PL206925B1 - Urządzenie do ochrony łożyska maszyny elektrycznej przed szkodliwym przepływem prądu - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest urządzenie do ochrony łożyska maszyny elektrycznej przed szkodliwym przepływem prądu.

W znanych maszynach elektrycznych, na przykład silnikach elektrycznych, osadzonych obrotowo za pomocą łożyska, występuje niebezpieczeństwo, że dojdzie do przepływu prądu przez łożysko, zaś związana z tym przepływem erozja iskrowa doprowadzi do uszkodzenia łożyska. Przepływ prądu przez łożysko może powstać wskutek tego, że napięcia przyłożone do zacisków silnika elektrycznego zostaną wprowadzone, na przykład poprzez pojemności rozproszone z uzwojeń stojana, do wirnika silnika elektrycznego. Związane z tym przepływy prądu powodują wreszcie, że na łożysku powstaje napięcie, które może być większe niż wytrzymałość na przebicie warstwy smaru w łożysku, a co za tym idzie, może wyzwalać proces erozji iskrowej. Szczególnie krytyczna sytuacja ma miejsce w silnikach elektrycznych, pracujących z przetwornicami częstotliwości, ponieważ występują tam wyjątkowo wysokie, impulsowe przebiegi zmian napięcia na zaciskach w odniesieniu do korpusu silnika i wirnika, a co za tym idzie, również stosunkowo wysokie napię cia na łożysku.

Z reguł y ł o ż yska chroni się przed niepożądanym przepł ywem prą du, stosują c izolację elektryczną. Zależnie jednak od warunków zastosowania może to być związane z wysokimi nakładami. Poza tym przystosowana do prądu stałego, elektryczna izolacja łożyska nie zawsze stanowi wystarczającą ochronę. Tak na przykład przy prądach zakłóceniowych wysokiej częstotliwości występuje niebezpieczeństwo, że wprowadzenie prądu nastąpi na drodze pojemnościowej.

W pracy pod tytułem „High Frequency Leakage Current Reduction Based on a Common-Mode Voltage Compensation Circuit opublikowanej w czasopiśmie IEEE 1996, strony 1961 do 1967, ujawniono rozwiązanie, polegające na kompensacji prądów zakłóceniowych wysokiej częstotliwości za pomocą układu kompensacyjnego. Okablowanie jest przy tym tak skonstruowane, że kompensacja zachodzi już na drodze energetycznej, to znaczy jeszcze przed podłączeniem obciążenia. Ma to tę wadę, że układ kompensacyjny stanowi część układu energetycznego, zatem jego elementy muszą być dostosowane do stosunkowo wysokich mocy. Poza tym każdy, włączony w obwód energetyczny, czynny element, na przykład indukcyjność, pojemność lub filtr, zwiększa liczbę częstotliwości rezonansowych, przy których wzbudzaniu mogą wystąpić praktycznie nieprzewidywalne przepięcia. Ponieważ przy zastosowaniu przetwornicy częstotliwości należy przyjąć, że w zasadzie wszystkie te częstotliwości rezonansowe mogą być wzbudzane, występuje znaczne ryzyko, że takie przepięcie będzie miało miejsce.

Dla redukcji bądź kompensacji prądu zakłóceniowego w japońskim zgłoszeniu patentowym nr JP 10014159 ujawniono pasywny mechanizm tłumiący do zmniejszania amplitudy prądu zakłóceniowego, w którym nie jest generowany żaden prąd kompensujący lecz, w którym do tłumienia prądu zakłóceniowego mechanizm tłumiący zawiera środki redukujące lub eliminujące prąd przepływający przez wał tzw. prąd wału. Tłumienie prądu zakłóceniowego jest dokonywane za pomocą środków obejmujących rezystor i kondensator, przy czym kondensator absorbuje ładunek elektryczny żelaznego rdzenia stojana poprzez rezystor i w ten sposób kondensator zapobiega wytwarzaniu prądu zakłóceniowego. Według innego przykładu wykonania tłumienie prądu zakłóceniowego jest uzyskiwane poprzez obwód filtra.

