CH693288A5

CH693288A5 - Selbstabstimmender undkompensierender Detektor für Wicklungsfehler.

Info

Publication number: CH693288A5
Application number: CH02762/97A
Authority: CH
Inventors: William James Premerlani; Gerald Burt Kliman; David Jeremiah Hoeweler
Original assignee: Gen Electric
Priority date: 1996-04-01
Filing date: 1997-03-26
Publication date: 2003-05-15
Also published as: DE19780321B4; GB2315934B; GB2315934A; DE19780321T1; GB9725485D0; US5786708A; WO1997037236A1

Description

In einem von Kohler et al. im US-Patent 5 270 640 beschriebenen Verfahren zur Feststellung eines Wicklungsfehlers in einem Wechselstrommotor werden in einem einleitenden Schritt Netzstrom- und -spannungszeiger (phasors) bestimmt, indem man eine schnelle Fouriertransformation (FFT) zur Gewinnung der Grundschwingungen über die Strom- und Spannungsverläufe durchführt. Die FFT erfordert im Allgemeinen mehrere 360-Grad-Zyklen. In einem zusätzlichen Schritt wird die standardmässige Transformation symmetrischer Komponenten dieser Zeiger bzw. Vektoren durchgeführt, um die mitdrehende sowie die gegendrehenden Komponenten für die Spannungen (V+ und V-) sowie für die Ströme (I+ und I-) abzuleiten, aus denen die Scheinimpedanzzeiger bzw. -vektoren (Z+ = V+/I+ und Z- = V-/I-) berechnet werden können.

Da beim Auffinden der Zeiger und beim Berechnen der Impedanzen eine beträchtliche Mittelung erfolgen muss, ist die Messung zeitaufwändig und kann mindestens einige Zyklen erfordern. Zusätzlich ist die Spannung (V-) der gegendrehenden Komponente häufig zu klein, um ein vernünftiges Ergebnis für die Berechnung der Scheinimpedanz (Z-) der gegendrehenden Komponente zu liefern.

Übliche mit der gegendrehenden Impedanz (komponente) arbeitende Verfahrensimplementierungen für die Echtzeit- bzw. Online-Feststellung eines Wicklungsfehlers litten unter mangelnder Auflösung bei einem schlechten Signal/Rauschverhältnis resultierend aus einem erheblichen Rauschen sowie aus harmonischen Teilschwingungen. Darüber hinaus drücken sich induzierte Fehler häufig als erhöhte Impedanz aus, welches Phänomen der Vorstellung zu widersprechen scheint, dass die Impedanz abnehmen sollte, wenn Kurzschlüsse in einer Phasenleitung auftreten. Überdies gilt, dass, wenn das eingangsseitige Leitungsnetz relativ kleine gegendrehende Spannungskomponenten besitzt, die Impedanz unbestimmt wird und ihr Wert in weiten Grenzen variieren kann.

Die meisten mathematischen Verfahren für die Analyse von Wicklungsfehlern in Motoren gehen von einem Motor aus, der mit Ausnahme des Fehlers symmetrisch ist und von einem symmetrischen Dreiphasennetz erregt bzw. betrieben wird. Die Komplexität und der Berechnungsaufwand, der bei diesen Modellen erforderlich ist, bewirkt, dass diese Modelle für die Bewertung von Wicklungsfehlern bei unsymmetrischen Motoren, die von unsymmetrischen Netzen erregt werden, unzweckmässig sind.

In dem gemeinsam zugeordneten US-Patent 5 477 163 von Kliman vom 19. Dezember 1995 wird ein empfindlicheres und zuverlässigeres auf dem Scheinwiderstand der gegendrehenden Komponente basierendes Verfahren zur Feststellung von Wicklungsfehlern erhalten, indem man über eine Drehmomentsberechnung den Schlupf pro Einheit (pu) abschätzt und die Abschätzung dazu benutzt, den Einfluss der Lastveränderung aus der Impedanz der gegendrehenden Komponente zu entfernen, indem man einen angepassten Scheinimpedanzwert der gegendrehenden Komponente vorsieht.

In einer gemeinsam zugeordneten Anmeldung, nämlich der am 20. März 1995 angemeldeten US-Anmeldung No. 08/407 550 von Koegl et al, wird ein Verfahren zur Feststellung von Wicklungsfehlern beschrieben, das in der Lage ist, sowohl unter abgeglichenen als auch unter unabgeglichenen Versorgungspannungsbedingungen sowie bei Veränderungen in der Versorgungsspannung zu arbeiten, und dabei realistische Messgenauigkeiten sowie andere Fehlerquellen einzubeziehen.

Koegl et al geben an, dass die aus einem Wicklungsfehler resultierende gegendrehende Stromkomponente nicht nur aus einer Änderung in der Impedanz der gegendrehenden Komponente resultiert, die mit Ausnahme von Belastungseffekten für kleine Fehler im Wesentlichen konstant ist, und dass ein aus einem Wicklungsfehler resultierender Fehlerstrom im Endeffekt von der Schaltung für die mitdrehende Komponente durch eine Kopplung über den Fehler in die Schaltung für die gegendrehende Komponente eingebracht bzw. injiziert wird. Der von dem Fehler eingebrachte Strom, der von dem gemessenen Strom in der Impedanz der gegendrehenden Komponente separiert wird, kann als ein Fehlerindikator benutzt werden.

Restliche Auswirkungen auf den gegendrehenden Strom resultieren aus inhärenten und konstruktiv ausgelegten Asymmetrien in dem Motor und in den Motorfühlern. Obwohl der von einem bestimmten Wicklungsfehler verursachte fehlerbedingte Strom in einer Beziehung zu der Spannung und dem Strom der mitdrehenden Komponente steht, ändern sich die restlichen Auswirkungen tendenziell wie eine andere Funktion. In Abhängigkeit von der Grösse des Fehlers und dem Arbeitspunkt des Motors kann daher die Grösse des insgesamten gegendrehenden Stroms so erscheinen, als ob sie beim Auftreten eines Fehlers abnimmt. Bei einigen Kombinationen aus Fehlern und Belastungen könnte sich der im Ergebnis auftretende gegendrehende Strom weder in seiner Amplitude noch in seiner Phase ändern. Aufgabe der Erfindung ist es, diese Nachteile des Standes der Technik zu beheben.

