ЩЁТОЧНО-КОНТАКТНЫЙ УЗЕЛ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАШИНЫ

Полезная модель 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.
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 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 полезной модели, щеточно-контактный узел электрической машины 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.
Согласно полезной модели, устройство, дистанционно изменяющее усилие нажатия на щетки, содержит исполнительный механизм, изменяющий давление на щетку согласно задающему устройству.
Согласно полезной модели, устройство содержит пружину холостого хода рулонного типа и расположенную между электрощеткой и упором в нижнем основании пневмоцилиндра.
Согласно полезной модели, дросселирующее устройство соединено с источником давления, а датчик давления, установлен между дросселирующим устройством и пневмоцилиндром.
Согласно полезной модели, датчик температуры установлен в рабочей зоне щетки в области нижнего торца щеткодержателя.
Согласно полезной модели, измеритель тока установлен на клемме шины электрической машины, на которой закреплен провод щетки.
Согласно полезной модели, датчик перемещения является датчиком линейных перемещений, измеряющим перемещение верхнего среза щетки относительно щеткодержателя.
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 дополнительно 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 используется большое количество параллельно соединенных однополярных щеток, а также на удаленно установленных генераторах, обслуживание которых затруднено (например, 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 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.