WO2006117209A1 - Anordung zum begrenzen von überspannungen an funktionsteilen umrichtergespeister elektrischer maschinen - Google Patents

Anordung zum begrenzen von überspannungen an funktionsteilen umrichtergespeister elektrischer maschinen Download PDF

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WO2006117209A1
WO2006117209A1 PCT/EP2006/004146 EP2006004146W WO2006117209A1 WO 2006117209 A1 WO2006117209 A1 WO 2006117209A1 EP 2006004146 W EP2006004146 W EP 2006004146W WO 2006117209 A1 WO2006117209 A1 WO 2006117209A1
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WO
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arrangement
limiting overvoltages
bearings
rotating contact
bearing
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PCT/EP2006/004146
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Jens Proske
Frieder Kielmann
Tom Wollmann
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Vem Sachsenwerk Gmbh
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K11/00—Structural association of dynamo-electric machines with electric components or with devices for shielding, monitoring or protection
    • H02K11/40—Structural association with grounding devices
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K5/00—Casings; Enclosures; Supports
    • H02K5/04—Casings or enclosures characterised by the shape, form or construction thereof
    • H02K5/16—Means for supporting bearings, e.g. insulating supports or means for fitting bearings in the bearing-shields
    • H02K5/173—Means for supporting bearings, e.g. insulating supports or means for fitting bearings in the bearing-shields using bearings with rolling contact, e.g. ball bearings
    • H02K5/1732—Means for supporting bearings, e.g. insulating supports or means for fitting bearings in the bearing-shields using bearings with rolling contact, e.g. ball bearings radially supporting the rotary shaft at both ends of the rotor

