Устройство для подавления искрения в узле скользящего токосъёма Российский патент 2025 года по МПК H02H7/06 

Настоящее устройство относится к системам защиты энергетических турбогенераторов, а именно к устройствам для уменьшения искрообразования в узлах скользящего токосъёма.

Искрение в узле скользящего токосъёма вызывает повышенный износ контактирующих поверхностей, перегрев и разрушение скользящих контактов, в ряде случаев может приводить к круговому огню и выходу из строя всего щеточно-контактного аппарата, что приводит к длительному простою электрической машины.

Анализ отказов крупных электрических машин, оснащенных узлом токосъёма, показывает, что наиболее частыми причинами неисправностей являются повреждения именно этого узла, что составляет почти 25% всех отказов [Козырева, О.И. Разработка устройства для уменьшения искрообразования на основе исследований резонансных процессов в узле скользящего токосъёма турбогенератора. Диссертация к.т.н. по специальности 05.09.01 - “Электромеханика и электрические аппараты”. - СПб: СПбПУ, 2021. - 142 с. Онлайн доступ http://www.spbstu.ru/dsb/081b-thesis.pdf].

Из существующего уровня техники известно устройство для искрогашения в узле скользящего токосъёма, состоящее из группы электрических емкостей, одним выводом подключенных к узлу скользящего токосъёма электрической машины, а другим выводом соединенных в общей точке, описанное в патенте Визе Хинриха «Электродвигатель с колоколообразным якорем и устройством для искрогашения» [Электродвигатель с колоколообразным якорем и устройством для искрогашения // В. Хинрих - Патент на изобретение МПК H02K 13/00 RU №2195756 С2 от 27.12.2002].

Наиболее близким к заявляемому является устройство для уменьшения искрообразования в узле скользящего токосъёма, содержащее электрическую емкость, подключенную между параллельно электрически соединенными группами щеток, размещенных в щеткодержателях, одного контактного кольца узла скользящего токосъёма, причем одна группа щеток соединена с силовой шиной, вторая группа щеток изолирована от силовой шины, электрическая емкость состоит из двух групп параллельно соединенных конденсаторов, полярных и неполярных, одни выводы группы конденсаторов соединены непосредственно, а вторые - через индуктивность, между выводами группы полярных конденсаторов подключен диод анодом к положительному выводу группы полярных конденсаторов, все щеткодержатели группы щеток, подсоединенных к силовой шине, изолированы от силовой шины и между корпусами близко расположенных щеткодержателей подключены электрические емкости [Устройство для уменьшения искрообразования в узле скользящего токосъёма // Плохов И.В., Ильин А.В., Козырева О.И., Котков Н.А, Савраев И.Е. - Патент на изобретение МПК Н02Н 7/06 RU № 2685695 от 23.04.2019].

Недостатком данного технического решения являются то, что в устройстве не учитывается эксцентриситет контактных колец, что обуславливает более низкую степень уменьшения искрения между контактирующими поверхностями скользящих контактов по сравнению с новым устройством.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, является повышение степени подавления искрения между контактирующими поверхностями скользящих контактов узла токосъёма.

Данная задача решается за счет того, что электрические емкости подключены между корпусами щеткодержателей щёток, расположенных диаметрально противоположно друг относительно друга.

Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является повышение степени подавления искрения между контактирующими поверхностями скользящих контактов.

На фигуре представлена электрическая схема устройства для подавления искрения в узле скользящего токосъёма с указанием его подключения к узлу скользящего токосъёма.

