DE3417711C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Zur Feststellung des Abriebs von Kohlebürsten in Gleichstrommaschinen werden besondere Kontakte benutzt, die mit den Bürstenhaltern verbunden sind und unter Federvorspannung stehen. Wenn die Kohlebürsten durch den Abrieb auf eine bestimmte Länge verkürzt sind, setzen die Kontakte auf die Bürstenhalter auf, die von der Ankerspannung beaufschlagt sind. Die Kontakte sind in Überwachungsstromkreisen angeordnet. Wenn die Kontakte die Bürstenhalter berühren, gelangt eine Spannung zu der Überwachungs- und Anzeigeanordnung, die daraufhin eine Meldung erzeugt (DE-GM 83 16 492). Zur Überwachung des Abnutzungsgrades von zwei Komutator-Kohlebürsten bei einem Gleichstrommotor ist es auch bekannt, mit diesen Bürsten elektrisch isolierte Kontrollbürsten zu verbinden, die bei Aufsetzen auf den Kommutator einen Warnsignalgeber aktivieren (DE-OS 32 11 251). Bei einer weiteren bekannten Überwachungsvorrichtung sind zwei die Bürsten ungleicher Polarität überbrückende Widerstände und eine aus sechs Dioden bestehende Brückenschaltung mit einem von dieser gespeisten Optokoppler vorgesehen; an zwei Eingängen der Brückenschaltung sind Bürstenüberwachungssensoren und an dem dritten Eingang der Verbindungspunkt der Widerstände geschaltet (US-PS 43 90 870). Es ist auch eine Bürstenüberwachungsvorrichtung mit zwei Relais bekannt, deren Anker sich mechanisch beeinflussen (US-PS 43 94 648).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs beschriebenen Gattung dahingehend weiterzuentwickeln, daß die Bürsten von Gleichstrommaschinen auch bei hohen Abschaltleistungen oder Ankerspannungen durch eine für die Verarbeitung geringer Eingangsspannungen ausgelegte Überwachungsanordnung bei möglichst geringer Empfindlichkeit gegen Störspannungen überwacht werden können.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Die Trennwandler oder Widerstände reduzieren die im Schadensfall möglichen Kurzschlußströme und die der Überwachungsanordnung zugeführte Spannungen, so daß in dieser nur geringe Stromwärmeverluste auftreten. Damit kann eine kompakte Bauweise erreicht werden, ohne daß ein großer Aufwand für die Kühlung notwendig ist. Da die Widerstände in oder an der Gleichstrommachine auch gekühlt werden, können durch eine entsprechende Bemessung der Widerstände höhere Ströme zu der Überwachungsaanordnung übertragen werden, um die Empfindlichkeit gegen Störspannungen herabzusetzen.

Vorzugsweise ist der Widerstand im Klemmkasten der Gleichstrommaschine angeordnet. Im Klemmkasten ist bei guter Kühlung eine geschützte Befestigung möglich. Außerdem ist bei Abnahme des Deckels eine einfache und schnelle Prüfung möglich.

Da die Anzeige des Abnutzungsgrads im allgemeinen nicht auf eine Bürstengröße eingestellt ist, bei der die Gleichstrommaschine nicht mehr arbeitsfähig ist, kann die Maschine nach dem Auftreten der Meldung noch eine Weile in Betrieb gehalten werden. Die Meldung steht dabei unter Umständen für einen längeren Zeitraum an. Die vorstehend beschriebene Anordnung ist für länger andauernde Meldungen geeignet, da sich die jeweiligen Widerstände auch dann nicht unzulässig hoch aufheizen, wenn sie für längere Zeit mit der Ankerspannung beaufschlagt werden.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist der Widerstand in einem wärmeleitenden Körper angeordnet, der im Klemmkasten an einer metallischen Oberfläche befestigt ist. Bei dieser Anordnung wird der Widerstand durch das Motorgehäuse gekühlt.

Es kann günstig sein, die zu einer Gleichstrommaschine gehörigen Entkopplungsdioden im Klemmkasten anzuordnen. Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß nur eine Aderverbindung zur Auslöseinheit notwendig ist.

Die im Anspruch 6 angegebene Anordnung hat den Vorteil, daß die Überwachungsanordnung im Normalfalle auf Nullpotential liegt, wodurch eine geringere Störempfindlichkeit erreicht wird.

