CZ2004187A3 - Zařízení pro ochranu ložiska elektrického stroje před škodlivým průchodem proudu - Google Patents

Description

Zařízení pro ochranu ložiska elektrického stroje před škodlivým průchodem proudu

Oblast techniky

Vynález se týká zařízení pro ochranu ložiska elektrického stroje před průchodem proudu.

Dosavadní stav techniky

U elektrických strojů, kupříkladu u elektromotorů, které jsou otočně uloženy pomocí ložiska, existuje nebezpečí, že dojde k průchodu proudu ložiskem a že s tím spojené elektrojiskrové erozi. Proudový tok ložiskem může vzniknout tím, že se napětí, přiložená na přípojných svorkách elektromotoru, budou přes rozptylové kapacity, například ze statorových vinutí, vazebně připojovat do rotoru elektromotoru. S tím spojené průtoky proudu nakonec mají za následek, že na ložisku vzniká napětí, které může být větší, než je dielektrická pevnost mazivového filmu v ložisku, a které může vyvolat elektrojiskrovou erozi. Zvlášf kritická je situace u elektromotorů, které pracují s měniči kmitočtu, nebot zde vznikají na přípojných svorkách zvlášt vysoké a impulzovité průběhy napětí vůči skříni motoru a rotoru, a tím srovnatelně vysoká napětí na ložisku.

Zpravidla jsou ložiska chráněna proti nežádoucímu průchodu proudu tím, že se opatří elektrickou izolací pro zabraňování průchodu proudu. To však může být, vždy podle specielních podmínek použití, spojeno s vysokými náklady. Kromě toho nepředstavuje elektrická izolace ložiska vůči stejnosměrnému proudu vždy dostatečnou ochranu. Tak existuje kupříkladu při vysokofrekvenčních poruchových proudech ne• ···· · ·

-2bezpečí, že dojde k vazebnímu spojení do ložiska kapacitními cestami.

V této souvislosti je již známé z odborného článku High Frequency Leakage Current Reduction Based on a Common-Mode Voltage Compensation Circuit v časopisu IEEE 1996, str.1961 až 1967, kompenzovat vysokofrekvenční poruchové proudy pomocí kompenzačního zapojení. Zapojení je přitom vytvořeno tak, že ke kompenzaci již dochází na cestě činného proudu, t.j. ještě před připojenou zátěží. To má nevýhodu v tom, že kompenzační zapojení je začleněno do výkonového proudového obvodu a jeho součástky tak musí být dimenzovány na relativně vysoké výkony. Kromě toho zvyšuje každá reaktivní složka, jako například indukčnost, kapacita nebo filtr, vřazená do výkonového proudového obvodu, počet rezonančních kmitočtů, při jejichž buzení mohou vzniknout těžko předpovídatelná přepětí. Jelikož je při použití měniče kmitočtu třeba vycházet z toho, že mohou být buzeny úplně všechny tyto rezonanční kmitočty, vzniká vysoké riziko, že k takovému přepětí dojde.

Vynález si klade za úkol chránit ložisko elektrického stroje před průchodem proudu,

Podstata vynálezu

Uvedeného cíle je dosaženo zařízením s kombinací znaků podle patentového nároku 1. Zařízení je použito u elektrického stroje, obsahujícího stator a rotor uložený prostřednictvím ložiska relativně otáčivě vůči statoru. Zařízení podle vynálezu se vyznačuje tím, že obsahuje kompenzační zapojení pro vytváření kompenzačního proudu pro kompenzaci poruchového • ···· · · • · • ···

-3proudu vznikajícího při provozu elektrického stroje ložiskem a vazební prvek pro přímé nebo nepřímé vazební připojení kompenzačního proudu do ložiska.

Vynález má výhodu v tom, že je jím zajištěna spolehlivá ochrana před průchodem proudu a tím i proti potenciálnímu poškození ložiska. Ochranné opatření přitom působí konkrétně na tom místě, které má být chráněno, a to v ložisku. Tím je možné udržovat náklady na vytvoření zařízení podle vynálezu relativně velmi malé, neboř musí být z hlediska výkonu dimenzováno nikoli pro provoz elektrického zařízení, ale pouze pro kompenzaci poruchového proudu ale pouze pro kompenzaci poruchového proudu ložiskem. Další výhoda vynálezu v důsledku toho spočívá v tom, že se dá zařízení podle vynálezu vytvořit nezávisle na třídě výkonu elektrického stroje a může být také zabudováno dodatečně do stávajícího zařízení, neboř není řřeba zasahovat do ovládání elektrického stroje.