Urządzenie do ochrony łożyska maszyny elektrycznej przed szkodliwym przepływem prądu, przy czym maszyna elektryczna ma stojan i wirnik, osadzony za pomocą co najmniej jednego łożyska obrotowo względem stojana, które to urządzenie jest ponadto zaopatrzone w obwód kompensacyjny, według wynalazku charakteryzuje się tym, że obwód kompensacyjny jest skonstruowany do wytwarzania prądu kompensacyjnego, kompensującego powstający podczas pracy maszyny elektrycznej prąd zakłóceniowy, przepływający przez łożysko, przy czym urządzenie jest zaopatrzone w element sprzęgający do bezpośredniego i/lub pośredniego doprowadzania tego prądu kompensacyjnego do łożyska, który to prąd kompensacyjny ma wartość odpowiadającą wartości prądu zakłóceniowego ale jest w przeciwnej fazie w stosunku do prądu zakłóceniowego.

Korzystnie, obwód kompensacyjny zawiera sztuczny punkt gwiazdowy do wytwarzania napięcia punktu gwiazdowego, do którego przyłożone są napięcia fazowe, potrzebne do pracy maszyny elektrycznej.

Korzystnie, sztuczny punkt gwiazdowy składa się z trzech jednakowych impedancji.

Korzystnie, obwód kompensacyjny zawiera przemiennik biegunowości, do uzwojenia pierwotnego którego, doprowadzane jest w całości, względnie częściowo, napięcie punktu gwiazdowego i na

PL 206 925 B1 którego uzwojeniu wtórnym wytwarzane jest napięcie przeciwfazowe względem napięcia punktu gwiazdowego.

Korzystnie, obwód kompensacyjny zawiera układ dopasowywania amplitudy, który jest włączony pomiędzy sztuczny punkt gwiazdowy i przemiennik biegunowości, przykładający do przemiennika biegunowości regulowany ułamek napięcia punktu gwiazdowego.

Korzystnie, przemiennik biegunowości ma na uzwojeniu wtórnym kilka końcówek odprowadzających.

Korzystnie, przemiennik biegunowości jest od strony uzwojenia wtórnego połączony z wejściem układu dopasowywania charakterystyki częstotliwościowej, służącego do dopasowywania charakterystyki częstotliwościowej prądu kompensacyjnego do prądu zakłóceniowego.

Korzystnie, wyjście układu dopasowywania charakterystyki częstotliwościowej jest połączone z elementem sprzęgającym.

Korzystnie, element sprzęgający jest tak usytuowany, że zachodzi doprowadzanie prądu kompensacyjnego do wału wirnika, za pomocą którego wirnik jest osadzony obrotowo w łożysku.

Korzystnie, element sprzęgający stanowi kondensator.

Zaletą rozwiązania według wynalazku jest zabezpieczenie łożyska maszyny elektrycznej przed przepływem prądu.

Wynalazek stosuje się w maszynie elektrycznej, zawierającej stojan i wirnik, osadzony za pomocą co najmniej jednego łożyska obrotowo względem stojana. Zalety urządzenia według wynalazku wynikają z faktu, że zawiera ono układ kompensacyjny do wytwarzania prądu kompensacyjnego do kompensacji powstającego podczas pracy maszyny elektrycznej prądu zakłóceniowego, przepływającego przez łożysko, oraz element sprzęgający do bezpośredniego lub pośredniego doprowadzania prądu kompensacyjnego do łożyska.

Wynalazek ma przede wszystkim tę zaletę, że zapewnia niezawodną ochronę łożyska przed przepływem prądu, a co za tym idzie, przed związanym z nim potencjalnym uszkodzeniem łożyska. Środek zabezpieczający stosuje się przy tym dokładnie w tym miejscu, które ma być chronione, mianowicie na łożysku. Pozwala to utrzymać nakłady związane z realizacją urządzenia według wynalazku na stosunkowo niskim poziomie, ponieważ urządzenie pod względem mocy nie musi być dostosowane do pracy maszyny elektrycznej, lecz jedynie do kompensacji prądu zakłóceniowego, płynącego przez łożysko. Kolejna zaleta wynalazku polega na tym, że urządzenie według wynalazku można zrealizować w dużej mierze niezależnie od klasy mocy maszyny elektrycznej, a także można je później wbudować w istniejącą maszynę, ponieważ nie ingeruje ono w układ sterowania maszyny elektrycznej.

