Щітково-контактний вузол електричної машини

Реферат: Щітково-контактний вузол електричної машини належить до електромашинобудування, переважно до електричних машин значної потужності, і може бути використаний для струмознімання за допомогою груп паралельно включених електрощіток. Щітково-контактний вузол електричної машини містить утримувач щітки з електрощіткою, яка виконана з можливістю переміщення вздовж осі утримувача щітки, пневмоциліндр, що змінює зусилля натиску на щітку, датчик переміщення та датчик тиску, який пов'язаний із пристроєм, що дроселює, який керується дистанційно, вимірювач струму, що встановлений на шині електричної машини, датчик температури, що встановлений у робочій зоні щітки, при цьому датчик тиску встановлений між пристроєм, що дроселює, та пневмоциліндром. Технічним результатом є підвищення надійності роботи щітково-контактного вузла. UA 111548 C2 (12) UA 111548 C2 UA 111548 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до електромашинобудування, переважно до електричних машин значної потужності, і може бути використаний для струмознімання за допомогою груп паралельно включених електрощіток. Відомо, що основна функція елементів контакту, що ковзає, - передача струму між частинами електричних машин, що взаємно переміщаються [Копилов І.Л. Електричні машини: навч. для вузів. - М.: Вища. шк. Логос; 2000. - с. 519]. Щітково -контактний апарат електричної машини (наприклад генератора) забезпечує подачу постійного струму від нерухомих струмоведучих частин до комутатора (колектора), що обертається. Відомо також, що при паралельному включенні великої кількості щіток величина струму, що проходить через кожну щітку, сильно відрізняється від щітки до щітки. Це відбувається по ряду причин, зокрема: - електрощітки мають розкид електрофізичних характеристик в межах не менше 10 %; - коефіцієнт тертя щіток по комутатору і сила натискання пружин щіткотримачів також відрізняються, хоча і не такою мірою; - енерговиділення в щіткова контакті за рахунок сил тертя також відрізняється від щітки до щітки. В результаті вказаних електричних і механічних причин частина щіток, у контактному шарі яких спостерігається найбільше енерговиділення, перегрівається. Як підтверджують дані досліджень (Pan Trac Carbon Brushes for Industrial abd Railway Technology, Pan Trac GmbH, Germany, Berlin, p. 809) при підвищенні температури в зоні перегріву збільшується коефіцієнт тертя, що веде до подальшого розігріву в зоні щіткового контакту. Надалі це призводить до підгару комутатора і руйнування щіток, тобто до аварії. Як спосіб боротьби з такою ситуацією режим роботи крупних електричних машин і великою кількістю паралельно включених електрощіток передбачають при проектуванні середнє значення величин струму через кожну щітку значно більш низьке, ніж максимально можливе. Проектування виконують так, щоб навіть помітне перевищення енерговиділення в декількох щітках і нерівномірність струморозподілу не приводили до аварійної ситуації. Однак при цьому збільшується загальна кількість електрощіток і зменшується щільність струму під кожною з них. Узагальнюючи дані про вибір режиму роботи контакту, що ковзає, електричних машин [див. Лівшиць П.С., Скользящий контакт електричних машин (властивості, характеристики, експлуатація). - М. вид-во "Енергія", 1974], можна зробити висновок про принципову можливість нормального функціонування електричного контакту при значній щільності струму. Відомі способи забезпечення рівномірного розподілу в підключених паралельно щітках шляхом використання щіткотримачів з рулонними пружинами постійного натискання [див., Наприклад, описи до патентів США № US 2013/0244450, М. кл. H01R 39/40 від 14.03.2012 та № US 2013/0342071, М. кл. H0IR 39/40 від 11.11.2013]. Щіткотримачі являють собою досить складну збірку, яка хоча і забезпечує досить тривалий час сталість контакту щітки з комутатором за рахунок рулонної пружини, однак практично не пристосована для контролю за станом контакту і його регулювання. Відомі спроби забезпечити рівномірний розподіл в підключених паралельно щітках шляхом використання щіткотримачів з рулонними пружинами постійного натискання [див., Наприклад, описи до патентів США № US 2013/0244450, М.