Щёточно-контактный узел электрической машины

Изобретение относится к электромашиностроению, преимущественно к электрическим машинам значительной мощности, и может быть использовано для токосъема с помощью групп параллельно включенных электрощеток. Техническим результатом является повышение надежности работы щеточно-контактного узла. Щеточно-контактный узел электрической машины содержит щеткодержатель с электрощеткой, которая выполнена с возможностью перемещения, вдоль оси щеткодержателя, пневмоцилиндр, изменяющий усилие нажатия на щетку, датчик перемещения и датчик давления, связанный с дросселирующим устройством, управляемым дистанционно, измеритель тока, установленный на клемме шины электрической машины, и датчик температуры, установленный в рабочей зоне щетки, при этом датчик давления установлен между дросселирующим устройством и пневмоцилиндром. 3 ил.

 

Изобретение относится к электромашиностроению, преимущественно к электрическим машинам значительной мощности, и может быть использовано для токосъема с помощью групп параллельно включенных электрощеток.

Известно, что основная функция элементов скользящего контакта - передача тока между взаимно перемещающимися частями электрических машин [Копылов И.Л. Электрические машины: учеб. для вузов. - М.: Высш. шк. Логос; 2000. - с. 519]. Щеточно-контактный аппарат электрической машины (например, генератора) обеспечивает подачу постоянного тока от неподвижных токоведущих частей к вращающемуся коммутатору (коллектору).

Известно также, что при параллельном включении большого количества щеток величина тока, проходящего через каждую щетку, сильно отличается от щетки к щетке. Это происходит по ряду причин, в частности:

- электрощетки имеют разброс электрофизических характеристик в пределах не менее 10%;

- коэффициент трения щеток по коммутатору и сила нажатия пружин щеткодержателей также отличаются, хотя и не в такой степени;

- энерговыделение в щеточном контакте за счет сил трения также отличается от щетки к щетке.

В результате указанных электрических и механических причин часть щеток, в контактном слое которых наблюдается наибольшее энерговыделение, перегревается.

Как подтверждают данные исследований (Pan Trac Carbon Brushes for Industrial abd Railway Technology, Pan Trac GmbH, Germany, Berlin, p. 809) при повышении температуры в зоне перегрева увеличивается коэффициент трения, что ведет к дальнейшему разогреву в зоне щеточного контакта. В дальнейшем это приводит к подгару коммутатора и разрушению щеток, т.е. к аварии.

В качестве способа борьбы с такой ситуацией режим работы крупных электрических машин с большим количеством параллельно включенных электрощеток предусматривает при проектировании среднее значение величин тока через каждую щетку значительно более низкое, чем максимально возможное. Проектирование выполняют так, чтобы даже заметное превышение энерговыделения в нескольких щетках и неравномерность токораспределения не приводили к аварийной ситуации.

Однако при этом увеличивается общее число электрощеток и уменьшается плотность тока под каждой из них.

Обобщая данные о выборе режима работы скользящего контакта электрических машин [см. Лившиц П.С. Скользящий контакт электрических машин (свойства, характеристики, эксплуатация). - М., изд-во «Энергия», 1974 г.], можно сделать вывод о принципиальной возможности нормального функционирования электрического контакта при значительной плотности тока.

Известны попытки обеспечить равномерное распределение в подключенных параллельно щетках путем использования щеткодержателя с рулонными пружинами постоянного нажатия [см., например, описания к патентам США № US 2013/0244450, М. кл. H01R 39/40 от 14.03.2012 и № US 2013/0342071, М. кл. H01R 39/40 от 11.11.2013]. Щеткодержатели представляют собой довольно сложную сборку, которая, хотя и обеспечивает достаточно длительное время постоянство контакта щетки с коммутатором за счет рулонной пружины, однако, практически не приспособлена для контроля за состоянием контакта и его регулировки.

