpa.

APPLICATION OF THE OPTOELECTRONIC COMPUTER - AIDED ANALYSER OF BRUSH SPARKING FOR

TESTS AND DIAGNOSTICS OF D.C. MACHINE COMMUTATION

S u m m a r y

Tlie paper deals with the new method of testing and estimation of D.C.

machine commutation based on optoelectronic computer - aided analyser of brush sparking. The analyser operating in entirely contactless way in relation to the machine tested converts the observed light spectrum into the input electric signals, which are proportional to the intensity of sparking. The results of the test recorded by the computer are presented numerically or graphically.

An example of the analyser application for the commutation testa of D.C. machine supplied with an alternating component of the armature current typical for concarter supply systems has been presented. The phenomenon of the commutation poles distortion due to eddy current reac­

tion on the quadrature magnetic clrcuti of the machine at pulsating armature currant, has been explained.

124__________________________________________ W. Paszek, 2. Ryczko. W. Ziellrtaki