DE102005021354A1 - Arrangement for limiting overvoltages on functional parts of converter-fed electrical machines - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Begrenzen von Überspannungen an Funktionsteilen umrichtergespeister elektrischer Maschinen. DOLLAR A Aufgabe ist es, eine Anordnung zu schaffen, um die vor allem an den Lagern und Erdungsbürsten anliegenden Spannungen und die durch diese Komponenten fließenden hochfrequenten Ströme möglichst weit zu begrenzen. DOLLAR A Bei der neuartigen Anordnung eines zu den Funktionsteilen parallel geschalteten Kondensators in Verbindung mit einem Gleitkontakt sind erfindungsgemäß die Verbindungs- und Anschlußleitungen in besonderer Weise induktivitätsarm ausgeführt und eine erfindungsgemäß ausgestaltete zusätzlich angeordnete rotierende Kontakteinrichtung stellt einen sicheren Kontakt zur Läuferwelle her. DOLLAR A In einer zweiten Ausführung sind zwischen Erdpunkt des Gehäuses der elektrischen Maschine ein oder mehrere rotierende Kontakteinrichtungen zur Läuferwelle hin angeschlossen. Mit dieser Anordnung wird die Läuferwelle mit dem Gehäuse der Maschine sowohl für nieder- als auch für hochfrequente Komponenten direkt elektrisch kurzgeschlossen. DOLLAR A Die erfindungsgemäße rotierende Kontakteinrichtung bewirkt auf einfachste Art und Weise einen zuverlässigen, drehzahl- und schwingungsunabhängigen galvanischen Kontakt zur Welle, der gleichermaßen sowohl für nieder- als auch für hochfrequente Ableitströme geeignet ist. DOLLAR A Die Anordnung führt zu einer Lebensdauerverlängerung an den Maschinenlagern und Erdungsbürsten.The invention relates to an arrangement for limiting overvoltages on functional parts of converter-fed electrical machines. DOLLAR A task is to provide an arrangement to limit the voltage applied primarily to the bearings and earthing brushes and the high-frequency currents flowing through these components as far as possible. DOLLAR A In the novel arrangement of a parallel to the functional parts capacitor in conjunction with a sliding contact according to the invention, the connecting and connecting lines are designed inductively low in particular and an inventively configured additionally arranged rotary contact device establishes a secure contact to the rotor shaft. DOLLAR A In a second embodiment, one or more rotating contact devices are connected to the rotor shaft between ground point of the housing of the electric machine. With this arrangement, the rotor shaft is directly electrically shorted to the machine housing for both low and high frequency components. DOLLAR A The rotating contact device according to the invention causes in the simplest way a reliable, speed and vibration independent galvanic contact to the shaft, which is equally suitable for both low and high frequency leakage currents. DOLLAR A The arrangement leads to a lifetime extension on the machine bearings and grounding brushes.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Begrenzen von Überspannungen an Funktionsteilen umrichtergespeister elektrischer Maschinen, insbesondere an Lagern. Derartige Überspannungen können insbesondere die Funktion der Lager, aber auch anderer Funktionsteile, wie z.B. Erdungsbürsten, gefährden.The The invention relates to an arrangement for limiting overvoltages On functional parts inverter-fed electrical machines, in particular at warehouses. Such surges can in particular the function of the bearings, but also of other functional parts, such as. Grounding brushes, compromise.

Zum Schutz der Lager gegenüber unzulässigen niederfrequenten Spannungen und daraus folgender Ströme werden schon seit langem die bekannten Erdungsbürsten eingesetzt. Diese Erdungsbürsten begrenzen im Sinus-Betrieb im Zusammenwirken mit anderen Schutzmaßnahmen, wie z.B. Einsatz von isolierten Lagern, zuverlässig die am Lager auftretenden elektrischen Beanspruchungen. Darüber hinaus sorgen Erdungsbürsten für die aus Gründen des Berührungsschutzes und zum Schutz der angekuppelten Arbeitsmaschine bei Mittel- und Grossmaschinen notwendigen Wellenerdung.To the Protection of the bearings unacceptable low-frequency voltages and consequent currents for a long time used the known grounding brushes. Limit these grounding brushes in sinus mode in conjunction with other protective measures, such as. Use of insulated bearings, reliably occurring in the warehouse electrical stresses. In addition, earthing brushes provide for the establish the contact protection and to protect the coupled machine in medium and large machines necessary shaft grounding.

Bei Betrieb mit Spannungs-Zwischenkreis-Umrichtern verstärken sich die elektrischen Beanspruchungen durch die Wirkung der so genannten Common-mode-Spannungen des Umrichters und der jeweils in der elektrischen Maschine vorhanden Kapazitätsverhältnisse. Deshalb treten insbesondere bei läufergespeisten Asynchronmaschinen zusätzlich zu den niederfrequenten Wellenspannungen kapazitiv eingekoppelte hochfrequente Wellen- und Lagerspannungen und damit verbundene entsprechend hochfrequente Ströme auf. Diesen zusätzlichen Beanspruchungen wird im allgemeinen mit verbesserter Lagerisolierung begegnet. Beispielhaft ist eine entsprechende technische Lösung in der OS 100 37 423 A1 beschrieben. Hier ist ein stromisoliertes Wälzlager beschrieben, bei dem das gesamte Wälzlager durch zusätzliche blechartig dünne Ringscheibenelemente und ein Hohlzylinderelement aus geeignetem Isolationsmaterial vollständig isoliert im Maschinengehäuse angeordnet ist. Für sich allein ist jedoch diese technische Lösung über längere Zeiträume betrachtet nicht ausreichend, da trotzdem die Lager frühzeitig verschleißen. Auf eine zusätzliche Wellenerdung kann deshalb, insbesondere bei Mittel- und Großmaschinen und bei den läufergespeisten Asynchronmaschinen nach wie vor nicht verzichtet werden.When operated with voltage DC link converters, the electrical stresses increase due to the effect of the so-called common-mode voltages of the inverter and the capacity ratios present in each case in the electrical machine. Therefore, in particular in rotor-fed asynchronous machines in addition to the low-frequency shaft voltages capacitively coupled high-frequency shaft and bearing voltages and related high-frequency currents accordingly. These additional stresses are generally countered with improved bearing isolation. By way of example, a corresponding technical solution in the OS 100 37 423 A1 described. Here, a current-insulated roller bearing is described, in which the entire rolling bearing is arranged completely insulated in the machine housing by additional sheet-like thin annular disk elements and a hollow cylindrical element made of suitable insulating material. On its own, however, this technical solution is considered insufficient over longer periods of time, as the bearings nevertheless wear out prematurely. On an additional shaft ground can therefore not be waived, especially in medium and large machines and in the rotor-fed asynchronous machines.

