AT414190B

AT414190B - METHOD FOR DETECTING ROTOR ERRORS IN ROTARY POWER MACHINES DURING OPERATION

Info

Publication number: AT414190B
Application number: AT0210603A
Authority: AT
Inventors: Thomas M Wolbank
Original assignee: Thomas M Wolbank
Priority date: 2003-12-30
Filing date: 2003-12-30
Publication date: 2006-10-15
Also published as: ATA21062003A

Description

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erkennung von Fehlerzuständen im Rotor von Drehstrommaschinen während des Betriebes, wie es im Oberbegriff des Patentanspruches 1 beschrieben ist. 5 Nach dem derzeitigen Stand der Technik werden bei drehzahlstellbaren Antrieben überwiegend Drehstromasynchronmaschinen mit Umrichtern eingesetzt. Bei diesen Maschinen kann es Vorkommen, dass ein Stab oder Ringelement des Rotorkäfigs einen Defekt aufweist. Solche Defekte können sowohl bereits in der Fertigung als auch während des Betriebes auftreten. Wird ein vorliegender Defekt nicht rechtzeitig erkannt, kann er sich ausweiten und zu einem Total-io ausfall der Maschine führen.The invention relates to a method for detecting fault conditions in the rotor of three-phase machines during operation, as described in the preamble of claim 1. 5 According to the current state of the art, rotary variable asynchronous machines with converters are predominantly used in variable-speed drives. In these machines, it may happen that a rod or ring member of the rotor cage has a defect. Such defects can occur both during production and during operation. If an existing defect is not detected in time, it can expand and lead to a total failure of the machine.

Durch eine frühzeitige Erkennung solcher Fehler kann daher ein Totalausfall des Antriebs verhindert und die notwendige Reparaturzeit reduziert werden. 15 Derzeit bekannte Verfahren zur Erkennung solcher Defekte sind beispielsweise US 5 488 281 A oder US 4 761 703 A.By early detection of such errors, therefore, a total failure of the drive can be prevented and the necessary repair time can be reduced. Presently known methods for detecting such defects are, for example, US Pat. No. 5,488,281 A or US Pat. No. 4,761,703 A.

Das in der Anmeldung beschriebene Verfahren unterscheidet sich dabei von den bisher bekannten und eingangs erwähnten Verfahren unter Anderem dadurch, dass in US 5 488 281 A 20 die Nulldurchgänge der Statorwicklungsströme bestimmt werden und die Winkelfehler aufeinanderfolgender Nulldurchgänge bestimmt und im Zeitbereich oder Frequenzbereich zu Signalen mit variabler Amplitude ausgewertet werden. Diese Signale werden anschließend zusammen mit weiteren Messungen der Motorparameter zur Bestimmung des Fehlergrades der Rotor bzw. der Statorwicklung verwendet. 25The method described in the application differs from the previously known and mentioned methods, inter alia, that in US 5,488,281 A 20, the zero crossings of Statorwicklungsströme be determined and determines the angular error of successive zero crossings and in the time domain or frequency range to signals with variable Amplitude be evaluated. These signals are then used together with further measurements of the motor parameters to determine the degree of error of the rotor or the stator winding. 25

