DE102008028017A1

DE102008028017A1 - Verfahren und Diagnoseanlage zur Überwachung eines Schleifringsystems in Elektromaschinen

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Publication number: DE102008028017A1
Application number: DE102008028017A
Authority: DE
Inventors: Eckhard Munkow; Klaus Stadie; Matthias Dr.-Ing. Würfel; Wilfried Prof. Dr.-Ing. Hofmann
Original assignee: Pantrac GmbH
Current assignee: Pantrac GmbH
Priority date: 2007-06-07
Filing date: 2008-06-09
Publication date: 2008-12-11
Also published as: WO2008148583A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Diagnoseanlage zur Überwachung eines Schleifringsystems in Elektromaschinen, wobei das Schleifringsystem Kohlebürsten und Bürstenhalter sowie mindestens einen Schleifring umfasst. Darüber hinaus bezieht sich die Erfindung auf eine Kohlebürste mit Bürstenhalter für Schleifringsysteme. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, besonders für Generatoren in Windkraftanlagen an exponierten Standorten Fehlerfrüherkennungsverfahren und -anlagen zu entwickeln, mit deren Hilfe die elektrischen Übertragungseigenschaften des Schleifring-Kohlebürsten-Systems überwacht und analysiert werden können. Die Lösung der Aufgabe erfolgt mit einem Verfahren zur Überwachung eines Schleifringsystems in Elektromaschinen, wobei das Schleifringsystem Kohlebürsten und Bürstenhalter sowie mindestens einen Schleifring umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass Veränderungen der Energieübertragungseigenschaften der parallelen Kohlebürsten durch Messen der Temperatur der Kohlebürsten und/oder durch Messen des abfließenden Stromes ermittelt werden, in dem die gemessenen analogen Werte einer softwaregesteuerten Messwertaufbereitungseinheit zugeführt, die dort aufbereiteten und digitalisierten Messwerte an eine softwaregesteuerte Auswerteeinheit zur Erzeugung von speicherbaren Datensätzen sowie Fehlermeldungen weitergeleitet und danach die Fehlermeldungen und relevanten Daten an Peripheriekomponenten übergeben werden.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Diagnoseanlage zur Überwachung eines Schleifringsystems in Elektromaschinen, wobei das Schleifringsystem Kohlebürsten und Bürstenhalter sowie mindestens einen Schleifring umfasst. Darüber hinaus bezieht sich die Erfindung auf eine Kohlebürste mit Bürstenhalter für Schleifringsysteme.
Schleifringsysteme ermöglichen die Stromübertragung zwischen einem ortsfesten und einem rotierenden elektrischen Leiter in elektrischen Maschinen. Sie bestehen aus einer Haltevorrichtung für die Kohlebürste, dem Bürstenhalter, der Kohlebürste und dem rotierenden Teil, dem Schleifring.
Moderne Drehstromgeneratoren größerer Leistung benötigen für die Energieübertragung auf den Rotor mehrere parallel geschaltete Kohlebürsten. Durch Störungen im System können sich die Übertragungseigenschaften dieser parallelen Bürsten nachteiligerweise verändern.
Die Überwachung von Schleifringsystemen von Generatoren und Turbogeneratoren in Windkraftanlagen gestaltet sich sehr aufwändig, insbesondere bei widrigen Wetterverhältnissen oder an exponierten Standorten, wie z. B. auf schwer zugänglichen Bergen oder auf See (Off-shore). Ohne eine Überwachung muss man mit längeren Ausfällen der Windkraftanlagen rechnen. Die Überwachung des Kontaktsystemes zwischen Kohlebürste und Schleifring erfolgt üblicherweise nur über den Abnutzungsgrad der Kohlebürsten. Zum einen sind in den Kohlebürsten isolierte Sensorkabel integriert und zum anderen befinden sich seitlich an den Bürstenhaltern Mikroschalter.