Группа емкостей 1, состоящая из двух наборов параллельно соединенных конденсаторов 2 и 3, где 2 - неполярные конденсаторы, 3 - полярные, подключена между параллельно электрически соединенными группами токоведущих щеток 4, 4' и группой вспомогательных щеток 5 одного контактного кольца 6 узла скользящего токосъёма, причем группы токоведущих щеток 4 и 4' соединены с силовой шиной 7, а группа вспомогательных щеток 5 изолирована от силовой шины 7. Одни выводы группы емкостей 5 соединены непосредственно, а вторые - через индуктивность 8. Между выводами группы полярных конденсаторов 3 подключен диод 9 анодом к положительному выводу данной группы. Все щеткодержатели 10 и 10' групп токоведущих щеток 4 и 4' механически подсоединены к силовой шине 7 и электрически изолированы от силовой шины 7, и между корпусами щеткодержателей 10 и 10' подключены электрические конденсаторы группы емкостей 11. Новым является то, что каждый отдельный конденсатор группы емкостей 11 подключен между корпусами щеткодержателей 10 и 10' пары токоведущих щеток: щетки из группы 4 и щетки из группы 4', расположенных на осях а₁, а₂, … a_n и диаметрально противоположных друг относительно друга.

Устройство работает следующим образом. Скольжение токоведущих щеток групп 4 и 4' по вращающемуся контактному кольцу 6 сопровождается кинематическими возмущениями, в основном, обусловленными наличием эксцентриситета колец или наличием шероховатостей и волнистости контактирующих поверхностей. В результате механических изменений в области контактирования, в совокупности с нарушениями токопередачи в электромагнитной цепи «щетка - контактное кольцо», в контактном слое возникают высокоамплитудные пики тока и напряжения. Вследствие наличия паразитных индуктивностей в токоведущей шине 7 и подводящих проводниках, а также вследствие наличия емкостной составляющей в сопротивлении контактного переходного слоя каждого скользящего контакта, пики тока и напряжения в резонансных контурах, образованных переходными емкостями скользящих контактов и индуктивностями проводников, имеют колебательный характер и состоят из пакетов затухающих высокочастотных колебаний. Эти колебания, превышающие средние значения тока щетки и переходного напряжения на скользящем контакте в десятки и сотни раз, приводят к пробою воздушного промежутка в контактном слое скользящего контакта, а, следовательно, к искрению, перегреву, ускоренному износу щеток.

Для снижения влияния модуляции сопротивления переходного слоя области контактирования на резонансные процессы, в электрическую цепь узла скользящего токосъёма турбогенератора вводится предлагаемое устройство. За счет подключения емкостей группы 11 устройства к щеткодержателям диаметрально противоположных щеток, будет происходить шунтирование эквивалентных емкостей переходного слоя скользящих контактов внешними электрическими ёмкостями, выводя колебательный резонансные контуры электромагнитных цепей «щетка - контактное кольцо» из областей параметрической неустойчивости, тем самым снижая вероятность возникновения резонансных высокочастотных электромагнитных колебаний. Таким образом, достигается существенное снижение амплитуды и частоты резонансных токов, уровень искрения между контактирующими поверхностями значительно снижается [Козырева, О.И. Разработка устройства для уменьшения искрообразования на основе исследований резонансных процессов в узле скользящего токосъёма турбогенератора. Диссертация к.т.н. по специальности 05.09.01 - “Электромеханика и электрические аппараты”. - СПб: СПбПУ, 2021. - 142 с. Онлайн доступ http://www.spbstu.ru/dsb/081b-thesis.pdf].

