Schleifringlose Läufertemperatur-Messeinrichtung einer elektrischen Maschine
Die Erfindung betrifft eine schleifringlose Läufertemperatur-Messeinrichtung einer elektrischen Maschine mit Hilfe von in den Läuferwicklungen eingebauten Kraftleiterwiderständen und eines Übertragers zwischen Läufer und Ständer, wobei die Kaltleiterwiderstände mit dem zum Läufer gehörenden Kreis des Übertragers verbunden sind.
Die Wicklungen einer elektrischen Maschine im Ständer und im Rotor erwärmen sich nach verschiedenen Zeitkonstanten. In vielen Fällen ist die Zeitkonstante am Läufer grösser als die am Ständer. Der zunächst gefährdete Teil ist dann also der Läufer. Es sind daher Messeinrichtungen vorgeschlagen worden, welche die Temperatur des Läufers erfassen sollen und bei unzulässig hohen Werten ein Signal geben oder die Maschine abschalten lassen.
Die Schwierigkeit ist hierbei, dass die Temperatur an dem sich drehenden Teil gemessen und an den ruhenden Teil weitergegeben werden muss. Hierzu kann man zusätzlich Schleifringe vorsehen. Diese sind am Läufer anzubringen und erfordern je nach der Grösse der Maschine einen grösseren oder kleineren Aufwand und haben ausserdem wegen der meist nur kleinen zur Verfügung stehenden Spannungen keinen zuverlässigen Kontaktübergang. Man ist daher dazu übergegangen, möglichst schleifringlos die Temperatur vom bewegten zum festen Teil elektrisch zu übertragen. Dies kann man kapazitiv oder induktiv machen. Bei der kapazitiven Kopplung werden die beiden Belegungen der Kapazität am Ständer und Rotor als Ringe angebracht, die gegenseitig einen kleinen Spalt besitzen. Das Ganze wird mit Hochfrequenz gespeist.
Die Temperaturmessglieder liegen dann in einer Brückenschaltung und werden im Normalzustande in bekannter Weise abgeglichen. Bei Ungleichheit der Zweige infolge Widerstandsveränderungen durch hohe Temperaturen wird dann über über trager ein Signal an eine Verstärkerschaltung und von dort an ein Steuerrelais weitergegeben.
Bei einer anderen bekannten Ausführung erfolgt die Übertragung induktiv. Zu diesem Zwecke werden eine oder mehrere Spulen am Ständer und am Läufer angebracht. Die beweglichen Spulen sind ebenfalls mit den Temperaturmessgliedern verbunden. Das Ganze wird von der Ständerseite her mit Gleichstrom gespeist. Beim Vorbeilaufen der beweglichen Spule an der festen Spule entsteht im Normalbetrieb ein Stromstoss, welcher als Modulation an einen Wechselspannungsgenerator gegeben wird. Bei einer Widerstandsänderung der Tempera tu rmessglied er verschwindet diese Modulation fast vollkommen. Dies wird dazu ausgenutzt, um ein Signalrelais zu betätigen. Hierbei ist es erforderlich, die Zeit zwischen zwei Impulsen jeweils verstreichen zu lassen, bevor das Signalrelais ein Signal bekommt.
Es ist also noch ein Zeitvergleich nötig, der das Signal erst dann freigibt, wenn das Wegbleiben eines Impulses länger dauert als die mögliche grösste Zeit zwischen den Impulsen. Diese Zeit ist die beim Stillstand der Maschine unter Strom zulässige Zeit.
Die kapazitive Übertragung erfordert nun eine grosse Fläche oder eine hohe Frequenz der Messspannung, damit durch die Kapazität die Messung nicht beeinflusst wird. Die grosse Fläche der Kapazitäten ist ein konstruktiver Nachteil, die Verwendung hoher Frequenzen erfordert Abschirmungen.
Die Anordnung mit der induktiven Kopplung verlängert die Zeit der Auslösung, da diese sich nach der Stillstandszeit richten muss. Oder man muss eine untere Drehzahlgrenze vorsehen, so dass kein Schütz für den Stillstand und der kleinen Drehzahlen vorhanden ist.