Eine Signalisierung eines möglichen bevorstehenden Ausfalls des Kontaktsystemes wird derzeit bei den isolierten Sensorkabeln durch Kontaktgabe mit der Schleifringoberfläche ausgelöst. Bevor jedoch eine Kontaktierung möglich ist, muss die schützende Sensorkabelisolierung abgeschliffen werden. Die Rückstände der Isolation können sich dabei in den mikroskopischen Tälern und Vertiefungen ablagern und somit zum frühen Verschleiß der nachfolgenden Bürsten führen. Bei der Überwachung mit Mikroschaltern können infolge des Abriebs der Kohlebürsten diese relativ schnell verschmutzen und gegebenenfalls nicht mehr einwandfrei arbeiten.
Nachteilig ist bei beiden Systemen, dass nur der Verschleißzustand überwacht werden kann. Eine Bewertung der elektrischen Übertragungseigenschaften des Kontaktsystems, mit deren Hilfe ein stärkerer Verschleiß zu erkennen ist, ist derzeit nicht möglich. Hinzu kommt, dass durch erhöhte Bürstenfeuerneigung aber auch durch schwergängige bzw. verkantete Kohlebürsten das Kontaktsystem schneller verschleißen kann bzw. auch bei intakten Kohlebürsten ausfallen kann.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, besonders für Generatoren in Windkraftanlagen an exponierten Standorten Fehlerfrüherkennungsverfahren und -anlagen zu entwickeln, mit deren Hilfe die elektrischen Übertragungseigenschaften des Schleifring-Kohlebürsten-Systems überwacht und analysiert werden können.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt mit den Merkmalen der Ansprüche 1, 6 und 11.
So ist das Verfahren zur Überwachung eines Schleifringsystems in Elektromaschinen, wobei das Schleifringsystem Kohlebürsten und Bürstenhalter sowie mindestens einen Schleifring umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass Veränderungen der Energieübertragungseigenschaften der parallelen Kohlebürsten durch Messen der Temperatur der Kohlebürsten und/oder durch Messen des abfließenden Stromes ermittelt werden, in dem die gemessenen analogen Werte einer softwaregesteuerten Messwertaufbereitungseinheit zugeführt, die dort aufbereiteten und digitalisierten Messwerte an eine softwaregesteuerte Auswerteeinheit zur Erzeugung von speicherbaren Datensätzen sowie Fehlermeldungen weitergeleitet und danach die Fehlermeldungen und relevanten Daten an Feripheriekomponenten übergeben werden.
Die Diagnoseanlage zur Überwachung eines Schleifringsystems in Elektromaschinen, wobei das Schleifringsystem Kohlebürsten und Bürstenhalter sowie mindestens einen Schleifring umfasst, umfasst eine Kohlebürste mit Temperatursensor und/oder einen Stromwandler, eine Messwertaufbereitungseinheit, eine Auswerteeinheit, eine Stromversorgung und Peripheriekomponenten.
Die erfindungsgemäße Kohlebürste mit Bürstenhalter für Schleifringsysteme ist dadurch gekennzeichnet, dass die Kohlebürste und/oder der Bürstenhalter mit mindestens einem Temperatursensor zur Messung der Bürstentemperatur kombiniert ist.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturmessung mittels an oder in den Kohlebürsten angeordnete Temperatursensoren durchgeführt wird.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass die Strommessung über einen Stromwandler oder einen Shunt erfolgt, die ein analoges Signal bereitstellen, das dem in einem Stromseil abfließenden Strom proportional ist.
In einer vorteilhaften Weiterbildung werden die gemessenen und aufbereiteten Eingangsgrößen Temperatur und Strom mit Hilfe programmierter mathematischer Operationen ausgewertet sowie speicherbare Datensätze erzeugt und Fehler diagnostiziert.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass aus den aufbereiteten und digitalisierten Messwerten in der Auswerteeinheit temperaturunabhängige Diagnosewerte errechnet werden, aus deren Vergleich untereinander Übertragungseigenschaften und Verschleißzustände abgeleitet werden.
