Elektrische Maschine mit an deren beweglichem Teil vorhandener Anordnung zur Temperaturmessung und Temperaturüberwachung
Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit an deren beweglichem Teil vorhandener Anordnung zur Temperaturmessung und Temperaturüberwachung.
Die üblichen Verfahren und Anordnungen zum Messen bzw. zur Überwachung der Temperaturen in beweglichen Maschinenteilen unter Verwendung von Thermoelementen oder temperaturabhängigen Widerständen, deren elektrische Werte über schleifende Kontakte oder über kleine Sender zum feststehenden Maschinenteil geleitet bzw. übertragen werden, sind allgemein bekannt; ebenso die damit behafteten Nachteile.
Darüberhinaus ist eine Temperaturüberwachung von beweglichen Maschinenteilen, insbesondere Rotorwickelungen... elektrischer Maschinen, bekannt, die aus einer an sich bekannten Messbrücke besteht, in deren Diagonalzweig ein Wechselstromerzeuger angeordnet ist. Ein Brückenzweig dieser Messbrücke besteht aus zwei Übertragungskapazitäten, die aus zwei relativ zueinander beweglichen Elektroden bestehen und so bekanntlich einen Wechselstromfluss zwischen beweglichen und feststehenden Maschinenteilen gestattet, einem Halbleiterwiderstandselement, das in Form eines Kahleiters zwischen den beiden tJbertragungskapazitä- ten in der zu überwachenden Rotorwicklung angeordnet ist und der Hälfte einer Transformator-Primärwicklung.
Der andere Brückenzweig setzt sich aus der zweiten Hälfte der Transformator-Primärwicklung sowie aus ohmschen und kapazitiven Abgleichelementen zusammen. Sekundärseitig des Transformators ist ein Grenzwertmelder angeordnet, der bei irgendeiner Verstimmung der Messbrücke anspricht.
Obwohl es ohne weiteres erkennbar ist, dass diese Temperaturüberwachung gegenüber den bisher bekannten eine wesentliche Verbesserung darstellt, ist damit doch noch der Nachteil verbunden, dass diese Temperaturüberwachung nicht für Temperaturmessungen geeignet ist. Letzteres ist vor allem darauf zurückzuführen, dass die Schaltung der Messbrücke zwar keine andere Möglichkeit der Anordnung der Ubertra- gungskapazitäten gestattet, dadurch aber die Kopplung im Bereich der Ubertragungskapazitäten besonders kritisch ist.
Weiterhin führt die Verwendung des ohmschen Widerstandes als Temperaturfühler in einer Messbrücke mit komplexen Widerstandsgrössen dazu, dass die daraus resultierende komplexe Messgrösse eine relative geringe Änderung erfährt - man kann dies mit einer Dämpfung im Schwingkreis vergleichen wodurch ebenfalls die Temperaturmessung über einen grösseren Bereich unmöglich wird.
Aus diesen Nachteilen und Erkenntnissen resultiert die Aufgabe, bei einer elektrischen Maschine eine Anordnung zur Temperaturmessung und zur Temperatur überwachung für den beweglichen Teil derselben, insbesondere für die Läuferwicklung zu schaffen, mit der auch bei hohen Messgeschwindigkeiten zumindest alle temperaturkritischen Stellen zu erfassen sind, ohne dass dazu der ökonomische Aufwand einen angemessenen Betrag unter Beachtung des Wertes der zu überwachenden Maschine überschreitet.
Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass ein oder mehrere Schwingkreise im beweglichen Maschinenteil angeordnet ist bzw. sind, wobei von dem einen bzw. je dem Schwingkreis die Kapazität als Temperaturfühler und die Induktivität als der eine Teil eines bzw. je eines induktiven Übertragungselements dient. Der bzw. jeder Schwingkreis ist einerseits elektrisch mit dem beweglichen Maschinenteil und andererseits mit dem einen bzw. je dem einen Teil eines bzw. je eines kapazitiven Übertragungselementes verbunden.