Eine weitere zweckmäßige Ausgestaltung ist im Anspruch 7 beschrieben.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand eines in einer Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert, aus dem sich weitere Vorteile ergeben. Es zeigen:

Fig. 1 einen unter Federvorspannung stehenden Kontakt, der an einem Bürstenhalter befestigt ist, im Schema,

Fig. 2 ein Schaltbild der Verbindung der Kontakte von parallel in einer Maschine angeordneten Bürsten,

Fig. 3 ein Schaltbild eines Gleichstrommotors, der von einem Stromrichter gespeist wird und über Kontakte mit einer Überwachungsanordnung verbunden ist,

Fig. 4 einen offenen Klemmkasten einer Gleichstrommaschine von vorne,

Fig. 5 ein Schaltbild eines Gleichstrommotors, dessen mit den Bürstenhaltern verbundene Kontakte über Trennwandler an eine Überwachungsanordnung angeschlossen sind.

Eine Kohlebürste 1, die in einen Bürstenhalter 2 eingesetzt ist, wird durch eine nicht dargestellte Feder an einen Kollektor 3 einer Gleichstrommaschine 4 angedrückt, bei der es sich um einen Rotor oder Generator handeln kann. Am Bürstenhalter 2 ist ein seitlich vorspringender Träger 5 befestigt, mit dem ein um eine Achse 6 schwenkbarer Hebel 7 verbunden ist, der ein nicht näher bezeichnetes abgebogenes Ende aufweist, an dem ein Isolierkörper 8 befestigt ist der Hebel 7 wird unter der Vorspannung einer Feder 9 gegen den Träger 5 bezogen. Dabei lehnt sich der Isolierkörper 8 an die dem Kollektor 3 abgewandte Seite der Kohlebürste 1 an. Die Länge der Kohlebürste 2 bestimmt daher die Schwenklage des Hebels 7. Mit dem Hebel 7 ist ein weiterer Isolierkörper 10 verbunden, der in einigem Abstand vom Hebelende angeordnet ist. Durch den Isolierkörper 10 ist ein Kontakt 11 geführt. Der Kontakt 11 ist daher gemeinsam mit dem Hebel 7 bewegbar. Im Verschiebeweg des Endes des Kontakts 11 ist der Bürstenhalter 2 angeordnet. Wenn sich der Hebel 7 in einer bestimmten, von der Höhe der Kohlebürste 1 abhängigen Lage befindet, berührt der Kontakt den Bürstenhalter 2 und wird dabei von der Ankerspannung der Gleichstrommaschine 4 beaufschlagt. Die relative Lage des Endes des Kontaktes 11 zum abgebogenen Ende des Hebels 7 und der Höhe des Isolierkörpers 8 ist auf eine bestimmte Länge der Kohlebürste 1 abgestimmt, die einer Abnutzung der Kohlebürste 1 entspricht, ab der ein Austausch vorgenommen werden sollte.

Die Fig. 2 zeigt in schematischer Darstellung eine Reihe von Bürstenhaltern 2 einer GS-Maschine, die von der gleichen, beispielsweise positiven Ankerspannung beaufschlagt werden, und eine Reihe von Bürstenhaltern 12, die von der gleichen, z. B. negativen, Ankerspannung beaufschlagt werden. An jedem Bürstenhalter 2 ist ein Kontakt 11 vorgesehen. In entsprechender Weise ist an jedem Bürstenhalter 12 ein Kontakt 13 vorgesehen. Der Aufbau der in Fig. 2 dargestellten einzelnen Bürstenhalter-Kontaktanordnungen geht aus Fig. 1 hervor. Die Kontakte 11 sind miteinander verbunden und an einen Widerstand 14 angeschlossen. In gleicher Weise sind die Kontakte 13 miteinander verbunden und gemeinsam an einen Widerstand 15 gelegt. Falls eine Gleichstrommaschine mehrere Bürstenstationen aufweist, sind sie auf die in Fig. 2 gezeigte Art mit Kontakten 11, 13 versehen, die mit Widerständen 14, 15 verbunden sind. Es können auch mehr oder weniger als die in Fig. 2 dargestellten drei Bürstenhalter in einer Maschine parallel geschaltet sein.