Eine Weiterbildung der Diagnoseanlage ist dadurch gekennzeichnet, dass die Peripheriekomponenten eine Anzeigeeinheit, eine Bedieneinheit, eine funktechnische Übertragung, eine Telekommunikationseinheit, eine Aufschaltung auf Leittechnik, Speichermedien, eine Schnittstellenanbindung und BUS-Anbindungen umfassen.
Eine Ausgestaltung der Diagnoseanlage sieht vor, dass der Stromwandler in einem Stromseil angeordnet ist.
In einer Weiterbildung der Diagnoseanlage ist die Messwertaufbereitungseinheit im Temperatursensor integriert oder außerhalb desselben angeordnet.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass der Temperatursensor über eine Sensorleitung und der Stromwandler über eine Sensorleitung mit der Messwertaufbereitungseinheit verbunden ist.
Eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Kohlebürste ist dadurch gekennzeichnet, dass der Temperatursensor in einem Bürstenkörper angeordnet ist.
Eine vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass der Temperatursensor in einer Bohrung im Bürstenkörper eingeklebt ist, wobei in der Bohrung zwischen Temperatursensor und Wandung eine Isolierhülse angeordnet ist.
Eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Kohlebürste ist dadurch gekennzeichnet, dass das der Temperatursensor unterhalb eines Dämpfungselementes, das zwischen den Kontaktstellen mehrerer abgehender Stromseile angeordnet ist, positioniert ist.
In einer Weiterbildung ist der Temperatursensor im oder am Bürstenhalter positioniert.
Eine weitere Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Kohlebürste ist dadurch gekennzeichnet, dass als Temperatursensor mindestens ein IR-Sensor positioniert ist.
Die sich aus der Erfindung ergebende Diagnosestrategie besteht insbesondere darin, dass der Betriebszustand der Kohlebürsten über die Bestimmung der Temperatur in den Kohlebürsten und der Stromstärke in den Stromseilen der Kohlebürsten überwacht wird. Die Temperatur und die Größe des fließenden Stromes sind wichtige Parameter für die Charakterisierung des Betriebszustandes der Kohlebürsten.
Es zeigte sich, dass die Betriebstemperaturen von Schleifringsystemen in elektrischen Maschinen nicht als konstant angesehen werden können. Aufgrund der elektrischen Belastung sowie unterschiedlicher Drehzahlen können die momentanen Temperaturen erheblich über bzw. unter den durchschnittlichen Temperaturen des Schleifringsystems, insbe sondere der Kohlebürsten liegen. Aus diesem Grunde lässt sich eine Diagnose der Übertragungseigenschaften und des Verschleißzustandes der Kohlebürsten nicht nur anhand von konkreten Temperaturen durchführen. Für die Diagnose der Übertragungseigenschaften und der Restnutzungsdauer der Kohlebürsten und Schleifringe wird gemäß der Erfindung ein temperaturunabhängiger Diagnosewert für jeden Schleifring sowie für jede Kohlebürste aus den gemessenen Temperatur- bzw. Stromstärkewerten berechnet. Mit Hilfe dieser Diagnosewerte und dem Vergleich der Diagnosewerte untereinander sind vorteilhafterweise Abschätzungen zu den Übertragungseigenschaften sowie zu den Verschleißzuständen möglich. Für die Diagnose sind folgende Diagnoseschritte erforderlich:

1. Überprüfung, ob die zulässigen Betriebstemperaturen der eingesetzten Sensoren über- bzw. unterschritten wurden;
2. Ermittlung der Temperaturmittelwerte der parallelen Kohlebürsten eines Schleifringes und Vergleich mit den Mittelwerten der Schleifringe der anderen Phasen;
3. Auswertungen zu den Temperaturabweichungen der parallelen Kohlebürsten eines Schleifringes.

Während des Betriebes der Schleifringsysteme können die eingesetzten Sensoren durch eine Überlastung der Kohlebürsten oder aber auch durch andere mechanische Faktoren beschädigt werden. Diese Betriebsfälle können durch eine Überprüfung mit den spezifischen gemessenen Daten des Sensors festgestellt werden, da die Sensoren in solch einem Fall nicht mehr die exakten Werte sondern aufgrund ihres inneren Aufbaus den Maximalwert bzw. den Minimalwert, der auch bei einem Leiterbruch in der Zuleitung entstehen kann, anzeigen.
