ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА С КОНТРОЛЕМ ФУНКЦИИ ЗАЗЕМЛЕНИЯ И СПОСОБ
ELECTRICAL MACHINE WITH EARTHING FUNCTION CONTROL AND METHOD

Настоящее изобретение относится к электрической машине со статором, ротором, валом, на котором закреплен ротор, и устройством заземления для заземления вала. Кроме того, настоящее изобретение относится к способу контроля функции заземления электрической машины.
Электрические машины могут содержать щетки заземления, чтобы, например, ротор поддерживать свободным от потенциала (например, в ветряных энергетических установках). Кроме того, электрические машины, например, используются в рельсовых транспортных средствах, в которых рабочий ток через щетки заземления отводится от ротора. По соображениям функционирования или защиты всегда необходимо контролировать функцию заземления щеток заземления.
Щетки заземления могут в настоящее время контролироваться только посредством механических систем на уменьшение ниже остаточной длины. При этом посредством микропереключателя размыкается контакт, как только щетка становится меньше минимальной длины. Контроль способности заземления щеток заземления в настоящее время невозможен.
Щетки в технике, как уже указано выше, в общем случае применяются для передачи электрической энергии на подвижные части системы в целом. При этом устанавливается соединение через скользящие контакты, которые подвергаются износу. Во многих применениях (например, железнодорожные приводы) цепь двигателя должна замыкаться к тяговой подстанции через рельс. Так как рельс имеет функцию обратного проводника, весь ток двигателя должен передаваться через подшипник колеса к контакту колеса с рельсом. Чтобы избегать направления тока через подшипник качения и быстрого разрушения этого конструктивного элемента, подшипник шунтируется с помощью скользящего контакта щетки. При этом для высокого срока службы важно контролировать функцию заземления на искрение щеток, функцию щетки заземления и неспецифицированные высокие токи в системах заземления.
Щетки заземления в настоящее время не контролируются непрерывным образом. Ввиду ограниченного срока службы и отказов перед специфицированным сроком службы, например, при электрической или механической перегрузке щетки заземления выполняются частично с избыточностью и регулярно проверяются. При этом, например, подача тока снимается с осевых валов через специальные контактные щетки, а не через подшипники валов. В общем случае, в четырехосном локомотиве три оси служат для подачи тока, а четвертая ось - для заземления локомотива. Щетка четвертой оси соединена с корпусом локомотива. Сумма токов трех щеток заземления сравнивается с тяговым током. Если разность между тяговым током и током заземления трех осей не равна нулю (ток неисправности), то имеет место дефект в системе заземления. Таким способом реализуется функция переключателя защиты от тока неисправности, который затем в случае короткого замыкания на землю (замыкания на корпус) вызывает срабатывание главного переключателя локомотива.
В случае заземления электрических машин при слишком позднем приведении в рабочее состояние дефектной щетки заземления на валу двигателя или генератора может уже быть обусловлен косвенный ущерб. Примером этого являются недопустимо высокие переходы тока на подшипниках качения (токи подшипников). Также это может повлиять на персональную защиту и защиту подшипников качения на подключенных машинах (например, коробки передач или измерительного устройства). Кроме того, непредусмотренные высокие токи в системе заземления могут приводить к проблемам. Эти токи могут вызываться магнитной индукцией, различиями в электрическом потенциале или паразитными токами в рельсе в случае рельсовых транспортных средств и вызывать токи подшипников или некорректное функционирование из-за электромагнитного влияния.
Задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы лучше контролировать функцию заземления устройства заземления электрической машины.
В соответствии с изобретением эта задача решается электрической машиной со статором, ротором, валом, на котором закреплен ротор, и устройством заземления для заземления вала, дополнительно содержащей измерительное устройство для измерения тока заземления устройства заземления и для обеспечения соответствующего измеренного значения, а также устройство контроля для контроля функции заземления устройства заземления на основе измеренного значения.
Кроме того, в соответствии с изобретением предложен способ для контроля функции заземления электрической машины, которая содержит статор, ротор, вал, на котором закреплен ротор, и устройство заземления для заземления вала посредством измерения тока заземления устройства заземления и обеспечения соответствующего измеренного значения, а также контроля функции заземления устройства заземления на основе измеренного значения.