Kompenzační zapojení může obsahovat umělý uzel pro poskytování uzlového napětí, k němuž jsou přiložena fázová napětí určená pro provoz elektrického stroje. Umělý uzel je zpravidla tvořen třemi stejnými impedancemi. Tímto způsobem se dá pomocí relativně jednoduchých prostředků připravit referenční signál pro kompenzaci.

Dále může kompenzační zapojení obsahovat přepólovací transformátor, do kterého je na primární straně přiváděno zcela nebo podílově uzlové napětí a který na sekundární straně vytváří napětí s opačnou fází vůči uzlovému napětí. Kompenzační zapojení může s výhodou obsahovat přizpůsobovací stupeň pro přizpůsobování amplitudy, zapojený mezi umělým uzlem a přepólovacím transformátorem a přikládající na přepólovací transformátor nastavitelný zlomek uzlového napětí. Přepólovací transformátor může obsahovat na sekundární straně více odboček vinutí. Dále může být přepólovací transformátor na sekundární straně spojen se vstupem přizpůsobovacího stupně frekvenční charakteristiky, který slouží k přizpůsobování (vyrovnání) frekvenční charakteristiky kompenzačního proudu poruchovému proudu. U výše popsaných součástek se jedná vždy o standardní stavebnicové díly, které jsou dostupné v nejrůznějších provedeních, takže je bez problémů možné optimální vytvoření zařízení podle vynálezu pro příslušný případ použití.

Výstup přizpůsobovacího stupně pro přizpůsobování frekvenční charakteristiky je spojen s vazebním prvkem. Přitom je vazební prvek s výhodou uspořádán tak, že dochází k vazebnímu připojení kompenzačního proudu do hřídele rotoru, jímž ke rotor otočně uložen v ložisku. Vazební prvek je s výhodou vytvořen jako kondenzátor. Tímto způsobem může být kompenzační proud bez dotyku vazebně připojen do hřídele a tím i do ložiska, takže při vazebním připojování kompenzačního proudu nevznikají ve vazebním prvku žádné problémy s opotřebením.

Přehled obrázků na výkresech

Vynález je blíže vysvětlen v následujícím popisu na příkladě provedení s odvoláním na připojený výkres, jehož jediný obrázek znázorňuje příklad provedení kompenzačního zapojení podle vynálezu, vřazeného do zapojení pro ovládání elektromotoru.

• · • · · · ·

-5• ·

Příklad provedení vynálezu

Jak vyplývá z výkresu, dochází k ovládání elektromotoru pomocí měniče i kmitočtu, který na výstupní straně poskytuje tři fázová napětí U, V a W, která jsou ve formě zapojení do hvězdy připojena k prvnímu statorovému vinutí 2, druhému statorovému vinutí 2 a třetímu statorovému vinutí 4, t.j. každé ze tří statorových vinutí 2, 2 a 4 je spojeno s jedním z výstupů měniče 1 kmitočtu, na němž působí napětí U, V nebo W. Vždy druhé z konců příslušných tří statorových vinutí 2, 2a 4 jsou vzájemně spojeny. Vedle statorových vinutí 2, 2a 4 obsahuje elektromotor rotor 5 s hřídelem 6 rotoru, který je uložen relativně otáčivě ke statorovým vinutím 2, 2 a 4 prostřednictvím valivého ložiska Ί_. Valivé ložisko Ί_ obsahuje vnitřní kroužek 8, vnější kroužek 9 a valivé těleso 10 ležící mezi vnitřním kroužkem 8 a vnějším kroužkem 9. Vnitřní kroužek 8 je pevně (pro společné otáčení) a elektricky vodivě spojený s hřídelem 6 rotoru. Vnější kroužek 9 může být zatlačen kupříkladu do vrtání pouze symbolicky vyznačené skříně 11 a tedy neotáčivě a elektricky vodivě spojen se skříní 11. Hřídel 6 rotoru je zpravidla uložen prostřednictvím dalšího valivého ložiska 7, které ovšem není pro lepší přehlednost na obrázku znázorněno.