Durch ungleichmäßigen Verschleiß der Kohlebürsten oder durch Beschädigungen können die Temperaturen der parallelen Kohlebürsten eines Schleifringes im Gegensatz zu den Tempe raturen der parallelen Kohlebürsten auf den anderen Schleifringen erheblich abweichen. Durch Vergleich der Mittelwerte der Bürstentemperaturen unterschiedlicher Schleifringe lässt sich eine Temperaturerhöhung der parallelen Bürsten eines Schleifringes nachweisen.
Durch Vergleich der Mittelwerte der Bürstentemperaturen lassen sich jedoch nicht stromlos mitlaufende Kohlebürsten diagnostizieren. Durch den Ausfall einer einzelnen Bürste muss es nicht zwangsläufig dazu führen, dass die anderen verbleibenden Bürsten gemeinsam den Strom der ausgefallenen Kohlebürste übertragen. Im Extremfall übernimmt eine Kohlebürste zusätzlich den Strom der ausgefallenen Bürste und der Temperaturmittelwert dieser Phase kann identisch mit denen benachbarter Phasen sein. Um diese Fehler auszuwerten, müssen die Temperaturwerte der parallelen Bürsten miteinander verglichen werden. Im Temperaturmittelwert der parallelen Kohlebürsten eines Schleifringes geht dies jedoch unter und lässt sich erst durch einen Bürstentemperaturvergleich der parallelen Bürsten eines Schleifringes diagnostizieren. Dafür ist ein temperaturunabhängiger Diagnosewert erforderlich, der durch eine Differenz- bzw. Quotientenbildung berechnet werden kann.
Damit wird eine effiziente Planung der Wartungsarbeiten für elektrische Maschinen mit Schleifringsystemen, insbesondere für Windkraftgeneratoren, in Off-shore-Anlagen oder Anlagen in schwer zugänglichen Gebieten erreicht. Das erhöht die Akzeptanz der Betreiber für dieses neue System und berücksichtigt weitere zukünftige Anforderungen an die Diagnosestrategie.
Die Erfindung wird anhand von Zeichnungen und Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Es zeigen
1 eine Diagnoseanlage auf der Basis einer Temperaturmessung in der Kohlebürste,
2 eine Diagnoseanlage auf der Basis einer Stromstärkemessung im Stromseil,
3 eine Diagnoseanlage auf der Basis einer Stromstärkemessung und einer Temperaturmessung,
4 eine Kohlebürste mit eingeklebtem Temperatursensor,
5 eine Kohlebürste mit schräg eingeklebtem Temperatursensor,
6 eine Kohlebürste mit unter einem Dämpfungselement positioniertem Temperatursensor,
7 eine Kohlebürste mit einer Höhenfixierung des Temperatursensors,
8 eine Kohlebürste mit Bürstenhalterung und Positionierung des Temperatursensors an der Bürstenhalterung,
9 eine Kohlebürste mit Bürstenhalterung und IR-Sensoren zur Temperaturmessung im Schleifbereich und Bürstenhalterung,
10T bis 12T eine Darstellung der gemessenen Temperaturen an drei Schleifringen eines ungestörten Systems,
10A bis 12A eine Darstellung der gemessenen Stromwerte eines ungestörten Systems,
13A und 13T eine Darstellung der berechneten Mittelwerte im ungestörten System,
14A und 14T eine Darstellung der Diagnosewerte im ungestörten System,
15A bis 17A und 15T bis 17T eine Darstellung der gemessenen Stromwerte und der gemessenen Temperaturen an drei Schleifringen eines gestörten Systems,
18A und 18T eine Darstellung der berechneten Mittelwerte im gestörten System,
19A und 19T eine Darstellung der Diagnosewerte im gestörten System,
20T bis 22T eine Darstellung der gemessenen Temperaturen an drei Schleifringen an einem weiteren gestörten System,
23T eine Darstellung der berechneten Temperaturmittelwerte in dem weiteren gestörten System und
24T eine Darstellung der Diagnosewerte in dem weiteren gestörten System.