Zur weiteren Verbesserung der Temperaturmessung mit induktivem Übertrager wird nun erfindungsgemäss vorgeschlagen, dass der zum Ständer gehörende Kreis des Übertragers im Zweig einer Wechselstrombrückenschaltung liegt, welche durch einen Wechselspannungsgenerator gespeist ist, an welche Brücke über einen Verstärker eine Signal- oder Auslöseeinrichtung angeschlossen ist.
Die Figuren zeigen Beispiele der Erfindung. Die
Fig. 1 zeigt die Schaltung, die
Fig. 2 die Anordnung der Spulen des Übertragers.
In Fig. 1 ist der Läufer einer elektrischen Maschine mit 1 bezeichnet. An den gefährdetsten Stellen sind die Temperaturmessglieder 2 vorgesehen. Es sind drei darge stellt. Sie sind als temperaturabhängige Widerstände und zwar sogenannte Kaltleiterwiderstände ausgeführt, welche im kalten Zustand einen niedrigen Widerstand und im warmen Zustand einen hohen Widerstand haben, wobei der niedrige Widerstand zum hohen mit grosser Steilheit übergeht. Alle Widerstände sind in Reihe geschaltet, so dass bereits beim Überschreiten der zulässigen Erwärmung an einem einzigen Widerstand ein merklicher Widerstandsunterschied entsteht. Die als Kaltleiterwiderstände ausgeführten Temperaturmessglieder 2 sind mit der Spule 3 eines Übertragers verbunden. Diese Spule läuft also mit dem Läufer mit. Ihr gegenüber liegt eine zweite Spule 4, welche feststeht, also mit dem Ständer verbunden ist.
Die Spule 4 ist in einen Brückenzweig einer Brückenschaltung geschaltet. Die anderen Brückenzweige bestehen aus Widerständen 5 und 6, von denen der Widerstand 5 einstellbar gemacht wird. Er dient zur Einstellung des Brückengleichgewichtes im normalen Betrieb. Die Induktivität des Übertragers soll hierbei so klein wie möglich sein. Sie kann auch durch den Kondensator 7 kompensiert werden. Die Brückenschaltung wird durch den Wechselstromgenerator 8 gespeist.
Er besitzt eine Frequenz, die höher als die möglichen Störfrequenzen, also insbesondere die Nennfrequenz bei Wechselstrommaschinen sein muss. Sie braucht aber nicht so hoch zu sein, dass für den Übertrager Spezialbleche und Eisensorten erforderlich sind. Es genügt, dass der Kern des Übertragers aus unlegiertem Stahl besteht.
In der Brücke selbst liegt nun die Messeinrichtung, die im Beispiel zunächst aus einem Filter 9, dann dem Verstärker 10, der mehrere Stufen besitzen kann, und dem daran angeschlossenen Steuerrelais 11 besteht. Dieses Steuerrelais kann ein Signal geben oder einen Schalter betätigen. Das Filter 9 hat die Aufgabe, die Störfrequenzen zurückzuhalten, die in der Regel unterhalb der Frequenz des Messgenerators 8 liegen. Es ist also für die tiefen Frequenzen auszulegen.
Fig. 2 zeigt die Ausführung des Übertragers genauer.
Mit 12 ist die Welle der elektrischen Maschine bezeichnet. Auch hier ist der Läufer angedeutet. Er ist hier aber nicht dargestellt. Es ist nur das Lager 13 zwischen der beweglichen Welle und dem festen Ständer 14 angedeutet. Der Übertrager besteht aus der beweglichen Spule 3 und der festen Spule 4. Die Spule 3 ist in das Konstntk- tionsteil 15 eingesetzt, welches zugleich den Eisenkern bildet, der in diesem Falle aus unlegiertem Stahl bestehen kann, wenn die Frequenz des Messgenerators nicht allzuhoch gewählt wird. Die feste Spule 4 liegt in dem winkelförmigen Teil 16, das ebenfalls den Eisenkern bildet. Zwischen ihnen ist ein kleiner Luftspalt 14 vorgesehen. Das Teil 16 ist am Ständer 14 befestigt. Die Spulen liegen in Achsrichtung der Welle nebeneinander und sind so weit voneinander entfernt, dass sie das axiale Spiel aufnehmen können.