Popsané zapojení a konstrukce elektromotoru mají za následek, že je k dispozici řada rozptylových kapacit. Jejich prostřednictvím mohou být, přesto že hlediska stejnosměrného proudu je zde izolace, vazebně spojována napětí. Na obrázku jsou rozptylové kapacity, pokud jsou relevantní pro vynález, znázorněny symbolem kondenzátoru. Jednotlivě je mezi prvním statorovým vinutím 2 a rotorem 5 první rozptylová

• · • · « · ·

-6• · · • · • · • · ► · · · · · kapacita 12., mezi druhým statorovým vinutím 3 a rotorem .5 druhá rozptylová kapacita 13 a mezi třetím statorovým vinutím 4 a rotorem 5 třetí rozptylová kapacita 14. Dále je valivým ložiskem 7 tvořena čtvrtá rozptylová kapacita 15, která nakonec působí mezi vnějším kroužkem 9 a hřídelem 6. rotoru 5. Konečně působí ještě pátá rozptylová kapacita 16 mezi rotorem 5 a skříní 11.

Rozptylové kapacity 12, 13., 14., 15 a 16 mají za následek, že v důsledku uzlového napětí, přiloženého v oblasti spojení statorových vinutí 2,3 a 4, teče mezi uvedenými třemi statorovými vinutími 2., 3. a 4 a rotorem 5 a tím i také hřídelem 6 rotoru kapacitní poruchový proud. Odpovídajícím způsobem dochází k tečení proudu mezi rotorem 5 nebo hřídelem 6 rotoru a uzeměnou skříní 11. Tento poruchový proud má za následek, že mezi rotorem 5 a skříní 11 a tedy i ve valivém ložisku nebo ložiscích 7 vzniká napětí U_L, které je bez dalších opatření často větší než dielektrická pevnost mazivového filmu ložiska 7, činící typicky cca 0,5 V. Napětí U_L má typicky hodnoty 3 až 7% napětí působících na statorových vinutích vůči skříni 11. Napětím U_L působícím na valivém ložisku tak může být vyvolávána elektrojiskrová eroze, která může vést k poškození valivého ložiska 7.

Tomu je zabráněno dále popisovanými součástkami zapojení, jejichž pomocí je do hřídele 6 rotoru kapacitně připojován proud stejné velikosti jako poruchový proud, ale opačné fáze. Pro vytvoření kompenzačního proudu slouží mimo jiné také umělý uzel 17, do něhož jsou přívody od měniče 1 kmitočtu svedeny přes příslušné kondenzátory. Na výstupu 24 umělého uzlu 17 vzniká stejné napětí, jaké působí uvnitř mo·· ·

-7• · · · • · ··*· t • · · • · · * * · · ····· * · · · · ·♦·· ·· · toru v důsledku rozptylových kapacit 12, 13 a 14.. Napětí U_L je výsledkem kapacitního rozdělení napětí mezi jednak rozptylovými kapacitami 12, 13, 14 a jednak rozptylovými kapacitami .15, 16. K uzlu 17 je připojen přizpůsobovač 18 amplitudy, který je dále spojen se skříní 11. Přizpůsobovač 18 amplitudy má měnitelnou odbočku, jejíž pomocí může být odebírána požadovaná část napětí vydávaného umělým uzlem 17. Měnitelná odbočka přizpůsobovače 18 napětí je spojená s primární vinutím 19 přepólovacího transformátoru 20, které je dále připojeno ke skříni 11. Sekundární vinutí 21 přepólovacího transformátoru 20 je připojeno jednak rovněž ke skříni 11 a jednak ke vstupu přizpůsobovače 22 frekvenční charakteristiky. Smysl primárního vinutí 19 a sekundárního vinutí přepólovacího transformátoru 20 je obrácený, takže na sekundárním vinutí 21 je vydáváno napětí, které je obrácené k napětí přiloženému k primárnímu vinutí 19. Přizpůsobovač frekvenční charakteristiky je na výstupu připojen k vazebnímu kondenzátoru 23., jehož jedna elektroda ke připojena k hřídeli 6 rotoru. Dále je ještě přizpůsobovač 22 frekvenční charakteristiky ještě spojen se skříní 11.

Místo vytvoření přizpůsobovače 18 amplitudy jako vlastní součástky může také být její funkce integrována do přepólovacího transformátoru 20. K tomu je primární vinutí 19 přepólovacího transformátoru 20 spojeno s uzlem 17 a skříní 11 a na sekundárním vinutí je více odboček, takže amplituda napětí, které je přiváděno do přizpůsobovače 22 frekvence, může být měněna volbou vhodné odbočky.

