DE102005004835B4 - Verfahren zur Überwachung der Temperatur zumindest eines Lagers einer elektrischen Maschine, hiermit korrespondierende Überwachungseinrichtung sowie elektrische Maschine mit einer derartigen Überwachungseinrichtung - Google Patents

Verfahren zur Überwachung der Temperatur zumindest eines Lagers einer elektrischen Maschine, hiermit korrespondierende Überwachungseinrichtung sowie elektrische Maschine mit einer derartigen Überwachungseinrichtung Download PDF

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Abstract

Verfahren zur Überwachung der Temperatur (TAL) mindestens eines Lagers (5) einer elektrischen Maschine (1), die weitere Komponenten wie Stator (9), Rotor (10) und Wicklung (2) aufweist und welche je nach Belastungsgrad einen Strom (i) bei einer Drehzahl (n) aufnimmt bzw. abgibt, mit folgenden Schritten:
– es werden eine Lagertemperatur (TAL) des Lagers (5), eine weitere Temperatur (TBL, TW), die Drehzahl (n) sowie der aufgenommene bzw. abgegebene Strom (i) erfasst;
– anhand der Drehzahl (n) und des Stromes (i) werden in Verbindung mit einem ersten Kennlinienpaar (LK1, LK2) je ein strom- bzw. drehzahlabhängiger Temperaturwert (TAL', TAL'') ermittelt;
– anhand der Drehzahl (n) und des Stromes (i) werden in Verbindung mit einem zweiten Kennlinienpaar (LK3, LK4; MK1, MK2) je ein weiterer strom- bzw. drehzahlabhängiger Temperaturwert (TBL', TBL''; TW', TW'') ermittelt;
– es wird jeweils das Produkt (P) aus den Verhältnissen (V1, V2) zwischen den strom- und drehzahlabhängigen Temperaturwerten...

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung der Temperatur zumindest eines Lagers einer elektrischen Maschine, wie z.B. eines Motors oder Generators, welche mehrere Komponenten wie Stator, Rotor und Wicklungen aufweist, und welche je nach Belastungsgrad einen Strom bei einer Drehzahl aufnimmt bzw. abgibt. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner eine korrespondierende Überwachungseinrichtung sowie eine elektrische Maschine mit einer solchen Überwachungseinrichtung.
  • Aus der DE 103 05 368 A1 sind Verfahren bzw. Vorrichtungen bekannt, welche eine berührungslose Temperaturerfassung von statischen sowie von rotierenden Komponenten, wie z.B. des Rotors, ermöglichen. Bei einer Übertemperatur der elektrischen Maschine werden Kühlsysteme aktiviert und ggf. die Drehzahl der elektrischen Maschine reduziert.
  • Es ist weiterhin bekannt, dass durch übermäßig starke Belastung der elektrischen Maschine insbesondere deren Lager einer starken Ermüdung bzw. einem starken Verschleiß unterliegen. Die in den Lagern entstehenden Lagerverlustleistungen setzen sich dabei anteilig aus einer Reibleistung sowie einer Fettumwälzleistung zusammen, welche letztendlich in Wärme umgesetzt werden. Im Laufe der Zeit führen die Ermüdung und der Verschleiß des Lagers zum Ausfall des Lagers bzw. der ganzen elektrischen Maschine sowie nachgeschalteter Anlagenteile.
  • Insbesondere hängt der Verschleiß von der jeweiligen Lagertemperatur und somit von der Belastung der elektrischen Maschine ab. Dies bedeutet, dass z.B. bei einem Leerlauf betrieb der elektrischen Maschine und somit bei einer geringen Belastung die Lagertemperatur einen vergleichsweise niedrigen Temperaturwert aufweist. Dagegen weist die elektrische Maschine bei einer hohen Belastung vor allem aufgrund der Reibleistung einen vergleichsweise hohen Temperaturwert auf.