В устройстве для уменьшения искрообразования в узле скользящего токосъёма [Электродвигатель с колоколообразным якорем и устройством для искрогашения // В. Хинрих - Патент на изобретение МПК H02K 13/00 RU №2195756 С2 от 27.12.2002], где электрические емкости подключены между корпусами щеткодержателей соседних щеток, при кинематических возмущениях, вызванных эксцентриситетом контактного кольца, не происходит шунтирования емкости переходного слоя скользящего контакта внешней электрической ёмкостью, следовательно, в этом случае, резонансные явления не компенсируются. Кинематические возмущения, вызванные эксцентриситетом контактного кольца, воздействуют на соседние щетки, например, щетки группы 4', расположенные на осях а₁ и а₂, синхронно, и, как следствие, разрывы их скользящих контактов возникают у соседних щеток также синхронно. При наличии эксцентриситета кольца, на каждую пару токоведущих щеток: щетки из группы 4 и щетки из группы 4', расположенных на осях а₁, а₂, … a_n и диаметрально противоположных друг относительно друга, действуют в противофазе динамические усилия, которые существенно снижают вероятность синхронного механического нарушения контактирования в данных контактах. Другими словами, за счет наличия эксцентриситета контактного кольца, щётки расположенные рядом колеблются синфазно, а щетки расположенные диаметрально противоположно колеблются в противофазе. Поэтому, одновременный разрыв близкорасположенных щеток имеет значительно большую вероятность, а при этом подавление искрения путем шунтирования данных щеток через корпуса щеткодержателей, как было пояснено выше, не работает. Таким образом, подключение емкостей группы 11 между корпусами щеткодержателей щеток, расположенных диаметрально противоположно друг относительно друга будет оказывать более значительное влияние на снижение уровня искрения, чем при подключении электрических емкостей между корпусами щеткодержателей близко расположенных щеток. Так как у контактного кольца в реальных условиях эксцентриситет всегда присутствует, то устройство для подавления искрения предлагаемой конструкции будет всегда создавать полезный эффект в виде повышенной степени подавления искрения по сравнению с прототипом, что обеспечит надёжность работы устройства.

Подключение группы емкостей 1 между группой вспомогательных щеток 5 изолированных от силовой шины 7 и токоведущими щетками групп 4 и 4' увеличивает вероятность шунтирования эквивалентных емкостей переходного слоя скользящих контактов внешней электрической ёмкостью, что повысит степень подавления искрения.

Диод 9, подключенный к группе полярных конденсаторов 7, защищает ее от обратного напряжения и предотвращает выход полярных конденсаторов 7 из строя. Подключенная между группами конденсаторов индуктивность 8 защищает группу полярных конденсаторов 7 от критической скорости нарастания тока. Разделение электрической емкости на группы позволяет добиться существенного уменьшения стоимости и габаритов устройства, так как полярные конденсаторы имеют более низкую стоимость на единицу емкости, чем неполярные.

Изобретение относится к схемам защиты электрических генераторов, а именно к устройствам для уменьшения искрообразования в узлах скользящего токосъема. Технический результат заключается в увеличении надежности, повышении степени подавления искрения. Устройство содержит электрическую емкость, подключенную между параллельно электрически соединенными группами щеток, размещенных в щеткодержателях одного контактного кольца узла скользящего токосъема, причем одна группа щеток соединена с силовой шиной, вторая группа щеток изолирована от силовой шины. Электрическая емкость состоит из двух групп параллельно соединенных конденсаторов: полярных и неполярных, одни выводы группы конденсаторов соединены непосредственно, а вторые - через индуктивность, между выводами группы полярных конденсаторов подключен диод анодом к положительному выводу группы полярных конденсаторов. Все щеткодержатели группы щеток механически подсоединены к силовой шине и электрически изолированы от силовой шины. Между корпусами щеткодержателей щеток, расположенных диаметрально противоположно относительно друг друга, подключены электрические емкости. 1 ил.

Устройство для подавления искрения в узле скользящего токосъема, содержащее электрическую емкость, подключенную между параллельно электрически соединенными группами щеток, размещенных в щеткодержателях одного контактного кольца узла скользящего токосъема, причем одна группа щеток соединена с силовой шиной, вторая группа щеток изолирована от силовой шины, электрическая емкость состоит из двух групп параллельно соединенных конденсаторов, полярных и неполярных, одни выводы группы конденсаторов соединены непосредственно, а вторые - через индуктивность, между выводами группы полярных конденсаторов подключен диод анодом к положительному выводу группы полярных конденсаторов, все щеткодержатели группы щеток механически подсоединены к силовой шине и электрически изолированы от силовой шины, и между корпусами щеткодержателей подключены электрические емкости, отличающееся тем, что электрические емкости подключены между корпусами щеткодержателей щеток, расположенных диаметрально противоположно относительно друг друга.