Sämtliche Bürsten bzw. Bürstenhalter, die an die gleiche Ankerspannung gelegt sind, sind bei der in Fig. 3 dargestellten Gleichstrommaschine 4 jeweils mit 16, 17 bezeichnet. Die Gleichstrommaschine 4 weist eine nicht näher bezeichnete Erregerwicklung auf. Die Gleichstrommaschine 4 ist in diesem Anwendungsbeispiel an zwei jeweils gegensinnig gepolte Drehstrom-Brückenschaltungen 18, 19 angeschlossen, die von einem Drehstromtransformator 20 gespeist werden, von dem nur die Sekundärwicklung dargestellt ist. Die Drehstrom-Brückenschaltungen 18, 19 erhalten jeweils nicht näher bezeichnete steuerbare Gleichrichter, z. B. üblicherweise Thyristoren. Die Gleichstrommaschine 4 wird wahlweise über die beiden Drehstrom-Brückenschaltungen 18, 19 mit Gleichspannungen von einander entgegengesetzter Polarität baufschlagt. Dabei dreht sich die Gleichstrommaschine 4 in zueinander entgegengesetzten Richtungen.

Die Bürstenhalter bzw. Bürstenhalteranordnungen 16, 17 sind jweils über Kontakte 11, 13 mit Widerständen 14, 15 verbunden. Die Widerstände 14, 15 sind in oder an der Gleichstrommaschine 4 angeordnet. Jeder Widerstand 14, 15 ist mit einer Diode 21, 22 verbunden. Die Dioden 21, 22 sind gleichsinnig gepolt und mit ihren Anoden jeweils an die Widerstände 14, 15 angeschlossen. Die Kathoden der Dioden 21, 22, die zur Entkopplung der Widerstände 14, 15 vorgesehen sind, sind miteiannder verbunden und an eine Überwachungs- und Anzeigeanordnung 23 angeschlossen. Gemeinsam mit den Dioden 21, 22 können noch weitere, in Fig. 3 nicht näher bezeichnete Dioden, die an die Widerstände anderer, nicht dargestellter Gleichstrommaschinen gelegt sind, mit der Überwachungs- und Anzeigeanordnung 23 verbunden sein. Mit Hilfe von Entkopplungsdioden ist es möglich, eine beliebige Anzahl von Gleichstrommaschinen durch eine einige Überwachungs- und Anzeigeanordnung 23 auf Abnutzung der Kohlebürsten 1 zu überwachen.

Die Überwachungs- und Anzeigeanordnung 23 enthält einen mit den Kathoden der Dioden 21, 22 und den weiteren nicht bezeichneten Dioden verbundenen Widerstand 24, der mit seinem zweiten Anschluß an den Sternpunkt der Sekundärwicklung des Transformators 20 gelegt ist. Parallel zu dem Widerstand 24 ist die Reihenschaltung eines Widerstands 25, einer Diode 26 und eines Kondensators 27 angeordnet. Zum Kondensator 27 sind die Eingänge eines Spannungsdiskriminators 28 parallel geschaltet. Der Spannungsdiskriminator 28 speist eine nicht dargestellte, an sich bekannte Anzeigeeinrichtung, z. B. einen optischen oder akustischen Melder.

Die Widerstände 14, 15 befinden sich im Klemmenkasten 29 am Gehäuse 30 der Gleichstrommaschine 4. Zweckmäßigerweise sind die Widerstände 14, 15 als Drahtwiderstände ausgebildet, die von je einem wärmeleitenden Körper 31 zumindest teilweise umgeben sind. Der wärmeleitende Körper 31 besteht z. B. aus einem länglichen Aluminiumkörper mit einer Bohrung, in die jeweils einer der Widerstände 14, 15 eingesetzt ist. Der Aluminiumkörper hat eine ebene Auflagefläche und zwei Laschen 32 mit Löchern, an denen der Körper 31 auf einer metallischen Oberfläche mittels Schrauben befestigt wird. Als metallische Oberfläche dient zweckmäßigerweise die Außenseite des Gehäuses 30 der Gleichstrommaschine 4. Bei der in Fig. 4 dargestellten Anordnung befinden sich die Widerstände 14, 15 neben den Anschlußbolzen 33 der Gleichstrommaschine 4.

Wenn die Kontakte 11, 13 Bürstenhalter 2, 12 berühren, wird die Überwachungs- und Anzeigeanordnung 23 über die Widerstände 14, 15 und die Dioden 21, 22 an eine Spannung gelegt, die von der Ankerspannung bestimmt ist. Es handelt sich um eine pulsierende Gleichspannung, die den Kondensator 27 über die Diode 28 auflädt. Der Schwellenwert des Spannungsdiskriminators 28 ist auf eine bestimmte Höhe eingestellt, die durch die angelegte Spannung überschritten wird. Der Spannungsdiskriminator spricht deshalb an und veranlaßt über die Anzeigeeinrichtung die Ausgabe einer Meldung.