So wurde in der DE 35 11 755 A1 eine Anordnung zur Ableitung von Wellenspannungen vorgeschlagen, bei der die steilen Spannungsspitzen und/oder hochfrequenten Spannungskomponenten abgebaut werden, indem die Welle mit einem zusätzlichen Strompfad über einen auf der Wellenseite angeordneten Gleitkontakt und einem zu den Funktionsteilen parallel geschalteten Kondensator geerdet wird. Die Lager sind hierbei ebenfalls durch Isolierstrecken gegen Erde, Masse und Fundament galvanisch getrennt. Durch zusätzliche Maßnahmen wird auf der Nichtantriebseite eines Turbogenerators die Frequenz dieser Ableitungsanordnung auf die maschinenspezifische Frequenz abgestimmt.So was in the DE 35 11 755 A1 proposed an arrangement for deriving wave voltages, in which the steep voltage spikes and / or high-frequency voltage components are degraded by the shaft is grounded with an additional current path via a arranged on the shaft side sliding contact and a parallel to the functional parts capacitor. The bearings are also electrically isolated by Isolierstrecken to earth, ground and foundation. By additional measures, the frequency of this derivative arrangement is tuned to the machine-specific frequency on the non-drive side of a turbogenerator.

Es wurde auch bereits vorgeschlagen, die Lagerströme über leitfähige Dichtringe an den Lagern vorbeizuleiten, siehe DE 200 07 714 U1 . Dazu ist festzustellen, dass die elektrische Leitfähigkeit des Dichtringmaterials nicht beliebig erhöht werden kann und immer noch unzulässige Lagerspannungen entstehen können.It has also been proposed to pass the bearing currents past the bearings via conductive sealing rings, see DE 200 07 714 U1 , It should be noted that the electrical conductivity of the sealing ring material can not be increased arbitrarily and still unacceptable storage voltages can arise.

Ebenso wurde vorgeschlagen, Kurzschlussscheiben den Lagern unmittelbar beizulegen, die den Wälzlagerinnenring mit dem Wälzlageraußenring elektrisch verbinden. Die Kurzschlussscheiben sind jedoch als Verschleißteile zu betrachten und damit in den Lagern von Mittel- und Großmaschinen unerwünscht, wie in DE 200 10 088 U1 beschrieben.It has also been proposed to add short-circuit disks directly to the bearings which electrically connect the roller bearing inner ring to the roller bearing outer ring. However, the short-circuit discs are to be regarded as wearing parts and thus undesirable in the bearings of medium and large machines, as in DE 200 10 088 U1 described.

In besonderen Fällen werden auch so genannte Hybridlager eingesetzt. Von Hybridlagern spricht man, wenn die Wälzkörper eines Wälzlagers aus keramischen Materialien bestehen. Diese keramischen Wälzkörper erzielen eine hohe Isolationswirkung, so dass der Stromfluss wirkungsvoll unterbrochen werden kann. Solcherart Hybridlager sind jedoch sehr aufwendig in der Fertigung, sind dementsprechend teuer und sind nicht in allen Größen verfügbar.In special cases are also used so-called hybrid bearings. Speaking of hybrid bearings one, if the rolling elements of a Rolling out of consist of ceramic materials. Achieve these ceramic rolling elements a high insulation effect, so that the current flow is effective can be interrupted. However, such hybrid bearings are very consuming in manufacturing, are therefore expensive and are not available in all sizes.

Die oben genannte verbesserte Lagerisolierung in Verbindung mit der Wellenerdung über konventionelle Erdungsbürsten kann zwar die Lagerspannungen und Lagerströme deutlich reduzieren. Es ist jedoch nach wie vor nicht mit Sicherheit auszuschließen, dass dynamische Spannungsspitzen, wie sie vor allem bei Spannungs-Zwischenkreis-Umrichtern auftreten, zum Durchschlag des Schmierfilms solcherart Lager führen. Die gleichzeitig an der parallel geschalteten Erdungsbürste anstehenden Spannungsspitzen führen wiederum zu kurzen Stromimpulsen, die auch in erheblichem Maße erosiv den Kontakt der Erdungsbürsten schädigen können.The above-mentioned improved bearing insulation in conjunction with the Wave grounding over conventional grounding brushes Although it can significantly reduce the bearing stresses and bearing currents. It However, it can not be ruled out with certainty that dynamic voltage peaks, such as those with voltage DC link converters lead to the breakdown of the lubricating film of such kind bearing. The simultaneously pending at the parallel grounding brush Lead spikes again to short current pulses, which are also erosive to a considerable extent the contact of the grounding brushes damage can.