In 1 ist schematisch eine erfindungsgemäße Diagnoseanlage dargestellt, bei der die Temperatur einer Kohlebürste 1 überwacht wird. Die Kohlebürste 1 schleift auf einem Schleifring 2. Aufgrund der Energieübertragung erwärmt sich die Kohlebürste 1 entsprechend des Stromflusses durch die Kohlebürste 1 sowie durch die Reibung auf dem Schleifring 2. Da die Energieübertragung einer Kohlebürste 1 begrenzt ist, müssen mehrere parallele Kohlebürsten 1 zur Energieübertragung auf ein und demselben Schleifring verwendet werden. Über ein Stromseil 7, einem Anschlusspunkt 8 und über eine Zuleitung 9 wird der durch die Kohlebürste 1 fließende Strom von oder zu einen Einspeisepunkt 10 geleitet. In aller Regel ist dieser Einspeisepunkt 10 ein Umrichter. Ein Temperatursensor 3 misst die Temperatur in der Kohlebürste 1. Die Messdaten werden über eine Sensorleitung 4 einer Messwertaufbereitungseinheit 11 übermittelt. Hier werden die gemessenen analogen Signale in digitale Signale umgewandelt, können dort gefiltert oder an den Messbereich einer Auswerteeinheit 12 angepasst werden. Alternativ kann die Messsignalaufbereitung auch direkt im Temperatursensor 3 erfolgen, so dass bereits digitale Signale ab dem Temperatursensor 3 zur Verfügung stehen.
In der Auswerteeinheit 12 werden die aufbereiteten und gemessenen Eingangsgrößen mit Hilfe mathematischer Formeln und Rechenoperationen ausgewertet und speicherbare Datensätze sowie Fehlermeldungen erzeugt. Die Fehlermeldungen sowie relevante Daten werden danach an die Peripheriekomponenten Anzeigeeinheit 14, Bedieneinheit 15, funktechnische Übertragung 16, Telekommunikationseinheit 17 (Festnetz, GSM), Aufschaltung auf Leittechnik 18, Speichermedien 19, Schnittstellenanbindung 20 und/oder BUS-Anbindungen 21 weitergeleitet.
Die Messung der Temperatur der Kohlebürste 1 erfolgt für jede weitere Kohlebürste 1, die parallel auf den Schleifringen 2 angeordnet sind. Eine Stromversorgung 13 dient der Erzeugung der erforderlichen Betriebsspannungen für die Auswerteeinheit 11, die Perepheriekomponenten 14 bis 21 und die Temperatursensoren 3. Die Anzeigeeinheit 14 ermöglicht die Darstellung von Betriebszuständen und liefert damit wichtige Informationen für den Betreiber der Diagnoseanlage, ermöglicht darüber hinaus, eine optische Ausgabe, wie zum Beispiel grafische Ausgaben im Sinne eines Datenloggers oder nur Text- und Zahlenausgabe relevanter Werte. Die Bedieneinheit 15 ist eine Tastatur, über die die erforderlichen Eingaben vorgenommen werden können. Durch die Aufschaltung auf Leittechnik 18 erfolgt die Übergabe von Meldungen mittels potenzialfreier oder potenzialbehafteter Kontakte. Wenn beispielsweise durch das Diagnosesystem ein Fehler festgestellt wird, wird dadurch ein Relais betätigt und schließt einen Stromkreis. Dieser Stromkreis wird in der Leittechnik ausgewertet.
Als Speichermedium 19 kann beispielsweise eine SD-Karte eingesetzt werden.