Die Erfindung betrifft gemäss einem ersten Gesichtspunkt der Erfindung ein Verfahren mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen. Bevorzugte Ausführungsformen des Verfahrens haben die Merkmale der Ansprüche 2-9.

Die Erfindung betrifft gemäss einem zweiten Gesichtspunkt der Erfindung eine Einrichtung mit den in Anspruch 10 angegebenen Merkmalen.

Bevorzugte Ausführungsformen der Einrichtung haben die Merkmale der Ansprüche 11-17.

Die dem Verfahren und der Vorrichtung gemäss der Erfindung zu Grunde liegende erfinderische Idee besteht darin, dass man zur Kompensation einer Strommessung einer gegendrehenden Komponente die restlichen Effekte aus konstruktiv bedingten oder inhärenten Asymmetrien und/oder Netzspannungsänderungen mittels einer Funktion abschätzt, die durch Überwachung des Motors während einer Startperiode des Motors erzeugt und dann verfeinert wird, indem der Motor während des Betriebs unter normalen Belastungsmustern weiterhin überwacht wird.

Hinsichtlich des Aufbaus und des Betriebsverfahrens der Erfindung zusammen mit weiteren Aufgaben und Vorteilen sei auf die folgende Beschreibung im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen verwiesen. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Datengewinnungssystems.
Fig. 2 ein Flussdiagramm zur Darstellung einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
Fig. 3 ein Schaltbild, das die Beziehung zwischen dem gemessenen Strom der gegendrehenden Komponente, dem von einem Fehler eingebrachten Strom der gegendrehenden Komponente sowie dem restlichen eingebrachten gegendrehenden Strom darstellt.
Fig. 4 eine graphische Darstellung des Realteils des Stromverhältnisses aus der gegendrehenden und der mitdrehenden Komponente bezogen auf den Strom der mitdrehenden Komponente.
Fig.

5 ist eine graphische Darstellung des Imaginärteils für das Stromverhältnis aus der gegendrehenden und der mitdrehenden Komponente bezogen auf den Strom der mitdrehenden Komponente.
Fig. 6 ist eine beispielsweise Darstellung eines Teils des restlichen eingebrachten Stroms der gegendrehenden Komponente bezogen sowohl auf den Strom der mitdrehenden Komponente für ausgewählte Spannungen der mitdrehenden Komponente als auch auf die Spannung der mitdrehenden Komponente für ausgewählte Ströme der mitdrehenden Komponente.
Fig. 7 ist eine beispielsweise Darstellung eines Teils des restlichen eingebrachten Stroms der gegendrehenden Komponente bezogen auf die Spannungs- und Strombereiche der mitdrehenden Komponente.
Fig.

8 ist eine beispielsweise Darstellung eines Teils des restlichen eingebrachten Stroms der gegendrehenden Komponente bezogen auf die Spannung und den Strom der mitdrehenden Komponente.

Fig. 1 ist ein Blockschaltbild eines Datengewinnungssystems 24 für eine Induktionsmaschine 10, die Energie von einer Spannungsversorgung 12 erhält, wie es in dem oben erwähnten US-Patent 5 477 163 von Kliman und in der oben erwähnten US-Anmeldung 08/407 550 von Koegl et al beschrieben ist.

Drei Stromfühler 14 messen den Motorstrom, und drei Spannungsfühler 16 messen die Motorspannungsverläufe. Obwohl dreiphasige Strom- und dreiphasige Spannungsfühler in der gezeigten Weise vorgezogen werden, sind tatsächlich lediglich zwei Stromfühler sowie Spannungsfühler erforderlich, da der Strom und die Spannung der dritten Phase jeweils unter Anwen dung der Kirchhoff min schen Regeln berechnet werden kann. Weiterhin gilt, dass, obwohl ein Dreiphasenmotor gezeigt ist, die Erfindung ebenfalls auf Zweiphasenmotoren sowie auf Motoren mit mehr als drei Phasen anwendbar ist.

Jede Messung eines Stroms oder einer Spannung kann von einer entsprechenden Einrichtung 18 zur Signalaufbereitung (Signalkonditionierer) verarbeitet werden, welche einen Verstärker und ein sog. Anti-Aliasing-Filter enthält, das als Tiefpassfilter zur Entfernung der Komponenten mit mehr als der halben Abtastfrequenz dient, sodass solche Komponenten sich nicht über die Tiefpassmessung falten und damit interferieren.

Nach der Signalkonditionierung kann jedes aufbereitete Signal durch einen Analog/Digital (A/D)-Umsetzer 20 in ein digitales Signal umgewandelt werden. Es kann ein einzelner A/D-Umsetzer für jeden einzelnen Signalkonditionierer in der gezeigten Weise vorhanden sein, oder es kann ein einzelner A/D-Umsetzer mit einem für die Umwandlung jedes der sechs Signale benutzten Schalter vorgesehen sein.

Die gemessenen Spannungen und Ströme können in dem Rechner verarbeitet werden, indem man sie entsprechend der Theorie der symmetrischen Komponenten in abgeglichene (balanced), jedoch entgegengesetzt drehende Sätze trennt. Diese Messungen können in der in dem oben erwähnten US-Patent 5 477 163 von Kliman beschriebenen Weise benutzt werden, um die Impedanz der gegendrehenden Komponente zu bestimmen. Eine diskrete Fouriertransformation (DFT) 28 in dem Rechner kann dazu benutzt werden, wie das in der oben erwähnten US-Anmeldung 08/407 550 von Koegl et al beschrieben ist.

