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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erkennung eines exzentrisch gelagerten und/oder umlaufenden Rotors einer Asynchronmaschine mit Hilfe von Modellrechnungen einschliesslich eines Auswerteverfahrens, wie es im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 beschrieben ist.
Nach dem derzeitigen Stand der Technik wird zur Erkennung von Rotorexzentrizitäten das Fourierspektrum eines Maschnenstroms herangezogen oder es wird die Ortskurve des aus den Zuleitungsströmen der Maschine gebildeten Raumzeigers auf Abweichungen vom symmetrischen Zustand hin untersucht. Die charakteristischen harmonischen Komponenten treten bei spannungsgespeisten Maschinen im Strom der Maschine und im Umrichterbetrieb, je nach Regelungsstrategie, sowohl in den Spannungen und in den Strömen auf, und bilden sich in jedem Fall auch im Drehmoment und anderen Zustandsgrössen der Maschine ab. Herkömmliche Verfahren sind für den Umrichterbetrieb daher nur bedingt tauglich.
Da die Lage der auftretenden harmonischen Frequenzkomponenten in den Zustandsgrössen darüber hinaus auch vom Belastungszustand der Maschine abhängig Ist, ist der wesentliche Vorteil der Erfindung gegenüber bislang eingesetzter Verfahren in der Vermeidung teurer Auswertegeräte für die Fourieranalyse, der universellen Tauglichkeit für den Netz- und Umrichterbetrieb, sowie der Unabhängigkeit vom Belastungszustand zu sehen.
Aufgabe der Erfindung ist es, mit Hilfe eines dem Stand der Technik entsprechenden Maschinenmodells einen Flussverkettungsraumzeiger zu berechnen und die charakteristischen harmonischen Komponenten der auftretende Pendelung einer aus der Modellrechnung bestimmten Zustandsgrösse zu extrahieren. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass die berechneten Pendelung der Zustandsgrösse in Abhängigkeit eines fehlerspezifischen räumlichen Verdrehwinkels untersucht werden, wobei die Zustandsgrösse einer laufenden Mittelwertbildung unterzogen wird. Für die erfindungsgemässe Umsetzung dieser Aufgabe ist ein dem Stand der Technik entsprechendes mathematisches Maschinenmodell erforderlich.
Weiters ist gemäss einem der Stand der Technik entsprechende Information über die mechanische Winkelverdrehung des Rotors gegenüber dem Stator erforderlich, so dass der, der erfindungsgemässen Auswertung zugrundeliegende Verdrehwinkel berechnet werden kann. Diese Winkelverdrehung kann beispielsweise über einen Drehgeber bestimmt werden.
Für die Berechnung des Flussverkettungsraumzeigers wird im folgenden am Beispiel des Spannungsmodell, das den Statorspannungsraumzeiger und den Statorstromraumzeiger als Eingangsgrössen sowie den ohmschen Widerstand der Statorwicklung als Modellparameter benötigt, herangezogen. Der Flussverkettungsraumzeiger wird dabei durch zeitliche Integration gewonnen :
EMI1.1
In obiger Formel bedeutet.
Us (s) Statorspannungsraumzeiger (statorfestes Koordinatensystem) ls (s) Statorstromraumzeiger (statorfestes Koordinatensystem) du5(5) Änderung des Statorflussverkettungsraumzeigers (statorfestes Koordinatensystem) dT Änderung der Zeit rs Statorwiderstand
Als Beispiel für eine Zustandsgrösse, deren Pendelung untersucht werden soll, wird das aus dem Maschinemodell berechnete Drehmoment der Maschine herangezogen. Über den Statorfluss- verkettungsraumzeiger und dem Statorstromraumzeiger kann das Drehmoment der Asynchronmaschine berechnet werden'
EMI1.2
In dieser Formel bedeutet :
! S (s) konjugiert komplexer Statorstromraumzeiger (statorfestes Koordinatensystem) m Drehmoment der Maschine Im Imaginärteiibildung Aus dem mechanischen Winkelverdrehung des Rotors gegenüber des Stators und dem Statorfussverkettungsraumzeiger im statorfesten Koordinatensystem lässt sich der Flussverkettungsraum-
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EMI2.1
:In dieser Formel bedeutet :
\)/s (r) Statorflussverkettungsraumzeiger (rotorfestes Koordinatensystem)
Ym Winkelverdrehung zwischen Rotor und Stator e Eulersche Zahl (2, 7183... j imaginäre Einheit
Für die erfindungsgemässe Bestimmung des für die Auswertung relevanten Verdrehwinkel kann ein beliebiger Flussverkettungsraumzeiger (etwa der Statorflussverkettungsraumzeiger, wie am Beispiel des Spannungsmodells ausgeführt) herangezogen werden. Die eigentliche Bestimmungsvorschrift des erforderlichen Verdrehwinkel ist gemäss Fig. 1 gegeben. Als Eingangsgrössen dient ein Flussverkettungsraumzeiger im statorfesten Koordinatensystem (6) und der zugehörige Flussverkettungsraumzeiger im rotorfesten Koordinatensystem (7).