Układ kompensacyjny może zawierać sztuczny punkt gwiazdowy do wytwarzania napięcia punktu gwiazdowego, do którego przyłożone są napięcia fazowe, potrzebne do pracy maszyny elektrycznej. Sztuczny punkt gwiazdowy składa się z reguły z trzech jednakowych impedancji. W ten sposób można przy użyciu stosunkowo prostych środków wytworzyć sygnał odniesienia dla kompensacji.

Ponadto układ kompensacyjny może zawierać przemiennik biegunowości, do którego uzwojenia pierwotnego doprowadzane jest w całości lub częściowo napięcie punktu gwiazdowego i na którego uzwojeniu wtórnym wytwarzane jest napięcie przeciwfazowe względem napięcia punktu gwiazdowego. Układ kompensacyjny może w szczególności zawierać układ dopasowywania amplitudy, który jest wstawiony pomiędzy sztuczny punkt gwiazdowy i przemiennik biegunowości i przykłada do przemiennika biegunowości regulowany ułamek napięcia punktu gwiazdowego. Przemiennik biegunowości może mieć kilka końcówek odprowadzających. Ponadto przemiennik biegunowości może być od strony uzwojenia wtórnego połączony z wejściem układu dopasowywania charakterystyki częstotliwościowej, który służy do dopasowywania charakterystyki częstotliwościowej prądu kompensacyjnego do prądu zakłóceniowego. W opisanych powyżej elementach składowych chodzi o standardowe podzespoły, dostępne na rynku w najróżniejszych wariantach wykonania, co pozwala bez problemu optymalnie dopasować urządzenie według wynalazku do danego zastosowania.

Wyjście układu dopasowywania charakterystyki częstotliwościowej jest połączone z elementem sprzęgającym. Element sprzęgający jest przy tym zwłaszcza tak usytuowany, że zachodzi doprowadzanie prądu kompensacyjnego do wału wirnika, za pomocą którego wirnik jest osadzony obrotowo w ł o ż ysku. Element sprzę gają cy stanowi korzystnie kondensator. W ten sposób prą d kompensacyjny można bezdotykowo doprowadzić do wału, a co za tym idzie, do łożyska, w związku z czym przy wprowadzaniu prądu kompensacyjnego nie występują problemy związane ze zużyciem elementu sprzęgającego.

PL 206 925 B1

Przedmiot wynalazku jest uwidoczniony w przykładzie wykonania na rysunku, na którym pojedyncza figura (fig. 1) przedstawia układ kompensacyjny, wbudowany w obwód sterowania silnika elektrycznego.

W zalecanym przykł adzie wykonania wedł ug wynalazku sterowanie silnikiem elektrycznym odbywa się za pomocą przetwornicy częstotliwości 1, która na wyjściu wytwarza trzy napięcia fazowe U, V i W, które w postaci połączenia gwiazdowego są przyłożone do pierwszego uzwojenia 2 stojana, drugiego uzwojenia 3 stojana i trzeciego uzwojenia 4 stojana, to znaczy każde z trzech uzwojeń 2, 3 i 4 stojana jest połączone jednym końcem z jednym z wyjść przetwornicy częstotliwości 1, do którego przyłożone jest jedno z napięć U, V lub W· Pozostałe końce trzech uzwojeń 2, 3 i 4 stojana są połączone ze sobą· Poza uzwojeniami 2, 3 i 4 stojana silnik elektryczny ma wirnik 5 z wałem 6, osadzonym za pomocą tocznego łożyska 7, obrotowo względem uzwojeń 2, 3 i 4 stojana· Łożysko toczne 7 ma pierścień wewnętrzny 8, pierścień zewnętrzny 9 i umieszczone pomiędzy pierścieniem wewnętrznym 8 i pierścieniem zewnętrznym 9 elementy toczne 10· Pierścień wewnętrzny 8 jest połączony na stałe i w sposób przewodzący prąd elektryczny z wałem 6 wirnika· Pierścień zewnętrzny 9 może być przykładowo wtłoczony w otwór zaznaczonego jedynie symbolicznie korpusu 11, a zatem połączony na stałe i w sposób przewodzący prąd elektryczny z korpusem 11· Wał 6 wirnika jest z reguły osadzony za pomocą co najmniej jednego następnego łożyska tocznego 7, które jednak z uwagi na lepszą przejrzystość rysunku nie zostało na nim przedstawione·