In 2 ist in schematischer Darstellung eine weitere Diagnoseanlage dargestellt. Bei dieser Anlage erfolgt keine Temperaturmessung in der Kohlebürste 1, sondern eine Strommessung über einen Stromwandler 5, der ebenfalls ein analo ges Signal bereitstellt, das proportional zu dem in dem Stromseil 7 fließenden Strom ist und das über eine Sensorleitung 6 der Messwertaufbereitungseinheit 11 bereitgestellt wird. Die weitere Verarbeitung der gemessenen analogen Signale erfolgt wie unter 1 beschrieben.
In 3 ist in ebenfalls schematischer Darstellung eine weitere Diagnoseanlage dargestellt, bei der gleichzeitig die Temperatur in der Kohlebürste 1 und der im Stromseil 7 fließende Strom mittels des Stromwandlers 5 gemessen und als analoge Signale der Messwertaufbereitungseinheit 11 zugeführt werden, in der dann die gemessenen Größen so aufbereitet werden, dass sie in der Auswerteeinheit 12 mit Hilfe mathematischer Formeln und Rechenoperationen verarbeitet werden können. Im Ergebnis werden speicherbare Datensätze und Fehlermeldungen erzeugt und die Weiterleitung an die Peripheriekomponenten 14 bis 21 veranlasst. Da die Signale des Temperatursensors 3 und des Stromwandlers 5 miteinander korrelieren, ist eine doppelte Funktionssicherheit der Diagnoseanlage gemäß 3 gegeben.
In 4 ist in schematischer Darstellung eine erfindungsgemäße Kohlebürste 1 dargestellt, mit der die Temperaturmessung bei laufendem Betrieb möglich ist. Der besseren Übersicht wegen wurde ein Bürstenhalter 22, wie auch in 5, 6 und 7, hier nicht gesondert dargestellt. In einem Bürstenkörper 23 ist eine Bohrung 24 eingebracht, in die in einer Isolierhülle 25 der Temperatursensor 3 mittels einer Klebung 28 fixiert ist. über den Bürstenkörper 23 und das Stromseil 7 erfolgt die Energieübertragung. Die vom Temperatursensor 3 gemessenen analogen Größen werden über die Sensorleitung 4 einer hier nicht dargestellten Messwertaufbereitungseinheit 11 zugeführt.
In 5 ist eine Kohlebürste 1 dargestellt, bei der ein Schrägeinbau des Temperatursensors 3 erfolgt ist. Der Vorteil dieser Ausführung liegt darin, dass die Temperatur in der Mitte des Querschnittes der Kohlebürste 1 gemessen werden kann.
Eine weitere Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen Kohlebürste 1 ist in 6 dargestellt, der Temperatursensor 3 ist unter einem Dämpfungselement 26 in einer Freimachung angeordnet. Diese Ausgestaltung der Kohlebürste 1 ist insbesondere dann vorteilhaft einsetzbar, wenn mehrere Stromseile 7 über Stampfkontakte im Kopfbereich der Kohlebürste 1 befestigt sind, so dass das Einbringen von weiteren Bohrungen 24 (siehe 4, 5) für die Aufnahme des Temperatursensors 3 im Kopfbereich des Bürstenkörpers 23 die Festigkeit beeinträchtigen könnte.
Die Ausführung der Kohlebürste 1 gemäß 7 ermöglicht es, die Höhe des Temperatursensors 3 zu fixieren, so dass vorteilhafterweise der Abstand zwischen dem Temperatursensor 3 und der Kontaktstelle Kohlebürste-Schleifring immer konstant ist. Dadurch ist sicher gestellt, dass der Temperatursensor 3 und der Schleifring 2 nicht beschädigt werden. Die Fixierung der Höhe des Temperatursensors 3 erfolgt an einer Höhenfixierung 29.