кл. H01R 39/40 від 14.03.2012 та № US 2013/0342071, М. кл. H01R 39/40 від 11.11.2013]. Щіткотримачів являють собою досить складну збірку, яка хоча і забезпечує досить тривалий час сталість контакту щітки з комутатором за рахунок рулонної пружини, однак практично не пристосована для контролю за станом контакту і його регулювання. Найбільш близьким технічним рішенням за призначенням, технічною суттю та результатом, що досягають при використанні, є щітково-контактний вузол електричної машини, який містить колектор, електрощітки, встановлені в щіткотримачі з можливістю переміщення уздовж осі щіткотримачів [див. Опис до патенту РФ № 2414783, М. кл. H01R 39/40, від 17.03.2010], в якому стінки щіткотримачів виконані з магнітного і немагнітного матеріалу і з метою зниження ступеня іскріння на краях щіток, що збігають, колекторних електричних машин (КЕМ) з важкими умовами комутації містять додаткові полюси магніту. Зазначене вище технічне рішення сприяє зниженню ступеня іскріння на краях щіток КЕМ, що збігають, і збільшує термін служби щіток і колектора. Однак, як зазначено раніше, зниження терміну служби зумовлено внеском інших більш вагомих причин, які ведуть не тільки до зниження терміну служби, але можуть бути причинами аварійних ситуацій, що особливо важливо при експлуатації електричних машин великої потужності. Тому задачею технічного рішення, що заявляють, є підвищення надійності роботи щітковоконтактного вузла. 1 UA 111548 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 В основу технічного рішення, що заявляють, поставлена задача удосконалення щітковоконтактного вузла, в якому, внаслідок використання додатково пристрою, що дистанційно змінює зусилля натискання на щітку, і пристроїв дистанційного вимірювання стану щітковоконтактного вузла, досягається новий технічний результат. Він полягає в забезпеченні можливості оптимізувати роботу кожної щітково-контактної групи, що входить до складу колекторного вузла електричної машини. При цьому робота кожної щітково-контактної групи відбувається в області найбільш оптимальних струмовому і тепловому режимах протягом усього періоду експлуатації і може здійснюватися автоматично без втручання обслуговуючого персоналу. Поставлена задача вирішується тим, що у відомому щітково-контактному вузлі, що містить електрощітку, встановлену в щіткотримач з можливістю переміщення уздовж осі щіткотримача, згідно з винаходом, щітково-контактний вузол додатково містить пневмоциліндр, що змінює зусилля натиску на щітку, датчик переміщення та датчик тиску, який пов'язаний із пристроєм, що дроселює, який управляється дистанційно, вимірювач струму, що встановлений на шині електричної машини, датчик температури, що встановлений у робочій зоні щітки, при цьому датчик тиску встановлений між пристроєм, що дроселює, та пневмоциліндром. Як видно з викладу суті технічного рішення, що заявляють, воно відрізняється від прототипу і, отже, є новим. На відміну від відомих технічних рішень воно не тільки забезпечує новий технічний результат, а й можливість контролювати такі параметри як струм на щітці, зусилля натискання, температуру в робочій зоні і знос кожної щітки в режимі реального часу. Принципова можливість в цьому випадку функціонування електричного контакту, що ковзає, при значних щільностях струму (більших, ніж по ГОСТ 2332) дозволяє збільшити щільність струму під кожною щіткою, і за рахунок цього зменшити сумарний поперечний переріз паралельно встановлених щіток, тобто зменшити кількість щіток, а значить і габарити електричної машини. При цьому струмові характеристики не виходять за межі безпечних, а значить, досягається підвищена надійність роботи щітково-контактного пристрою. Управління задавальним пристроєм може бути як ручним, так і автоматичним, але обов'язково заснованим на показаннях пристроїв дистанційного вимірювання стану щітковоконтактного вузла. Технічне рішення, що заявляють, промислово придатне в електричних машинах великої потужності. Найбільш ефективне застосування заявленого технічного рішення в крупних електричних машинах, де використовують велика кількість паралельно з'єднаних однополярних щіток, а також на віддалено встановлених генераторах, обслуговування яких утруднено (наприклад, встановлених у морі вітрогенераторах і т. п.). Фіг. 1 Загальний вигляд щітково-контактного вузла. Фіг. 2 Загальний вигляд щітково-контактного вузла (вид зліва). Фіг. 3 Блок-схема роботи щітково-контактного вузла. Щітково-контактний вузол (Фіг. 2) містить електрощітку 1, встановлену в щіткотримачі 2 з можливістю переміщення уздовж осі щіткотримача 2. Для забезпечення мінімального притиснення щітки до комутатора 16, навіть у разі виходу з ладу пристрою дистанційної зміни сили притиснення, в щітково-контактний вузол введена пружина холостого ходу 3 