Am feststehenden Maschinenteil ist bzw. sind das andere bzw. die anderen Teile des induktiven und/oder kapazitiven Übertragungselementes zur Erregung des bzw. der Schwingkreise mit einem Hochfrequenz-Generator veränderbaren Frequenz und zur Temperaturmessung mit einem Oszillografen und zur Temperatur überwachung mit einem Grenzwertwächter elektrisch verbunden.
Werden mehrere feststehende Teile induktiver und/ oder kapazitiver Übertragungselemente verwendet, ist es besonders günstig, diese elektrisch an einen Umschalter zu legen.
Weiterhin ist es vorteilhaft, den Umschalter mittels Impulsen zu steuern, so dass er taktweise schaltet.
Für den Fall, dass die Schwingkreiskapazitäten grösseren Toleranzen unterliegen, ist das Zuschalten von kapazitiven und induktiven Abgleichmitteln möglich, wobei aber auf gleiche Temperaturkonstanten geachtet werden sollte.
Die kapazitiven Übertragungselemente können aus Elektroden in Form von relativ kleinen metallischen Plättchen bestehen, die gegen die Maschinenteile elektrisch isoliert sind.
Ebenfalls von relativ geringen Abmessungen können die induktiven Übertragungselemente in Form von eisen- oder nichteisengefüllten Spulen sein.
In den Zeichnungen sind einige Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Es zeigen:
Fig. 1 den grundsätzlichen Aufbau einer Anordnung zur Temperaturmessung, wobei an Hand dessen die Arbeitsweise erläutert wird;
Fig. 2 eine andere Ausführungsmöglichkeit zur Temperaturmessung und Temperaturüberwachung;
Fig. 3 das Schema einer Anordnung zur Temperaturmessung und Temperaturüberwachung im Läufer einer elektrischer Maschine mit relativ wenigen Messstellen;
Fig. 4 das Schema einer Anordnung zur Temperaturmessung und Temperaturüberwachung im Läufer einer elektrischen Maschine mit wesentlich mehr Messtellen unter Verwendung eines Umschalters.
In Fig. 1 bildet der Kondensator 1, der als Temperaturfühler dient, mit der Spule 2 einen Schwingkreis.
Dieser Schwingkreis ist mit der elektrisch verbundenen Elektrode 5 des kapazitiven Übertragungselementes im beweglichen Maschinenteil angeordnet, was durch den Luftspalt 6 gekennzeichnet ist. Die Erregung des Schwingkreises erfolgt vom feststehenden Maschinenteil mit dem Tongenerator 4 über die Koppelspule 3 in Verbindung mit der Spule 2 des Schwingkreises; woraus ersichtlich ist, dass die Spulen 2 des Schwingkreises und die Koppelspule 3 ein induktives Ubertragungs- element bilden. Weiterhin ist im feststehenden Maschinenteil die Elektrode 7 angeordnet, die in Verbindung mit der Elektrode 5 ein kapazitives Ubertragungsele- ment bildet, wobei die Elektroden 5 und 7 aus relativ kleinen metallischen Plättchen bestehen und gegen die Maschinenteile elektrisch isoliert sind.
Die Elektrode 7 ist elektrisch mit dem Oszillografen 8 verbunden. Die Arbeitsweise dieser Anordnung ist dabei folgende:
Die Koppelspule 3 wird mit der Wechselspannung des Tongenerators 4 gespeist. Im Moment der Vorbeibewegung der Spule 2 an der Koppelspule 3 wird in foigedessen diese Wechselspannung in den Schwingkreis, der aus dem Kondensator 1 und der Spule 2 besteht, induziert. Dadurch, dass der Kondensator 1 in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur seine Kapazität ändert, unterliegt die Resonanzfrequenz des Schwingkreises ebenfalls einer Änderung.