Der in DE 35 11 755 A1 enthaltene Anspruch zur kapazitiven Wellenerdung scheint vom Grundsatz her zwar Erfolg versprechend. Die im Ausführungsbeispiel dieser technischen Lösung dargelegte Art der Kontaktierung besteht jedoch wiederum aus einem Bürsten-Gleitkontakt mit den oben beschriebnen Nachteilen. Im übrigen ist die Art der Anordnung und die außerdem aufgeführte induktive Beschaltung der Erdungsbürste selbst sowie die Anwendung speziell abgestimmter Schwingkreise nur in Sonderfällen, wie bei den hier ausführlich behandelten Turbogeneratoren, anwendbar.The in DE 35 11 755 A1 The claim to capacitive wave grounding seems to be promising in principle. The type of contacting set out in the embodiment of this technical solution, however, again consists of a brush sliding contact with the disadvantages described above. Incidentally, the type of arrangement and also listed inductive wiring of the grounding brush itself and the use of specially tuned resonant circuits only in special cases, as in the turbogenerators discussed here in detail, applicable.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zum Begrenzen von Überspannungen und daraus resultierenden Strömen an Funktionsteilen umrichtergespeister elektrischer Maschinen, zu schaffen, um die über dem Radialspalt der Lager (im weiteren Maschinenlager) und gleichzeitig über der Erdungsbürste anliegenden Spannungen und die durch diese Komponenten fließenden in erster Linie hochfrequenten Ströme so weit zu begrenzen, dass hinreichender Schutz für beide Komponenten gewährleistet ist, d.h., dass sowohl die mechanische Tragfähigkeit des bzw. der Maschinenlager, als auch die elektrische Schutzfunktion der Erdungsbürste über eine längere Lebensdauer als bisher gewährleistet ist.The invention is based on the object an arrangement for limiting overvoltages and resulting currents in functional parts of converter-fed electrical machines, to provide the voltage applied across the radial gap of the bearings (in the further machine bearing) and at the same time above the grounding brush, and the high-frequency currents flowing through these components in the first place far enough to ensure that sufficient protection is provided for both components, ie that both the mechanical load bearing capacity of the machine bearing (s) and the electrical protective function of the grounding brush are guaranteed over a longer service life than before.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit den technischen Merkmalen des ersten oder des zweiten Patentanspruches gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der beiden Hauptansprüche sind Bestandteil der abhängigen Unteransprüche. Die erfindungsgemäße Anordnung zum Begrenzen von Überspannungen an Funktionsteilen umrichtergespeister elektrischer Maschinen wirkt lebensdauerverlängernd an den Maschinenlagern und Erdungsbürsten. Im Gegensatz zu der bisher aus dem Stand der Technik bekannten Anordnung eines zu den Funktionsteilen parallel geschalteten Kondensators in Verbindung mit einem Gleitkontakt sind hier die Verbindungs- und Anschlußleitungen in besonderer Weise induktivitätsarm ausgeführt und die erfindungsgemäß ausgestaltete rotierende Kontakteinrichtung stellt einen sicheren Kontakt zur Welle her.According to the invention Task with the technical features of the first or the second claim solved. Advantageous embodiments of the two main claims are Part of the dependent Dependent claims. The inventive arrangement for limiting overvoltages on functional parts inverter-fed electrical machines acts prolong the service life on the machine bearings and grounding brushes. Unlike the Previously known from the prior art arrangement of the Function parts connected in parallel capacitor in conjunction with a sliding contact here are the connecting and connecting cables in a special way low in inductance accomplished and the inventively designed rotating contact device provides a secure contact to Wave forth.

In einer zweiten Ausführung der erfindungsgemäßen Anordnung zum Begrenzen von Überspannungen an Funktionsteilen umrichtergespeister elektrischer Maschinen sind zwischen Erdpunkt des Gehäuses der elektrischen Maschine ein oder mehrere rotierende Kontakteinrichtungen zur Läuferwelle hin angeschlossen. Mit dieser Anordnung wird die Läuferwelle mit dem Gehäuse der Maschine sowohl für nieder- als auch für hochfrequente Komponenten direkt elektrisch kurzgeschlossen. Damit kann der konventionelle Bürsten-Schleifringkontakt entfallen.In a second embodiment the inventive arrangement for limiting overvoltages Inverter-fed electrical machines are available between functional parts Earth point of the housing the electric machine one or more rotating contact devices to the rotor shaft connected. With this arrangement, the rotor shaft with the housing machine for both low and high as well as for high-frequency components directly electrically short-circuited. In order to can the conventional brush slip ring contact omitted.

Die erfindungsgemäße rotierende Kontakteinrichtung bewirkt auf einfachste Art und Weise einen zuverlässigen, drehzahl- und schwingungsunabhängigen galvanischen Kontakt zur Welle, der gleichermaßen sowohl für nieder- als auch für hochfrequente Ableitströme geeignet ist.The rotating invention Contact device causes in the simplest way a reliable, speed and vibration independent galvanic contact with the shaft, which is equally important for both as well as for high-frequency leakage currents suitable is.

Es ist möglich in Abhängigkeit der jeweiligen Bauweise der umrichtergespeisten elektrischen Maschine die erfindungsgemäße rotierende Kontakteinrichtung an verschiedenen Stellen auf dem Läufer anzuordnen, z.B.

  • • unmittelbar an, und/oder neben, und/oder in anderer konstruktiv günstiger Entfernung zu einem oder beiden Maschinenlagern,
  • • auf einer zusätzlichen Wellenverlängerung,
  • • im Labyrinth der Maschinenlager oder
  • • nur auf der Nicht-Antriebsseite der elektrischen Maschine.
It is possible, depending on the particular design of the inverter-fed electrical machine to arrange the rotating contact device according to the invention at different locations on the rotor, eg
  • • directly at, and / or next to, and / or at another constructively favorable distance from one or both machine bearings,
  • • on an additional shaft extension,
  • • in the labyrinth of machine bearings or
  • • only on the non-drive side of the electric machine.

