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Vorrichtung zur Überwachung und Anzeige des Abnutzungsrads
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von Kohlebü rsten in stromrichtergespeisten Gleichstrommaschinen
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs
1.
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Zur Feststellung des Abriebs von Kohlebürsten in Gleichstrom maschinen
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.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs
beschriebenen Gattung dahingehend weiterzuentwickeln, daß die Bürsten von Gleichstrommaschinen
auch bei hohen Abschaltleistungen oder Anker-
spannungen durch eine
für die Verarbeitung geringer Eingangsspannungen ausgelegte Überwachungsanordnung
bei möglichst geringer Empfindlichkeit gegen Störspannungen überwacht werden können.
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Die Aufgabe wird erfindunggemäß durch die im Anspruch 1 beschriebenen
Maßnahmen gelöst. Die Trennwandler oder Widerstände reduzieren die im Schadensfall
möglichen Kurzschlußströme und die der Überwachungsanordnung zugeführten 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 Gleichstrommaschine auch gekühlt werden,
können durch eine entsprechende Bemessung der Widerstände höhere Ströme zu der Überwachungsanordnung
übertragen werden, um die Empfindl ichke it gegen Störspannungen herabzusetzen.
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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.
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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.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist der Widerstand in einem
wärmeleitenden Körper angeordnet, der im Klemmenkasten an einer metallischen Oberfläche
befestigt ist. Bei dieser Anordnung wird der Widerstand durch das Motorgehäuse gekühlt.
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Es kann günstig sein, die zu einer Gleichstrommaschine gehörigen Entkopplungsdioden
im Klemmkasten anzuordnen. Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß nur eine Aderverbindung
zur Auslöseeinheit notwendig ist.
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Die im Anspruch 7 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 8 beschrieben.
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Die Erfindung wird im folgenden an Hand eines in einer Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiels näher erläutert, aus dem sich weitere Merkmale sowie Vorteile
ergeben.
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Es zeigen: Figur 1 einen unter Federvorspannung stehenden Kontakt,
der an einem Bürstenhalter befestigt ist im Schema, Figur 2 ein Schaltbild der Verbindung
der Kontakte von parallel in einer Maschine angeordneten Bürsten, Figur 3 ein Schaltbild
eines Gleichstrommotors, der von einem Strom richter gespeist wird und über Kontakte
mit einer Überwachungsanordnung verbunden ist, Figur 4 einen offenen Klemmkasten
einer Gleichstrommaschine von vorne, Figur 5 ein Schaltbild eines Gleichstrommotors,
dessen mit den Bürstenhaltern verbundene Kontakte über Trennwandler an eine Übe
rwachungsanordnung angeschlossen sind.
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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 Motor 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 6 wird unter
der Vorspannung einer Feder 9 gegen den Träger 5 gezogen. Dabei lehnt sich der Isolierkörper
8 an die dem Kollektor 3 abgewandte Seite der Kohlebürste 1 an.
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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 gemein-
sam 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 Gleichstrommschine 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.
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Die Figur 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.
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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.
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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 Gleichstrom maschine 4 ist in diesem Anwendungsbeispiel
an zwei geweils gegensinnig gepolte Drehstrom-Brückenschaltungen 18, 19 angeschlossen,
die von einem Drehst romtransformator 20 gespeist werden, von dem nur die Sekundärwicklung
dargestellt ist. Die Drehstrom-Brückenschaltungen 18, 19 enthalten 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
beaufschlagt. Dabei dreht sich die Gleichstrommaschine 4 in zueinander entgegengesetzten
Richtungen.
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Die Bürstenhalter bzw. Bürstenhalteranordnungen 16, 17 sind jeweils
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 miteinander
vebunden und an eine Überwachungs und Anzeigeanordnung 23 angeschlossen.
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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 einzige Überwachungs- und Anzeigeanordnung 23 auf Abnutzung der Kohlebürsten
1 zu überwachen.
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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.
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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.
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Wenn die Kontakte 11, 13 die Bürstenhalter 2, 12 berühren, wird die
Überwachtngs- 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 26
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.
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Die Widerstände 14, 15 bilden mit dem Widerstand 24 Spannungsteiler,
mit denen die Spannung an der Überwachungs- und Anzeigeanordnung 23 auf einen niedrigen,
den üblichen Aderisolationen entsprechenden Wert herabgesetzt wird.
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Um zu verhindern, daß Störspannungen die Überwachungs- und Anzeigeanordnung
23 zum Ansprechen bringen, sind die Widerstände 14, 15, 23 so aufeinander abgestimmt,
daß ein etwas größerer Strom fließt. Dieser erzeugt in den Widerständen 14, 15 höhere
Stromwärmeverluste, die über die Körper 21 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.
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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.
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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 einbezogen sind.
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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 positive 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.
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Bei der in Fig. 5 dargestellten 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 36 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 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.
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Der Generator 41 erzeugt eine, beispielsweise hochfrequente, Wechsselspannung
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 Primärspannungen von weiteren Trenntransformatoren für andere Gleichstrommaschinen
speisen.
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Die Überwachung mittels Trennwandlern 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.
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Die Widerstände 14 und 15 sorgen dafür, daß auf den außerhalb der
Gleichstrom maschine 4 verlegten Übe rwachungs leitungen nur kleine Ströme auftreten.
Diese Leitungen müssen deshalb nicht für die hohen Kurzschlußleistungen der Gleichstrommaschine
4 ausgelegt sein.
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Wenn die Kontakte 35, 36 offen sind, fließt über das Strom relais
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 Strom relais 42
kann eine Meldeanordnung betätigt werden.