Die Spulen 3 und 4 und die Teile 15 und 16 liegen koaxial zur Welle und erstrecken sich über den ganzen Umfang. Dann ist auch bei Stillstand in jeder Stellung eine Übertragung möglich.
Die Wirkungsweise ist folgende: Im normalen Betrieb sind die Temperaturmessglieder kalt. Sie haben daher einen niedrigen Widerstandswert. Der Widerstand 5 ist so eingestellt, dass für diesen Fall die Brückenschaltung abgeglichen ist. Der mit den Kaltleiterwiderständen 2 belastete Übertrager 4 wirkt in der Brückenschaltung wie ein ohmscher Widerstand, wenn die Induktivität des Übertragers klein genug ist oder durch den Kondensator 7 kompensiert ist. Solange Gleichgewicht besteht, liegt an der Brücke, in welcher der Verstärker 10 angeordnet ist, keine Spannung. Das Steuerrelais 11 ist also stromlos.
Sobald aber ein Kaltleiterwiderstand plötzlich einen höheren Wert durch Temperaturerhöhungen annimmt, ist das Brückengleichgewicht gestört, es liegt eine Spannung in der Brücke, die der Verstärker 10 nach Ausfilterung der vielleicht noch vorhandenen kleineren Frequenzen verstärkt und an das Steuerrelais 11 abgibt. Dieses spricht an und verursacht ein Signal, eine Schaltung, oder auch eine Regelung.
Diese Einrichtung arbeitet unabhängig von der Drehzahl der Maschine. Auch bei stillstehendem Läufer arbeitet die Anordnung völlig einwandfrei und unbeschränkt. Dies liegt an der induktiven Kopplung und daran, dass die Spulen über den ganzen Umfang der Welle gleichmässig verteilt angebracht sind.
Der Vorteil der Anordnung ist ausserdem die einfache Schaltung. Der Übertrager kann aus unlegiertem Stahl ausgeführt werden und ist daher solid und billig herzustellen.
Slip-ring-free rotor temperature measuring device for an electrical machine
The invention relates to a slip ring-free rotor temperature measuring device of an electrical machine with the aid of force conductor resistors built into the rotor windings and a transformer between the rotor and stator, the PTC resistors being connected to the circuit of the transformer belonging to the rotor.
The windings of an electrical machine in the stator and in the rotor heat up according to different time constants. In many cases the time constant on the rotor is greater than that on the stator. The part initially at risk is then the runner. For this reason, measuring devices have been proposed which are intended to detect the temperature of the rotor and give a signal in the event of impermissibly high values or switch off the machine.
The difficulty here is that the temperature has to be measured on the rotating part and passed on to the stationary part. For this purpose, slip rings can also be provided. These are to be attached to the rotor and, depending on the size of the machine, require greater or lesser effort and, in addition, because of the usually only small voltages available, they do not have a reliable contact transition. One has therefore switched to electrically transferring the temperature from the moving to the fixed part with as little slip ring as possible. This can be done capacitively or inductively. With capacitive coupling, the two capacitance assignments on the stator and rotor are attached as rings that have a small gap between them. The whole thing is fed with high frequency.
The temperature measuring elements are then located in a bridge circuit and are calibrated in a known manner in the normal state. If the branches are unequal as a result of changes in resistance due to high temperatures, a signal is then passed on to an amplifier circuit and from there to a control relay.
In another known embodiment, the transmission takes place inductively. For this purpose, one or more coils are attached to the stator and the rotor. The movable coils are also connected to the temperature measuring elements. The whole thing is fed with direct current from the stand side. When the moving coil runs past the fixed coil, a current surge occurs during normal operation, which is given as a modulation to an alternating voltage generator. If the resistance of the temperature measuring element changes, this modulation disappears almost completely. This is used to operate a signal relay. Here it is necessary to let the time elapse between two pulses before the signal relay receives a signal.
A time comparison is therefore still necessary, which only releases the signal if the absence of a pulse lasts longer than the greatest possible time between the pulses. This time is the permissible time when the machine is not under power.
The capacitive transmission now requires a large area or a high frequency of the measurement voltage so that the measurement is not influenced by the capacitance. The large area of the capacitors is a design disadvantage, the use of high frequencies requires shielding.
