Динамоэлектрическая машина, имеющая сигнальную систему для распознавания короткого замыкания в системе обмотки

Изобретение относится к области электротехники, в частности к динамоэлектрической машине. Технический результат – обеспечение сигнальной системы, надежно распознающей короткие замыкания обмотки. Динамоэлектрическая машина имеет пакет листов статора и пакет листов ротора. Пакет листов статора и/или пакет листов ротора имеет по одной или несколько систем обмотки, которая образует на соответствующих торцевых сторонах пакета лобовую часть обмотки. При этом в системе обмотки, в частности в её лобовой части, предусмотрен по меньшей мере один сигнальный провод для регистрации коротких замыканий обмотки. 4 н. и 4 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Изобретение касается динамоэлектрической машины, имеющей пакет листов статора и пакет листов ротора и одну или несколько систем обмотки.

Динамоэлектрические машины вследствие, как правило, расположенной в пазах пакета листов системы обмотки имеют на торцевых сторонах пакета листов статора и/пакета листов ротора лобовые части обмотки. Эти лобовые части обмотки получаются вследствие изменения направления электрических проводов системы обмотки на торцевых сторонах пакета листов статора и/или пакета листов ротора. Прежде всего, в области лобовых частей обмотки электрические провода через изоляцию находятся в контакте с электрическими проводами соседних электрических фаз. Вследствие неисправностей изоляции, например, обусловленных избыточными температурами или избыточными напряжениями, эта изоляция может повреждаться, и наступает короткое замыкание обмотки в лобовой части обмотки и/или области паза.

Возникающее в результате короткого замыкания обмотки выделение тепла и/или дыма, так же, как и сохраняющийся вращающий момент двигателя, может представлять собой возможную опасность для обслуживающего персонала или динамоэлектрической машины. Поэтому короткое замыкание обмотки должно распознаваться своевременно, чтобы при необходимости можно было принять надлежащие меры.

Например, у электроприводных транспортных средств, имеющих несколько электродвигателей, транспортное средство продолжает эксплуатироваться, даже когда в приводе или, соответственно, двигателе имеется дефект. При этом, как правило, дефектный двигатель отсоединяется от энергоснабжения. Если в дефектном двигателе имеется короткое замыкание обмотки, то вследствие скорости транспортного средства или, соответственно, имеющейся при этом частоты вращения неисправного двигателя электрическая энергия в режиме генератора продолжает запитываться в место неисправности. Но из-за отсоединения от электрического снабжения распознавание или, соответственно, нахождение короткого замыкания обмотки затруднено. Распознанное короткое замыкание обмотки, в зависимости от тяжести возможных последствий повреждения, может иметь значительные последствия для хода эксплуатации таких транспортных средств.

При этом при известных обстоятельствах является уместным снижение скорости или даже останов этого транспортного средства. Поэтому распознавание коротких замыканий обмотки должно быть очень надежным, прежде всего, не разрешается возникновение ложных срабатываний. Необходимо также распознавать только тяжелые короткие замыкания обмотки, имеющие критические последствия, чтобы не нарушать движение.

До сих пор известны следующие способы распознавания коротких замыканий обмотки. Применение сенсоров температуры имеет тот недостаток, что короткое замыкание обмотки должно происходить в непосредственной близости к сенсору. Если двигатель сравнительно хорошо охлаждается, возможно, что короткое замыкание обмотки распознаваться не будет.

Также возможна диагностика по токам преобразователя, при этом распознавание замыкания на землю или асимметрия токов двигателя распознается программным обеспечением управления преобразователя, и делается заключение о коротком замыкании обмотки.

При этом недостаток заключается в том, что при этой концепции защиты преобразователь при неисправности двигателя отсоединяется от двигателя. Однако когда преобразователь отсоединен от двигателя, короткое замыкание обмотки больше не может распознаваться программным обеспечением управления.

Исходя из этого, в основе изобретения лежит задача, предусмотреть динамоэлектрическую машину, которая имеет сигнальную систему, надежно распознающую короткие замыкания обмотки. При этом должна также контролироваться система привода, в которой применена эта динамоэлектрическая машина.

Решить поставленную задачу удается с помощью динамоэлектрической машины, имеющей пакет листов статора и пакет листов ротора, при этом пакет листов статора и/или пакет листов ротора имеет по одной или несколько систем обмотки, которая образует на соответствующих торцевых сторонах пакета листов статора и/или пакета листов ротора лобовую часть обмотки, при этом в системе обмотки, в частности в или на лобовой части обмотки, предусмотрен по меньшей мере один сигнальный провод для регистрации коротких замыканий обмотки.