  • Aus der DE 31 07 123 A1 ist bekannt, einer Messeinrichtung von außerhalb der elektrischen Maschine erfassbare Größen zuzuführen und daraus eine Temperatur der Maschine zu ermitteln. Zur Korrektur der Temperaturermittlung wird eine korrespondierende Messgröße miterfasst und die Temperaturermittlung so nachgeführt.
  • Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren sowie eine korrespondierende Überwachungseinrichtung anzugeben, welche unter Berücksichtigung der Belastung einer elektrischen Maschine ein Lager auf eine übermäßige Beanspruchung hin überwachen.
  • Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, eine hierzu geeignete elektrische Maschine anzugeben.
  • Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch eine Überwachungseinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 7 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den Ansprüchen 2 bis 6 und 8.
  • Zur Überwachung der Lagertemperatur weist vorzugsweise eine elektrische Maschine eine solche Überwachungseinrichtung auf. Durch die kompakte Bauart kann diese z.B. im elektrischen Anschlussbereich der elektrischen Maschine untergebracht werden.
  • Geeignet ist die Überwachungseinrichtung für elektrische Maschinen mit einer elektrischen Leistung von mindestens 1 kW. Für elektrische Maschinen in einem darunter liegenden Leistungsbereich wäre u.U. ein Austausch der gesamten elektrischen Maschine schneller und wirtschaftlicher.
  • Die Erfindung wird an Hand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Dabei zeigt
  • 1: einen Längsschnitt einer elektrischen Maschine sowie eine erfindungsgemäße Überwachungsvorrichtung, welche mit Temperatursensoren der elektrischen Maschine verbunden ist,
  • 2: ein Kennliniendiagramm, bei welchem in Abhängigkeit von einem stromabhängigen Überlastfaktor Lager- und Wicklungstemperaturwerte einer beispielhaften elektrischen Maschine aufgetragen sind,
  • 3: ein Kennliniendiagramm, bei welchem die Lager- und Wicklungstemperaturwerte der elektrischen Maschine gemäß 2 in Abhängigkeit von einer Drehzahl aufgetragen sind, und
  • 4: ein Funktionsschema einer Überwachungseinrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform.
  • 1 zeigt einen Längsschnitt einer elektrischen Maschine 1 sowie eine Überwachungsvorrichtung 4, welche mit Temperatursensoren 3, 7, 8 zur Erfassung von zwei Lageraußenringtemperaturen TAL, TBL sowie einer Wicklungstemperatur TW der elektrischen Maschine 1 verbunden ist. Die elektrische Maschine 1 kann z.B. ein Motor oder auch ein Generator sein. Im Längsschnitt sind weiterhin ein Rotor 10 mit einer Welle 11 sowie ein Stator 9 mit einer Wicklung 2 dargestellt. An der Welle 11 ist ein Lüfter 12 angebracht, welcher in Abhängigkeit von der Drehzahl n der elektrischen Maschine 1 diese kühlt. Die Welle 11 der elektrischen Maschine 1 ist über zwei Lager 5, 6 gelagert. Die beiden Temperatursensoren 7, 8 sind möglichst nahe am Lager 5, 6 platziert.
  • Die Überwachungseinrichtung 4 ist weiterhin mit einem Drehzahlmesser 13 sowie mit einem Strommesser 14 zur Erfassung der Drehzahl n sowie des Stroms i der elektrischen Maschine 1 verbunden. Wie eingangs beschrieben, erfolgen über diese die maßgebliche Ermittlung des Belastungsgrads der elektrischen Maschine 1 und die Ermittlung des damit verbundenen Wärmeleistungseintrags in diese. Schließlich ist mit W die Warnmeldung bezeichnet, welche bei Überschreitung eines vorgebbaren Vergleichswerts VW ausgegeben wird.
  • Die Kennliniendiagramme gemäß 2 und 3 zeigen beispielhafte, auf beide Figuren verteilt aufgetragene, drehzahl- und stromabhängige Temperaturkennlinienpaare LK1, LK2; LK3, LK4; MK1, MK2. Die Drehzahl- und Stromabhängigkeit der jeweiligen Lagertemperaturen TAL', TBL', TAL'', TBL'' sowie der Wicklungstemperaturen TW', TW'' ist an sich bereits bekannt.