The arrangement with the inductive coupling extends the tripping time, since this must be based on the standstill time. Or you have to provide a lower speed limit so that there is no contactor for standstill and low speeds.
To further improve the temperature measurement with an inductive transmitter, it is proposed according to the invention that the circuit of the transmitter belonging to the stator is in the branch of an alternating current bridge circuit which is fed by an alternating voltage generator, to which bridge a signaling or triggering device is connected via an amplifier.
The figures show examples of the invention. The
Fig. 1 shows the circuit that
Fig. 2 shows the arrangement of the coils of the transformer.
The rotor of an electrical machine is denoted by 1 in FIG. 1. The temperature measuring elements 2 are provided at the most endangered points. There are three shown. They are designed as temperature-dependent resistors, namely so-called PTC resistors, which have a low resistance in the cold state and a high resistance in the warm state, the low resistance transitioning to the high one with a steepness. All resistors are connected in series, so that a noticeable difference in resistance occurs even if the permissible temperature rise is exceeded at a single resistor. The temperature measuring elements 2, which are designed as PTC resistors, are connected to the coil 3 of a transformer. This coil runs with the rotor. Opposite it is a second coil 4 which is stationary, that is to say is connected to the stand.
The coil 4 is connected in a bridge branch of a bridge circuit. The other branches of the bridge consist of resistors 5 and 6, of which the resistor 5 is made adjustable. It is used to set the bridge balance in normal operation. The inductance of the transformer should be as small as possible. It can also be compensated for by the capacitor 7. The bridge circuit is fed by the alternating current generator 8.
It has a frequency that must be higher than the possible interference frequencies, i.e. in particular the nominal frequency for AC machines. However, it does not need to be so high that special sheets and types of iron are required for the transformer. It is sufficient that the core of the transformer consists of unalloyed steel.
The measuring device, which in the example initially consists of a filter 9, then the amplifier 10, which can have several stages, and the control relay 11 connected to it, is now located in the bridge itself. This control relay can give a signal or operate a switch. The filter 9 has the task of holding back the interference frequencies, which are generally below the frequency of the measuring generator 8. So it is to be designed for the low frequencies.
Fig. 2 shows the implementation of the transformer in more detail.
The shaft of the electrical machine is designated by 12. Here, too, the runner is indicated. But it is not shown here. Only the bearing 13 between the movable shaft and the fixed stand 14 is indicated. The transformer consists of the movable coil 3 and the fixed coil 4. The coil 3 is inserted into the Konstntk- tion part 15, which at the same time forms the iron core, which in this case can consist of unalloyed steel if the frequency of the measuring generator is not selected too high becomes. The fixed coil 4 lies in the angular part 16, which also forms the iron core. A small air gap 14 is provided between them. The part 16 is attached to the stand 14. The coils lie next to one another in the axial direction of the shaft and are so far apart that they can absorb the axial play.
The coils 3 and 4 and the parts 15 and 16 are coaxial with the shaft and extend over the entire circumference. Transmission is then possible in any position even when the system is stationary.
The mode of operation is as follows: In normal operation, the temperature measuring elements are cold. They therefore have a low resistance value. The resistor 5 is set so that the bridge circuit is balanced in this case. The transformer 4 loaded with the PTC resistors 2 acts like an ohmic resistor in the bridge circuit if the inductance of the transformer is small enough or is compensated by the capacitor 7. As long as there is equilibrium, there is no voltage on the bridge in which the amplifier 10 is arranged. The control relay 11 is thus de-energized.
But as soon as a PTC resistor suddenly takes on a higher value due to temperature increases, the bridge equilibrium is disturbed, there is a voltage in the bridge, which the amplifier 10 amplifies after filtering out the possibly remaining lower frequencies and sends it to the control relay 11. This responds and causes a signal, a circuit or a regulation.
This device works independently of the speed of the machine. Even when the rotor is at a standstill, the arrangement works perfectly and without restrictions. This is due to the inductive coupling and the fact that the coils are evenly distributed over the entire circumference of the shaft.
The advantage of the arrangement is also the simple circuit. The transformer can be made of mild steel and is therefore solid and cheap to manufacture.