Eine weitere Ausgestaltung ist in 8 dargestellt. Die Kohlebürste 1 wird von einem Bürstenhalter 22 gehaltert. Ein Druckfinger 27 drückt hierbei die Kohlebürste 1 auf den Schleifring 2. Der Temperatursensor 3 ist hier am Bürstenhalter 22 befestigt. Die Vorteile dieser Ausführung liegen vorrangig darin, dass keine Präparierung der Kohlebürste 1 erforderlich ist. Damit ist die Nutzungsdauer praktisch unbegrenzt. Es kann auch kein Kontakt mit dem Schleifring 2 bei verschlissener Kohlebürste 1 erfolgen.
In 9 ist eine weitere Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Kohlebürste 1 mit Bürstenhalter 22 dargestellt. Die Temperaturmessung erfolgt hier berührungslos durch Einsatz von IR-Sensoren 30 bzw. berührungslosen Sensoren anderer Systeme. Zum einen kann die Temperatur direkt über der Kontaktstelle zwischen Kohlebürste 1 und Schleifring 2 gemessen oder zum anderen erfolgt die Messung durch Anordnung des IR-Sensors 30 im oberen Bereich des Bürstenkörpers 23 bzw. des Bürstenhalters 22.
Die erfindungsgemäße Diagnoseanlage ist an einer Windkraftanlage getestet worden. Der dort eingesetzte Drehstromgenerator erzeugt Elektroenergie, die vom rotierenden Teil entnommen wird. Die Entnahme erfolgt über das Schleifringsystem. Das Schleifringsystem weist drei Schleifringe (S2, S2, S3) auf, auf denen je vier parallele Kohlebürsten (31, 32, 33, 34) angeordnet sind, die den jeweiligen Schleifring kontaktieren. Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Diagnoseanlage erfolgte die Messung der Temperatur der Kohlebürsten 1 und parallel dazu die Messung des im Stromwandler 5 ankommenden Stromes. Die Messung erstreckte sich über einen Tag. Es wurden zehn Messpunkte festgelegt.
Beispiel 1
Überwachung eines ungestörten Systems
10A bis 12A zeigen in der Grafik die gemessenen Bürstenstromwerte. Durch Vergleich mit 10T bis 12T, bei der die gleichzeitig gemessenen Temperaturwerte in einer Grafik dargestellt sind, ist zu erkennen, dass die Bürstenstromwerte und die Temperaturwerte miteinander korrelieren. Sie sind äquivalent. Die berechneten Mittelwerte im ungestörten System sind in 13A und 13T dargestellt, die im Wesentlichen auch miteinander korrelieren.
Die errechneten Diagnosewerte sind in 14A und 14T dargestellt.
Aus den gemessenen und berechneten Kurvenverläufen sind keine Störungen erkennbar.
Beispiel 2
Gestörtes Schleifringsystem (Störungen einzelner Bürsten)
Der Ausfall einer einzelnen Bürste muss nicht zwangsläufig dazu führen, dass die anderen verbleibenden Bürsten gemeinsam den Strom der ausgefallenen Bürste übertragen. Im Extremfall übernimmt eine Kohlebürste zusätzlich den Strom der ausgefallenen Bürste und der Temperaturmittelwert dieser Phase kann identisch mit denen der benachbarten Phase sein. Um diese Fehler auszuwerten, müssen die Temperaturwerte der parallelen Bürsten 1 bis 4 miteinander verglichen werden. Die Kurvenverläufe gemäß 15A bis 17A und 15T bis 17T zeigen beispielhaft, dass eine einzelne Bürste ausgefallen ist. Das betrifft die Bürste 1 von Schleifring 1. Die Bürste 4 des Schleifringes 1 übernimmt den Strom dieser Bürste mit und weist eine Temperaturerhöhung auf, die sowohl über die Messung mit dem Stromwandler als auch mit dem Temperatursensor feststellbar ist. In 18A und 18T geht dies jedoch unter und lässt sich erst durch einen Bürstentemperaturvergleich oder Stromvergleich der parallelen Bürsten eines Schleifringes diagnostizieren. Dafür ist ein temperaturunabhängiger Diagnosewert erforderlich, der durch eine Differenz bzw. durch Quotientenbildung ermittelt werden kann. Dieser Diagnosewert (D_m) kann mit vorher festgelegten systembedingten Grenzen verglichen werden. Die Diagnosewerte sind dargestellt in 19A und 19T. Dm = TSxBy – TSxBz (4) bzw.