Für die Berechnung des erfindungsgemäss benötigten Verdrehwinkel wird darüber hinaus der Parameter p (8) benötigt (Polpaarzahl der Maschine). Die beiden Raumzeiger (6) und (7) werden in (1) und (2) jeweils einer Argumentbiidung unterzogen, das heisst, von diesen beiden komplexwertigen Zeigern werden jeweils die Winkel (9) und (10) bestimmt. Die Summe (3) der beiden Winkel (11) wird anschliessend durch die Polpaarzahl p (8) der Maschine dividiert und vom Argument des statorfesten Statorflussverkettungs- raumzeigers (9) in (5) subtrahiert, woraus sich der für die Auswertung relevante Winkel Ye (13) ergibt.
Durch die Untersuchung einer aus dem Modell berechneten Zustandsgrösse in Abhängigkeit dieses Verdrehwinkel erlaubt die Erfindung eine zeitinvariante, und damit eine von der Rotordrehzahl unabhängige Auswertung, die sowohl für den Netz- als auch den Umrichterbetrieb geeignet ist.
Durch Bestimmung des mittleren Verlaufs der untersuchten Zustandsgrössen in Abhängigkeit des berechneten Verdrehwinkel (13) werden ausschliesslich fehlerspezifische Pendelungen der Zustandsgrössen erfasst. Die erfindungsgemässe Fehlererkennung basiert daher auf einer räumlichen (entsprechend dem berechneten Verdrehwinkel) Untersuchung der betrachteten Zustandsgrösse. Während der gesamten Messzeit durchläuft der Auswertewinkel (13) mehrmals seinen gesamten Wertebereich. Alle harmonischen Pendelungen der Zustandsgrösse, die zufolge einer Rotorexzentrizität auftreten, sind bezüglich des Auswertewinkels (13) als Fourierreihe darstellbar.
Alle harmonische Pendelungen (fehlerfremde Frequenzen) die nicht zufolge eines exzentrischen Rotors auftreten werden daher durch die Mittelwertbildung eliminiert und treten im mittleren Verlauf der Zustandsgrösse nicht in Erscheinung. Für die Bestimmung des benötigten Fehlerindikators ist daher auch eine ausreichend lange Messdauer erforderlich. Die Berechnung des mittleren Verlaufs der Zustandsgrösse in Abhängigkeit des Auswertewinkels (13) ist Gegenstand der Erfindung. Da nur die durch eine Exzentrizität verursachten harmonischen Komponenten eine Periodizität bezüglich des Auswertewinkels besitzen, lässt sich durch Bestimmung des mittleren Verlaufs der Zustandsgrösse, also nach einer entsprechend langen Messdauer, auf einen exzentrischen Rotor schliessen.
Darüber hinaus bewirkt die Bestimmung des mittleren Verlaufs der betrachteten Zustandsgrösse, eine ausreichende Filterwirkung der berechneten Zustandsgrösse, die im besonderen für den Betrieb der Maschine am Umrichter erforderlich ist.
Die Berechnung des mittleren Verlaufs wird im folgenden am Beispiel eines Segmentierungsverfahren dargestellt. Als Beispiel für eine untersuchte Zustandsgrösse wird das aus dem Maschinemodell berechnete Drehmoment verwendet. Für die Bestimmung des mittleren Verlaufs des Drehmoments wird der vollständige Wertebereich des Verdrehwinkel in eine feste Anzahl von aquidistanten Abschnitten (Auswertesegmenten) unterteilt (Fig. 2). Das aktuelle Auswertesegment wird über die Lage des berechneten Verdrehwinkei innerhalb seines gesamten Wertebereichs eindeutig festgelegt. Jedem betrachteten Auswertesegment ist ein Drehmomentmittelwert zugeordnet, der sich aus dem arithmetischen Mittelwert aller berechneten Drehmomente errechnet, für die der berechnete Verdrehwinkel innerhalb des betrachteten Segments liegt.
Aufgabe der Segmentierung ist neben der Bestimmung des mittleren Verlaufs einerseits die Glättung und Filterung der berechneten Drehmomente, wie auch die Reduktion der anfallenden Datenmenge.
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Entsprechend der gewählten Anzahl an Auswertesegmenten erhält man nach einer bestimmten Messzeit für jedes Auswertesegment auch einen bestimmten Drehmomentwert, das heisst allgemein, dass nach einer bestimmten Messdauer der mittlere Verlauf des Drehmoments in Abhängigkeit des Auswertewinkels vorliegt. Dieser mittlere Verlauf des Drehmoments kann nun einer einfachen Fourieranalyse unterzogen werden. Als erfindungsgemässer Fehlerindikator für einen exzentrischen Rotor dienen die aus der Fourieranalyse des mittleren Verlaufs der Zustandsgrösse berechneten harmonischen Komponenten (Fourierkoeffizienten). Überschreiten die Amplituden dieser Fourierkoeffizienten einen bestimmten Schwellwert, so liegt ein exzentrischer Rotor vor.