Стрельбицкий, Эдуард Карлович

Стукач, В. С.

Цирулик, А. Я.

Electronic archive of Tomsk Polytechnic University

Том 190 1968И З В Е С Т И ЯТ О М С К О ГО  О Р Д Е Н А  Т Р У Д О В О Г О  К Р А С Н О Г О  З Н А М Е Н ИП О Л И Т Е Х Н И Ч Е С К О Г О  И Н С Т И Т У Т А  имени С. М. К И Р О В АО Ц Е Н К А  И С К Р Е Н И Я  НА К О Л Л Е К Т О Р Е  В М А Ш И Н А Х  ПОС ТО ЯН НО Г О  ТОКАЭ. К. СТРЕЛЬБИЦКИИ, В. С. СТУКАЧ, А. Я. ЦИРУЛИК(Представлена научным семинаром кафедр электрических машин и аппаратов и общей электротехники)В настоящее время состояние коммутации оценивается в основном’ по уровню искрения щеток, выраженному в баллах ГОСТ 183-66. Воз­можность такой оценки обусловлена тем, что интенсивность искрения определяет интенсивность разрушения коллектора и щеток. Известно, что визуальная оценка искрения субъективна, поэтому исследователями придается большое значение разработке объективных методов оценки искрения на коллекторе [1, 2, 3].При определении количественной зависимости между технологиче­скими отклонениями параметров магнитной системы и коллекторно- щеточного узла и состоянием коммутации машин постоянного тока воз­никает задача объективной оценки искрения по непрерывной шкале в целом по коллектору. При этом сигнал, выбранный для оценки искре­ния, должен легко измеряться на серийных машинах.Процесс искрения имеет несколько степеней свободы: количество точек искрения на длине края щетки, интенсивность искр, цвет их и т. п. Поэтому точная оценка уровня искрения может быть лишь многомер­ной. Согласно кибернетической теории технологического диагноза воз­можность оценки и диагностики искрения определяется выбором такого диагностического сигнала, который порождается процессами, подлежа­щими диагнозу. При этом сигнал должен иметь размерность, не мень­шую числа степеней свободы обследуемого процесса. Многомерным яв­ляется сигнал, имеющий характер шума, то есть такой, когда его вре­менная реализация имеет резко пересеченный, колебательный характер, как осциллограмма шума [4].Лучше всего этим требованиям удовлетворяет осциллограмма им­пульсов напряжения на сбегающем крае щетки, измеренная по всей окружности коллектора с помощью дополнительной щеточки, установ­ленной в плоскости сбегающего края основной щетки [2, 3]. Этот сигнал порождается процессами, протекающими под щеткой на завершающем этапе коммутации, поэтому несет объективную информацию об искрении на всех пластинах коллектора. Он используется для диагностики состо­яния коммутационной системы [2]: проверки состояния коллектора, вы­явления степени неидентичности коммутационных циклов, правильности настройки дополнительных полюсов.Наша задача состояла в построении шкалы искрения на основе вы­бранных параметров сигнала. Это типичная задача классификации, которая на математическом языке формулируется как способ нахожде­ния такой функции4 6которая на всем заданном пространстве реализации И аппроксимиро­вала бы неизвестную функциюИ =  6(Ѵ) (2)с определенной точностью.ЗдесьИ — значение искрения,.полученное из опыта;.АИ — значение искрения при тех же значениях параметров сигнала* полученное из аппроксимирующего уравнения;V =  (ѵі, V 2 . . . ,  V n ) — вектор параметров ѵі диагностического сигнала.Действительная функция (2) строится по экспериментальным дан­ным путем разбиения множества значений векторов сигнала на q клас­сов, когда каждому ï-му классу поставлено в соответствие число Hi.Такая последовательность экспериментальных значений V, разбитая на классы, называется «обучающей последовательностью». В нашем слу­чае при разбиении значений V на классы естественно взять за основу шкалу ГОСТ 183-66 и классам искрения I, I1A, I 1A, 2 поставить в соот­ветствие числа соответственно 1; 1,25; 1,5; 2.