DD240807A1 - METHOD FOR MONITORING ELECTRIC DRIVES - Google Patents

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DD240807A1
DD240807A1 DD28027885A DD28027885A DD240807A1 DD 240807 A1 DD240807 A1 DD 240807A1 DD 28027885 A DD28027885 A DD 28027885A DD 28027885 A DD28027885 A DD 28027885A DD 240807 A1 DD240807 A1 DD 240807A1
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electric motor
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Harald Schippel
Walter Mettin
Uwe Klaus
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Elektroprojekt Anlagenbau Veb
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Abstract

Mit dem Verfahren sollen elektrische Antriebe auf aussergewoehnliche Zustaende hin ueberwacht werden, wie z. B. Lager- und Kupplungsschaeden und Schwergaengigkeit der Arbeitsmaschine. Erfindungsgemaess wird vorgeschlagen, den Stromverlauf des das Antriebssystem antreibenden Elektromotors auf das Ueber- bzw. Unterschreiten mehrerer Stromwerte innerhalb des betriebsbedingten Stromwertevorrats hin zu ueberwachen.The process is intended to monitor electrical drives for exceptional conditions, such as: B. bearing and coupling damage and Schwergaengigkeit the machine. According to the invention, it is proposed to monitor the current profile of the electric motor driving the drive system in response to the exceeding or undershooting of a plurality of current values within the operating current value store.

Description

«τ- :&> ^y ύ υ / «Τ- : & > ^ y ύ υ /

Titel der ErfindungTitle of the invention

Verfahren zur Überwachung von elektrischen AntriebenMethod for monitoring electric drives

Anwendungsgebiet der ErfindungField of application of the invention

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung von elektrischen Antrieben hinsichtlich außergewöhnlicher Betriebszustände. Unter Antrieb v/ird hierbei ein System bestehend aus Elektromotor, Kupplung, ggf. Getriebe und Arbeitsmaschine verstanden. Außergewöhnliche Betriebszustände sind lager- und Kupplungsschaden oder Schwergängigkeit (z.B. Festsitz) der Arbeitsmaschine sowie daraus resultierende gefährliche Betriebszustände für den technologischen Prozeß (z.B. Kohle- und Koksstaub-, staubexplosions- oder gasexplosionsgefährdete Arbeitsstätten)·The invention relates to a method for monitoring electric drives with regard to exceptional operating conditions. Drive is understood to mean a system consisting of an electric motor, a clutch, possibly a gearbox and a working machine. Unusual operating conditions are bearing and hitch damage or stiffness (e.g., interference fit) to the work machine, and resulting hazardous operating conditions for the technological process (e.g., coal and coke dust, dust explosion, or gas explosive workplaces).

Mit dem Verfahren sollen die Schaden am Antriebssystem und der technologischen Gesamtanlage durch Früherkennung der Fehler minimiert werden.The process is intended to minimize the damage to the drive system and the overall technological plant by early detection of the defects.

Charakteristik der bekannten technischen LösungenCharacteristic of the known technical solutions

Bekannte Motorschutzeinrichtungen reagieren auf eine Überlastung der elektrischen Maschine, indem der Strom in der elektrischen Maschine erfaßt und möglichst mit Hilfe eines sogenannten thermischen Abbildes der elektrischen Maschine, z.B. unter Verwendung von Bimetallauslösern - ausgewertet .wird. Auf diese ?/eise ist gewährleistet, daß die elektrische Maschine sich bei durch Kurzschluß oder Überlastung erhöhten Strömen nicht über die zulässige Temperatur erwärmen kanne Andere gefährliche Betriebszustände, z.B. durch Schaden an der Kupplung, am Getriebe, oder an der Arbeitsmaschine hervorgerufen, werden hiermit nicht direkt erfaßt. Ein derartiger Betriebszustand kann ein plötzlicher Kupplungsbruch sein. Lagerschäden können lange Zeit unbemerkt bleiben, ehe sie zum Festlaufen der Maschine und damit zur Auslösung wegen Überlast führen. Werden Lagerschäden nicht rechtzeitig bemerkt, so können sie auch zu Wicklungsschäden führen bzw. durch mechanische Schwingungen zumKnown motor protection devices respond to an overload of the electrical machine by the current detected in the electrical machine and possibly. With the aid of a so-called thermal image of the electric machine, eg using bimetallic - evaluated. In this? / Else it is ensured that the electrical machine can not heat above the permissible temperature at elevated due to short circuit or overload currents e Other dangerous operating conditions, for example, caused by damage to the clutch, the transmission, or on the working machine, are hereby not directly recorded. Such an operating condition may be a sudden clutch failure. Bearing damage can go unnoticed for a long time before it leads to the machine stalling and thus to tripping due to overload. If bearing damage is not noticed in time, it can lead to winding damage or mechanical vibrations