рулонного типу, розташована між електрощіткою 1 і упором 4 в нижній підставі 5 пневмоциліндра 6. Пневмоциліндр 6 через пристрій 7, що дроселює, з'єднаний з джерелом тиску через трубопровід 8. Пристрій містить датчик тиску 9, встановлений між пристроєм 7, що дроселює, і пневмоциліндром 6. У робочій зоні щітки з комутатором (на нижніх зрізах щіткотримачів 2) встановлений датчик температури 10. На щіткотримачі 2 закріплений датчик переміщення 11, рухливий елемент якого спирається на верхній зріз щітки 1. Конструкція щіткотримача 2 передбачає наявність вимірювача струму 12 на клемі шини 13 електричної машини, на якій закріплений провід щітки 14. Для забезпечення охолодження щітки передбачено підбурювання повітря на щітку в місці закладення проводів за допомогою жиклера 15. Пристрій працює під управлінням програмованого контролера. Програмне забезпечення дозволяє здійснювати для кожної щітки безперервні вимірювання всіх параметрів роботи щіткового контакту (струм, що проходить через щітку, температура в зоні максимально наближеною до контактної, знос щітки та ін.). За результатами цих вимірів можливо виконувати, з вибраною користувачем періодичністю, дистанційне регулювання хоча б одного із зазначених параметрів шляхом дистанційної зміни натискання на необхідну щітку. Такий підхід дозволяє забезпечити дистанційну підтримку оптимальних параметрів роботи щітково-контактного вузла без втручання персоналу. 2 UA 111548 C2 5 10 15 20 25 Струм Ι=Ι/ n, де Ι - струм через одну щітку, n - кількість щіток на комутаторі 16, с клеми 13 (Фіг. 1), пов'язаної з шиною електричної машини через дроти 14, подають на електрощітку 1. Електрощітка І встановлена в щіткотримачі 2 і переміщається паралельно його осі. Для забезпечення мінімального притиснення щітки до комутатора в щітково-контактний вузол введена пружина холостого ходу 3, в якості якої використовується рулонна пружина. У трубопровід 8 (Фіг. 2, 3) під надлишковим тиском подають повітря, на шляху якого встановлено пристрій 7, що дроселює і регулює тиск повітря, датчик тиску 9 і пневмоциліндр 6. За допомогою цих елементів забезпечується зміна тиску повітря в пневмоциліндрі, отже, регулюється зусилля натискання щітки. Для контролю температури в робочій зоні щітки з комутатором 16 встановлюють датчик температури 10 (на нижніх зрізах щіткотримачів). У програмованому контролері (ПК) встановлюють задану величину струму Ι/n кожної щітки, виробляють перетворення сигналів, що надходять від кожного датчика кожної щітки, їх підсумовування і порівняння отриманого результату із заданим значенням. За результатами порівняння здійснюють регулювання сили натискання на кожну щітку. Якщо сигнал датчика струму щітки менше заданого Ι/n, відкривається дросель 7, тиск на щітку збільшується, а отже збільшується струм. При досягненні рівності сигналів з датчика струму і заданого в ПК тиск в пневмоциліндрі 6 підтримується постійним. Аналогічно при необхідності роблять регулювання інших параметрів. Як видно з викладу прикладу здійснення технічного рішення, що заявляють, воно дозволяє здійснювати надійну роботу щітково-контактного пристрою електричної машини великої потужності, зменшити сумарний поперечний переріз паралельно встановлених щіток, зменшити кількість щіток, а значить вагу і габарити електричної машини. При цьому струмові характеристики залишаються в межах безпечних, а значить, досягається підвищена надійність роботи щітково-контактного пристрою та електричної машини в цілому. Управління задавальним пристроєм може бути як ручним, так і автоматичним, але обов'язково заснованим на показаннях пристроїв дистанційного вимірювання стану щітковоконтактного вузла, що полегшує контроль і експлуатацію електричної машини великої потужності навіть на значній відстані. 30 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 35 Щітково-контактний вузол електричної машини, що містить утримувач щітки з електрощіткою, яка виконана з можливістю переміщення вздовж осі утримувача щітки, який відрізняється тим, що додатково містить пневмоциліндр, що змінює зусилля натиску на щітку, датчик переміщення та датчик тиску, який пов'язаний із пристроєм, що дроселює, який керується дистанційно, вимірювач струму, що встановлений на шині електричної машини, датчик температури, що встановлений у робочій зоні щітки, при цьому датчик тиску встановлений між пристроєм, що дроселює, та пневмоциліндром. 3 UA 111548 C2 4 UA 111548 C2 Комп’ютерна верстка Л. Бурлак Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5