Наиболее близким техническим решением по назначению, технической сущности и достигаемому результату при использовании является щеточно-контактный узел электрической машины, который содержит коллектор, электрощетку, установленную в щеткодержателе с возможностью перемещения вдоль оси щеткодержателя [см. описание к патенту РФ №2414763, М. кл. H01R 39/40, от 17.03.2010], в котором стенки щеткодержателя выполнены из магнитного и немагнитного материала и с целью снижения степени искрения на сбегающих краях щеток коллекторных электрических машин (КЭМ) с тяжелыми условиями коммутации содержат дополнительные полюса магнита.

Указанное выше техническое решение способствует снижению степени искрения на сбегающих краях щеток КЭМ и увеличивает срок службы щеток и коллектора.

Однако, как отмечено ранее, снижение срока службы обусловлено вкладом других более весомых причин, которые ведут не только к снижению срока службы, но могут являться причинами аварийных ситуаций, что особенно важно при эксплуатации электрических машин большой мощности.

Поэтому целью заявляемого технического решения является повышение надежности работы щеточно-контактного узла.

Поставленная цель достигается тем, что в известном щеточно-контактном узле, содержащем электрощетку, установленную в щеткодержателе с возможностью перемещения вдоль оси щеткодержателя, согласно изобретению, щеточно-контактный узел дополнительно содержит пневмоцилиндр, изменяющий усилие нажатия на щетку, датчик перемещения и датчик давления, связанный с дросселирующим устройством, уаравляемым дистанционно, измеритель тока, установленный на шине электрической машины, и датчик температуры, установленный в рабочей зоне щетки, при этом датчик давления установлен между дросселирующим устройством и пневмоцилиндром.

Как видно из изложения сущности заявляемого технического решения, оно отличается от прототипа и, следовательно, является новым.

В основу заявляемого технического решения поставлена задача усовершенствования щеточно-контактного узла, в котором, вследствие использования дополнительного устройства, дистанционно изменяющего усилие нажатия на щетку, и устройств дистанционного измерения состояния щеточно-контактного узла, достигается новый технический результат. Он заключается в обеспечении возможности оптимизировать работу каждой щеточно-контактной группы, входящей в состав коллекторного узла электрической машины. При этом работа каждой щеточно-контактной группы происходит в области наиболее оптимальных токовом и тепловом режимах в течение всего периода эксплуатации и может осуществляться автоматически без вмешательства обслуживающего персонала.

В отличие от известных технических решений оно не только обеспечивает новый технический результат, но и возможность контролировать такие параметры, как: ток на щетке, усилие нажатия, температуру в рабочей зоне и износ каждой щетки в режиме реального времени. Принципиальная возможность в этом случае функционирования электрического скользящего контакта при значительных плотностях тока (больших, чем по ГОСТ 2332) позволяет увеличить плотность тока под каждой щеткой, и за счет этого уменьшить суммарное поперечное сечение параллельно установленных щеток, т.е. уменьшить количество щеток, а значит и габариты электрической машины. При этом токовые характеристики не выходят за пределы безопасных, а значит, достигается повышенная надежность работы щеточно-контактного устройства.

Управление задающим устройством может быть как ручным, так и автоматическим, но обязательно основанным на показаниях устройств дистанционного измерения состояния щеточно-контактного узла.

Заявляемое техническое решение промышленно применимо в электрических машинах большой мощности. Наиболее эффективно применение заявленного технического решения в крупных электрических машинах, где используют большое количество параллельно соединенных однополярных щеток, а также на удаленно установленных генераторах, обслуживание которых затруднено (например, на установленных в море ветрогенераторах и т.п.).

Рис. 1 - Общий вид щеточно-контактного узла.

Рис. 2 - Общий вид щеточно-контактного узла (вид слева).

Рис. 3 - Блок-схема работы щеточно-контактного узла.