-3.9.85- 27959G-3.9.85- 27959G

ständigen Auftreten der mechanischen Eigenfrequenz (kritische Drehzahl) führen. Diese gefährdenden Bereiche führen bei längerem Auftreten zum Totalausfall des Antriebssystems. Eine Schwergängigkeit der angetriebenen Arbeitsmaschine bleibt ebenfalls längere Zeit unbemerkt, da der thermische Schutz auf Grund seiner Auslösecharakteristik Überlastungen erst nach geraumer Zeit, bzw. geringe Überlastungen gar nicht, erfaßt. Sie kann ebenfalls zum Totalschaden der Arbeitsmaschine führen, z.B. bei Schnellaufenden Turbosätzen.permanent occurrence of mechanical natural frequency (critical speed) lead. These hazardous areas lead to a total failure of the drive system in the event of prolonged occurrence. Sluggishness of the driven machine also remains longer T im e unnoticed, since the thermal protection due to its tripping characteristic overloads only after some time, or low overloads not detected. It can also lead to total loss of the work machine, eg high-speed turbosets.

Die Folgeschäden am gesamten Antriebssystem sind deshalb oft erheblich größer als der Ausfall des thermisch geschützten Elektromotors.The consequential damage to the entire drive system is therefore often significantly greater than the failure of the thermally protected electric motor.

Ziel der ErfindungObject of the invention

Ziel der Erfindung ist der Schutz von elektrischen Antrieben vor Ausfall durch mechanische Schaden, z.B. infolge Kupplungsoder Lagerschaden sowie Schwergängigkeit der Arbeitsmaschine sowie vor deren Folgeschäden.The aim of the invention is the protection of electrical drives against failure by mechanical damage, e.g. as a result of coupling or bearing damage as well as stiffness of the working machine and before its consequential damage.

Darlegung des Wesens der ErfindungExplanation of the essence of the invention

- Die technische Aufgabe, die durch die Erfindung gelöst wird- The technical problem which is solved by the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Überwachungsmöglichkeit für elektrische Antriebe zu schaffen, die es erlaubt, mechanische Schaden, z.B. Lager- und Kupplungsschaden oder Schwergängigkeit der Arbeitsmaschine rechtzeitig und differenziert zu erkennen.The invention has for its object to provide a monitoring device for electric drives, which allows mechanical damage, e.g. Identify bearing and clutch damage or stiffness of the machine in good time and differentiated.

- Merkmale der ErfindungFeatures of the invention

Brfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß der Stromverlauf des Elektromotors auf das Über- bzw. Unterschreiten mehrerer Stromwerte innerhalb des betriebsbedingten Stromwertevorrats, d.h. innerhalb &es vom KurzSchlußstrom und Leerlaufstrom begrenzten Bereiches, hin überwacht wird. Ist der Strom nach Ablauf der Hochlaufzeit des ElektromotorsBrfindungsgemäß the object is achieved in that the current profile of the electric motor to the overshooting or undershooting of several power values within the operational current value set, that is monitored by the short-circuit current and no-load current limited range, within a period & e s. Is the current at the end of the ramp-up time of the electric motor

noch nicht unter den 1,03-fachen Wert des charakteristischen Betriebsstroms des Antriebs abgeklungen, erfolgt eine Meldung und die Auslösung des Ausschaltbefehls.Not yet decayed below the 1.03 times the value of the characteristic operating current of the drive, there is a message and the triggering of the switch-off.