  • Das Kennliniendiagramm gemäß 2 zeigt die Lagertemperaturkennlinien LK1, LK3 sowie eine Wicklungstemperaturkennlinie MK1 in Abhängigkeit vom Strom i der elektrischen Maschine 1. Anstelle von Stromwerten erfolgt die Darstellung auf einen Nennstrom normierten Überlastfaktor ULF, welcher in Prozentwerten angegeben ist.
  • Das Kennliniendiagramm gemäß 3 zeigt die Lagertemperaturkennlinien LK2, LK4 sowie die Wicklungstemperaturkennlinie MK2 in Abhängigkeit von der Drehzahl n der elektrischen Maschine 1.
  • 4 zeigt ein Funktionsschema einer Überwachungseinrichtung 4 zur Durchführung des Verfahrens gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform. Die Überwachungseinrichtung 4 weist hierzu Funktionseinheiten wie elektronische Speicher 30, 31, Dividierer 32, 33, 36, Subtrahierer 35 und Vergleicher 37 und Multiplizierer 38–40 auf. Die beiden elektronischen Speicher 30, 31 sind über je zwei elektrische Eingänge 20,21 mit dem Drehzahlmesser 13 zur Erfassung der Drehzahl n bzw. mit dem Strommesser 14 zur Erfassung des Stroms i verbunden. Die elektronischen Speicher 30, 31 dienen der Hinterlegung der z.B. in einer Versuchsreihe gemessenen Temperaturkennlinien LK1–LK4, MK1, MK2. Ausgangsseitig stehen am elektronischen Speicher 30 somit die stromabhängigen Temperaturwerte TAL', TBL' und am elektronischen Speicher 31 die drehzahlabhängigen Temperaturwerte TAL'', TBL'' zur Verfügung. Nachfolgend werden mittels der Dividierer 32, 33 die jeweiligen Verhältnisse V1, V2 aus den stromabhängigen Temperaturwerten TAL', TBL' und aus den drehzahlabhängigen Temperaturwerten TAL'', TBL'' gebildet. Mittels der nachfolgenden Multiplizierer 38, 39 erfolgt eine Gewichtung mit Wichtungsfaktoren G1, G2, bevor anschließend mittels des weiteren Multiplizierers 40 das Produkt P aus den beiden gewichteten Verhältnissen V1, V2 gebildet wird. Durch Veränderung der Wichtungsfaktoren G1, G2 können Unterschiede im thermischen Verhalten der elektrischen Maschine 1 in Bezug auf die stromseitige und drehzahlseitige Belastung angepasst werden. Im Beispiel der 4 erfolgt gemäß einer weiteren Ausführungsform eine Filterung des Produkts P mit der Temperaturzeitkonstante TMOT der elektrischen Maschine 1.
  • Der Dividierer 36 ist eingangsseitig über elektrische Eingänge 22, 23 mit den beiden Temperatursensoren 5, 6, der Lager 7, 8 zur Erfassung der zugehörigen Lagertemperaturen TAL, TBL verbunden. Ausgangsseitig stellt der Dividierer 36 das gebildete Verhältnis V3 aus den beiden messtechnisch erfassten Lagertemperaturen TAL, TBL zur Verfügung. Anschließend wird mittels des Subtrahierers 35 die Differenz zwischen dem Produkt P und dem zuletzt ermittelten Verhältnis V3 gebildet. Der Differenzwert wird mittels des Vergleichers 37 mit dem Vergleichswert VW verglichen. Bei Überschreitung des Vergleichswerts VW erfolgt schließlich über den elektrischen Ausgang 24 die Ausgabe der Warnmeldung W zur möglichen Abhilfe.