Щеточно-контактный узел (Рис. 1, 2) содержит электрощетку 1, установленную в щеткодержателе 2 с возможностью перемещения вдоль оси щеткодержателя 2. Для обеспечения минимального прижатия щетки к коммутатору 16, даже в случае выхода из строя устройства дистанционного изменения силы прижатия, в щеточно-контактный узел введена пружина холостого хода 3 рулонного типа, расположенная между электрощеткой 1 и упором 4 в нижнем основании 5 пневмоцилиндра 6. Пневмоцилиндр 6 через дросселирующее устройство 7 соединен с источником давления через трубопровод 8. Устройство содержит датчик давления 9, установленный между дросселирующим устройством 7 и пневмоцилиндром 6. В рабочей зоне щетки с коммутатором (на нижних срезах щеткодержателя 2) установлен датчик температуры 10. На щеткодержателе 2 закреплен датчик перемещения 11, подвижный элемент которого опирается на верхний срез щетки 1. Конструкция щеткодержателя 2 предусматривает наличие измерителя тока 12 на клемме шины 13 электрической машины, на которой закреплен провод щетки 14. Для обеспечения охлаждения щетки предусмотрено стравливание воздуха на щетку в месте заделки проводов с помощью жиклера 15.

Устройство работает под управлением программируемого контроллера. Программное обеспечение позволяет осуществлять для каждой щетки непрерывные измерения всех параметров работы щеточного контакта (ток, проходящий через щетку, температура в зоне максимально приближенной к контактной, износ щетки и др.). По результатам этих измерений возможно выполнять, с выбранной пользователем периодичностью, дистанционную регулировку хотя бы одного из указанных параметров путем дистанционного изменения нажатия на требуемую щетку.

Такой подход позволяет обеспечить дистанционное поддержание оптимальных параметров работы щеточно-контактного узла без вмешательства персонала.

Ток I=I/n, где I - ток через одну щетку, n - количество щеток на коммутаторе 16, с клеммы 12 (рис. 1), связанной с шиной электрической машины через провода 14, подают на электрощетку 1. Электрощетка 1 установлена в щеткодержателе 2 и перемещается параллельно его оси. Для обеспечения минимального прижатия щетки к коммутатору в щеточно-контактный узел введена пружина холостого хода 3, в качестве которой используется рулонная пружина.

В трубопровод 8 (Рис. 2, 3) под избыточным давлением подают воздух, на пути которого установлено дросселирующее устройство 7, регулирующее давление воздуха, датчик давления 9 и пневмоцилиндр 6. С помощью этих элементов обеспечивается изменение давления воздуха в пневмоцилиндре, следовательно, регулируется усилие нажатия щетки.

Для контроля температуры в рабочей зоне щетки с коммутатором 16 устанавливают датчик температуры 10 (на нижних срезах щеткодержателя).

В программируемом контроллере (ПК) устанавливают заданную величину тока I/n каждой щетки, производят преобразование сигналов, поступающих от каждого датчика каждой щетки, их суммирование и сравнение полученного результата с заданным значением.

По результатам сравнения осуществляют регулировку силы нажатия на каждую щетку.

Если сигнал датчика тока щетки меньше заданного I/n открывается дроссель 7, давление на щетку увеличивается, а следовательно увеличивается ток. При достижении равенства сигналов с датчика тока и заданного в ПК давление в пневмоцилиндре 6 поддерживается постоянным.

Аналогично при необходимости производят регулировку других параметров.

Как видно из изложения примера осуществления заявляемого технического решения, оно позволяет осуществлять надежную работу щеточно-контактного устройства электрической машины большой мощности, уменьшить суммарное поперечное сечение параллельно установленных щеток, уменьшить количество щеток, а значит вес и габариты электрической машины. При этом токовые характеристики остаются в пределах безопасных, а значит, достигается повышенная надежность работы щеточно-контактного устройства и электрической машины в целом.

Управление задающим устройством может быть как ручным, так и автоматическим, но обязательно основанным на показаниях устройств дистанционного измерения состояния щеточно-контактного узла, что облегчает контроль и эксплуатацию электрической машины большой мощности даже на значительном расстоянии.

Щеточно-контактный узел электрической машины, содержащий щеткодержатель с электрощеткой, которая выполнена с возможностью перемещения, вдоль оси щеткодержателя, отличающийся тем, что дополнительно содержит пневмоцилиндр, изменяющий усилие нажатия на щетку, датчик перемещения и датчик давления, связанный с дросселирующим устройством, управляемым дистанционно, измеритель тока, установленный на клемме шины электрической машины, и датчик температуры, установленный в рабочей зоне щетки, при этом датчик давления установлен между дросселирующим устройством и пневмоцилиндром.