Nach Ablauf der Anlaufzeit des Elektromotors erfolgt bei Überbzw. Unterschreiten weiterer Stromwerte eine Meldung bzw. Auslösung des Ausschaltbefehls. Eine Meldung und Auslösung erfolgt, wenn der Strom den 1,20 bis 2,5-fachen Wert des charakteristischen Betriebsstroms überschreitet oder den 0,95 bis 0,4-fachen V/ert unterschreitet, ohne daß der 1,05-fache Wert des Leerlaufstroms unterschritten wird· Überschreitet der Strom den 1,03 bis 1,20-fachen Wert des charakteristischen Betriebsstroms, erfolgt zunächst eine Meldung und bei längerem Anstehen des Stromes (ca. 5 Min.) eine· Auslösung.After the startup time of the electric motor takes place at Überbzw. If further current values fall below a signal or tripping of the switch-off command. A message and tripping takes place when the current exceeds 1.20 to 2.5 times the value of the characteristic operating current or falls below 0.95 to 0.4 times the value without 1.05 times the value of the If the current exceeds the 1.03 to 1.20 times the value of the characteristic operating current, a message first appears and a longer tripping of the current (about 5 minutes) triggers.

Es ist möglich, die Überwachung weiterer Stromwerte vorzusehen.It is possible to provide the monitoring of further current values.

Zur Ausfilterung kurzfristiger Vorgänge werden alle Meldungen bzw. Auslösungen um 80 bis 100 ms verzögert. Die erforderlichen Stromwerte und Zeiten sind für jeden Antrieb individuell festzulegen und können z.B. bei der Inbetriebnahme des Antriebs bei der Leistungsfahrt ermittelt werden.To filter out short-term processes, all messages or releases are delayed by 80 to 100 ms. The required current values and times are to be set individually for each drive and may be e.g. be determined during commissioning of the drive during the performance run.

Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß sich jeder außergewöhnliche Betriebszustand eines Antriebes in einem charakteristischen Strombild des Elektromotors widerspiegelt. Mit Hilfe der Erfindung können deshalb Betriebszustände wie Lager- und Kupplungsschäden oder Schwergängigkeit des Antrieb ssystems mit hoher Sicherheit erkannt und signalisiert werden, bzw. kann der Antrieb rechtzeitig vor dem Auftreten eines Schadens vom Hetz getrennt werden.The invention is based on the recognition that every exceptional operating state of a drive is reflected in a characteristic current pattern of the electric motor. With the help of the invention, operating conditions such as bearing and coupling damage or stiffness of the drive ssystems can therefore be detected and signaled with high security, or the drive can be separated in time before the occurrence of damage from H e tz.

Ausführungsbeispielembodiment

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden.The invention will be explained in more detail below using an exemplary embodiment.

S1Ig. 1 zeigt eine Schaltungsanordnung zur Überwachung des Stromes i(t), der durch einen mit einer Arbeitsmaschine AMS 1 Ig. FIG. 1 shows a circuit arrangement for monitoring the current i (t), which is generated by a with a working machine AM

gekuppelten Elektromotor M fließt. Dabei können beliebig viele Stromwerte überwacht werden, wobei die Bürdenleistung des Wandlers Q?1 entsprechend auszulegen ist. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel werden drei Stromwerte überwacht.coupled electric motor M flows. In this case, any number of current values can be monitored, wherein the load capacity of the converter Q 1 is to be designed accordingly. In the present embodiment, three current values are monitored.