Решить поставленную задачу удается также с помощью системы привода, имеющей по меньшей мере один преобразователь и по меньшей мере одну динамоэлектрическую машину, при этом сигнальный провод введен в преобразователь и там интегрирован в систему аналитической обработки.

Альтернативно этому система аналитической обработки может быть также расположена, электрически и/или пространственно отдельно от динамоэлектрической машины и/или преобразователя.

Решить поставленную задачу удается также с помощью электроприводного транспортного средства, имеющего по меньшей мере одну систему привода.

В соответствии с изобретением применяется сигнальный провод, напр., кабель, имеющий две витые и изолированные друг от друга жилы. На концах этого провода предпочтительно установлено определенное выходное сопротивление. Это облегчает распознавание замыкания обмотки и облегчает пространственную локализацию замыкания обмотки.

При этом сигнальный провод предпочтительно последовательно на лобовой части обмотки статора и/или на лобовой части обмотки ротора, так как там отдельные фазы расположены друг над другом или перекрещиваясь, и поэтому изоляция подвержена действию соответствующей нагрузки напряжения. Но сигнальный провод может также проходить в или на системе обмотки в одном или нескольких пазах данного пакета листов, для обеспечения возможности комплексного контроля динамоэлектрической машины на короткие замыкания обмотки.

В другом варианте осуществления изобретения сигнальный провод выполнен в виде коаксиального кабеля, при этом внутренний провод находится в полом цилиндрическом наружном проводе, и опционально между внутренним и внешним проводом тоже предусмотрено выходное сопротивление. При этом между внутренним и внешним проводом этого коаксиального кабеля находится термочувствительная изоляция.

Короткое замыкание обмотки распознается, как в варианте осуществления сигнального провода с витым проводом, либо по электрическому контакту, возникающему между внутренним и внешним проводом, либо по прерыванию двух проводов.

Способ измерения во время эксплуатации динамоэлектрической машины или в целях технического обслуживания и соответствующая аналитическая обработка снятых данных может также осуществляться с помощью измерительных сигналов более высокой частоты, то есть до диапазона в несколько килогерц (КГц).

Альтернативно существующим решениям возможны также неизолированные сигнальные провода в системе обмотки, провода которых изготовлены из металлов, имеющих низкую точку плавления, таких как цинк или свинец. При этом отсутствует проблема плавления изоляции. Такая сигнальная жила, напр., из свинца, плавилась бы при 327°C, и короткое замыкание обмотки происходило бы вследствие прерывания этой жилы. Эти неизолированные сигнальные провода располагаются или, соответственно, прокладываются в системе обмотки, в частности в лобовой части обмотки, так, что между этими проводами не существует непосредственного контакта и вместе с тем опасности короткого замыкания между отдельными сигнальными проводами.

Во всех приведенных выше вариантах осуществления предпочтительно имеет место оплавление изоляции или, соответственно, жилы, приблизительно на 30 Кельвинов выше соответствующего класса температуры динамоэлектрической машины, чтобы устранить угрозу ложных срабатываний для эксплуатации машины в установленном порядке.

Поэтому теперь нарушения и ложные срабатывания вследствие превышений температуры исключены, и - в случае если этот сигнал подается - речь может идти только о коротком замыкании обмотки.

Кроме того, возможны варианты осуществления, в которых сигнальный провод или, соответственно, сигнальные провода уже интегрированы в силовой кабель, соединяющий преобразователь с динамоэлектрической машиной. Тогда аналитическая обработка состояния сигнального провода осуществляется с помощью надлежащих тестовых сигналов преобразователя. Эти сигналы могут создаваться и аналитически обрабатываться как при движении, так и в состоянии останова транспортного средства. Причем в состоянии останова динамоэлектрическая машина может снова кратковременно соединяться с преобразователем.

В другом варианте осуществления такие измерения возможны также непосредственно на динамоэлектрической машине, при этом там дополнительно предусмотрены измерительные гнезда, через которые измерения могут проводиться также во время эксплуатации динамоэлектрической машины.

Предпочтительным образом вследствие расположенных в зависимости от места сопротивлений в сигнальном проводе происходит локальная привязка неисправности в области динамоэлектрической машины. Например, при этом может устанавливаться, имеется ли короткое замыкание обмотки в пазе, в лобовой части обмотки, где в лобовой части обмотки и пр.