Das in der Anmeldung beschriebene Verfahren unterscheidet sich dabei von dem eingangs erwähnten Verfahren US 4 761 703, dass in US 4 761 703 ein zusätzlicher Flusssensor benötigt wird, der an einem bestimmten Punkt außerhalb der Maschine angebracht wird und den zeitlichen Verlauf des magnetischen Flusses bestimmt. Des weiteren wird der zeitliche Verlauf 30 des Stromes der Maschine bestimmt, und beide Signale mittels Fast Fourier Analyse in den Frequenzbereich transformiert werden. Nachdem die Frequenz der Versorgungsspannung sowie die Schlupffrequenz der Maschine bestimmt wurde, wird ein vorliegender Defekt aus dem Überschreiten einer Spektrallinie eines der Signale über einen Schwellwert erkannt. 35 Aufgabe der Erfindung ist es, den Rotor von Drehstrommaschinen im eingebauten Zustand zu überwachen und Fehler zu erkennen, wobei die Erkennung sowohl im belasteten Zustand der Maschine als auch im Leerlauf möglich ist, und weder Stromnulldurchgänge erfasst werden, noch ein externer Flusssensor benötigt wird. 40 Diese Aufgabe wird gelöst, indem während des Betriebes der Maschine, die flussbildende Komponente des Statorstromraumzeigers geändert wird und die Reaktion des Rotorflussraumzeigers ausgewertet wird. Die dadurch jeweils ermittelte Rotorzeitkonstante der Maschine wird gemeinsam mit der Richtung der flussbildenden Komponente des Statorstromraumzeigers im rotorfesten Koordinatensystem abgespeichert. Aus einem Vergleich der in verschiedenen Rich-45 tungen am Rotor ermittelten Rotorzeitkonstanten kann ein Fehler im Rotor erkannt und lokalisiert werden. Bei Maschinen mit symmetrischem Rotor ist im fehlerfreien Fall die ermittelte Rotorzeitkonstante unabhängig von der Richtung der Flussänderung im rotorfesten Koordinatensystem. Im Fehlerfall ergibt sich eine Modulation derzeitkonstanten mit der Richtung. so Dies wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 erreicht.The method described in the application differs from the aforementioned US Pat. No. 4,761,703 in that US Pat. No. 4,761,703 requires an additional flow sensor which is attached at a certain point outside the machine and determines the time course of the magnetic flux. Furthermore, the time course 30 of the current of the machine is determined, and both signals are transformed into the frequency domain by means of Fast Fourier analysis. After the frequency of the supply voltage and the slip frequency of the machine has been determined, an existing defect is detected from the exceeding of a spectral line of one of the signals above a threshold value. 35 object of the invention is to monitor the rotor of three-phase machines in the installed state and detect errors, the detection in both the loaded state of the machine and in idle is possible, and no current zero crossings are detected, nor an external flow sensor is needed. 40 This problem is solved by changing the flow-forming component of the stator flow space pointer during operation of the machine and evaluating the reaction of the rotor flow space vector. The respectively determined rotor time constant of the machine is stored together with the direction of the flux-forming component of the stator current space hand in the rotor-fixed coordinate system. From a comparison of the rotor time constants determined in different directions on the rotor, an error in the rotor can be detected and localized. For machines with a symmetrical rotor, the determined rotor time constant is independent of the direction of the flux change in the rotor-fixed coordinate system in the error-free case. In the event of an error, the result is a modulation of the actual constant with the direction. This is achieved according to the invention by the characterizing features of patent claim 1.

Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen werden im weiteren anhand des, in der im folgenden angegebenen Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. 55 3The invention and further advantageous embodiments will be explained in more detail with reference to the embodiment shown in the drawing shown below. 55 3

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Figur 1. Die Grundstruktur (vereinfachte, schematische Darstellung) einer Anordnung zur Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens.Figure 1. The basic structure (simplified, schematic representation) of an arrangement for applying the method according to the invention.