Der Strom i(t), der durch den Antrieb fließt, wird galvanisch getrennt mittels eines Wandlers TT erfaßt. Im Ausführungsbeispiel ist ein induktiver ("klassischer") Wandler dargestellt, es ist jedoch jede andere Stromerfassung möglich.The current i (t) flowing through the drive is detected galvanically isolated by means of a converter TT. In the embodiment, an inductive ("classic") transducer is shown, but it is any other current detection possible.

Der sekundärseitige Strom prägt über dem Widerstand R 1.0 eine stromäquivalente Spannung ein. Diese Spannung wird mit der Diode V 1.2 verwechselungssicher auf den Kondensator C 1.0 geschaltet und durch diesen integriert. Damit werden Störspitzen vermieden.The secondary-side current impresses a current-equivalent voltage across the resistor R 1.0. This voltage is connected with the diode V 1.2 confusion safe on the capacitor C 1.0 and integrated by this. This avoids interference peaks.

Zur Herstellung eines definierten Spannungsabfalls für die hysteresefreie stabilisierte Ausv/ertung können parallel zum Kondensator C 1.0 Dioden V 2 bis V 4 vorgesehen werden. (Bezugspotential).In order to produce a defined voltage drop for the hysteresis-free stabilized evaluation, it is possible to provide 1.0 diodes V 2 to V 4 parallel to the capacitor C 1. (Reference potential).

Mittels Einstellreglern R 1 bis R 3 werden in Abhängigkeit von den gewählten Schwellwerten stromabhängige Spannungen erzeugt und jeweils einem zugehörigen Initiatorschaltkreis zur Auswertung aufgeschaltet. Die Einstellregler R 1 bis R 3 können wie in Pig. 1 in Reihe geschaltet sein, sie können aber auch parallel oder in einer Reihen-Parallelschaltung angeordnet sein, womit sich alle benötigten Spannungswerte beliebig einstellen lassen.By means of adjusting regulators R 1 to R 3, depending on the selected threshold values, current-dependent voltages are generated and respectively applied to an associated initiator circuit for evaluation. The adjustment controls R 1 to R 3 can be used as in Pig. 1 can be connected in series, but they can also be arranged in parallel or in a series-parallel circuit, which can be set arbitrarily, all required voltage values.

Bei einer dem eingestellten Strom entsprechenden Spannung liefern die Initiatorschaltkreise, die als Operationsverstärker OY 1 bis OV 4 ausgebildet sein können, an ihrem Ausgang ein Signal. Diese Signale werden nachgeschalteten einstellbaren Zeitstufen Z 1 bis Z 4 aufgeschaltet. Diese Zeitstufen dienen der Ausfilterung von betriebsbedingten Zeitvorgängen.At a voltage corresponding to the set current supply the initiator circuits, which may be formed as an operational amplifier OY 1 to OV 4, at its output a signal. These signals are connected downstream adjustable time stages Z 1 to Z 4. These time stages are used to filter out operational time processes.

Das am Ausgang der jeweiligen Zeitstufe erzeugte Signal ("echtes" Überschreiten oder Unterschreiten eines eingestellten Stromwerts) kann über die nachgeschaltete Auswerteeinheit auf Meldung oder Auslösung geschaltet werden. Eine Beschaltung der Operationsverstärker OV 1 bis OV 4 mit Speichereffekt und Quittung ist möglich.The signal generated at the output of the respective time stage ("real" exceeding or falling below a set current value) can be switched to message or tripping via the downstream evaluation unit. A wiring of the operational amplifier OV 1 to OV 4 with memory effect and acknowledgment is possible.

Anhand der Pig. 2 und 3 soll die erfindungsgemäße Schutzfunktion erläutert werden:Look at the Pig. 2 and 3, the protective function of the invention is to be explained:

Pig. 2 zeigt den möglichen Stromverlauf i(t) eines elektrischen Antriebs in Abhängigkeit von der Zeit t. Darin bedeutet I, der Betriebsstrom des Elektromotors M in Abhängigkeit vom Widerstandsmoment der Arbeitsmaschine AM für einen stationären stabilen Arbeitspunkt des Antriebssystems, I^Q der Leerlaufstrom, IjT der Nennstrom des Elektromotors.Pig. 2 shows the possible current waveform i (t) of an electric drive as a function of Z e it t. Therein, I, the operating current of the electric motor M as a function of the resisting torque of the working machine AM for a stationary stable operating point of the drive system, I ^ Q means the no-load current, IjT the N e nnstrom of the electric motor.