Opisane okablowanie względnie opisana budowa silnika elektrycznego powodują, że występuje w nim szereg pojemności rozproszonych, przez które mimo stałoprądowej izolacji mogą przechodzić napięcia· Na rysunku pojemności rozproszone, o ile są istotne dla wynalazku, zostały zaznaczone symbolem kondensatora· W szczególności pomiędzy pierwszym uzwojeniem 2 stojana i wirnikiem 5 znajduje się pierwsza pojemność rozproszona 12, pomiędzy drugim uzwojeniem 3 stojana i wirnikiem 5 znajduje się druga pojemność rozproszona 13, zaś pomiędzy trzecim uzwojeniem 4 stojana i wirnikiem 5 znajduje się trzecia pojemność rozproszona 14· Ponadto łożysko 7 toczne powoduje obecność czwartej pojemności rozproszonej 15, działającej pomiędzy pierścieniem zewnętrznym 9 i wałem 6 wirnika· Wreszcie piąta pojemność rozproszona 16 znajduje się pomiędzy wirnikiem 5 i korpusem 11· Pojemności rozproszone 12, 13, 14, 15 i 16 powodują, że w następstwie napięcia punktu gwiazdowego, przyłożonego w obszarze wspólnego połączenia trzech uzwojeń 2, 3 i 4 stojana pomiędzy tymi uzwojeniami i wirnikiem 5, a zatem także przez wał 6 wirnika, płynie niepożądany pojemnościowy prąd zakłóceniowy· Odpowiednio dochodzi do przepływu prądu pomiędzy wirnikiem 5 względnie wałem 6 wirnika i uziemionym korpusem 11· Ten prąd zakłóceniowy sprawia, że pomiędzy wirnikiem 5 i korpusem 11, a zatem również na łożysku 7 tocznym względnie na łożyskach 7 tocznych, powstaje napięcie U_L, które bez podejmowania żadnych innych środków jest często większe niż wytrzymałość na przebicie warstwy smaru w łożysku 7 tocznym, wynosząca zazwyczaj około 0,5 V· Napięcie U_L ma zazwyczaj wartości od 3 do 7% napięć powstających na uzwojeniach stojana w stosunku do korpusu 11· Napięcie U_L na łożysku tocznym może zatem wyzwalać proces erozji iskrowej, która z kolei może prowadzić do uszkodzenia łożyska tocznego·