In Figur 1 ist eine Vorrichtung zur Umsetzung des erfindungsgemäßen Verfahrens als Block-5 Schaltbild für eine Drehstrommaschine, gespeist von einem dreiphasigen, aus einem Spannungsnetz versorgten, Umrichter erläutert. Dabei ist der erste Eingang einer Drehstrommaschine 1 über eine erste Energieleitung 13 mit dem ersten Ausgang eines Umrichters 3 verbunden und der zweite Eingang der Drehstrommaschine 1 ist über eine zweite Energieleitung 14 mit dem zweiten Ausgang des Umrichters 3 verbunden und der dritte Eingang der Drehstromma-io schine 1 ist über eine dritte Energieleitung 12 mit dem dritten Ausgang des Umrichters 3 verbunden. Der Umrichter 3 ist über eine vierte Energieleitung 11 an das Spannungsnetz 10 geschaltet. Der vierte Ausgang des Umrichters 3 ist über eine erste Signalleitung 18 mit dem negativen Eingang des Summiergliedes 5 verbunden und das Sollwertvorgabeglied 6 ist über eine zweite Signalleitung 17 mit dem positiven Eingang des Summiergliedes 5 verbunden. Der 15 Ausgang des Summiergliedes 5 ist über eine dritte Signalleitung 16 mit dem ersten Eingang des Regelungsgliedes 4 verbunden und der Ausgang des Regelungsgliedes 4 ist über eine vierte Signalleitung 15 mit dem Umrichter 3 verbunden. Der fünfte Ausgang des Umrichters 3 ist über eine fünfte Signalleitung 19 mit dem Eingang eines Rotorzeitkonstantenauswertegliedes 7 und der Ausgang des Rotorzeitkonstantenauswertegliedes 7 ist über eine sechste Signalleitung 20 20 mit dem Eingang des Symmetrieüberwachungsgliedes 8 verbunden. Der Ausgang des Symmetrieüberwachungsgliedes 8 ist über eine siebente Signalleitung 21 mit dem Eingang eines Fehlersignalauswertungsglied 9 verbunden. Der Rotor der Drehstrommaschine 1 ist über eine mechanische Verbindung 24 mit dem Rotorpositionserfassungsglied 2 verbunden und das Rotorpositionserfassungsglied 2 ist über eine achte Signalleitung 22 mit dem zweiten Eingang 25 des Regelungsgliedes 4 sowie über eine neunte Signalleitung 23 mit dem Umrichter 3 verbunden.1 shows a device for implementing the method according to the invention as a block-5 circuit diagram for a three-phase machine, powered by a three-phase, powered from a power supply inverter explained. In this case, the first input of a three-phase machine 1 is connected via a first power line 13 to the first output of an inverter 3 and the second input of the three-phase machine 1 is connected via a second power line 14 to the second output of the inverter 3 and the third input of the three-phase AC Machine 1 is connected via a third power line 12 to the third output of the inverter 3. The inverter 3 is connected via a fourth power line 11 to the voltage network 10. The fourth output of the converter 3 is connected via a first signal line 18 to the negative input of the summing element 5 and the setpoint input element 6 is connected via a second signal line 17 to the positive input of the summing element 5. The output of the adder 5 is connected via a third signal line 16 to the first input of the control element 4 and the output of the control element 4 is connected via a fourth signal line 15 to the inverter 3. The fifth output of the converter 3 is connected via a fifth signal line 19 to the input of a Rotorzeitkonstantenauswertegliedes 7 and the output of the Rotorzeitkonstantenauswertegliedes 7 is connected via a sixth signal line 20 20 to the input of the Symmetrieüberwachungsgliedes 8. The output of the symmetry monitoring element 8 is connected via a seventh signal line 21 to the input of an error signal evaluation element 9. The rotor of the three-phase machine 1 is connected via a mechanical connection 24 to the rotor position detecting member 2 and the rotor position detecting member 2 is connected via an eighth signal line 22 to the second input 25 of the control element 4 and via a ninth signal line 23 to the inverter 3.

Bei dieser Anordnung ist es auf relativ einfache Art und Weise möglich, das erfindungsgemäße Verfahren laut Anspruch 1 zu verwirklichen. 30In this arrangement, it is possible in a relatively simple manner to realize the inventive method according to claim 1. 30

Anhand eines Ausführungsbeispiels soll die Erfindung näher erläutert werden. Zu dem Zweck ist in Figur 1 eine Anordnung für die das erfindungsgemäße Verfahren nach Anspruch 1 Anwendung finden kann, in Form eines Blockschaltbildes dargestellt. 35 In dem Ausführungsbeispiel einer, von einem Umrichter 3 gespeisten, mit konstanter Drehzahl rotierenden Drehstrommaschine 1 wird zur hochdynamischen Regelung der Flusswinkel in der Maschine aus den elektrischen Messgrößen berechnet. Durch das Sollwertvorgabeglied 6 wird der Sollwert der rotorflussbildenden Komponente des Stromraumzeigers der Maschine beispielsweise sprungförmig geändert und der entsprechende Strom durch geeignete Schaltbefeh-40 le des Umrichters 3 in der Maschine eingeprägt. Der Winkel der rotorflussbildenden Komponente bezüglich des Rotors wird konstant gehalten. Aufgrund der konstanten Drehzahl der Maschine ändert sich der Betrag der Klemmenspannung der Maschine proportional zur Änderung des Rotorflussbetrages mit der Rotorzeitkonstante. In einem Rotorzeitkonstanteauswerteglied 7 wird aus dieser Spannungsänderung die Rotorzeitkonstante für die vorgegebene Richtung der 45 Flussbetragsänderung am Rotor berechnet. Entsprechende Änderungen des Sollwertes der rotorflussbildenden Komponente des Stromraumzeigers der Maschine werden vom Sollwertvorgabeglied 6 in alle Richtungen des Rotors gelegt und so für jede Richtung im Rotorzeitkonstan-teauswerteglied 7 der zugehörige Wert der Rotorzeitkonstante ermittelt. Im Symmetrieüberwachungsglied 8 wird schließlich aus dem Verlauf der Rotorzeitkonstante über dem Winkel am so Rotor eine Asymmetrie erkannt und im Fehlersignalauswertungsglied 9 wird aufgrund der Asymmetrie ein Fehlerzustand erkannt und lokalisiert.Reference to an embodiment of the invention will be explained in more detail. For the purpose in Figure 1, an arrangement for which the method according to the invention can be used according to claim 1, shown in the form of a block diagram. In the exemplary embodiment of a three-phase machine 1 which is driven by a converter 3 and rotates at constant speed, the flow angle in the machine is calculated from the electrical measured variables for highly dynamic control. By setpoint specification element 6, the setpoint of the rotor flux forming component of the current space vector of the machine, for example, changed abruptly and the corresponding current impressed by suitable Schaltbefeh-40 le of the inverter 3 in the machine. The angle of the rotor flux forming component with respect to the rotor is kept constant. Due to the constant speed of the machine, the amount of the terminal voltage of the machine changes in proportion to the change in the rotor flux amount with the rotor time constant. In a rotor time constant evaluation element 7, the rotor time constant for the predetermined direction of the flux amount change on the rotor is calculated from this voltage change. Corresponding changes in the setpoint value of the rotor flux-forming component of the current space vector of the machine are set by the desired value specification element 6 in all directions of the rotor, and the associated value of the rotor time constant is thus determined for each direction in the rotor time constant value element 7. Finally, in the symmetry monitoring element 8, an asymmetry is detected from the profile of the rotor time constant over the angle at the rotor, and an error state is detected and localized in the error signal evaluation element 9 due to the asymmetry.