In einer besonderen Ausführung der erfindungsgemäßen rotierenden Kontakteinrichtungen sind diese als Protector-Lager ausgebildet. Protector-Lager haben den Vorteil, dass sie keinerlei Lagerfunktion übernehmen müssen und zum anderen ideal geeignet sind, auch bei unterschiedlichen Drehzahlen der Läuferwelle einen sicheren elektrischen Kontakt herzustellen.In a special design the rotating invention Contact devices these are designed as a protector bearing. Protector bearings have the advantage that they do not take over any bearing function have to and on the other ideal, even with different Speeds of the rotor shaft to establish a safe electrical contact.

Vorteilhaft ist es, die Protector-Lager als übliche Wälzlager auszubilden. Bei Anordnung der Protector-Lager auf einer Wellenverlängerung mit kleinerem Durchmesser sind die Wälzlager besonders klein und im Vergleich zu den Maschinenlagern besonders kostengünstig. Damit verbunden ist gleichzeitig eine geringere Umfangsgeschwindigkeit des Protector-Lager-Innenringes, was die Verschleißwirkung des Protector-Lagers reduziert.Advantageous is it, the Protector bearings as usual roller bearing train. When arranging the Protector bearings on a shaft extension With a smaller diameter, the bearings are very small and small particularly cost-effective compared to the machine bearings. In order to connected at the same time a lower peripheral speed Protector bearing inner ring what the wear effect of the Protector camp reduced.

Es ist auch denkbar z.B. die erfindungsgemäßen Protector-Lager so zu dimensionieren, dass sie im Labyrinth eines oder beider Maschinenlager angeordnet werden können, so dass sie unmittelbar am gefährdeten Radialspalt der Maschinenlager wirken.It is also conceivable e.g. to dimension the protector bearings according to the invention that they are placed in the labyrinth of one or both machine bearings can be so that they are directly at risk Radial gap of the machine bearings act.

Damit die Kontaktierung zwischen Innenring über die Wälzkörper zum Außenring und dann weiter zum Gehäuse der elektrischen Maschine optimal gewährleistet wird, ist es von Vorteil, wenn die Wälzlager als axial vorgespannte Wälzlager ausgebildet sind.In order to the contact between the inner ring on the rolling elements to the outer ring and then on to casing the electrical machine is optimally ensured, it is of Advantage, if the rolling bearings as axially preloaded roller bearings are formed.

Eine weitere Verbesserung der Kontaktierung kann erreicht werden, wenn im inneren der rotierenden Kontakteinrichtungen oder dem Protector-Lager ein Kontaktwerkstoff angeordnet ist. Die Kontaktwerkstoffe können dabei in pastöser oder auch in fluidischer Konsistenz vorliegen.A Further improvement of the contacting can be achieved if inside the rotating contactor or protector bearing a contact material is arranged. The contact materials can thereby in pasty or in fluidic consistency.

Vorteilhaft ist es, wenn der Kontaktwerkstoff als ein leitfähiges Schmiermittel ausgebildet ist, dass elektrisch hochleitfähige nichtmetallische Beimengungen, wie z.B. Graphit enthält.Advantageous it is when the contact material is formed as a conductive lubricant is that electrically highly conductive non-metallic admixtures, e.g. Contains graphite.

In einer weiteren Variante der erfindungsgemäßen Anordnung zum Begrenzen von Überspannungen sind an der oder den rotierenden Kontakteinrichtungen bzw. der oder den Protector-Lagern seitlich einseitig oder beidseitig die an sich bekannten Kurzschlussscheiben angeordnet, um die Kontaktierung weiter zu verbessern.In a further variant of the arrangement according to the invention for limiting of surges are at the or the rotating contact devices or the or the Protector camps laterally on one side or both sides in itself known short-circuit discs arranged to continue the contact to improve.

Um die rotierenden Kontakteinrichtungen bzw. die Protector-Lager gegen mitdrehen zu sichern, sind Drehmomentenstützen angeordnet. Diese Drehmomentstützen können in besonderer Weise induktivitätsarm ausgeführt werden, wie z.B. als dünnwandige tellerförmige metallische Kappe. Der Kappenwerkstoff ist ein magnetisch und elektrisch hochleitfähiges Material. Die Kappe ist am Kappenrand mit dem geerdeten Gehäuse kontaktiert.To turn the rotating contact devices or the Protector bearings against turning Chern, torque brackets are arranged. These torque arms can be performed in a special way inductance, such as a thin-walled plate-shaped metallic cap. The cap material is a magnetically and electrically highly conductive material. The cap is contacted at the cap edge with the grounded housing.

Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass mit der erfindungsgemäßen Anordnung in neuer Weise eine Möglichkeit zum Begrenzen von Überspannungen insbesondere der hochfrequenten Art und der daraus resultierenden Ströme an Funktionsteilen umrichtergespeister elektrischer Maschinen realisiert ist. Hauptsächlich durch Anwendung der Protector-Lager werden die von konventionellen Bürsten-Schleifkontakten bekannten Nachteile beim Führen hochfrequenter Ströme überwunden.In summary can be found that with the inventive arrangement in a new way a possibility for limiting overvoltages especially the high-frequency type and the resulting streams implemented on functional parts inverter-fed electrical machines is. Mainly By using the Protector bearings are those of conventional brush sliding contacts known disadvantages when leading high-frequency currents overcome.

Die Erfindung soll nachstehend an Hand der 1 bis 3 näher beschrieben werden.The invention will be described below with reference to the 1 to 3 be described in more detail.