Fig. 2 ist ein Flussdiagramm, das eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt, und Fig. 3 ist ein Schaltbild, das die Beziehung zwischen dem gemessenen Strom der gegendrehenden Komponente, dem auf Grund des Fehlers eingebrachten Strom der gegendrehenden Komponente und dem restlichen eingebrachten bzw. injizierten Strom der gegendrehenden Komponente darstellt.

Wie oben festgestellt wurde, gab die zuvor erwähnte US-Anmeldung 08/407,550 von Koegl et al an, dass der aus einem Windungs- bzw. Wicklungsfehler resultierende Strom der gegendrehenden Komponente nicht nur von einer Änderung in der Impedanz der gegendrehenden Komponente herrührt, und dass ein Fehlerstrom, der aus einem Wicklungsfehler resultiert, von der mitdrehenden Schaltung über eine Kopplung durch den Fehler in die Schaltung für die gegendrehende Komponente eingebracht bzw. injiziert wird. Der auf Grund des Fehlers injizierte Strom, der von dem gemessenen Strom durch Verwendung des Wellenwiderstands der gegendrehenden Komponente abgetrennt wird, kann als ein Fehlerindikator benutzt werden. Koegl et al haben den injizierten Strom berechnet zu:

Ii_ = I_ - V_/Z_

Darin ist Ii_ der injizierte Strom, I_ der gemessene Strom der gegendrehenden Komponente, V_ die Spannung der gegendrehenden Komponente und Z_ der angenäherte Wellenwiderstand der gegendrehenden Komponente des Motors; und sie verglichen ihn in einer Ausführungsform für einen Wicklungsfehlerdetektor mit einem Schwellenwert.

Obwohl dies eine Verbesserung gegenüber konventionellen Techniken, wie sie oben beschrieben worden sind, darstellte, resultieren natürliche restliche Beziehungen zweiter Ordnung zwischen den Strömen der mitdrehenden und gegendrehenden Komponenten aus inhärenten sowie aus konstruktiv bedingten Asymmetrien in dem Motor und in den Motorfühlern sowie aus Eichungsfehlern der Instrumente und Fühler. Eichungsfehler bei den Strommessungen bewirken, dass ein Teil des Stroms der mitdrehenden Komponente in der Strommessung der gegendrehenden Komponente erscheint. Eine Asymmetrie im Motor bewirkt weiterhin einen belastungsabhängigen Effekt zwischen den Strömen der mitdrehenden und der gegendrehenden Komponenten.

Obwohl die Reste (residuals) klein sind, bestimmen sie die letztlichen Empfindlichkeitsgrenzen bei der Detektion von Wicklungsfehlern. Die Natur dieser Reste ist normalerweise ziemlich unterschiedlich von der eines Wicklungsfehlers, was zu verschiedenen funktionalen Beziehungen zwischen den Strömen der mitdrehenden sowie der gegendrehenden Komponenten führt. Die Wechselbeziehung kann in einem Fehlerzustand resultieren, bei dem keine Änderung in dem Strom der gegendrehenden Komponente auftritt oder bei dem die Impedanz der gegendrehenden Komponente abnehmen kann. Die Reste sind jedoch nicht beliebig oder zufällig. Tatsächlich werden die Reste von dem physikalischen System (dem Motor und seinen Fühlern) festgelegt und ändern sich nicht mit der Zeit. Vielmehr sind die Reste eine Funktion der Motorlast, der Versorgungsspannung sowie der Netzfrequenz.

Die vorliegende Erfindung kompensiert den Einfluss der Reste durch eine Abänderung der obigen Gleichung, indem sie den aus den Resten resultierenden Strom wie folgt subtrahiert:

Ii_ = I_ - V_/Z_ - Ir

wobei Ir einen aus den Resten resultierenden Strom darstellt, auf den hier Bezug genommen wird als restlicher eingebrachter bzw. injizierter Strom der gegendrehenden Komponente. Für gegebene Werte der Grösse der mitdrehenden Spannung, des mitdrehenden Stromes sowie der Frequenz sollte exakt ein Wert für den restlichen injizierten Strom der gegendrehenden Komponente existieren. Wenn der restliche injizierte Strom (Ir) der gegendrehenden Komponente gemessen und subtrahiert wird, lässt sich eine verbesserte Empfindlichkeit und Zuverlässigkeit erreichen. Die vorliegende Erfindung enthält eine selbsteinstellende Technik für die Bestimmung des restlichen injizierten Stroms der gegendrehenden Komponente, wie nachfolgend mit Hinblick auf die Fig. 4-8 beschrieben wird.

Mit Bezug auf Fig. 2 kann der Schritt 32 der Aufbereitung bzw. Konditionierung der Strom- und Spannungssignale sowie der Schritt 34 für die Umwandlung der Signale in digitale Signale mit dem Signalkonditionierer 18 und dem A/D-Umsetzer 20 vorgenommen werden, wie das mit Blick auf Fig. 1 erörtert worden ist.

Im Schritt 36 werden die digitalen Signale transformiert, indem man die Grundzeiger bzw. -vektoren der digitalisierten Strom- und Spannungsverläufe gewinnt und auf die Grundzeiger eine Transformation symmetrischer Komponenten anwendet, um die symmetrischen Komponenten der Strom- und Spannungszeiger zu erhalten.

Eine bevorzugte Methode für die Gewinnung von Grund- bzw. Fundamentalzeigern besteht darin, die hochfrequenten Signale sowie die Gleichspannungsverschiebungen auszufiltern und lediglich die Signale mit der Grundfrequenz durchzulassen, indem man eine diskrete Fouriertransformation (DFT) anwendet, z.B. eine solche, die gleich ist mit der für die Bestimmung eines entsprechenden Zeigerwerts zur Anwendung bei der Bestimmung der Frequenz in einem Versorgungsnetz, wie das in dem gemeinsam zugeordneten US-Patent 4 547 726 von Premerlani vom 15. Oktober 1985 beschrieben wurde, welches Patent hier durch Bezugnahme eingefügt wird.