Anhand eines Ausführungsbeispiels soll eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung näher erläutert werden. Zu dem Zweck ist wiederum in Figur 1 eine Anordnung für die das 55 erfindungsgemäße Verfahren nach Anspruch 1 Anwendung finden kann, in Form eines Block-Reference to an embodiment, a further advantageous embodiment of the invention will be explained in more detail. For the purpose, again in FIG. 1, an arrangement for which the method according to the invention according to claim 1 can be used, in the form of a block

Claims

4 AT 414 190 B circuit diagram shown. In the exemplary embodiment of a three-phase machine 1 which is driven by a converter 3 and rotates at variable speed, the flow angle in the machine is calculated from the electrical measured variables for highly dynamic control. By setpoint specification element 6, the setpoint of the rotor flux forming component of the current space vector of the machine is changed, for example, jump-shaped and imprinted the corresponding current by suitable switching commands of the inverter 3 in the machine. The angle of this component with respect to the rotor is kept constant. The time course of the amount of the terminal voltage of the machine io changes due to the variable speed now both proportional to the changing amount of the rotor flux and the amount of possibly changing the load speed. In a rotor time constant evaluation element 7, the rotor time constant for the predetermined direction of the flux amount change on the rotor is calculated from this voltage change and the rotational speed. The information about the angle with respect to the rotor 15 and the rotational speed can be determined either by the rotor position detection element 2, or from the electrical terminal sizes of the machines. Corresponding changes in the setpoint value of the rotor flux-forming component of the current space vector of the machine are set by the desired value specification element 6 in all directions of the rotor, and the associated value of the rotor time constant is thus determined for each direction in the rotor time constant evaluation element 7. Finally, an asymmetry is detected in the symmetry monitoring element 8 from the profile of the rotor time constant over the angle on the rotor, and an error state is detected and localized in the error signal evaluation element 9. A method for detecting fault conditions in the rotor of three-phase machines, during operation, characterized in that by a setpoint input member (6) the rotor flux forming component of the stream space hand of the machine is changed and kept constant in its direction 30 with respect to the rotor, and that from the resulting change in the stator voltage in a rotor time constant evaluation element (7) the value of the rotor time constant for the predetermined direction is determined on the rotor, taking into account any detected during the determination changes in the speed of the machine are detected, and that the changes of the rotor flux forming current component uniformly all directions of the rotor are laid and that in a symmetry monitoring element (8) an asymmetry is detected from the course of the determined values of the rotor time constant over the different directions on the rotor and in an error signal a evaluation element (9) a fault condition in the rotor is detected and localized, wherein the information about the angle with respect to the rotor and the information about the speed of the machine can be determined either from a rotor position sensing element (2) or from the electrical terminal sizes of the machine , For this purpose 1 sheet of drawings 45 50 55