1 zeigt das Ersatzschaltbild des Gleichtaktkreises einer ständer- oder läufergespeisten elektrischen Maschine mit geerdeter Welle bei Umrichterspeisung 1 shows the equivalent circuit diagram of the common mode circuit of a stator or rotor-fed electrical machine with grounded shaft at inverter power

2 zeigt eine Seitenansicht der erfindungsgemäßen rotierenden Kontakteinrichtung 10 2 shows a side view of the rotating contact device according to the invention 10

3 zeigt die Draufsicht einer erfindungsgemäßen Kontakteinrichtung 10 einschließlich einer möglichen Variante des elektrischen Anschlusses an das Gehäuse 17 der elektrischen Maschine 3 shows the top view of a contact device according to the invention 10 including a possible variant of the electrical connection to the housing 17 the electric machine

Erfindungsgemäß ist hier auf der Nicht-Antriebsseite NS des Läufers eine einzelne Anordnung zur Begrenzung von Überspannungen positioniert, die aus einem induktivitätsarmen Kondensator C6 besteht, der auf einer Seite induktivitätsarm an einem vorhandenen zentralen Erdpunkt GE des Gehäuses 17 und auf der anderen Seite über eine rotierende Kontakteinrichtung 10 zur Läuferwelle 7 hin angeschlossen ist. Diese Anordnung wirkt elektrisch als Hochpass und begrenzt damit die über dem Maschinenlager 8 und der Erdungsbürste 12 und 11 vorhandenen elektrischen hochfrequenten Beanspruchungen auf ein zulässiges Mass. Die rotierende Kontakteinrichtung 10 besteht z.B. aus einem ansonsten üblichen Rillenkugellager, dass auf einer Wellenverlängerung 2 auf der Nicht-Antriebsseite NS mit kleinem Durchmesser aufgezogen ist. Dieses Rillenkugellager ist axial vorgespannt, um zu gewährleisteten, dass das mechanisch unbelastete Lager die notwendige Laufgüte und geringe Radialspalte (Lagerluft) besitzt. Die eigentliche Kontaktierung erfolgt über das im Rillenkugellager befindliche hochleitfähige Schmiermittel 3 (Fett). Zur Verbesserung des Stromüberganges wird zusätzlich eine an sich bekannte Kurzschlussscheibe 4 eingesetzt. Das Rillenkugellager hat keinerlei tragende Funktion und dient allein als Kontakteinrichtung. Vergleichsweise wäre eine derartige Kontaktierung in den Maschinenlagern 8 unzweckmäßig, da durch Stromübergänge oder Abrieb an dort eingesetzten Kurzschlussscheiben die tragende Funktion negativ beeinflusst wird.According to the invention here on the non-drive side NS of the rotor, a single arrangement for limiting overvoltages is positioned, which consists of a low-inductance capacitor C6, on one side low inductance at an existing central earth point GE of the housing 17 and on the other side via a rotating contact device 10 to the rotor shaft 7 connected. This arrangement acts electrically as a high-pass and thus limits those above the machine bearing 8th and the grounding brush 12 and 11 existing electrical high-frequency stresses to a permissible level. The rotating contact device 10 For example, consists of an otherwise common deep groove ball bearing that on a shaft extension 2 mounted on the non-drive side NS with a small diameter. This deep groove ball bearing is axially biased to ensure that the mechanically unloaded bearing has the necessary running quality and low radial clearance (clearance). The actual contacting takes place via the highly conductive lubricant in the deep groove ball bearing 3 (Fat). To improve the current transition is additionally a known short-circuiting disk 4 used. The deep groove ball bearing has no supporting function and serves only as a contact device. By comparison, such a contact would be in the machine bearings 8th impractical, since the carrying function is adversely affected by current transitions or abrasion of short-circuiting discs used there.

Die als Hochpass wirkende Anordnung bewirkt eine kapazitive Wellenerdung und begrenzt im Sinne der Aufgabenstellung die elektrischen hochfrequenten Beanspruchungen der Maschinelager 8 und deren Isolierung mit der Kapazität C5 sowie der Erdungsbürsten 11, 12 in erheblicher Art und Weise.The arrangement acting as a high-pass causes a capacitive shaft grounding and limits the electrical high-frequency stresses of the machine bearings in the sense of the task 8th and their insulation with capacitance C5 and earthing brushes 11 . 12 in a significant way.