Ist nun der Tongenerator 4 auf eine solche Frequenz eingestellt, dass diese bei der maximal zulässigen Temperatur der Resonanzfrequenz des Schwingkreises entspricht, liegt an der Elektrode 5 eine relativ hohe Resonanzspannung an, die kapazitiv auf die Elektrode 7 übertragen wird und an dem Oszillograf 8 als Mass der Temperatur ablesbar ist. Im Fall der geringen Erwärmung ist die an Elektrode 5 anliegende Spannung, die natürlich ebenfalls am Oszillografen 8 als Mass der Temperatur abzulesen ist, geringer. Selbstverständlich ist es aber auch möglich, die jeweils von der Temperatur abhängige Resonanzfrequenz des Schwingkreises mit dem Ton generator 4 festzustellen, so dass die Frequenz das Mass für die Temperatur ist.
In Fig. 2 ist der Tongenerator 22 mit der feststehenden Elektrode 21 elektrisch verbunden, die mit der am beweglichen Maschinenteil angeordneten Elektrode 19 das kapazitive Übertragungselement bildet. Dieses kapazitive Ubertragungselement dient bei diesem Ausführungsbeispiel mittelbar zur Erregung des Schwingkreises, der hier aus dem Kondensator 11 und der Spule 13 besteht. Der infolgedessen sinngemäss beweglichen Spule 13 ist gegenüber die feststehende Koppelspule 14 angeordnet; beide bilden hier das induktive Übertragungselement. Übrigens ist das bewegliche und das feststehende Maschinenteil durch den Luftspalt 20 gekennzeichnet. Die Spannung als Mass der Temperatur ist, wie in Fig. 1, am Oszillograf 15 abzulesen.
Ausserdem ist dem Oszillograf 15 der Grenzwertwächter 16, der beispielsweise im wesentlichen aus dem Tnyratron 17 oder auch aus einer bekannten Halbleiterschaltung besteht, parallelgeschaltet. Dadurch wird neben der Temperaturmessung die Temperaturüberwachung derart gewährleistet, dass bei einem bestimmten Spannungsmaximum das Thyratron 17 durchschaltet und mittels des dadurch geschlossenen Kontaktes 18 die Energiezufuhr für die zu überwachende Maschine unterbrochen wird. Im Schwingkreis ist ausserdem noch ein Trimmer 12 angedeutet, der eine Korrektur der Kapazität des Kondensators 11 gestattet.
Die schematische Darstellung in Fig. 3 zeigt die Anwendung der Anordnung in einem Läufer 31 einer elektrischen Maschine. Dabei sind die als Temperaturfühler dienenden Kondensatoren 32 unmittelbar in bzw. an den temperaturkritischen Stellen angeordnet, wogegen sich die Elektroden 33 und die Spulen 34 in oder auf den Nutkeilen des Läufers 31 befinden. In oder auf den Nutkeilen des nicht dargestellten Ständers der elektrischen Maschine sind die Elektrode 36 und die Koppelspule 35 befestigt, wobei der Tongenerator 37 kapazitiv über die Elektrode 36 und den Elektroden 33 die einzelnen Schwingkreise erregt und induktiv die Messpannung von den Spulen 34 auf die Spule 35 übertragen wird.
Dadurch dass im Läufer 41 der Fig. 4 wesentlich mehr Messpunkte in Form von als Temperaturfühler dienende Kondensatoren 44, 47 und 50 verwendet werden, die mit den Spulen 42, 45 oder 48 jeweils einen Schwingkreis bilden und mit den Elektroden 43, 46 oder 49 elektrisch verbunden sind, wurden 3 Messtellen im ebenfalls nicht dargestellten Ständer der elektrischen Maschine angeordnet, die aus den Elektroden 51, 53 und 55 sowie aus den Koppelspulen 52, 54 und 56 bestehen und jeweils über den Umschalter 57 mit dem Tongenerator 58 bzw. mit der Messleitung 59 verbunden sind. Selbstverständlich lassen sich die kapazitiven und induktiven tÇbertragungs- elemente bei elektrischen Maschinen nicht nur in bzw. auf den Nutkeilen anordnen, sondern auch an vielen anderen Stellen, beispielsweise stirnseitig am Läufer.