Предпочтительным образом регистрируется ток заземления электрической машины, вид и/или величина которого позволяют сделать выводы относительно функции заземления устройства заземления. При непрерывном контроле тока заземления можно, таким образом, гарантировать непрерывный контроль функции заземления.
Предпочтительным образом ток заземления может измеряться бесконтактным способом. В частности, с помощью измерительного устройства можно регистрировать обусловленное током заземления магнитное поле или электрическое поле. С помощью этого бесконтактного метода измерения возможно свободное от износа измерение.
В качестве альтернативы измерительное устройство может содержать токоизмерительные клещи. Тем самым возможно свободное от помех измерение независимо от внешних электрических полей и магнитных полей.
В предпочтительной форме выполнения ток заземления измеряется измерительным устройством в частотном диапазоне от 10 кГц до 10 МГц. В этом диапазоне получается чаще всего достаточно высокий ввод и эффекты распространения еще не играют существенной роли.
Кроме того, устройство заземления может иметь щетку заземления, ток заземления которой определяется измерительным устройством косвенным образом посредством падающего на ней напряжения. Таким способом можно контролировать качество щетки заземления очень точно. Кроме того, измерительное устройство может иметь шунтирующее сопротивление, через которое протекает ток заземления, который измеряется измерительным устройством. Подобное измерительное сопротивление можно легко интегрировать в систему и также легко контролировать падающее на нем напряжение.
В предпочтительном применении рельсовое транспортное средство оснащено вышеупомянутой электрической машиной и рельсовое транспортное средство имеет, кроме того, подшипник (ступицы) колеса, который электрически шунтируется устройством заземления, так что ток заземления электрической машины по определению протекает через устройство заземления, а не через подшипник колеса. Тем самым можно целенаправленно избегать токов подшипников.
В специальной форме выполнения рельсовое транспортное средство содержит защитное сопротивление для защиты от больших токов, причем ток заземления протекает через защитное сопротивление и измерительное устройство измеряет или определяет ток заземления в защитном сопротивлении.
Предложенное изобретение поясняется далее с помощью приложенных чертежей, на которых показано следующее:
фиг.1 - схема электрической машины с устройством заземления и контроля,
фиг.2 - схема, иллюстрирующая принцип контроля функции заземления устройства заземления электрической машины.
Описываемые далее более подробно примеры выполнения представляют предпочтительные формы выполнения предложенного изобретения.
В примере на фиг.1 изображена электрическая машина, здесь электродвигатель, который имеет статор 1 и ротор 2. Ротор 2 смонтирован на валу 3. Вал 3 с помощью двух подшипников 4 установлен на статоре 1.
WG
WR
RG
W
В электрической машине, кроме того, показаны компоненты эквивалентной схемы для определения токов подшипников. С одной стороны, существует емкость C между обмотками статора и корпусом. Кроме того, существует емкость C между обмотками статора и ротором. Кроме того, существует емкость C между ротором и корпусом. Между валом 3 и корпусом может, кроме того, измеряться импеданс Z. Обычное при работе инвертора синфазное напряжение на обмотках статора «разделяется» посредством емкостного делителя напряжения на вал (BVR). Следствием являются напряжения подшипников. Если смазочная пленка в подшипнике больше не может выдерживать напряжение, то возникает электрическая дуга, которая приводит к токам подшипников. Из фиг.1, кроме того, видно, что корпус электрической машины заземлен. Кроме того, вал 3 также заземлен с помощью щетки 5. В необходимом случае сам двигатель не имеет щетки заземления, но электрическая машина в целом имеет, например, на наборе колес, устройство заземления, которое должно контролироваться. Функция заземления щетки 5 здесь бесконтактным образом контролируется с помощью измерительного устройства 6 и устройства 7 контроля. Устройство 7 контроля выдает вовне соответствующий сигнал S контроля, с помощью которого либо электрическая машина управляется, либо оператору передается соответствующее сообщение.
Несмотря на существующую уже десятки лет проблематику, касающуюся возможности контроля в достаточной степени функции заземления, до сих пор не имелось действительно удовлетворительного средства решения проблемы. Изобретателями было установлено, что распространенное предположение о том, что на щетке заземления не имеет места падение напряжения за исключением скользящего контакта, является ложным. Тем самым теперь может быть реализован непрерывный контроль функции заземления.