In 1 ist das Ersatzschaltbild eines Gleichtaktkreises einer ständer- oder läufergespeisten elektrischen Maschine mit geerdeter Welle bei Speisung mittels eines Spannungs-Zwischenkreis-Umrichters gezeigt. Die funktionsbedingt vom Umrichter eingeprägte common-mode Spannung U0 liegt über der Kapazität C1 zwischen der Wicklung, in die die Spannungsimpulse eingespeist werden und dem Ständergehäuse. Bei Einspeisung in die Ständerwicklung wird diese im wesentlichen durch die in den Ständernuten liegenden Wicklungsteile bestimmt. Bei Einspeisung in die Läuferwicklung wird diese im wesentlichen durch die Läuferwickelköpfe bestimmt. Parallel zur Kapazität C1 liegt der Spannungsteiler, gebildet aus den Kapazitäten C2 und C3. Die Kapazität C2 wird gebildet aus der Wicklung, in die die Spannungsimpulse eingespeist werden und dem Läufereisen. Bei Einspeisung in die Ständerwicklung wird diese im wesentlichen durch die Ständerwickelköpfe und bei Einspeisung in die Läuferwicklung im wesentlichen durch die in den Läufernuten liegenden Wicklungsteile bestimmt. Die Kapazität C3 ist zwischen Ständer- und Läufereisen vorhanden, sie wird hauptsächlich durch die Abmessungen der Ständerbohrung und den Luftspalt bestimmt. Das Verhältnis der Lagerspannung zur common-mode Spannung U0 wird maßgeblich über das Kapazitätsverhältnis C2 zu C3 bestimmt und damit von der Einspeiseart der elektrischen Maschine. Parallel zu C3 liegen die Spannungsteiler der Lagerstellen auf der Antriebsseite DS und der Nicht-Antriebsseite NS, gebildet aus den Kapazitäten C4 der Maschinenlager 8 und den Kapazitäten C5 der Lagerisolation. Die Höhe der Spannung über dem Schmiermittelspalt des Maschinenlagers 8 hängt nun wiederum ab von dem Kapazitätsverhältnis C4 zu C5. Dieses Verhältnis ist zwar über die Dimensionierung der Lagerisolation und damit der Kapazität C5 in gewissen Grenzen beeinflussbar, es ist jedoch nicht auszuschließen, dass die Spannungen über C4 zum Durchschlag des Schmiermittelspaltes mit allen negativen Folgeerscheinungen bezüglich der Lagerlebensdauer führt. Die Läuferwelle 7 ist über einen konventionellen Bürsten-Schleifkontakt 12 geerdet, die Bürste selbst und ihre Anschlußlitze stellt eine Impedanz 11 wie im Ersatzschaltbild dar, die zunächst über die Höhe der Lagerspannung entscheidet. Die dynamischen Spitzen in der Lagerspannung und den damit verbundenen Ableitströmen über den Bürsten-Schleifkontakt 12 führen außer dem betriebsmäßig vorhandenem Verschleiß zu erosiven Veränderungen der Bürsten- und Schleifringoberfläche.In 1 the equivalent circuit diagram of a common-mode circuit of a stator or rotor-fed electric machine with a grounded shaft is shown when supplied by means of a voltage DC link converter. The functionally impressed by the inverter common-mode voltage U0 is above the capacitance C1 between the winding, in which the voltage pulses are fed and the stator housing. When fed into the stator winding, this is essentially determined by the winding parts located in the stator slots. When fed into the rotor winding this is essentially determined by the Läuferwickelköpfe. Parallel to the capacitor C1 is the voltage divider formed by the capacitors C2 and C3. The capacitance C2 is formed by the winding into which the voltage pulses are fed and the runner iron. When fed into the stator winding, this is essentially determined by the stator winding heads and when fed into the rotor winding essentially by the lying in the rotor slots winding parts. The capacitance C3 is present between stator and rotor iron, it is mainly determined by the dimensions of the stator bore and the air gap. The ratio of the bearing voltage to the common-mode voltage U0 is largely determined by the capacitance ratio C2 to C3 and thus of the feed of the electric machine. Parallel to C3 are the voltage divider of the bearings on the drive side DS and the non-drive side NS, formed from the capacity C4 of the machine bearings 8th and the capacity C5 of the storage insulation. The height of the tension above the lubricant gap of the machine bearing 8th depends now again on the capacity ratio C4 to C5. Although this ratio can be influenced within certain limits via the dimensioning of the bearing insulation and thus the capacitance C5, it can not be ruled out that the stresses above C4 will lead to the breakdown of the lubricant gap with all the negative consequences on the bearing life. The rotor shaft 7 is via a conventional brush-sliding contact 12 grounded, the brush itself and its pigtail provides an impedance 11 As in the equivalent circuit diagram, the first on the height of Storage voltage decides. The dynamic peaks in the bearing voltage and the associated leakage currents via the brush sliding contact 12 lead to erosive changes in the brush and slip ring surface in addition to the operational wear.

Parallel zum Spannungsteiler C4 und C5 ist erfindungsgemäß die rotierende Kontakteinrichtung 10 zusammen mit der Kapazität C6 mit der Gehäuseerde GE zur hochfrequenten Läufererdung induktivitätsarm verbunden. Mit der speziellen Ausgestaltung der Kontakteinrichtung 10 zusammen mit der Kapazität C6 und der induktivitätsarmen Verbindung 6 werden die hochfrequenten Ströme übernommen und die Lagerspannungsspitzen auf ein zulässiges Maß abgesenkt, ohne dass Durchschläge des Schmiermittelspaltes in den Maschinenlagern 8 auftreten. Erfindungsgemäß besteht dabei die Kapazität C6 zur Beschaltung der hochfrequenten Läufererdung aus einem besonders induktivitätsarmen Kondensator (< 100 nH). Die Kapazität des Kondensators wird im Vergleich zu C2 entsprechend groß gewählt.Parallel to the voltage divider C4 and C5 according to the invention, the rotating contact device 10 together with the capacitance C6 connected to the housing ground GE for high-frequency rotor grounding inductance. With the special design of the contact device 10 together with the capacity C6 and the low-inductance connection 6 The high-frequency currents are taken over and the bearing voltage peaks are lowered to a permissible level, without any disruptions of the lubricant gap in the machine bearings 8th occur. According to the invention, the capacitance C6 for connecting the high-frequency rotor grounding consists of a particularly low-inductance capacitor (<100 nH). The capacitance of the capacitor is chosen to be large compared to C2.