Отыскание аппроксимирующей функции (1) может быть осущест­влено различными методами. В данном случае это было сделано мето­дом наименьших квадратов (м. н. к.), при этом отыскание неизвестных коэффициентов аппроксимирующего полинома производится путем ре­шения системы «нор_мальных» уравнений, составленных с учетом мини­мизации квадратичной формы.2Н»(Ѵ) -  <р(Ѵ)Г =  min. (3)Выбранный сигнал, как и всякое явление природы, обладает каче­ственной бесконечностью, однако практические потребности позволяют из бесконечного множества параметров сигнала фиксировать лишь те* которые несут наибольшую информацию об искрении и его причинах. Исследованиями Л. Л. Лавриновича и К. Биндера установлено, что наиболее существенными параметрами, описывающими осциллограмму напряжения на обегающем крае щетки, являются высота h и длитель­ность т импульсов напряжения на отдельных пластинах коллектора. Таким образом, осциллограмма, интерпретируемая как сложный сигнал, представляющий собой многомерную случайную функцию, может быть представлена упрощенно двумерным вероятностным законом распре­деления высот и длительностей импульсов напряжения. Вопрос о выбо­ре системы параметров для описания сигнала при построении шкалы искрения не может быть решен заранее. Критерием достаточной раз­решающей способности выбранной системы параметров служит доста­точная адекватность описания полученной зависимостью эксперимен­тальной «обучающей последовательности»;В настоящей работе оценка искрения построена на основе харак­теристик закона распределения высот импульсов, то есть на основе одномерного сечения двумерной функции распределения высот и дли­тельности импульсов. Распределение высот импульсов несет достаточ­ное количество информации о состоянии коммутационной системы и об искрении на коллекторе. Кроме того, длительность импульсов коррелирована с их высотой.В качестве параметров сигнала были выбраны следующие харак­теристики:I. h — среднее значение высот всех (положительных ,и отрицатель­ных) импульсов. Это значение ординаты средней линиий  =  cp(V), (I)47осциллограммы, характеризующее правильность настройки дополнительных полюсов.2. | h ]  — среднее значение модулей высот всех импульсов, завися­щее от настройки дополнительных полюсов, состояния по­верхности коллектора, контактного нажатия.3. S(h] — среднеквадратическое отклонение модулей высот импуль­сов, более всего зависящее от состояния поверхности коллек­тора.Для реализации «обучающей последовательности» проведен экспе­римент, в котором исследованию подвергались 30 машин серии П 1, 2 и 3 габаритов. Разные условия искрения на коллекторе получались варьированием тока подпитки дополнительных полюсов, контактного нажатия/механических условий работы щеток. В каждом опыте груп­пой наблюдателей, состоящей из пяти человек, фиксировался визуально класс искрения в баллах и одновременно с экрана осциллографа фото­графировалась осциллограмма сигнала. Для определения масштаба фотографировалась также осциллограмма эталонного синусоидального напряжения. Вычисление параметров сигнала производилось после из­мерения осциллограмы на ЭЦВМ «Проминь». Всего обработано 270 ос­циллограмм (N =  270). «Обучающая последовательность» записывается в таблицу следующего вида:№ Параметр и его обозначение Классопытов h = X i [ h ] = x 2 3 [ h ] -  X3искрения1 ;NАппроксимирующая функция была задана предварительно поли­номом первой степени:АИ =  а0 +  at • X1 +  а2 • X2 +  а3 • х3. (4)По методу м. н. к. система нормальных уравнений для отыскания ко­эффициентов регрессии а,- имеет вид:ao-Xo-Xj +  B1-X1-Xj +  а2-K2-Xj +  B3-X3-Xj =  Xj-H, (5)Nгде Xi -Xj =  S xik,x jK — скалярное произведениеквектор-столбцов параметров Xi и Xj таблицы экспериментальных дан­ных.N^j-H =  S x jk-Hk — скалярное произведение вектор-сголбцов пара-kметра Xj и искрения И.