Electric machine with an arrangement for temperature measurement and temperature monitoring on its moving part
The invention relates to an electrical machine with an arrangement for temperature measurement and temperature monitoring which is present on its movable part.
The usual methods and arrangements for measuring or monitoring the temperatures in moving machine parts using thermocouples or temperature-dependent resistors, the electrical values of which are passed or transmitted to the stationary machine part via sliding contacts or via small transmitters, are generally known; likewise the associated disadvantages.
In addition, temperature monitoring of moving machine parts, in particular rotor windings ... of electrical machines, is known, which consists of a measuring bridge known per se, in the diagonal branch of which an alternating current generator is arranged. One branch of this measuring bridge consists of two transmission capacitances, which consist of two electrodes that can be moved relative to one another and, as is well known, allows alternating current to flow between movable and stationary machine parts, a semiconductor resistance element which is arranged in the form of a wire between the two transmission capacities in the rotor winding to be monitored and half of a transformer primary winding.
The other branch of the bridge consists of the second half of the transformer primary winding as well as ohmic and capacitive compensation elements. On the secondary side of the transformer, there is a limit indicator that responds to any detuning of the measuring bridge.
Although it is readily apparent that this temperature monitoring represents a significant improvement over the previously known ones, it is still associated with the disadvantage that this temperature monitoring is not suitable for temperature measurements. The latter is primarily due to the fact that although the circuit of the measuring bridge does not allow any other possibility of arranging the transmission capacities, this means that the coupling in the area of the transmission capacities is particularly critical.
Furthermore, the use of the ohmic resistance as a temperature sensor in a measuring bridge with complex resistance values means that the resulting complex measured value experiences a relatively small change - this can be compared with damping in the resonant circuit, which also makes temperature measurement over a larger area impossible.
These disadvantages and findings result in the task of creating an arrangement for temperature measurement and temperature monitoring for the moving part of an electrical machine, in particular for the rotor winding, with which at least all temperature-critical points can be detected even at high measuring speeds without in addition, the economic expenditure exceeds a reasonable amount, taking into account the value of the machine to be monitored.
According to the invention, this is achieved in that one or more oscillating circuits is or are arranged in the movable machine part, the capacitance of one or each of the oscillating circuits serving as a temperature sensor and the inductance serving as one part of an inductive transmission element. The or each resonant circuit is electrically connected on the one hand to the movable machine part and on the other hand to the one or one part of a capacitive transmission element.
On the stationary machine part, the other or the other parts of the inductive and / or capacitive transmission element are electrically connected to excite the resonant circuit or circuits with a high-frequency generator with a variable frequency and to measure temperature with an oscilloscope and for temperature monitoring with a limit monitor .
If several fixed parts of inductive and / or capacitive transmission elements are used, it is particularly advantageous to connect them electrically to a changeover switch.
It is also advantageous to control the changeover switch by means of pulses so that it switches cyclically.
In the event that the oscillating circuit capacitances are subject to greater tolerances, capacitive and inductive balancing means can be switched on, but care should be taken to ensure that the temperature constants are the same.
The capacitive transmission elements can consist of electrodes in the form of relatively small metallic plates, which are electrically insulated from the machine parts.
The inductive transmission elements in the form of iron or non-iron-filled coils can also be of relatively small dimensions.
Some exemplary embodiments of the invention are shown in the drawings. Show it:
1 shows the basic structure of an arrangement for temperature measurement, with the aid of which the mode of operation is explained;
2 shows another possible embodiment for temperature measurement and temperature monitoring;
3 shows the scheme of an arrangement for temperature measurement and temperature monitoring in the rotor of an electrical machine with relatively few measuring points;
4 shows the diagram of an arrangement for temperature measurement and temperature monitoring in the rotor of an electrical machine with significantly more measuring points using a switch.
In FIG. 1, the capacitor 1, which serves as a temperature sensor, and the coil 2 form an oscillating circuit.