Реализация контроля щетки заземления или функции заземления может, например, осуществляться измерительной системой, которая может бесконтактным образом детектировать потенциалы АС и DC напряжения. Посредством использования, например, размещения этого сенсора на стационарном вкладыше подшипника статора электрической машины существующий на валу потенциал может распознаваться перед событием тока подшипника. Если щетка больше не отводит потенциал, тем самым может контролироваться функция щетки.
Являющееся результатом тока заземления падение напряжения может, например, измеряться на частях стандартной щетки 5 заземления или дополнительного шунтирующего сопротивления. Падение напряжения является тогда, например, индикацией того, является ли щетка еще достаточно длинной или загрязненной. Особенно хороших результатов можно достичь, если падение напряжения измеряется на определенных частотах, как поясняется ниже более подробно.
Другая реализация контроля может состоять в том, что падение напряжения наблюдается на рабочем сопротивлении заземления. Такое сопротивление заземления представляет собой, например, защитное сопротивление в защитном заземлении, например, 50 мОм для железнодорожных транспортных средств. Если напряжение на этом защитном сопротивлении спадает ниже определенного порогового значения, которое должно учитывать рабочее состояние («включены источники помех?») и может учитывать частотные диапазоны или временные характеристики или формы импульсов, то заземление неисправно.
В одной форме реализации для измерения тока заземления предусматривается отдельная измерительная щетка. В другой форме выполнения единственная щетка используется как для заземления, так и для измерения. В этом случае может быть предусмотрен переключатель, чтобы переключаться между обычным рабочим режимом и режимом измерения. В другой форме выполнения электрической машины имеется несколько щеток, и одна из них (также) применяется для измерения. Независимо от этого для контроля функции заземления может также применяться датчик длины для контроля длины щетки.
Контроль качества функции заземления может иметь значение для подшипника колеса. В частности, в случае рельсовых транспортных средств подобный контроль подшипников колес является необходимым. Здесь щетка заземления шунтирует подшипник колеса и служит для тягового тока через контакт колесо-рельс в качестве обратной линии. В случае дефекта сопротивление контакта заземления возрастает, что могло бы привести к усиленному прохождению тока через сам подшипник колеса. Это привело бы за короткое время к разрушению подшипника.
Также возможные токовые петли внутри электрической машины могут привести к нежелательным эффектам. Поэтому по возможности следует избегать токовых петель. За счет измерения токов заземления могут при определенных обстоятельствах также распознаваться токовые петли. Эта дополнительная функция при контроле качества заземления может при некоторых применениях быть чрезвычайно полезной.
Щетки заземления представляют для протекающих токов импеданс. Он образуется из: материала, скользящего контакта, медной жилы, которая находится в прижимном контакте в материале щетки, прижимного контакта (он при эксплуатации вследствие тряски может ухудшаться) и контакта жилы с корпусом двигателя. Возможное ухудшение функции заземления в текущей эксплуатации происходит при ухудшении условий скользящего контакта. Пыль, масло, коррозия и другое могут быть причиной ухудшения. Ухудшение условий контакта всегда связывается с изменением протекающего через щетку тока. Если этот ток измеряется (например, посредством шунтирующего сопротивления) и устанавливается его взаимосвязь со значениями при пуске в эксплуатацию привода (идеальные условия контакта), то отсюда можно получить выводы относительно заземляющей способности щетки. Наряду с чисто измеренными значениями в форме RMS (среднеквадратичное, эффективное значение) и РК-значениями (пиковое значение) здесь также могут устанавливаться соотношения классификаций на основе гистограмм тока в течение определенного длительного интервала времени.
При применении измерительной системы, например, устройства для контроля токов подшипников, например, «сенсора тока подшипника», который основывается на измерениях чисто напряжения подшипника, является возможным разделить задачу измерения и заземления посредством переключателя. В настоящее время сенсор тока подшипника может использоваться только посредством измерения напряжения на основе потенциала посредством щеток. Одна щетка исключительно для целей измерения оказывается, однако, неэффективной по причинам объема и стоимости электрической машины.