Zjawisko to jest wyeliminowane przez opisane poniżej elementy składowe układu, za pomocą których do wału 6 wirnika doprowadzany jest pojemnościowo prąd równy prądowi zakłóceniowemu, lecz pozostający z nim w przeciwfazie· Do wytwarzania prądu kompensacyjnego służy między innymi sztuczny punkt gwiazdowy 17, w którym zebrane są przez kondensatory przewody, doprowadzające prąd z przetwornicy częstotliwości 1 do uzwojeń 2, 3 i 4 stojana· Na wyjściu 24 sztucznego punku gwiazdowego 17 występuje takie samo napięcie, jakie panuje wewnątrz silnika wskutek obecności pojemności rozproszonych 12, 13 i 14· Napięcie U wynika z pojemnościowego podziału napięcia pomiędzy pojemności rozproszone 12, 13, 14 z jednej strony oraz pozostałe pojemności rozproszone 15, 16 z drugiej strony· Do punktu gwiazdowego 17 podłączony jest układ bądź stopień 18 dopasowywania amplitudy, połączony ponadto z korpusem 11· Układ 18 dopasowywania amplitudy ma zmienny pobór napięcia, pozwalający na pobieranie żądanego ułamka napięcia, podawanego przez sztuczny punkt gwiazdowy 17· Zmienny pobór układu 18 dopasowywania amplitudy jest połączony z uzwojeniem pierwotnym 19 przemiennika biegunowości 20, połączonego poza tym z korpusem 11· Uzwojenie wtórne 21 przemiennika biegunowości 20 jest po pierwsze podłączone również do korpusu 11, po drugie zaś do wejścia układu 22 dopasowywania charakterystyki częstotliwościowej· Kierunek zwojów uzwojenia pierwotnego 19 i uzwojenia wtórnego 21 przemiennika biegunowości 20 są wzajemnie przeciwne, w związku z czym na uzwojeniu wtórnym 21 powstaje napięcie odwrotne względem napięcia przyłożonego do uzwojenia pierwotnego 19· Układ 22 dopasowywania charakterystyki częstotliwoPL 206 925 B1 ściowej jest na wyjściu połączony z elementem sprzęgającym 23, korzystnie kondensatorem, którego jedna elektroda jest podłączona do wału 6 wirnika. Ponadto układ 22 dopasowywania charakterystyki częstotliwościowej jest połączony z korpusem 11.

Zamiast stosować układ 18 dopasowywania amplitudy jako odrębny element składowy, można jego funkcję wbudować w przemiennik biegunowości 20. W tym celu uzwojenie pierwotne 19 przemiennika biegunowości 20 łączy się z punktem gwiazdowym 17 i korpusem 11, zaś na uzwojeniu wtórnym znajduje się kilka końcówek odprowadzających, dzięki czemu amplitudę napięcia, doprowadzanego do układu 22 dopasowywania charakterystyki częstotliwościowej, można zmieniać poprzez dobór odpowiedniej końcówki odprowadzającej.

Przy kompensacji prądów zakłóceniowych wprowadzonych do wirnika 5 postępuje się w sposób następujący: Za pomocą układu 18 dopasowywania amplitudy odpowiedni ułamek napięcia, przyłożonego do sztucznego punktu gwiazdowego 17, przesyła się do przemiennika biegunowości 20, wytwarzając tym samym odwrotnie spolaryzowane napięcie. Do dalszego przetwarzania wykorzystuje się zatem jedynie ułamek napięcia, występującego w sztucznym punkcie gwiazdowym 17, w związku z czym zastosowane do tego celu elementy składowe muszą być dostosowane jedynie do tego ułamka napięcia. Układ 22 dopasowywania charakterystyki częstotliwościowej dopasowuje charakterystykę częstotliwościową prądu, wynikającego z tego napięcia, do danego prądu zakłóceniowego, aby umożliwić jak najbardziej dokładną kompensację. Wytworzony w ten sposób prąd kompensacyjny jest doprowadzany przez kondensator sprzęgający 23 do wału 6 wirnika i w idealnym przypadku odpowiada co do wartości sumie wszystkich prądów zakłóceniowych, wprowadzonych do wirnika 5, dzięki czemu wskutek odwrotnego znaku wirnik 5 nie jest zasilany prądem netto, ewentualnie zasilanie to jest niewielkie. Na łożysku 7 tocznym względnie na łożyskach 7 tocznych występuje zatem niewielkie napięcie U_L, które nie wystarcza do uszkodzenia tego łożyska tocznego. Doprowadzenie prądu kompensacyjnego do wału 6 wirnika można zrealizować poprzez odpowiednie ukształtowanie kondensatora stanowiącego element sprzęgający 23 jako kondensatora izolowanego powietrzem, mającego postać elementu nasadzanego na wał 6 wirnika i nie wymagającego zastosowania części podlegających zużyciu. Alternatywnie można również doprowadzić prąd kompensacyjny w innym miejscu do wirnika 5 lub do pierścienia wewnętrznego 8 łożyska 7 tocznego.