Ist nach Ablauf der Hochlaufzeit tv-. des Elektromotors der Strom i(t) noch nicht unter den 1,03 bis 1,20-fachen Wert des normalerweise vorliegenden Betriebsstromes IL. abgeklungen, so liegt ein Schweranlauf vor (z.B. eine Arbeitsmaschine, die normalerweise ohne Produkt angefahren v/erden muß, ist mit Pro-, dukt gefüllt), der binnen kurzer Zeit zu einem Schaden an der Arbeitsmaschine, der Kupplung oder dem Getriebe führen könnte. In diesem erfolgt deshalb eine Meldung und Auslösung durch die Logikschaltung (Pig. 3)» der Elektromotor M wird abgeschaltet.Is at expiration of the ramp-up time t v -. of the electric motor, the current i (t) is not below the 1.03 to 1.20 times the value of the normally present operating current IL. decayed, there is a heavy starting (for example, a work machine, which normally must start without product is filled with pro-, product), which could lead to damage to the work machine, the clutch or the transmission within a short time. In this, therefore, a message and triggering by the logic circuit (Pig. 3) »the electric motor M is turned off.

Nach der Anlaufzeit to» in <3-θ*" der Anlauf des Antriebes mit Sicherheit abgeschlossen ist, erfolgt auch bei Über- bzw. Unterschreiten der übrigen überwachten Stromwerte eine Meldung bzw. Auslösung. Überschreitet der Strom i(t) den 1,20 bis 2,5-fachen Wert des Betriebsstroms I, für eine Zeit von mehr als 80 bis 100 ms (Stromverlauf i..(t), so ist ein Pestsitz des Antriebes zu vermuten. Es erfolgt eine Meldung und Auslösung.After the start-up time to »i n <3- θ *", the start of the drive has been completed with certainty, a message or tripping occurs even if the other monitored current values are exceeded or fallen short of. If the current i (t) exceeds 1, 20 to 2.5 times the value of the operating current I, for a time of more than 80 to 100 ms (current profile i .. (t), so it can be assumed a Pestsitz of the drive. There is a ldung M e and trip.

überschreitet der Strom i(t) innerhalb des normalen Betriebes (d.h. außerhalb der Anlaufzeit) den 1,03 bis 1,20-fachen Wert des Betriebsstromes I, über eine einstellbare Wartezeit t - die sich aus dem mechanischen Schv/ingungsverhalten des Gesamtantriebes ergibt, z.B. 80 bis 100 ms, so ist ein Lagerschaden zu vermuten. Durch die Logikschaltung erfolgt zunächst eine Meldung. Klingt der Strom i(t) innerhalb von etwa 5 niin nicht wieder auf den normalen Wert ab (Stromverlauf i2(t)), erfolgt eine Auslösung·the current i (t) exceeds the 1.03 to 1.20 times the value of the operating current I during normal operation (ie outside the starting time), over an adjustable waiting time t - resulting from the mechanical behavior of the overall drive, eg 80 to 100 ms, a bearing damage can be assumed. The logic circuit is initially a message. If the current i (t) does not return to the normal value within about 5 niin (current profile i 2 (t)), tripping takes place ·

Unterschreitet der Strom i(t) den 0,95 bis 0,4-fachen Wert des Betriebsstromes 1^, erreicht aber nicht den 1,05-fachen Wert des Leerlaufstromes 1^0, so wird wiederum nach einer Wartezeit t - von 80 bis 100 ms eine Meldung und nach einer Warte-If the current i (t) falls below 0.95 to 0.4 times the value of the operating current 1 ^, but does not reach 1.05 times the value of the no-load current 1 ^ 0 , then after a waiting time t - from 80 to 100 ms a message and after a waiting period

- 6 - α 4 Ü Ö- 6 - α 4 Ü Ö

zeit ΐ * die Auslösung veranlaßt (Stromverlauf i In diesem Pail ist ein Kupplungsschaden zu vermuten.time ΐ * triggers the trip (current curve i) In this Pail a clutch damage is to be assumed.