Wie in der zuvor erwähnten US-Anmeldung 08/407 550 von Koegl et al erörtert wird, ist die Grundkomponente einer DFT eine gute Abschätzung für die Amplitude und den Phasenwinkel der 60Hz Komponente der Netzspannungen und -ströme in Anbetracht von Rauschen und Harmonischen. Die folgende Gleichung gibt die Berechnung der Fundamental- bzw. Grundkomponente eines Zeigers aus Datenabtastwerten wieder:
EMI10.1

wobei X(m) die Abschätzung des Zeigerwertes für einen Zykluswert von Abtastungen X bei der Abtastung m (in Echtzeit mit der Grundschwingung in der m = 1 Komponente) ist, wobei N Abtastungen pro Zyklus genommen werden, und wobei k der Summationsindex (eine ganze Zahl) ist. Für eine Dreiphasenanalyse wird der Prozess für jede Phase wiederholt:
EMI11.1

Die Grundzeiger können wie folgt in symmetrische Komponenten umgewandelt werden:

X0 = 1/3 (Xa + Xb + Xc)
X+ = 1/3 (Xa + aXb + a<2>Xc)
X_ = 1/3 (Xa + a<2>Xb + aXc)

wobei "a" ein Zeiger vom Einheitswert und mit einem Winkel von 120 Grad (e<j2/3>), X0 der Zeiger im Nullsystem, X+ der Zeiger im mitdrehenden und X_ der Zeiger im gegendrehenden System ist.

In einem Ausführungsbeispiel wird eine gewichtete diskrete Fouriertransformation verwendet, um die Grundzeiger der digitalisierten Strom- und Spannungsverläufe zu gewinnen und die Transformation symetrischer Komponenten auf die Grundzeiger anzuwenden, um symmetrische Komponenten der Strom- und Spannungszeiger zu erhalten. Dies wird erreicht, indem man die Transformation symmetrischer Komponenten in die diskrete Fouriertransformation hineinverknüpft, wie das in der oben erwähnten US-Anmeldung 08/407 550 von Koegl et al beschrieben ist, und indem man dadurch die Notwendigkeit beseitigt, auf den rauschbehafteten und zeitaufwändigen Prozess zum Auffinden der Amplitude und Phase der Netzspannungen und -ströme einzugehen.

Durch eine Verknüpfung der Gleichungen für die DFT und die symmetrischen Komponenten ist es möglich, unter Benutzung einer gewichteten diskreten Fouriertransformation eine Grösse im gegendrehenden System direkt aus den Datenabtastungen zu berechnen:
EMI12.1

worin X_(m) die Abschätzung des Zeigerwerts der gegendrehenden Komponente bei einem Zykluswert von Abtastungen xa, xb und xc beim Abtastwert m (Echtzeit t) mit N pro Zyklus genommenen Abtastungen, k der Summationsindex (eine ganze Zahl) und "a" ein Zeiger vom Einheitswert und mit einem Winkel von 120 Grad (e<j2/3>) ist. Diese Technik liefert direkt und effizient die Impedanzen für das mitdrehende, das gegendrehende sowie das Nullsystem.

Nachdem im Schritt 36 die Transformation angewendet worden ist, wird im Schritt 44 die Strommessung erhalten, indem man die Gleichung Ii_ = I_ - V_/Z_ - Ir verwendet, wie das oben erörtert worden ist. Der Wellenwiderstand Z_ der gegendrehenden Komponente verändert sich mit der Belastung, er ist jedoch im Wesentlichen invariant in Bezug auf Windungs- bzw. Wicklungsfehler. Es gibt einige Verfahren für die Bestimmung von Z_. Motorhersteller stellen manchmal die Schaltungsparameter zur Verfügung. Wenn die Motorparameter bekannt und einigermassen unabhängig von der Belastung sind, dann kann Z_ aus den Parametern berechnet werden. Ist eine Liste der Schaltungsparameter vom Hersteller nicht verfügbar, können die Parameter gemessen werden.

Eine Messtechnik besteht darin, den Motor bei geblocktem Rotor zu betreiben und die daraus resultierenden Daten zu verarbeiten, um die äquivalenten Schaltungsparameter zu erzeugen sowie die Bedingungen für den geblockten Rotor abzuleiten. Eine andere Technik besteht darin, die Datensammlung unter Einsatz der normalen Startbedingungen durchzuführen.

Im Schritt 46 wird ein Wicklungsfehler angezeigt, wenn die Grösse von Ii_ einen Schwellenwert überschreitet. Ist die Grösse Null, liegt kein Fehler vor. Es ist entweder ein fester oder ein variabler Schwellenwert möglich, und zwar abhängig davon, ob man die Empfindlichkeit erhöhen möchte, wenn der Motor nur schwach belastet wird. Wenn ein fester Schwellenwert benutzt wird, wird der Schwellenwert auf der Basis des gewünschten Empfindlichkeitsgrades ausgewählt, wobei man berücksichtigt, dass die untere Empfindlichkeitsgrenze von restlichen Messfehlern, einer Motorunwucht und Rauschen diktiert wird.

In einem Ausführungsbeispiel werden mehrere Schwellenwerte benutzt. Wenn die Grösse von Ii_ den grösseren Schwellenwert überschreitet, wird unmittelbar ein Alarm ausgelöst, während beim Überschreiten der kleineren Schwelle der Alarm so lange nicht ausgelöst wird, wie der Zustand nicht andauert.

Die Methode der Verwendung einer Kombination aus einer DFT und einer Analyse der symmetrischen Komponenten filtert das meiste Netzrauschen bei höheren Frequenzen als der des Netzes heraus und macht die Berechnung extrem schnell, da es möglich sein kann, die Berechnung in gerade etwas mehr als einem Zyklus durchzuführen. Die Synchronisation mit dem Netz kann beispielsweise erreicht werden unter Einsatz einer Programmsteuerung des Analog/Digitalumsetzers, die allgemein erhältlich ist in Kombination mit beispielsweise einer phasenverriegelten Schleife, wie das in dem oben erwähnten US-Patent 4 715 000 beschrieben ist.