Решение системы приводит к следующей зависимости уровня иск­рения щеток от выбранных параметров сигнала:Й -  0,9925 — 0,0256-Ь -  0,0683-|h| +  0,158-a|h(. (6)Для проверки адекватности уравнения вычислены остаточная сум­ма квадратов S r  и множественный коэффициент корреляции R:S r  =  S  H k 2 -  S  а, • S  X i k - H k  =  1 , 0 8 8 7  (7)к і=0 к=148R =  I /  I -  S r _  =  0,992.V 2  (и  -  И )2Нижний доверительный предел для R при 99 проц. доверительной веро­ятности Rh=O,986 [5].Так как R близок к единице, адекватность полученного уравнения высокая.Для большей уверенности выводов о возможности оценки искрения с помощью параметров закона распределения высот импульсов была найдена еще одна зависимость, в которой в качестве параметра сигна­ла принята площадь S (рис. 1). под кривой Fj (h) =  1—F (h), где F (h) — интегральная кривая распределения высот импульсов:F(h) =  Р{Н <  h}. (8)Параметр S характеризует вероятность попадания импульсов в об­ласть h > h Kp, зависит от высоты и от длины «хвоста» функции F i(h). Высота ординат «хвоста» зависит от количества импульсов, а длина — от высоты импульсов. Поэтому параметр-S должен быть объективно связан с интенсивностью искрения. ,Рис. 1.Ординаты кривой Fi (h) легко определить из осциллограммы, под­считав накопленные частоты импульсов Qh для различных значений h. Накопленной частотой называется число импульсов, превышающих уро­вень h. Площадь S определяется от некоторого критического напряже­ния hKp, при котором возможно появление первого видимого глазом искрения. Наблюдения показали, что для щеток ЭГ74 это напряжение равно 6в. Для проверки этого вывода были построены три «обучающие последовательности» при Ькр = 2в, 4 в и 6в. Оказалось, что непересека- ющиеся оценки имеют место лишь при ЬКр = 6в.Значения функции Fi (h) определялись дискретно при h =  2, 4, 6, 8. 12, 16, 20, 24 и 28 в.Обработка эксперимента методом м. н. к. позволила получить сле­дующую формулу:Й =  1,14 +  0,00515-S. (9)Параметр S здесь выражается в вольтах. Множественный коэффициент корреляции, характеризующий адекватность формулы (с учетом влия­ния дискретности оценки искрения по шкале ГОСТ) R =  0,998 с нижним доверительным пределом Rh =  O,997 при 99 проц. доверительной вероят­ности.Постоянная 1,14 в выражении (9) соответствует границе между4. Зак. 4379. 49безыскровой коммутацией и коммутацией с искрением по непрерывной шкале.Высокая адекватность полученных зависимостей уровня искрения от параметров сигнала Свидетельствует о возмс жности объективной оценки искрения с помощью параметров закона распределения высот импульсов напряжения на сбегающем крае щеток. Полученные зависи­мости справедливы для щеток ЭГ74. Аналогично можно найти зависи­мость для щеток других марок.Хотя в опыте искрение оценивалось визуально, однако субъектив­ность оценки сглаживалась усреднением оценок отдельных наблюдате­лей. Построение аппроксимирующей функции полностью устраняет субъективизм и позволяет оценивать искрение непосредственно на ос­нове параметров сигнала.ЛИТЕРАТУРА1. Л. Л. Л а в р и н о в и ч .  Искрение в скользящем контакте, Вестник элек­тропромышленности, 1,957, № 2.2. М. Ф. К а р а с е в .  Коммутация машин постоянного тока, ГЭИ, 1955.3. JVL Ф. К а р а с е в ,  В. П. П а р а м  з ил ,  И. іВ. €  е н к е в и ч. Индикатор искрения ИИ, Труды ОМИИТ, вып. 54, Омск, 1965.4. Б. іВ. П а в л о в .  Кибернетические методы технического диагноза, «Ма­шиностроение», М., 1966.

Оценка искрения на коллекторе в машинах постоянного тока

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

Electronic archive of Tomsk Polytechnic University