In den 2 und 3 ist beispielhaft die prinzipielle konstruktive Ausführung eines Protector-Lagers 1 als rotierende Kontakteinrichtung 10 dargestellt. Dieses ist auf der Wellenverlängerung 2 mit einem gegenüber der Läuferwelle 7 kleinerem Durchmesser aufgeschrumpft. Der Außenring des Protector-Lagers 1 wird mechanisch fest und elektrisch sicher mit einem Protector-Gehäuse 16 verbunden. Das Protector-Gehäuse 16 wird über die isolierte Drehmomentenstütze 5 gehalten, die über Drehmomentenstützenverschraubungen 13 befestigt ist. Ebenso wird am Protector-Gehäuse 16 über die Protector-Lager-Anschlußklemme 14 die induktivitätsarme Verbindung 6 angeschlossen. Am Protector-Gehäuse 16 sind die beiden Protector-Lagerdeckel 9 mittels mehreren Protector-Lagerdeckelverschraubungen 15 befestigt. Um die Kontaktgabe zwischen Wellenverlängerung 2 und Protector-Gehäuse 16 zu verbessern, wird das elektrisch leitende Schmiermittel 3 zusammen mit der Kurzschlussscheibe 4 im Protector-Lager 1 eingesetzt.In the 2 and 3 is an example of the basic structural design of a protector bearing 1 as a rotating contact device 10 shown. This is on the wave extension 2 with one opposite the rotor shaft 7 Shrunk smaller diameter. The outer ring of the Protector bearing 1 becomes mechanically strong and electrically safe with a protector housing 16 connected. The protector housing 16 is via the isolated torque arm 5 held via torque arm boltings 13 is attached. The same applies to the Protector housing 16 via the Protector bearing terminal 14 the low-inductance connection 6 connected. On the protector housing 16 are the two Protector bearing caps 9 using several Protector bearing caps 15 attached. To the contact between shaft extension 2 and Protector housing 16 To improve, the electrically conductive lubricant 3 together with the short-circuiting disc 4 in the Protector camp 1 used.

U0U0
Common-mode-SpannungCommon-mode voltage
C1C1
Kapazität zwischen der Wicklung, in die die Spannungsimpulse eingespeist werden und dem Ständergehäuse (bei Einspeisung in die Ständerwicklung im wesentlichen durch die in den Ständernuten liegenden Wicklungsteile bestimmt; bei Einspeisung in die Läuferwicklung im wesentlichen durch die Läuferwickelköpfe bestimmt)Capacity between the winding into which the voltage pulses are fed and the Stand housing (at Infeed into the stator winding essentially determined by the lying in the stator grooves winding parts; when fed into the rotor winding essentially determined by the Läuferwickelköpfe)
C2C2
Kapazität zwischen der Wicklung, in die die Spannungsimpulse eingespeist werden und dem Läufereisen (bei Einspeisung in die Ständerwicklung im wesentlichen durch die Ständerbei Einspeisung in die Läuferwicklung im wesentlichen durch die in den wickelköpfe bestimmt; Läufernuten liegenden Wicklungsteile bestimmt)Capacity between the winding into which the voltage pulses are fed and the runs travel (when fed into the stator winding essentially by the stator Infeed into the rotor winding in the essentially determined by the in the winding heads; rotor slots determined winding parts)
C3C3
Kapazität zwischen Ständer- und Läufereisen (hauptsächlich durch die Abmessungen der Ständerbohrung und dem Luftspalt bestimmt)Capacity between stator and runner iron (mainly by the dimensions of the stator bore and the air gap determined)
C4C4
Kapazität der Maschinenlager (hauptsächlich durch den Schmiermittelspalt zwischen Wälzkörpern und Laufringen bestimmt) und paralleler Funkenstrecke zwischen Wälzkörper und LaufringenCapacity of the machine bearings (mainly by determines the lubricant gap between rolling elements and races) and parallel spark gap between rolling elements and races
C5C5
Kapazität der LagerisolationCapacity of the storage insulation
C6C6
Kapazität zur Beschaltung der hochfrequenten LäufererdungCapacitance for wiring the high-frequency rotor grounding
DSDS
Antriebsseite der elektrischen Maschinedriving side the electric machine
NSNS
Nicht-Antriebsseite der elektrischen MaschineNon-drive side the electric machine
GEGE
GehäuseerdeFrame ground
11
Protector-LagerProtector-bearing
22
Wellenverlängerung mit kleinerem Durchmessershaft extension with a smaller diameter
33
elektrisch leitendes Schmiermittelelectrical conductive lubricant
44
KurzschlussscheibeShort disc
55
isolierte Drehmomentenstützeisolated torque arm
66
induktivitätsarme Verbindunglow-inductance connection
77
Läuferwellerotor shaft
88th
Maschinenlagermachinery bearings
99
Protector-LagerdeckelProtector bearing cap
1010
rotierende Kontakteinrichtungrotating contactor
1111
Komplexer Ersatzwiderstand des Bürsten-Schleifkontaktes und der Bürsten-AnschlußlitzeMore complex Replacement resistance of the brush sliding contact and the brush pigtail
1212
Bürsten-SchleükontaktBrush Schleükontakt
1313
DrehmomentstützenverschraubungDrehmomentstützenverschraubung
1414
Protector-Lager-AnschlußklemmeProtector-bearing terminal
1515
Protector-LagerdeckelverschraubungProtector Lagerdeckelverschraubung
1616
Protector-GehäuseProtector case
1717
Gehäuse der elektrischen MaschineHousing of electric machine

Claims (16)