Claims (9)

  1. Verfahren zur Überwachung der Temperatur (TAL) mindestens eines Lagers (5) einer elektrischen Maschine (1), die weitere Komponenten wie Stator (9), Rotor (10) und Wicklung (2) aufweist und welche je nach Belastungsgrad einen Strom (i) bei einer Drehzahl (n) aufnimmt bzw. abgibt, mit folgenden Schritten: – es werden eine Lagertemperatur (TAL) des Lagers (5), eine weitere Temperatur (TBL, TW), die Drehzahl (n) sowie der aufgenommene bzw. abgegebene Strom (i) erfasst; – anhand der Drehzahl (n) und des Stromes (i) werden in Verbindung mit einem ersten Kennlinienpaar (LK1, LK2) je ein strom- bzw. drehzahlabhängiger Temperaturwert (TAL', TAL'') ermittelt; – anhand der Drehzahl (n) und des Stromes (i) werden in Verbindung mit einem zweiten Kennlinienpaar (LK3, LK4; MK1, MK2) je ein weiterer strom- bzw. drehzahlabhängiger Temperaturwert (TBL', TBL''; TW', TW'') ermittelt; – es wird jeweils das Produkt (P) aus den Verhältnissen (V1, V2) zwischen den strom- und drehzahlabhängigen Temperaturwerten (TAL', TAL'', TBL', TBL'', TW', TW'') ermittelt; – es wird eine Warnmeldung (W) ausgegeben, falls das Verhältnis der erfassten Temperaturen (TAL, TBL, TW) um einen vorgebbaren Vergleichswert (VW) vom ermittelten Produkt (P) abweicht.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die weitere erfasste Temperatur (TBL, TW) eine Temperatur (TBL) eines weiteren Lagers (6) ist und die weiteren ermittelten Temperaturwerte (TBL', TBL''; TW', TW'') für das weitere Lager (6) ermittelt werden oder wobei die weitere erfasste Temperatur (TBL, TW) eine Temperatur (TW) der Wicklung (2) ist und die weiteren ermittelten Temperaturwerte (TBL', TBL''; TW', TW'') für die Wicklung (2) ermittelt werden.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die jeweiligen ermittelten Verhältnisse (V1, V2) der ermittelten Temperaturen (TAL', TAL'', TBL', TBL'', TW', TW'') mit je einem vorgebbaren Wert (G1, G2) gewichtet werden.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das ermittelte Produkt (P) zeitlich gefiltert wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Filterung mit der thermischen Zeitkonstante (TMOT) der elektrischen Maschine (1) erfolgt.
  6. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der Strom (i) der elektrischen Maschine (1) auf einen Nennstrom normiert wird.
  7. Überwachungsvorrichtung (4) zur Überwachung der Temperatur (TAL) zumindest eines ersten Lagers (5) einer elektrischen Maschine (1) mit mehreren Komponenten wie Stator (9), Rotor (10) und Wicklung (2), gekennzeichnet durch a) elektrische Eingänge (20–22) zur Verbindung der Überwachungsvorrichtung (11) mit einem Drehzahlmesser (13), einem Strommesser (14) sowie mit Temperatursensoren (3, 7, 8) zur Erfassung der Drehzahl (n), des Stroms (i) sowie zumindest einer ersten Lagertemperatur (TAL) und einer weiteren Temperatur (TBL, TW) der elektrischen Maschine (1), b) einen elektrischen Ausgang (24) zur Ausgabe einer Warnmeldung (W) und c) elektronische Funktionseinheiten wie elektronische Speicher (30, 31), Dividierer (32, 33, 36), Subtrahierer (35), Vergleicher (37) und Multiplizierer (30–40), die derart miteinander zusammenwirken, dass sie rechnerisch ein Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche durchführen.
  8. Überwachungsvorrichtung (4) nach Anspruch 7, wobei die Funktionseinheiten als integrierter Schaltkreis, insbesondere als anwendungsspezifischer Schaltkreis, ausgebildet sind.
  9. Elektrische Maschine (1), gekennzeichnet durch eine Überwachungseinrichtung (11) nach Anspruch 7 oder 8 zur Überwachung der Temperatur (TAL) zumindest eines Lagers (5).
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