Die Widerstände 14, 15 bilden mit dem Widerstand 24 Spannungteiler, mit denen die Spannung an der Überwachungs- und Anzeigeanordnung 23 auf einen niedrigen, den üblichen Aderisolationen entsprechenden Wert herabgesetzt wird.

Um zu verhindern, daß Störspannungen die Überwachungs- und Anzeigeanordnung 23 zum Ansprechen bringen, sind die Widerstände 14, 15, 24 so aufeinander abgestimmt, daß ein etwas größerer Strom fließt. Dieser erzeugt in den Widerständen 14, 15 höhere Stromwärmeverluste, die über die Körper 31 auf das Gehäuse 30 abgeleitet werden. Höhere Stromwärmeverluste könnten durch die gute Kühlung der Widerstände 14, 15 in Kauf genommen werden. Auch bei länger anstehender Meldung, weil z. B. der Gleichstrommotor 4 noch eine Weile in Betrieb bleibt, bevor die abgenutzten Kohlebürsten 1 ausgewechselt werden, tritt deshalb keine unzulässig hohe Erwärmung der Widerstände 14, 15 auf.

Die Dioden 21, 22 leiten die positiven Spannungszeitflächen der Ankerspannungen weiter, wenn ein Kontakt 11, 13 angesprochen hat. Da die Gleichstrommaschine 4 im Betrieb ihre Drehzahl oder Drehrichtung wechselt, ist sichergestellt, daß in die Überwachung alle Bürsten eingezogen sind. Die in Fig. 3 dargestellte Anordnung ermöglicht einen Vierquadrantenbetrieb der Gleichstrommaschine 4. Je nach Richtung des geforderten Drehmoments wird nur eine der beiden Brückenschaltungen 18, 19 aktiviert. Hierzu wird eine nicht näher dargestellte elektronische Steuerung verwendet. Im Vierquadrantenbetrieb werden die von den verschieden gepolten Ankerspannungen beaufschlagten Bürsten mit gleichsinnig gepolten Dioden überwacht, wenn die Polarität der Ankerspannung positiv in bezug auf die Anoden der Entkopplungsdioden ist. Es ist jedoch auch eine Überwachung bei Gleichstrommotoren möglich, die mit zeitlich veränderlichen Spannungen beschleunigt und/oder gebremst werden. Hierzu ist eine Phasenanschnitt- oder Phasenabschnittsteuerung der Thyristoren in den Brückenschaltungen notwendig. Bei Anschnitt- und Abschnittsteuerungen treten sowohl postive als auch negative Spannungsbereiche auf, so daß die Bürstenüberwachung mit gleichsinnig gepolten Entkopplungsdioden durchgeführt werden kann. Wenn ein Gleichstrommotor nur in einer Drehrichtung betrieben und mit voller Ankerspannung betrieben wird, müssen die beiden Ankerpolaritäten getrennt ausgewertet werden, indem die Entkopplungsdioden umgekehrt gepolt werden.

Bei der in Fig. 5 dargestellte Anordnung ist eine als Motor und/oder Generator betriebene Gleichstrommaschine 34 an ihren nicht dargestellten Bürstenhaltern mit Kontakten 35 für die eine Polarität und mit Kontakten 26 für die andere Polarität versehen. Die Kontakte 35, von denen in Fig. 5 drei dargestellt sind, sind parallel mit einem Trennwandler 37 verbunden. In gleicher Weise sind die Kontakte 36 parallel an einen Trennwandler 38 angeschlossen. Die Primärwicklungen 39, 40 der Trennwandler 37, 38 sind parallel mit einem Generator 41 verbunden, der einen kleinen Innenwiderstand hat und der in Reihe mit einem Stromrelais 42 gelegt ist.

Der Generator 41 erzeugt eine, beispielsweise hochfrequente, Wechselspannung im Niederspannungsbereich. Vorzugsweise handelt es sich um eine Kleinspannung. Dabei können 5 bis 10 Volt ausreichen. Die Trennwandler 37, 38 sind in oder an der Gleichstrommaschine 34, und zwar vorzugsweise im Klemmkasten, angeordnet. Der Generator 41 kann eine Reihe Primärspannung von weiteren Trenntransformatoren für andere Gleichstrommaschinen speisen.