Die Fig. 4-8 sind grafische Darstellungen, die nützlich sind bei der Bereitstellung von Beispielen für eine Reihe von Methoden zur Bestimmung einer Funktion für den aus den Resten (residuals) resultierenden Strom Ir.

In einer Ausführung werden für den Motor Normalbedingungen (kein Fehler) angenommen, wenn er erstmals aufgestellt wird. Dann werden die Real- und Imaginärteile von Ir während des Motorbetriebs gemessen, und es werden die Funktion sowie ihre Standardabweichung während eines kurzen Selbstabgleichvorgangs bestimmt, wobei die Funktion wie folgt berechnet wird:

Ir =fr(II+I, IV+I)+jfi(lI+l, lV+l) wobei I+ der Strom der mitdrehenden Komponente, V+ die Spannung der mitdrehenden Komponente, fr eine reale Funktion von I+ und V+ und fi die imaginäre Funktion von I+ und V+ sind. Da sich die Frequenz im Versorgungsnetz um nicht mehr als 0,1 bis 0,2 Prozent ändert, werden Frequenzabweichungen dabei ignoriert. Während des Prozesses für die Funktionserzeugung kann der durch den Fehler eingebrachte bzw. injizierte Strom I_ der gegendrehenden Komponente gemessen und statistisch analysiert werden, um seine Abhängigkeit von der Belastung und von der Spannung zu bestimmen. Die Messungen erfolgen so lange, bis I+ unter einen vorbestimmten Wert abfällt (typisch während einiger der ersten Zyklen). Die Funktionen von Ir lassen sich durch einen passenden Ansatz definieren.

Wie beispielsweise anhand der Fig. 4 und 5 gezeigt ist, wurde das Verhältnis I_ zu I+ benutzt, da dies ein geeignetes Verhältnis für die Anpassung bzw. Aufstellung von Kurven und Oberflächen war. Andere Funktionen, wie z.B. I_ selbst, lassen sich alternativ anwenden, falls das gewünscht wird.

Nachdem eine Funktion für Ir bestimmt ist, läuft der Motor im Schutzmodus, indem man bestimmt, wann der von einem Fehler injizierte Strom Ii_ der gegendrehenden Komponente bei einer gegebenen Versorgungsspannung sowie einem gegebenen Strom in einer statistisch signifikanten Weise einen Schwellenwert überschreitet, wie das oben erörtert wurde.

Die Abhängigkeit des restlichen injizierten Stroms Ir der gegendrehenden Komponente muss nicht in Abhängigkeit von der Last und der Versorgungsspannung ausgedrückt werden und kann stattdessen beispielsweise ausgedrückt werden in Form anderer Variablen, die monoton von der Last und der Versorgungsspannung abhängen. In einer Ausführung wird der Realteil des Stroms der mitdrehenden Komponente für die Darstellung der Last benutzt, und in einer anderen Ausführung wird der absolute Wert des Stroms der mitdrehenden Komponente benutzt. Die zur Bestimmung des restlichen injizierten Stroms der gegendrehenden Komponente während der Trainingsperiode benutzten Variablen werden vorzugsweise auch später bei der Bestimmung, ob ein Fehler vorhanden ist oder nicht, verwendet.

Fig. 4 ist eine graphische Darstellung des Realteils von Ir (dargestellt durch ein Stromverhältnis aus der gegendrehenden zur mitdrehenden Komponente) mit Bezug auf den Strom der mitdrehenden Komponente, und Fig. 5 ist eine grafische Darstellung des Imaginärteils von Ir (dargestellt durch ein Stromverhältnis aus der gegendrehenden zur mitdrehenden Komponente bezogen auf den Strom der mitdrehenden Komponente.

In der Ausführung nach den Fig. 4 und 5 wird eine Kurvenanpassung bzw. -erstellung durchgeführt, während die Belastung (Strom) des Motors variiert wird. Diese Technik ist nützlich, weil sich die Kurven unter Verwendung von Standard bzw. Lehrbuchgleichungen extrapolieren lassen, wie das beispielsweise von der unter dem Namen MATLAB< TM > erhältlichen Computersoftware von The Math Works Inc. in Natick, MA, gemacht wird.

Für Zwecke der Veranschaulichung sind die Diagramme der Fig. 4 und 5 für eine konstante Spannung der mitdrehenden Komponente gezeigt. Fig. 6 ist ein beispielhaftes Diagramm eines (entweder für einen Realteil oder für einen Imaginärteil typischen) Teils des restlichen injizierten Stroms der gegendrehenden Komponente, der sowohl auf den Strom der mitdrehenden Komponente für ausgewählte Spannungen der mitdrehenden Komponente als auch auf die Spannung der mitdrehenden Komponente für ausgewählte Ströme der mitdrehenden Komponente bezogen ist.

Wenn mehrere Spannungswerte benutzt werden, wobei die Last über jedem Spannungswert variiert wird, lassen sich mehrere Kurven zusammenstellen, wie beispielsweise die mit V1, V2, V3, V4 und V5 bezeichneten Kurven. In gleicher Weise können mehrere Stromwerte verwendet werden, wobei die Spannung über jedem Stromwert variiert wird, um mehrere Kurven zu bilden, z.B. wie durch II, I2, I3, I4 und I5 angegeben ist.

Wenn in der Ausführung von Fig. 6 ein Mangel an Stromdaten vorliegt, ist es vorzuziehen, konstante Spannungswerte auszuwählen und Stromdaten für jeden der konstanten Spannungswerte zu gewinnen. Wenn in entsprechender Weise ein Mangel an Spannungsdaten vorliegt, ist es vorzuziehen, konstante Strompegel auszuwählen und für jeden der konstanten Strompegel Spannungsdaten zu gewinnen.