Также при этом распознаются неисправности и в подводящем проводе к аналитической обработке. Реагирование сигнального провода осуществляется, только когда осуществляется достаточно высокое выделение тепла в лобовой части обмотки, и это приводит к плавлению изоляции или, соответственно, жилы. Таким образом распознаются тяжелые короткие замыкания обмотки, которые ведут к ухудшениям в эксплуатации. Благодаря зависимости от места реагирования сигнального провода, приводящий к короткому замыканию обмотки нагрев в системе обмотки, в частности в лобовых частях обмотки, может распознаваться по всему объему и/или осевой длине системы обмотки динамоэлектрической машины.

Таким образом, возможна локализация места неисправности, и в соответствии с изобретением происходит простая интеграция в имеющиеся защитные функции системы привода. Не нужны никакие трудоемкие алгоритмы, напр., температурные модели динамоэлектрической машины, в частности, для системы обмотки, которые, к сожалению, могут лишь недостаточно отражать реальность.

По сравнению с проводами противопожарной защиты, в соответствии с изобретением с помощью сигнального провода заранее уверенно распознается короткое замыкание обмотки и вместе с тем разрушение лобовой части обмотки вследствие тяжелого короткого замыкания обмотки. Провода противопожарной защиты, в отличие от этого, применяются, прежде всего, в других компонентах электрического транспортного средства для распознавания пожаров. Как правило, изоляция провода противопожарной защиты также не пригодна для высоких напряжений в двигателе.

Изобретение, а также предпочтительные варианты осуществления изобретения поясняются подробнее на последующих примерах осуществления. В них показано:

фиг.1: частичное продольное сечение динамоэлектрической машины;

фиг.2: применение системы привода в локомотивах;

фиг.3, 4: сигнальный провод.

На фиг.1 показано сделанное на отдельном участке продольное сечение динамоэлектрической машины 1, которая размещена в корпусе 2. На валу 5 пакет 4 листов ротора с фиксацией от вращения соединен с валом 5. Выполненный с пакетом 4 листов ротора ротор имеет в качестве средства возбуждения либо постоянные магниты, либо собственное электрическое возбуждение, которое подводится к системе обмотки ротора через контактные кольца.

Однако в целях наглядности подробнее рассматривается только система обмотки статора. Система обмотки пакета 3 листов статора расположена в не изображенных подробнее пазах, и на торцевых сторонах пакета 3 листов статора имеется одна лобовая часть 8 обмотки на приводной стороне, и одна лобовая часть 9 обмотки на неприводной стороне. Также сигнальные провода 10, имеющие в целях наглядности преувеличенные размеры на чертеже, расположены на лобовых частях 8, 9 обмотки; они могут также, разумеется, проходить внутри лобовой части 8, 9 обмотки и/или в одном или нескольких пазах системы обмотки.

Сигнальный провод 10 расположен между проводами одной фазы и/или между проводом и заземленным пакетом листов и/или между проводами различных фаз.

На стороне приводной стороны на лобовой части 8 обмотки находится переключательный соединитель, который распределяет и электрически соединяет друг с другом группы катушек одинаковых электрических фаз. Через силовой кабель 18, который соединен с преобразователем 15, питается динамоэлектрическая машина 1.

Вал 5 опирается на корпус через подшипник 12 и соответствующие подшипниковые щиты 6 и 7. Преобразователь 15 через сеть 17 электроснабжения или через контактный провод получает электрическое напряжение, которое посредством преобразователя 15 электрически адаптируется к динамоэлектрической машине 1 и предоставляется динамоэлектрической машине 1 через силовой кабель 18.

Сигнальные провода 10 проложены между преобразователем 15 и динамоэлектрической машиной 1 либо отдельно, либо предоставляются динамоэлектрической машине 1 через соответствующий штекер вместе с силовыми кабелями в одной кабельной оболочке. Соответствующие сигналы/последовательности данных/обработанные данные о нарушениях в системе обмотки и вместе с тем процесса эксплуатации могут отображаться на дисплее 16 на преобразователе 15 и/или на одном или нескольких отдельных дисплеях в разных местах.

Альтернативно и/или дополнительно к этому данные могут также передаваться устройству контроля, которое автоматически предпринимает дальнейшие действия, такие как, напр., отключение двигателя, снижение мощности привода и пр.

Передача данных на дисплеи и/или устройству контроля может осуществляться как проводным, так и бескабельным путем.

Применение такой динамоэлектрической машины 1 позволяет получить систему привода, которая имеет преобразователь 15 и динамоэлектрическую машину 1, и которая, напр., расположена в локомотиве 14 в соответствии с фиг.2. При этом локомотив 14 имеет две тележки 20, имеющие по две оси колесных пар. Привод каждой оси колесной пары осуществляется с помощью динамоэлектрической машины 1 и соответствующего преобразователя 15.