Wykaz odnośników przetwornica częstotliwości pierwsze uzwojenie stojana drugie uzwojenie stojana trzecie uzwojenie stojana wirnik wał wirnika łożysko toczne pierścień wewnętrzny pierścień zewnętrzny element toczny korpus pierwsza pojemność rozproszona druga pojemność rozproszona trzecia pojemność rozproszona czwarta pojemność rozproszona piąta pojemność rozproszona sztuczny punkt gwiazdowy układ dopasowywania amplitudy uzwojenie pierwotne przemiennik biegunowości uzwojenie wtórne układ dopasowywania charakterystyki częstotliwościowej element sprzęgający wyjście sztucznego punktu gwiazdowego

Claims (10)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Urządzenie do ochrony łożyska maszyny elektrycznej przed szkodliwym przepływem prądu, przy czym maszyna elektryczna ma stojan i wirnik, osadzony za pomocą co najmniej jednego łożyska obrotowo względem stojana, które to urządzenie jest ponadto zaopatrzone w obwód kompensacyjny, znamienne tym, że obwód kompensacyjny jest skonstruowany do wytwarzania prądu kompensacyjnego, kompensującego powstający podczas pracy maszyny elektrycznej prąd zakłóceniowy, przepływający przez łożysko (7), przy czym urządzenie jest zaopatrzone w element sprzęgający (23) do bezpośredniego i/lub pośredniego doprowadzania tego prądu kompensacyjnego do łożyska (7), który to prąd kompensacyjny ma wartość odpowiadającą wartości prądu zakłóceniowego ale jest w przeciwnej fazie w stosunku do prądu zakłóceniowego.
2. 2. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że obwód kompensacyjny zawiera sztuczny punkt gwiazdowy (17) do wytwarzania napięcia punktu gwiazdowego, do którego przyłożone są napięcia fazowe, potrzebne do pracy maszyny elektrycznej.
3. 3. Urządzenie według zastrz. 2, znamienne tym, że sztuczny punkt gwiazdowy (17) składa się z trzech jednakowych impedancji.
4. 4. Urządzenie według zastrz. 2 albo 3, znamienne tym, że obwód kompensacyjny zawiera przemiennik biegunowości (20), do uzwojenia pierwotnego którego, doprowadzane jest w całości, względnie częściowo, napięcie punktu gwiazdowego (17) i na którego uzwojeniu wtórnym wytwarzane jest napięcie przeciwfazowe względem napięcia punktu gwiazdowego.
5. 5. Urządzenie według zastrz. 4, znamienne tym, że obwód kompensacyjny zawiera układ (18) dopasowywania amplitudy, który jest włączony pomiędzy sztuczny punkt gwiazdowy (17) i przemiennik biegunowości (20), przykładający do przemiennika biegunowości (20) regulowany ułamek napięcia punktu gwiazdowego.
6. 6. Urządzenie według zastrz. 4, znamienne tym, że przemiennik biegunowości (20) ma na uzwojeniu wtórnym kilka końcówek odprowadzających.
7. 7. Urządzenie według zastrz. 4, znamienne tym, że przemiennik biegunowości (20) jest od strony uzwojenia wtórnego połączony z wejściem układu (22) dopasowywania charakterystyki częstotliwościowej, służącego do dopasowywania charakterystyki częstotliwościowej prądu kompensacyjnego do prądu zakłóceniowego.
8. 8. Urządzenie według zastrz. 7, znamienne tym, że wyjście układu (22) dopasowywania charakterystyki częstotliwościowej jest połączone z elementem sprzęgającym (23).
9. 9. Urządzenie według zastrz. 1 albo 8, znamienne tym, że element sprzęgający (23) jest tak usytuowany, że zachodzi doprowadzanie prądu kompensacyjnego do wału (6) wirnika (5), za pomocą którego wirnik (5) jest osadzony obrotowo w łożysku (7).
10. 10. Urządzenie według jednego z zastrz. 9, znamienne tym, że element sprzęgający (23) stanowi kondensator.