Fig. 7 ist ein beispielhaftes Diagramm eines (entweder einen Real- oder Imaginärteil darstellenden) Teils des restlichen injizierten Stroms der gegendrehenden Komponente, der auf die Spannungs- und Strom"fächer" (bins) 60 der mitdrehenden Komponente bezogen ist. Bei dieser Ausführung ist der Funktionsbereich in viele kleine Fächer (Bereiche) eingeteilt, wobei ein Mittelwert des Stromverhältnisses der gegendrehenden zur mitdrehenden Komponente sowie eine Standardabweichung für jeden Bereich berechnet wird.

Die Mittelwerte sowie Varianzen lassen sich nach einer von zahlreichen Techniken erhalten. In einer präzisen, jedoch teuren Ausführung lassen sich beispielsweise Daten lediglich dann erhalten, wenn sie benötigt werden. In einer geeigneteren Ausführung kann die Datengewinnung zufällig erfolgen. Bei dieser Ausführung kann der normale Arbeitszyklus des Motors beispielsweise über mehrere Tage erfolgen, wobei Daten während dieser Periode gesammelt werden.

Kurvenzusammenstellungen, wie sie in Fig. 6 gezeigt sind, erfordern weniger Speicherplatz im Computer als die Fächerausführung von Fig. 7; jedoch ist die Fächerausführung unempfindlicher als die Ausführung mit der Kurvenanpassung bzw. -zusammenstellung und ist dabei mathematisch einfacher, weil sie keine Annahmen über die Oberflächenform trifft.

Ein weiterer zu berücksichtigender Faktor besteht darin, dass die beliebige Datengewinnung für die Ausführung von Fig. 7 darin resultieren kann, dass einige Fächer ohne Mittelwert und Varianzdaten verbleiben. Wenn sich ein solches Fach ohne Daten zwischen anderen Fächern befindet, kann entweder eine Interpolation für eine Wertezuordnung durchgeführt werden, oder die Spannungs- und Strompegel des Motors können bewusst derart eingestellt werden, dass diese Werte erhalten werden. Eine Interpolation wird komplizierter, wenn die fehlenden Datenfächer an den Rändern von anderen Fächern (anstatt dazwischen) liegen. In dieser Situation kann es angebracht sein, eine Kurvenanalyse, wie in Fig. 6 gezeigt, durchzuführen.

Die Bestimmung von Werten für Fächer ohne Daten entweder per Experiment oder durch Interpolation ist von Bedeutung, weil ein Wicklungsfehler in einem Motor häufig den Motor in einen Zustand bringt, in dem er normalerweise nicht läuft, und damit den Motor in ein "Fach" (bin) hineinzwingt, in dem er vorher nicht gewesen ist.

Jedes "Fach" ist definiert durch einen spezifischen Strombereich sowie Spannungsbereich. Fächer mit einer kleineren Strom- und Spannungsfläche liefern eine erhöhte Genauigkeit gegenüber grösseren Fächern, es können jedoch mehr Fächer ohne Daten daraus resultieren.

Fig. 8 ist ein beispielhaftes Diagramm einer Oberflächenkurve eines (entweder einen Real- oder einen Imaginärteil darstellenden) Teils des restlichen injizierten Stroms der gegendrehenden Komponente, der auf die Spannung und den Strom der mitdrehenden Komponente bezogen ist. Eine Oberflächenkurve lässt sich unter Benutzung von Standard- bzw. Lehrbuchgleichungen erhalten, wie das beispielsweise von der unter dem Namen MATLAB< TM > erhältlichen Computersoftware von The Math Works, Inc., geleistet wird. Ein Real- oder Imaginärteil des Stromverhältnisses der gegendrehenden zur mitdrehenden Komponente bezogen auf die Spannung sowie den Strom der mitdrehenden Komponente lässt sich beispielsweise ausdrücken durch die Gleichung:
EMI17.1

wobei A, B, C, D, E und F komplexe Zahlen sind. Die Ausfüh rung von Fig. 8 ist von Vorteil, weil sie eine einfache Extrapolation liefert. Es kann jedoch einiges an Abschätzung und komplizierter Computermodellierung erforderlich sein, um zu bestimmen, welche Form eine bestimmte Oberfläche annehmen kann und welche Funktion diese Oberläche am besten abbildet.

Claims

1. Verfahren zum Feststellen von Wicklungsfehlern in einem Induktionsmotor, enthaltend die Schritte: Gewinnen von Motorstromverläufen; Gewinnen von Motorspannungsverläufen; Umwandeln der Motorstromverläufe in digitalisierte Stromverläufe und der Motorspannungsverläufe in digitalisierte Spannungsverläufe; Gewinnen von Grundzeigern der digitalisierten Stromverläufe und der digitalisierten Spannungsverläufe; Anwenden einer Transformation symmetrischer Komponenten auf die Grundzeiger, um symmetrische Komponenten der Strom- und Spannungszeiger unter Einschluss eines Spannungszeigers (V_) der gegendrehenden Komponente sowie eines Stromzeigers (I_) der gegendrehenden Komponente zu erhalten; Abschätzen eines restlichen eingebrachten bzw. injizierten Stroms (Ir) der gegendrehenden Komponente;

Abschätzen eines von einem Fehler eingebrachten bzw. injizierten Stroms (Ii_) der gegendrehenden Komponente gemäss der folgenden Gleichung: Ii_ = I_ - V_/Z_ - Ir wobei Z_ den Wellenwiderstand der gegendrehenden Komponente enthält; und Bestimmen des Vorliegens eines Wicklungsfehlers aus einem Vergleich des abgeschätzten von dem Fehler eingebrachten Stroms der gegendrehenden Komponente mit einem Schwellenwert für den von dem Fehler eingebrachten Strom der gegendrehenden Komponente.

2.

Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Schritte des Gewinnens von Grundzeigern der digitalisierten Stromverläufe und der digitalisierten Spannungsverläufe sowie des Anwendens einer Transformation symmetrischer Komponenten auf die Grundzeiger zum Erhalt symmetrischer Komponenten der Strom- und Spannungszeiger das Anwenden einer gewichteten diskreten Fouriertransformation auf die digitalisierten Stromverläufe und die digitalisierten Spannungsverläufe enthalten.

3.

Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Schritt des Gewinnens von Grundzeigern der digitalisierten Stromverläufe und der digitalisierten Spannungsverläufe das Anwenden einer diskreten Fouriertransformation auf die digitalisierten Stromverläufe und auf die digitalisierten Spannungsverläufe enthält, und wobei der Schritt des Abschätzens des restlichen eingebrachten bzw. injizierten Stroms der gegendrehenden Komponente die Massnahme enthält, dass man vor dem Aufnehmen der Motorstromverläufe eine Funktion für den restlichen eingebrachten Strom der gegendrehenden Komponente bestimmt.

4.

Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Schritt des Anwendens einer Transformation symmetrischer Komponenten auf die Grundzeiger zum Erhalt symmetrischer Komponenten der Strom- und Spannungszeiger die Gewinnung eines Spannungszeigers der mitdrehenden Komponente und eines Stromzeigers der mitdrehenden Komponente einschliesst; und wobei der Schritt der Bestimmung der Funktion für den restlichen eingebrachten Strom der gegendrehenden Komponente die Bestimmung einer Funktion einschliesst, die von dem Spannungszeiger der mitdrehenden Komponente und von dem Stromzeiger der mitdrehenden Komponente abhängig ist.

5.

Verfahren nach Anspruch 4, wobei der Schritt des Bestimmens der Funktion für den restlichen eingebrachten Strom der gegendrehenden Komponente die Schritte enhält: Gewinnen von anfänglichen Motorstromverläufen; Gewinnen von anfänglichen Motorspannungsverläufen; Umwandeln der anfänglichen Motorstromverläufe in anfängliche digitalisierte Stromverläufe und der anfänglichen Motorspannungsverläufe in anfängliche digitalisierte Spannungsverläufe; Gewinnen von anfänglichen Grundzeigern der anfänglichen digitalisierten Stromverläufe und der anfänglichen digitalisierten Spannungsverläufe;

Anwenden einer Transformation symmetrischer Komponenten auf die anfänglichen Grundzeiger zum Erhalt anfänglicher symmetrischer Komponenten der Strom- und Spannungszeiger, die anfängliche Spannungszeiger der mitdrehenden Komponente, anfängliche Stromzeiger der mitdrehenden Komponente sowie anfängliche Stromzeiger der gegendrehenden Komponente enthalten; und Abschätzen eines Stromverhältnisses aus jedem einen der anfänglichen Stromzeiger der gegendrehenden Komponente und einem entsprechenden der anfänglichen Stromzeiger der mitdrehenden Komponente.

6.

Verfahren nach Anspruch 5, wobei der Schritt des Bestimmens der Funktion weiterhin das Erzeugen mehrerer Kurven des Stromverhältnisses bezogen auf die Grösse des anfänglichen Stromzeigers der mitdrehenden Komponente enthält, wobei jede der mehreren Kurven einen im Wesentlichen konstanten jeweiligen anfänglichen Spannungszeiger der mitdrehenden Komponente aufweist.

7. Verfahren nach Anspruch 5, wobei der Schritt des Bestimmens der Funktion weiterhin das Erzeugen mehrerer Kurven des Stromverhältnisses bezogen auf die Grösse des anfänglichen Spannungszeigers der mitdrehenden Komponente enthält, wobei jede der mehreren Kurven einen im Wesentlichen konstanten jeweiligen anfänglichen Stromzeiger der mitdrehenden Komponente aufweist.

8. Verfahren nach Anspruch 5, wobei der Schritt des Bestimmens der Funktion weiterhin das Abgrenzen mehrerer Fächer bzw.

Bereiche (bins) enthält, wobei jedes Fach einen Grössenbereich des anfänglichen Spannungszeigers der mitdrehenden Komponente sowie einen Grössenbereich des anfänglichen Stromzeigers der mitdrehenden Komponente darstellt, sowie das Abschätzen eines Durchschnitts bzw. Mittelwerts und einer Standardabweichung des Stromverhältnisses für jedes der mehreren Fächer.

9. Verfahren nach Anspruch 5, wobei der Schritt des Bestimmens der Funktion weiterhin die Bildung einer Flächenkurve des Stromverhältnisses bezogen sowohl auf die Grösse des anfänglichen Stromzeigers der mitdrehenden Komponente als auch auf die Grösse des anfänglichen Spannungszeigers der mitdrehenden Komponente aufweist.

10.

Einrichtung zum Feststellen von Wicklungsfehlern in einem Induktionsmotor enthaltend: mindestens zwei Stromfühler (14) zum Gewinnen von mindestens zwei Motorstromverläufen bzw. -diagrammen; mindestens zwei Spannungsfühler (16) zum Gewinnen von mindestens zwei Motorspannungsverläufen bzw. -diagrammen; einen Analog/Digitalumsetzer (20) zum Umwandeln der Motorstromverläufe in digitalisierte Stromverläufe sowie der Motorspannungsverläufe in digitalisierte Spannungsverläufe;

eine Transformationseinrichtung (28) zum Gewinnen von Grundzeigern bzw. -vektoren der digitalisierten Stromverläufe sowie der digitalisierten Spannungsverläufe und Anwenden einer Transformation symmetrischer Komponenten auf die Grundzeiger, um symmetrische Komponenten der Strom- und Spannungszeiger zu erhalten, die einen Spannungszeiger (V_) der gegendrehenden Komponente sowie einen Stromzeiger (I_) der gegendrehenden Komponente aufweisen;

einen Prozessor (22) zum Abschätzen eines restlichen injizierten Stroms (Ir) der gegendrehenden Komponente, wobei ein von einem Fehler eingebrachter bzw. injizierter Strom (li_) der gegendrehenden Komponente gemäss der folgenden Gleichung abgeschätzt wird: Ii_ = I_ - V_/Z_ - Ir wobei Z_ einen Wellenwiderstand der gegendrehenden Komponente aufweist, und Bestimmen des Vorliegens eines Wicklungsfehlers aus einem Vergleich des abgeschätzten von dem Fehler eingebrachten Stroms der gegendrehenden Komponente mit einem Schwellenwert für den von dem Fehler eingebrachten Strom der gegendrehenden Komponente.