Definitions

  • the invention relates to an arrangement for limiting overvoltages
  • earthing brushes To protect the bearing against inadmissible low-frequency voltages and consequent currents, the known earthing brushes have long been used. These grounding brushes limit in sine mode in conjunction with other protective measures, such as e.g. Use of insulated bearings, reliably the electrical stresses occurring in the warehouse. In addition, earthing brushes provide the necessary for the protection against contact and to protect the coupled machine in medium and large machines shaft grounding.
  • Hybrid bearings are when the rolling elements of a rolling bearing made of ceramic materials. These ceramic rolling elements achieve a high insulation effect, so that the current flow can be effectively interrupted.
  • hybrid bearings are very expensive to manufacture, are accordingly expensive and are not available in all sizes.
  • the invention has for its object to provide an arrangement for limiting overvoltages and resulting currents in functional parts of inverter-fed electrical machines, to the over the radial gap of the bearing (in the other machine bearing) and at the same time over the grounding brush voltages and through these components to limit flowing primarily high-frequency currents so that sufficient protection for both components is ensured, ie, that both the mechanical load capacity of the machine or the machine, as well as the electrical protection of the grounding brush over a longer life than previously guaranteed.
  • Machines have a life-prolonging effect on the machine bearings and grounding brushes.
  • the connecting and connecting lines are designed inductively low in a special way and designed according to the invention rotating contact means establishes a secure contact to the shaft.
  • the rotating contact device causes in the simplest way a reliable, speed and oscillation independent galvanic contact to the shaft, which is equally suitable for both low and high frequency leakage currents.
  • these are designed as a protector bearing.
  • Protector bearings have the advantage that they do not have to perform any bearing function and, secondly, are ideally suited to produce a secure electrical contact even at different rotational speeds of the rotor shaft.
  • the protector bearings are advantageous to design as conventional rolling bearings.
  • the bearings are particularly small and compared to the machine bearings particularly cost. Associated with this is simultaneously a lower peripheral speed of the protector bearing inner ring, which reduces the wear effect of the Protector bearing. It is also conceivable z.
  • the protector bearing according to the invention to be dimensioned so that they can be arranged in the labyrinth of one or both machine bearings, so that they act directly on the vulnerable radial gap of the machine bearing.
  • the rolling bearings are designed as axially preloaded bearings.
  • a further improvement in the contacting can be achieved if a contact material is arranged in the interior of the rotating contact devices or the protector bearing.
  • the contact materials can be present in pasty or in fluidic consistency.
  • the contact material is formed as a conductive lubricant that electrically highly conductive non-metallic admixtures such.
  • B. contains graphite.
  • the short circuit disks known per se are arranged laterally on one or both sides of the rotating contact devices or the protector bearings in order to further improve the contacting.
  • torque supports are arranged. These torque arms can be particularly low inductance, such as. 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.
  • Figure 1 shows the equivalent circuit diagram of the common mode circuit of a stator or rotor-powered electric machine with grounded shaft
  • Inverter supply Figure 2 shows a side view of the rotating invention
  • Figure 3 shows the top view of a contact device 10 according to the invention including a possible variant of the electrical connection to the
  • 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 is connected to the rotor shaft 7 out.
  • This arrangement acts electrically as a high-pass and thus limits the existing over the machine bearing 8 and the grounding brush 12 and 11 high-frequency electrical stresses to an acceptable level.
  • the rotating contact device 10 is z. B. from an otherwise common deep groove ball bearing that is mounted on a shaft extension 2 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 3 (grease) located in the deep groove ball bearing.
  • a per se known short-circuiting disk 4 is additionally used.
  • the deep groove ball bearing has no supporting function and serves alone as Contact device. By comparison, such a contact in the machine bearings 8 would be impractical, since the carrying function is adversely affected by current transitions or abrasion of short-circuiting discs used therein.
  • the acting as a high-pass arrangement causes a capacitive wave grounding and limited in terms of the task, the electrical high-frequency stresses of the machine bearings 8 and their isolation with the capacitance C5 and the grounding brushes 11, 12 in a significant way.
  • FIG. 1 shows the equivalent circuit diagram of a common-mode circuit of a stator or rotor-fed electrical machine with a grounded shaft when supplied by means of a voltage intermediate circuit converter.
  • the functionally impressed by the inverter common-mode voltage UO is above the capacitance Cl between the winding, in which the voltage pulses are fed and the stator housing.
  • the inverter common-mode voltage UO is above the capacitance Cl between the winding, in which the voltage pulses are fed and the stator housing.
  • the inverter common-mode voltage UO is above the capacitance Cl between the winding, in which the voltage pulses are fed and the stator housing.
  • Parallel to the capacitance Cl 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.
  • stator winding 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 UO 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 bearing 8 and the capacity C5 of the bearing insulation.
  • the height of the voltage across the lubricant gap of the machine bearing 8 now depends in turn 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 voltages above C4 leads to the breakdown of the lubricant gap with all negative consequences regarding the bearing life.
  • the rotor shaft 7 is grounded via a conventional brush sliding contact 12, the brush itself and its pigtail represents an impedance 11 as in the equivalent circuit diagram, which initially determines the height of the bearing voltage.
  • the dynamic peaks in the bearing voltage and the associated Ableitströmen on the brush sliding contact 12 lead except the operationally existing wear to erosive changes in the brush and slip ring surface.
  • Parallel to the voltage divider C4 and C5 according to the invention is the rotating
  • 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.
  • a protector bearing 1 is shown as a rotating contact device 10 by way of example. This is shrunk on the shaft extension 2 with respect to the rotor shaft 7 of smaller diameter.
  • the outer ring of the protector bearing 1 is mechanically fixed and electrically securely connected to a protector housing 16.
  • the protector housing 16 is held over the insulated torque arm 5, which is fastened via torque arm bolts 13.
  • the inductance-poor connection 6 is connected to the protector housing 16 via the protector bearing terminal 14.
  • the two Protector bearing caps 9 are fastened by means of several Protector- Lagerdeckelverschraubitch 15.
  • stator and rotor iron (mainly determined by the dimensions of the stator bore and the air gap)

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  • Power Engineering (AREA)
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Begrenzen von Überspannungen an Funktionsteilen umrichtergespeister elektrischer Maschinen. 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. 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. In einer zweiten Ausfuhrung 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. 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. Die Anordnung führt zu einer Lebensdauerverlängerung an den Maschinenlagern und Erdungsbürsten.