Gegebenenfalls können weitere Stromwerte überwacht werden. So ist es z.B. möglich, auch einen Kurzschlußschutz zu realisieren, sofern kein herkömmlicher Kurzschlußschutz vorgesehen ist.If necessary, further current values can be monitored. So it is e.g. possible to realize a short circuit protection, if no conventional short circuit protection is provided.

Claims (5)

I Ai* *, %, I Ai * *, % , Patentansprücheclaims 1. Verfahren zur Überwachung von elektrischen Antrieben hinsichtlich außergewöhnlicher Betriebszustände, gekennzeichnet dadurch, daß der Stromverlauf (i(t)) des das Antriebssystem antreibenden Elektromotors (M) auf das Über- bzw. Unterschreiten mehrerer Stromwerte innerhalb des betriebsbedingten Stromwertevorrats hin überwacht wird.1. A method for monitoring electric drives in exceptional operating conditions, characterized in that the current profile (i (t)) of the drive system driving the electric motor (M) is monitored for exceeding or falling below a plurality of current values within the operational current value storage. 2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß nach Ablauf der Hochlaufzeit (^ν·ι) des Elektromotors (M) des Antriebssystems bei Überschreiten des Stromes (i(t)) über den 1,03-fachen Wert des charakteristischen Betriebsstromes eine verzögerte Meldung und Auslösung erfolgt»2. The method according to claim 1, characterized in that after the run-up time (^ ν · ι) of the electric motor (M) of the drive system when exceeding the current (i (t)) over the 1.03 times the value of the characteristic operating current a Delayed message and triggering occurs » 3. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß nach3. The method according to claim 1, characterized in that after Ablauf der Anlaufzeit (t g) äes Antriebs bei Überschreiten des Stromes (i(t)) über den 1,20 bis 2,5-fachen Wert des charakteristischen Betriebsstromes (X. ) eine verzögerte Meldung und Auslösung erfolgt.Expiry of the start-up time (t g) of the drive when the current is exceeded (i (t)) over the 1.20 to 2.5 times the value of the characteristic operating current (X.) a delayed message and tripping occurs. 4. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß nach Ablauf der Anlaufzeit (t 2) des Antriebs bei Überschreiten des Stromes (i(t)) über den 1,03 bis 1,20-fachen Wert des charakteristischen Betriebsstromes (X, ) eine verzögerte Meldung und bei längerfristigern Überschreiten (ca. 5 min.) eine Auslösung erfolgt»4. The method according to claim 1, characterized in that after the expiration of the startup time (t 2 ) of the drive at the current is exceeded (i (t)) over the 1.03 to 1.20 times the value of the characteristic operating current (X,) delayed notification and longer-term exceeding (approx. 5 min.) triggering » 5. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß bei Unterschreiten des Stromes (i(t)) unter den 0,95 Ms 084~ fachen Wert des charakteristischen Betriebsstromes (X. ) sofern nicht der 1,05-fache Wert des Leerlaufstromes (Xu0) unterschritten wird, eine verzögerte Meldung und nach einer Wartezeit (t^.*) eine Auslösung erfolgt.5. The method according to claim 1, characterized in that when falling below the current (i (t)) below the 0.95 Ms 0 8 4 ~ times the value of the characteristic operating current (X.) unless 1.05 times the value of Idle current (Xu 0 ) is exceeded, a delayed message and after a waiting time (t ^. *) Triggers. Hierzu 3 Blatt ZeichnungenFor this 3 sheets of drawings
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