Anordnung zum Begrenzen von Überspannungen an Funktionsteilen umrichtergespeister elektrischer Maschinen, insbesondere an Lagern und Erdungsbürsten, bestehend aus einem Kondensator und einem Gleitkontakt auf der Welle, parallel geschaltet zu den Funktionsteilen dadurch gekennzeichnet, dass der oder die an sich bekannten Kondensatoren selbst induktivitätsarm ausgeführt sind, auf einer Anschlussseite induktivitätsarm an einem nahe liegenden vorhandenen zentralen Erdpunkt oder anderen geerdeten Teilen des Gehäuses der Maschine und auf der anderen Anschlussseite wiederum induktivitätsarm über eine oder mehrere rotierende Kontakteinrichtungen zur Läuferwelle hin angeschlossen sind.Arrangement for limiting overvoltages on functional parts of converter-fed electrical machines, in particular on bearings and Er tion brushes, consisting of a capacitor and a sliding contact on the shaft, connected in parallel to the functional parts characterized in that the one or more known capacitors are themselves designed low inductance, low inductance on a terminal side at a nearby existing central earth point or other earthed parts of the Housing of the machine and on the other side of the connection in turn inductance are connected via one or more rotating contact devices to the rotor shaft. Anordnung zum Begrenzen von Überspannungen an Funktionsteilen umrichtergespeister elektrischer Maschinen, insbesondere an Lagern und Erdungsbürsten dadurch gekennzeichnet, dass der Erdpunkt des Gehäuses induktivitätsarm über eine oder mehrere rotierende Kontakteinrichtungen zur Läuferwelle hin angeschlossen ist.Arrangement for limiting overvoltages to functional parts Inverter-fed electrical machines, especially at warehouses and grounding brushes characterized in that the earth point of the housing low inductance via one or several rotating contact devices connected to the rotor shaft is. Anordnung zum Begrenzen von Überspannungen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die rotierenden Kontakteinrichtungen unmittelbar an, und/oder neben, und/oder in anderer konstruktiv günstiger Entfernung zu einem oder beiden Maschinenlagern angeordnet sind.Arrangement for limiting overvoltages according to claim 1 or 2, characterized in that the rotating contact means immediately, and / or next, and / or in another constructive way better Distance to one or both machine bearings are arranged. Anordnung zum Begrenzen von Überspannungen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die rotierende Kontakteinrichtung auf einer zusätzlichen Wellenverlängerung angeordnet ist.Arrangement for limiting overvoltages according to claim 1 or 2, characterized in that the rotating contact device on an additional shaft extension is arranged. Anordnung zum Begrenzen von Überspannungen nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die rotierende Kontakteinrichtung im Labyrinth der Maschinenlager angeordnet ist.Arrangement for limiting overvoltages according to one of previous claims, characterized in that the rotating contact device in Labyrinth of machine bearings is arranged. Anordnung zum Begrenzen von Überspannungen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die rotierende Kontakteinrichtung nur auf der Nicht-Antriebsseite der elektrischen Maschine angeordnet ist.Arrangement for limiting overvoltages according to claim 1 or 2, characterized in that the rotating contact device arranged only on the non-drive side of the electric machine is. Anordnung zum Begrenzen von Überspannungen nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die rotierenden Kontakteinrichtungen als Protector-Lager ausgebildet sind.Arrangement for limiting overvoltages according to one of previous claims, characterized in that the rotating contact means are designed as a protector bearing. Anordnung zum Begrenzen von Überspannungen nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Protector-Lager als übliche Wälzlager ausgebildet sind.Arrangement for limiting overvoltages according to claim 6, characterized in that the protector bearings than conventional bearings are formed. Anordnung zum Begrenzen von Überspannungen nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Wälzlager als axial vorgespannte Wälzlager ausgebildet sind.Arrangement for limiting overvoltages according to claim 7, characterized in that the rolling bearings as axially biased roller bearing are formed. Anordnung zum Begrenzen von Überspannungen nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im inneren der rotierenden Kontakteinrichtung oder dem Protector-Lager ein Kontaktwerkstoff angeordnet ist.Arrangement for limiting overvoltages according to one of preceding claims, characterized characterized in that in the interior of the rotating contact device or the protector bearing a contact material is arranged. Anordnung zum Begrenzen von Überspannungen nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kontaktwerkstoff als ein leitfähiges Schmiermittel ausgebildet ist, dass elektrisch hochleitfähige nichtmetallische Beimengungen enthält.Arrangement for limiting overvoltages according to one of preceding claims, characterized characterized in that the contact material as a conductive lubricant is formed that electrically highly conductive non-metallic admixtures contains. Anordnung zum Begrenzen von Überspannungen nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an der rotierenden Kontakteinrichtung oder am Protector-Lager seitlich einseitig oder beidseitig Kurzschlussscheiben angeordnet sind.Arrangement for limiting overvoltages according to one of preceding claims, characterized characterized in that on the rotating contact device or on the Protector bearing laterally one-sided or on both sides short-circuit discs are arranged. Anordnung zum Begrenzen von Überspannungen nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschluss- und Verbindungsleitungen vom geerdeten Gehäuse der elektrischen Maschine zu der rotierenden Kontakteinrichtung oder dem Protector-Lager in besonderer Weise induktivitätsarm ausgebildet sind.Arrangement for limiting overvoltages according to one of preceding claims, characterized characterized in that the connection and connecting lines from grounded housing the electric machine to the rotating contact device or the protector bearing formed in a special way inductance are. Anordnung zum Begrenzen von Überspannungen nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehmomentenstütze an der rotierenden Kontakteinrichtung oder dem Protector-Lager gleichzeitig als induktivitätsarme Kontaktierung zu dem oder den induktivitätsarmen Kondensatoren oder direkt zum geerdeten Gehäuse der elektrischen Maschine dient.Arrangement for limiting overvoltages according to one of preceding claims, characterized in that the torque support on the rotating contact device or the Protector camp at the same time as low-inductance Contacting to the one or more low-inductance capacitors or directly to the grounded housing the electric machine is used. Anordnung zum Begrenzen von Überspannungen nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehmomentenstütze als dünnwandige tellerförmige metallische Kappe ausgeführt ist.Arrangement for limiting overvoltages according to one of preceding claims, characterized characterized in that the torque arm as a thin-walled plate-shaped metallic cap accomplished is. Anordnung zum Begrenzen von Überspannungen nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die dünnwandige tellerförmige metallische Kappe aus einem magnetisch und elektrisch hochleitfähigem Kontaktwerkstoff besteht und am Kappenrand mit dem geerdeten Gehäuse kontaktiert ist.Arrangement for limiting overvoltages according to one of preceding claims, characterized characterized in that the thin-walled dished Metallic cap made of a magnetically and electrically highly conductive contact material exists and is contacted at the edge of the cap with the grounded housing.
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