This resonant circuit is arranged with the electrically connected electrode 5 of the capacitive transmission element in the movable machine part, which is characterized by the air gap 6. The resonant circuit is excited from the stationary machine part with the tone generator 4 via the coupling coil 3 in connection with the coil 2 of the resonant circuit; from which it can be seen that the coils 2 of the resonant circuit and the coupling coil 3 form an inductive transmission element. Furthermore, the electrode 7 is arranged in the stationary machine part, which in connection with the electrode 5 forms a capacitive transmission element, the electrodes 5 and 7 consisting of relatively small metallic plates and being electrically insulated from the machine parts.
The electrode 7 is electrically connected to the oscilloscope 8. This arrangement works as follows:
The coupling coil 3 is fed with the alternating voltage of the tone generator 4. At the moment the coil 2 moves past the coupling coil 3, this alternating voltage is induced in the resonant circuit, which consists of the capacitor 1 and the coil 2. Because the capacitor 1 changes its capacitance as a function of the ambient temperature, the resonance frequency of the resonant circuit is also subject to a change.
If the tone generator 4 is now set to such a frequency that it corresponds to the resonance frequency of the resonant circuit at the maximum permissible temperature, a relatively high resonance voltage is applied to the electrode 5, which is capacitively transferred to the electrode 7 and to the oscilloscope 8 as a measure the temperature can be read. In the case of low heating, the voltage applied to electrode 5, which of course can also be read off as a measure of temperature on oscilloscope 8, is lower. Of course, it is also possible to determine the temperature-dependent resonance frequency of the resonant circuit with the tone generator 4, so that the frequency is the measure of the temperature.
In FIG. 2, the tone generator 22 is electrically connected to the stationary electrode 21 which, together with the electrode 19 arranged on the movable machine part, forms the capacitive transmission element. In this exemplary embodiment, this capacitive transmission element serves indirectly to excite the resonant circuit, which here consists of the capacitor 11 and the coil 13. The consequently correspondingly movable coil 13 is arranged opposite the fixed coupling coil 14; both form the inductive transmission element here. Incidentally, the moving and stationary machine parts are identified by the air gap 20. The voltage as a measure of the temperature can be read from the oscilloscope 15, as in FIG.
In addition, the oscilloscope 15 is connected in parallel with the limit monitor 16, which for example consists essentially of the Tnyratron 17 or also of a known semiconductor circuit. As a result, in addition to the temperature measurement, the temperature monitoring is ensured in such a way that the thyratron 17 switches through at a certain voltage maximum and the energy supply for the machine to be monitored is interrupted by means of the contact 18 closed thereby. A trimmer 12, which allows the capacitance of the capacitor 11 to be corrected, is also indicated in the resonant circuit.
The schematic illustration in FIG. 3 shows the application of the arrangement in a rotor 31 of an electrical machine. The capacitors 32 serving as temperature sensors are arranged directly in or at the temperature-critical points, whereas the electrodes 33 and the coils 34 are located in or on the slot wedges of the rotor 31. The electrode 36 and the coupling coil 35 are fastened in or on the slot wedges of the stator, not shown, of the electrical machine, the tone generator 37 capacitively exciting the individual resonant circuits via the electrode 36 and the electrodes 33 and inductively the measurement voltage from the coils 34 to the coil 35 is transmitted.
As a result, significantly more measuring points in the form of capacitors 44, 47 and 50 serving as temperature sensors are used in the rotor 41 of FIG. 4, which each form a resonant circuit with the coils 42, 45 or 48 and electrically with the electrodes 43, 46 or 49 are connected, 3 measuring points were arranged in the also not shown stator of the electrical machine, which consist of the electrodes 51, 53 and 55 as well as the coupling coils 52, 54 and 56 and each via the switch 57 with the tone generator 58 or with the measuring line 59 are connected. Of course, the capacitive and inductive transmission elements in electrical machines can be arranged not only in or on the slot wedges, but also in many other places, for example on the front of the rotor.