Измерение состояния сигнального провода 10 и вместе с тем состояния данной системы обмотки или, соответственно, лобовой части 8, 9 обмотки осуществляется, например, с помощью надлежащих тестовых сигналов данного преобразователя 15. Эти сигналы могут создаваться и аналитически обрабатываться как при движении, так и в состоянии останова транспортного средства. Аналитическая обработка результатов измерений осуществляется непосредственно в локомотиве 14 и может передаваться машинисту локомотива, машинисту поезда или центральному устройству контроля вне локомотива или, соответственно, поезда.

Применение идеи изобретения, конечно, не ограничено одними локомотивами 14, напротив, оно распространяется на все электроприводные транспортные средства, такие как мини-грузовики, трамваи, электромобили, случаи использования в электросамолетах и пр.

Сигнальный провод 10 в соответствии с фиг.3 выполнен, например, в виде витого изолированного кабеля, при этом, чтобы можно было производить привязку места короткого замыкания обмотки, предусмотрены сконцентрированные на заданных расстояниях сопротивления R1, R2 и пр. Таким образом, путем подачи используемых сигналов - сигналов постоянного напряжения (постоянный ток) или сигналов переменного напряжения (переменный ток до КГц-диапазона) может распознаваться короткое замыкание обмотки. Так с помощью блока 19 аналитической обработки может определяться место короткого замыкания обмотки внутри динамоэлектрической машины 1.

На фиг.4 показано в качестве примера конкретное окончание витого изолированного сигнального провода 10 в виде заданного сопротивления R3.

1. Динамоэлектрическая машина (1), имеющая пакет (3) листов статора и пакет (4) листов ротора, при этом пакет (3) листов статора и/или пакет (4) листов ротора имеет по одной или несколько систем обмотки, которая образует на соответствующих торцевых сторонах пакета (3) листов статора и/или пакета (4) листов ротора лобовую часть (8, 9) обмотки, при этом в системе обмотки, в частности в или на лобовой части (8, 9) обмотки, предусмотрен по меньшей мере один сигнальный провод (10) для регистрации коротких замыканий обмотки по высокому выделению тепла, при этом изоляция сигнальных проводов (10) или жилы сигнальных проводов (10) выполнена термочувствительной, таким образом, что точка плавления этой изоляции или соответственно жилы на 30 Кельвинов выше класса температуры динамоэлектрической машины (1).

2. Динамоэлектрическая машина (1) по п.1, отличающаяся тем, что сигнальный провод (10) образован двумя витыми изолированными друг от друга жилами.

3. Динамоэлектрическая машина (1) по п.1, отличающаяся тем, что сигнальный провод (10) выполнен в виде коаксиального кабеля, при этом, в частности, между внутренним и внешним проводом коаксиального кабеля находится термочувствительная изоляция.

4. Динамоэлектрическая машина (1) по п.1, отличающаяся тем, что сигнальный провод (10) состоит из неизолированной жилы из металла, имеющего низкую точку плавления, такого как свинец или цинк.

5. Система привода, имеющая по меньшей мере один преобразователь (15) и по меньшей мере одну динамоэлектрическую машину по одному из предыдущих пп.1-4, отличающаяся тем, что сигнальный провод (10) введен в преобразователь (15) и там интегрирован в систему (19) аналитической обработки.

6. Система привода по п.5, отличающаяся тем, что сигнальный провод интегрирован в силовой кабель (18), который соединяет преобразователь (15) и динамоэлектрическую машину (1).

7. Электроприводное транспортное средство, имеющее по меньшей мере одну систему привода по п.5 или 6.

8. Способ определения короткого замыкания обмотки динамоэлектрической машины (1), имеющей пакет (3) листов статора и пакет (4) листов ротора, при этом пакет (3) листов статора и/или пакет (4) листов ротора имеет по одной или несколько систем обмотки, которая образует на соответствующих торцевых сторонах пакета (3) листов статора и/или пакета (4) листов ротора лобовую часть (8, 9) обмотки, при этом в системе обмотки, в частности в или на лобовой части (8, 9) обмотки, предусмотрен по меньшей мере один сигнальный провод (10) для регистрации коротких замыканий обмотки по высокому выделению тепла, при этом изоляция сигнальных проводов (10) или жилы сигнальных проводов (10) выполнена термочувствительной, таким образом, что точка плавления этой изоляции или соответственно жилы на 30 Кельвинов выше класса температуры динамоэлектрической машины (1), посредством следующих этапов:

- подача надлежащего измерительного сигнала на измерительные провода (10),

- аналитическая обработка и/или представление обратных сигналов непосредственно на динамоэлектрической машине (1), и/или посредством дисплея (16) на преобразователе 15, и/или одном или нескольких отдельных дисплеях.