S
S
b
b
В связи с фиг.2 теперь более подробно поясняется, каким образом может быть реализовано измерение тока заземления. Для этого представлен электрический проводник 8 (например, для защитного заземления), который с обеих сторон заземлен. Посредством электрического поля 9 или магнитного поля 10 в проводнике 8 может индуцироваться рассеянный ток I. В частности, посредством паразитных индуктивных связей (т.е. через магнитное поле 10 рассеяния, например, от двигателей или линий к структурам, которые электрически соединены с защитным заземлением) или паразитных емкостных связей (т.е. через электрическое поле 9 рассеяния, например, между обмоткой статора двигателей и корпусом двигателя или между проводником кабеля двигателя и его экраном) защитный проводник 8 постоянно проводит высокочастотные электрические токи рассеяния I, без того, что имеет место повреждение изоляции. Эти высокочастотные токи приводят к падению напряжения на щетке заземления, дополнительном шунтирующем сопротивлении или защитном сопротивлении в защитном заземлении или защитном проводнике 8. Щетка заземления на фиг.2 обозначена через импеданс Z. Он имеет, как правило, комплексную составляющую, например, паразитную индуктивность. Посредством нее можно измерять падение напряжения U.
S
S
Ток заземления можно также определять, как описано выше, с помощью дополнительного шунтирующего сопротивления или защитного сопротивления, как обозначено на фиг.2 с помощью импеданса Z. Импеданс обладает комплексной составляющей, например паразитной индуктивностью. Для определения тока заземления и здесь измеряется падение напряжения U.
Падение напряжения предпочтительно измеряется в частотном диапазоне от 10 кГц до 10 МГц. При более низких частотах ввод еще незначителен (исключение: индуктивный ввод больших токов, например, на частоте двигателя). При более высоких частотах ввиду эффектов распространения может протекать ток в защитном сопротивлении, хотя щетка заземления неисправна (пример: четвертьволновый трансформатор; специальный случай λ/4: при 30 МГц сопротивление заземления с линией длиной 2,5 м наблюдало бы короткое замыкание относительно земли и если бы щетка заземления была неисправной и представляла бы холостой ход относительно массы). Посредством более затратного метода/оценки было бы возможно также измерение при более высоких частотах.
В качестве альтернативы, ток в системе защитной линии может также измеряться непосредственно с помощью датчика тока. Это измерение тока рассеяния может осуществляться на защитном заземлении, например, с помощью токоизмерительных клещей, что, однако, является весьма затратным. Датчик тока на фиг.2 обозначен ссылочной позицией 11.
Кроме того, ток заземления может измеряться также косвенным образом через его проявления, а именно электрическое поле и магнитное поле. Для этого на фиг.2 показан сенсор 12 для магнитного поля и другой сенсор 13 для электрического поля.
Нежелательные или даже недопустимо высокие электрические токи в токовых петлях, например, на основе электрических полей, могут также измеряться посредством измерений тока или косвенных измерений через магнитное поле или падение напряжения на шунтирующем сопротивлении.
Посредством возможного таким образом непрерывного контроля можно избегать повреждений и опасных состояний электрической машины. Кроме того, интервалы технического обслуживания могут быть увеличены. Например, в случае ветряных энергетических установок требуется заземление вала генератора во избежание высоких токов подшипников в подшипниках качения. Дефектное функционирование может, таким образом, обнаруживаться, прежде чем подшипник будет поврежден вследствие образования рифлей. Это, в конечном счете, достигается тем, что измеренный ток заземления оценивается посредством последующей подключенной электроники или логики. При необходимости соответствующая информация может затем предоставляться, например, относительно интервалов технического обслуживания. Опционально, измеренный ток может также непосредственно использоваться для управления электрической машиной, например для принудительного отключения.
Перечень ссылочных позиций
1 статор
2 ротор
3 вал
4 подшипник
5 щетка
6 измерительное устройство
7 устройство контроля
8 проводник
9 электрическое поле
10 магнитное поле
11 датчик тока
12 сенсор
13 сенсор
WG
C емкость
WR
C емкость
RG
C емкость
S сигнал контроля
b
w
S
Z, Z, Z импеданс
b
S
U, U падение напряжения