11. Einrichtung nach Anspruch 10, weiterhin enthaltend Mittel zum Bestimmen einer Funktion für den restlichen injizierten Strom der gegendrehenden Komponente.

12.

Einrichtung nach Anspruch 10, wobei die Transformationseinrichtung zum Gewinnen von Grundzeigern der digitalisierten Stromverläufe sowie der digitalisierten Spannungsverläufe und zum Anwenden einer Transformation symmetrischer Komponenten auf die Grundzeiger zum Erhalt von symmetrischen Komponenten der Strom- und Spannungszeiger so eingerichtet ist, dass sie einen Spannungszeiger der mitdrehenden Komponente sowie einen Stromzeiger der mitdrehenden Komponente gewinnt; und weiter enthaltend Mittel zum Bestimmen einer Funktion für den restlichen, injizierten Strom der gegendrehenden Komponente in Abhängigkeit von dem Spannungszeiger der mitdrehenden Komponente sowie von dem Stromzeiger der mitdrehenden Komponente.

13.

Einrichtung nach Anspruch 12, wobei die Mittel zum Bestimmen einer Funktion für den restlichen injizierten Strom der gegendrehenden Komponente in Abhängigkeit von dem Spannungszeiger der mitdrehenden Komponente sowie von dem Stromzeiger der mitdrehenden Komponente enthalten: die mindestens zwei Stromfühler (14) zum Gewinnen von mindestens zwei anfänglichen Motorstromverläufen; die mindestens zwei Spannungsfühler (16) zum Gewinnen von mindestens zwei anfänglichen Motorspannungsverläufen; den Analog/Digitalumsetzer (20) zum Umwandeln der anfänglichen Motorstromverläufe in anfängliche digitalisierte Stromverläufe sowie der anfänglichen Motorspannungsverläufe in anfängliche digitalisierte Spannungsverläufe;

die Transformationseinrichtung (28) zum Gewinnen von Grundzeigern der anfänglichen digitalisierten Stromverläufe und der anfänglichen digitalisierten Spannungsverläufe sowie zum Anwenden einer Transformation symmetrischer Komponenten auf die Grundzeiger, um anfängliche symmetrische Komponenten der Strom- und Spannungszeiger zu erhalten, die anfängliche Spannungszeiger der mitdrehenden Komponente, anfängliche Stromzeiger der mitdrehenden Komponente sowie anfängliche Stromzeiger, der gegendrehenden Komponente enthalten; und Mittel zum Abschätzen eines Stromverhältnisses von jedem einen der Stromzeiger der gegendrehenden Komponente zu einem entsprechenden der Stromzeiger der mitdrehenden Komponente.

14.

Einrichtung nach Anspruch 13, wobei die Mittel zum Bestimmen einer Funktion für den restlichen injizierten Strom der gegendrehenden Komponente in Abhängigkeit von dem Spannungszeiger der mitdrehenden Komponente und dem Stromzeiger der mitdrehenden Komponente weiterhin Mittel enthalten zum Erzeugen mehrerer Kurven des Stromverhältnisses bezogen auf die Grösse des anfänglichen Stromzeigers der mitdrehenden Komponente, wobei jede der mehreren Kurven einen im Wesentlichen konstanten entsprechenden anfänglichen Spannungszeiger der mitdrehenden Komponente aufweist.

15.

Einrichtung nach Anspruch 13, wobei die Mittel zum Bestimmen einer Funktion für den restlichen injizierten Strom der gegendrehenden Komponente in Abhängigkeit von dem Spannungszeiger der mitdrehenden Komponente und dem Stromzeiger der mitdrehenden Komponente weiterhin Mittel enthalten zum Erzeugen mehrerer Kurven des Stromverhältnisses bezogen auf die Grösse des anfänglichen Spannungszeigers der mitdrehenden Komponente, wobei jede der mehreren Kurven einen im Wesentlichen konstanten entsprechenden anfänglichen Stromzeiger der mitdrehenden Komponente aufweist.

16.

Einrichtung nach Anspruch 13, wobei die Mittel zum Bestimmen einer Funktion für den restlichen injizierten Strom der gegendrehenden Komponente in Abhängigkeit von dem Spannungszeiger der mitdrehenden Komponente und dem Stromzeiger der mitdrehenden Komponente weiterhin Mittel enthalten zum Abgrenzen mehrerer Fächer (bins), wobei jedes Fach einen Grö ssenbereich des anfänglichen Spannungszeigers der mitdrehenden Komponente sowie einen Grössenbereich des anfänglichen Stromzeigers der mitdrehenden Komponente repräsentiert, sowie zum Abschätzen eines Durchschnitts bzw. Mittelwerts sowie einer Standardabweichung des Stromverhältnisses für jedes der mehreren Fächer.

17.

Einrichtung nach Anspruch 13, wobei die Mittel zum Bestimmen einer Funktion für den restlichen injizierten Strom der gegendrehenden Komponente in Abhängigkeit von dem Spannungszeiger der mitdrehenden Komponente und dem Stromzeiger der mitdrehenden Komponente weiterhin Mittel enthalten zum Bilden einer Flächenkurve für das Stromverhältnis bezogen sowohl auf die Grösse des anfänglichen Stromzeigers der mitdrehenden Komponente als auch auf die Grösse des anfänglichen Spannungszeigers der mitdrehenden Komponente.