Při kompenzaci poruchových proudů, buzených v rotoru 5, se postupuje následovně. Pomocí přizpůsobovače 18 ampli• · · • · · · • · · · · ·

• · · · • · ····· • · · tudy se vhodná část napětí, působícího na umělém uzlu 17, přivádí do přepólovacího transformátoru 20 a tímto způsobem se vytváří obráceně polované napětí. Pro další zpracování se tak použije pouze zlomek napětí vydávaného na umělém uzlu 17 a použité součástky je proto také třeba dimenzovat pouze na zlomek napětí. Přizpůsobovač 22 frekvenční charakteristiky přizpůsobuje frekvenční charakteristiku proudu, vyplývajícího z tohoto napětí, frekvenční charakteristice poruchového proudu, aby se dosáhlo co možná přesné kompenzace. Takto vytvořený kompenzační proud se přes vazební kondenzátor 23 přivádí do rotorového hřídele 6 a odpovídá v ideálním případě velikostně součtu všech poruchových proudů přiváděných do rotoru 5, takže v důsledku obráceného znaménka do rotoru 5 nepřichází žádný nebo jen malý přiváděný proud. Na valivém ložisku 7 nebo valivých ložiscích 7 tak působí jen malé napětí U_L , které nestačí k vyvolávání poškození valivého ložiska 7. Vazební připojení kompenzačního proudu do hřídele 6. rotoru může být dosahováno vhodným vytvořením kondenzátoru 23 jako vzduchem izolovaného kondenzátoru ve formě nasazovacího prvku na hřídel 6 rotoru bez opotřebovávaných částí. Alternativně je stejně tak možné kompenzační proud vazebně připojovat do rotoru 5 nebo do vnitřního kroužku 8 valivého ložiska 7 na jiném místě.

Claims (10)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Zařízení pro ochranu ložiska (7) elektrického stroje před škodlivým průchodem proudu, přičemž elektrický stroj obsahuje stator (11) a rotor (5) uložený prostřednictvím ložiska (7) relativně otáčivě vůči statoru (11), vyznačené tím, že obsahuje kompenzační zapojení pro vytváření kompenzačního proudu pro kompenzaci poruchového proudu vznikajícího při provozu elektrického stroje ložiskem (7) a vazební prvek (23) pro přímé nebo nepřímé vazební připojení kompenzačního proudu do ložiska (7).
2. 2. Zařízení podle nároku 1, vyznačené tím, že kompenzační zapojení obsahuje umělý uzel (17) pro poskytování uzlového napětí, k němuž jsou přiložena fázová napětí určená pro provoz elektrického stroje.
3. 3. Zařízení podle nároku 2, vyznačené tím, že umělý uzel (17) je tvořen třemi stejnými impedancemi.
4. 4.

   Zařízení podle nároku 2 nebo 3, vyznačené tím, že kompenzační zapojení obsahuje přepólovací transformátor (20), do kterého je na primární straně přiváděno zcela nebo podílově uzlové napětí a který na sekundární straně vytváří napětí s opačnou fází vůči uzlovému napětí.
5. 5. Zařízení podle nároku 4, vyznačené tím, že kompenzační zapojení obsahuje přizpůsobovací stupeň (18) pro přizpůsobování amplitudy, zapojený mezi umělým uzlem (17) a přepólovacím transformátorem (20) a přikládající na přepólovací transformátor (20) nastavitelný zlomek uzlového napě-10• · · · « · ·· « • * · • · · · * ···*· • · · tí.
6. 6. Zařízení podle nároku 4 nebo 5, vyznačené tím, že přepólovací transformátor (20) obsahuje na sekundární straně více odboček vinutí.
7. 7. Zařízení podle kteréhokoli z nároků 4 až 6, vyznačený tím, že přepólovací transformátor (20) je na sekundární straně spojen se vstupem přizpůsobovacího stupně (22) frekvenční charakteristiky, který slouží k přizpůsobování frekvenční charakteristiky kompenzačního proudu poruchovému proudu.
8. 8. Zařízení podle nároku 7, vyznačené tím, že výstup přizpůsobovacího stupně (22) pro přizpůsobování frekvenční charakteristiky je spojen s vazebním prvkem (23).
9. 9. Zařízení podle kteréhokoli z nároků 1 až 8, vyznačené tím, že vazební prvek (23) je uspořádán tak, že dochází k vazebnímu připojení kompenzačního proudu do hřídele (6) rotoru, jímž je rotor (5) otočně uložen v ložisku (7).
10. 10. Zařízení podle kteréhokoli z nároků 1 až 9, vyznačené tím, že vazební prvek (23) je vytvořen jako kondenzátor.