Description

Anordnung zum Begrenzen von Überspannungen an Funktionsteilen umrichtergespeister elektrischer Maschinen
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.
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.
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 Al 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. So wurde in der DE 35 11 755 Al eine Anordnung zur Ableitung von Wellenspannungen vorgeschlagen, bei der die steüen 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.
Es wurde auch bereits vorgeschlagen, die Lagerströme über leitfähige Dichtringe an den Lagern vorbeizuleiten, siehe DE 200 07 714 Ul. Dazu ist festzustellen, dass die elektrische Leitfähigkeit des Dichtringmaterials nicht beliebig erhöht werden kann und immer noch unzulässige Lagerspannungen entstehen können.
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 Ul beschrieben.
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.
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. Der in DE 35 11 755 Al enthaltene Anspruch zur kapazitiven Wellenerdung scheint vom Grundsatz her zwar Erfolg versprechend. Die im Ausfuhrungsbeispiel 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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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. 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.
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.
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.
Vorteilhaft ist es, wenn der Kontaktwerkstoff als ein leitfähiges Schmiermittel ausgebildet ist, dass elektrisch hochleitfähige nichtmetallische Beimengungen , wie z. B. Graphit enthält.
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.
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.
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.
Die Erfindung soll nachstehend an Hand der Figuren 1 bis 3 näher beschrieben werden.
Figur 1 zeigt das Ersatzschaltbild des Gleichtaktkreises einer Ständer- oder läufergespeisten elektrischen Maschine mit geerdeter Welle bei
Umrichterspeisung Figur 2 zeigt eine Seitenansicht der erfindungsgemäßen rotierenden
Kontakteinrichtung 10
Figur 3 zeigt die Draufsicht einer erfindungsgemäßen Kontakteinrichtung 10 einschließlich einer möglichen Variante des elektrischen Anschlusses an das
Gehäuse 17 der elektrischen Maschine
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.
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.
In Figur 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 UO liegt über der Kapazität Cl 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 Cl 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 UO 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. 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.
In den Figuren 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. Liste der Bezugszeichen
UO Common-mode-Spannung
Cl 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)
C2 Kapazität zwischen der Wicklung, in die die Spannungsimpulse eingespeist werden und dem Läufereisen
(bei Einspeisung in die Ständerwicklung im wesentlichen durch die Ständerwickelköpfe bestimmt; bei Einspeisung in die Läuferwicklung im wesentlichen durch die in den
Läufernuten liegenden Wicklungsteile bestimmt)
C3 Kapazität zwischen Ständer- und Läufereisen (hauptsächlich durch die Abmessungen der Ständerbohrung und dem Luftspalt bestimmt)
C4 Kapazität der Maschinenlager (hauptsächlich durch den Schmiermittelspalt zwischen Wälzkörpern und Laufringen bestimmt) und paralleler Funkenstrecke zwischen Wälzkörper und Laufringen C5 Kapazität der Lagerisolation
C6 Kapazität zur Beschaltung der hochfrequenten Läufererdung
DS Antriebsseite der elektrischen Maschine
NS Nicht-Antriebsseite der elektrischen Maschine
GE Gehäuseerde 1 Protector-Lager
2 Wellenverlängerung mit kleinerem Durchmesser
3 elektrisch leitendes Schmiermittel
4 Kurzschlussscheibe
5 isolierte Drehmomentenstütze 6 induktivitätsarme Verbindung
7 Läuferwelle
8 Maschinenlager
9 Protector-Lagerdeckel
10 rotierende Kontakteinrichtung 11 Komplexer Ersatzwiderstand des Bürsten-Schleifkontaktes und der Bürsten- Anschlußlitze Bürsten-Schleifkontakt Drehmomentstützenverschraubung Protector-Lager- Anschlußklemme Protector-Lagerdeckelverschraubung Protector-Gehäuse Gehäuse der elektrischen Maschine

Claims

Patentansprüche:
1. 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.
2. 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.
3. Anordnung zum Begrenzen von Überspannungen nach Anspruch loder 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.
4. Anordnung zum Begrenzen von Überspannungen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die rotierende Kontakteinrichtung auf einer zusätzlichen Wellenverlängerung angeordnet ist
5. Anordnung zum Begrenzen von Überspannungen nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die rotierende Kontakteinrichtung im Labyrinth der Maschinenlager angeordnet ist. ό. 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.
7. Anordnung zum Begrenzen von Überspannungen nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die rotierenden Kontakteinrichtungen als Protector-Lager ausgebildet sind.
8. Anordnung zum Begrenzen von Überspannungen nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Protector-Lager als übliche Wälzlager ausgebildet sind.
9. Anordnung zum Begrenzen von Überspannungen nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Wälzlager als axial vorgespannte Wälzlager ausgebildet sind.
10. 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.
11. Anordnung zum Begrenzen von Überspannungen nach einem der vorstehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kontaktwerkstoff als ein leitfähiges Schmiermittel ausgebildet ist, dass elektrisch hochleitfahige nichtmetallische Beimengungen enthält.
12. 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.
13. 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.
14. 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.
15. Anordnung zum Begrenzen von Überspannungen nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehmomentenstütze als dünnwandige tellerförmige metallische Kappe ausgeführt ist.
16. 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.
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