Die Überwachung mittels Trennwandlers hat den Vorteil, daß auch im Stillstand der Gleichstrommaschine 34 festgestellt werden kann, ob eine Bürste einen kritischen Abnutzungsgrad erreicht hat. Auf der Primärseite der Trennwandler können nur niedrige Spannungen auftreten. Die Sicherheit gegen gefährliche Spannungen wird daher erhöht. Die Leitungen auf der Primärseite der Trennwandler sind nur für geringe Überströme auszulegen. Der Leitungsaufwand wird daher wesentlich verringert. Diesen Vorteil hat im übrigen auch die in Fig. 2 und 3 dargestellte Anordnung. Die Widerstände 14 und 15 sorgen dafür, daß auf den außerhalb der Gleichstrommaschine 4 verlegten Überwachungsleitungen nur kleine Ströme auftreten. Diese Leitungen müssen deshalb nicht für die hohen Kurzschlußleistungen der Gleichstrommaschine 4 ausgelegt sein.

Wenn die Kontakte 35, 36 offen sind, fließt über das Stromrelais 42 ein Leerlaufstrom. Sobald ein Kontakt 35 oder 36 aufgrund einer zu hohen Abnutzung der entsprechenden Bürste anspricht, wird die Sekundärseite des jeweiligen Trennwandlers 37, 38 kurzgeschlossen. Es entsteht ein Kurzschlußstrom, auf den die Ansprechschwelle des Stromrelais 42 eingestellt ist. Über den Arbeitskontakt des Stromrelais 42 kann eine Meldeanordnung betätigt werden.

Claims (11)

1. Vorrichtung zur Überwachung und Meldung der Abnutzung von Kohlebürsten in Gleichstrommaschinen, wobei an den Bürstenhaltern jeweils ein unter Federvorspannung stehender Kontakt befestigt ist, der bei einer vorgegebenen Abnutzung der zugeordneten Bürsten gegen ein die Ankerspannung führendes Teil angedrückt wird, dadurch gekennzeichnet, daß an der jeweiligen Gleichstrommaschine (4; 34) die Kontakte (11, 13; 35, 36), die zu Bürsten (16, 17) mit gleicher Polarität der angelegten Spannung gehören, an einen gemeinsamen Widerstand (14, 15), zu dem eine Entkopplungsdiode (21, 22) in Reihe geschaltet ist, oder an einen gemeinsamen Trennwandler (37, 38) angeschlossen sind, daß die Widerstände (14, 15) bzw. die Trennwandler (37, 38) im Klemmkasten (29) der jeweiligen Gleichstrommaschine (4; 34) angeordnet sind und daß die Widerstände (14, 15) mit den Entkopplungsdioden (21; 22) bzw. die Trennwandler (37, 38) an eine gemeinsame Überwachungs- und Anzeigeanordnung (23; 42) angeschlossen sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand (14, 15) in einem wärmeleitenden Körper (31) angeordnet ist, der im Klemmkasten (29) an einer metallischen Oberfläche befestigt ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand (14, 15) im Klemmkasten (29) am Maschinengehäuse (30) befestigt ist.

4. Vorrichtung nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zu einer Gleichstrommaschine (4) gehörigen Entkopplungsdioden (21, 22) im Klemmkasten (29) angeordnet sind.

5. Vorrichtung nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweilige Gleichstrommaschine (4) wahlweise mit in der Polarität umgekehrten Ankerspannungen beaufschlagbar ist und daß die Entkopplungsdioden (21, 22) je Gleichstrommaschine gleichsinnig gepolt sind.

6. Vorrichtung nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweilige Gleichstrommaschine (4) an zwei gegensinnig gepolte Wechsel- oder Drehstrombrückenschaltungen (18, 19) angeschlossen ist, und daß die Überwachungsanordnung mit dem Sternpunkt des Speisetransformators (20) für die Brückenschaltungen (18, 19) verbunden ist.

7. Vorrichtung nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Überwachungsanordnung eingangsseitig die Parallelschaltung aus einem Widerstand (24) und der Serienschaltung einer Diode (26) und eines RC-Glieds enthält, zu dessen Kondensator (27) ein Spannungsrelais (28) parallel geschaltet ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bürsten mit gleichem Ankerpotential gehörigen Kontakte (35, 36) parallel mit der Sekundärseite des zugehörigen Trennwandlers (37, 38) verbunden sind.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß in Reihe mit den parallel geschalteten Primärwicklungen (39, 40) der Trennwandler (37, 38) eine Wechselspannungsquelle (41) angeordnet ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Wechselspannungsquelle (41) niederohmig ist und eine Kleinspannung erzeugt.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß in Reihe mit der Wechselspannungsquelle (41) ein Stromrelais (42) angeordnet ist, das eine auf den Kurzschlußstrom der Trennwandler (37, 38) eingestellte Ansprechschwelle hat.