(Erklärung der Symbole in Beispiel 3)
Beispiel 3
Gestörtes System (Störungen eines Schleifringes)
Durch ungleichmäßigen Verschleiß der Bürsten oder durch Beschädigungen können die Temperaturen der parallelen Bürsten eines Schleifringes im Gegensatz zu den Temperaturen der parallelen Bürsten auf anderen Schleifringen erheblich abweichen. In den Kurven gemäß 21T, 22T und 23T ist dies zu erkennen. Die Temperaturen des Schleifringes 2 liegen ca. 20 K über denen von Schleifring 1 und ca. 15 K über denen von Schleifring 3. Aufgrund der Anordnung der Schleifringe werden immer die Temperaturen der parallelen Bürsten, die näher an den Wicklungen des Generators liegen, eine höhere Temperatur aufweisen als die weiter entfernt angeordneten Bürsten. Durch Vergleich der Mittelwerte der Bürstentemperaturen unterschiedlicher Schleifringe lässt sich eine Temperaturerhöhung der parallelen Bürsten eines Schleifringes nachweisen.
Die Temperaturmittelwerte (
) für die einzelnen Schleifringe können, wie folgt ermittelt werden:

: Temperaturmittelwert Schleifring x
T_SxB1: Temperatur der Bürste 1 von Schleifring x
n: Anzahl der Bürsten
x: Nummer des Schleifringes 1, 2, ...

Nach der Ermittlung der Temperaturmittelwerte aller Schleifringe müssen diese miteinander verglichen werden. Durch eine Differenz- bzw. Quotientenbildung erhält man einen temperaturunabhängigen Diagnosewert (D_m), der mit vorher festgelegten Grenzen verglichen werden kann.
bzw.

D: temperaturunabhängiger Diagnosewert
m: Anzahl der Diagnosewerte
y: 0, 1, 2, 3, usw.
z: 0, 1, 2, 3, usw.

In 23T sind die Mittelwerte und in 24T die Diagnosewerte in grafischer Auswertung dargestellt. Der erhöhte Mittelwert des Schleifringes 2 ist in den Auswertungen dieses Beispiels deutlich zu erkennen. Durch vorher festgelegte systemabhängige Grenzwerte lässt sich eine Überschreitung der Mittelwerte diagnostizieren.

1: Kohlebürste
2: Schleifring
3: Temperatursensor
4: Sensorleitung
5: Stromwandler
6: Sensorleitung
7: Stromseil
8: Anschlusspunkt Stromseil
9: Zuleitung Einspeisung
10: Einspeisepunkt
11: Messwertaufbereitungseinheit
12: Auswerteeinheit
13: Stromversorgung
14: Anzeigeeinheit
15: Bedieneinheit
16: Funktechnische Übertragung
17: Telekommunikationseinheit
18: Aufschaltung auf Leittechnik
19: Speichermedien
20: Schnittstellen-Anbindung
21: BUS-Anbindung
22: Bürstenhalter
23: Bürstenkörper
24: Bohrung
25: Isolierhülse
26: Dämpfungselement
27: Druckfinger
28: Klebung
29: Höhenfixierung
30: IR-Sensor

Claims

Verfahren zur Überwachung eines Schleifringsystems in Elektromaschinen, wobei das Schleifringsystem Kohlebürsten (1) und Bürstenhalter (22) sowie mindestens einen Schleifring (2) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass Veränderungen der Energieübertragungseigenschaften der parallelen Kohlebürsten (1) durch Messen der Temperatur der Kohlebürsten (1) und/oder durch Messen des abfließenden Stromes ermittelt werden, in dem die gemessenen analogen Werte einer softwaregesteuerten Messwertaufbereitungseinheit (11) zugeführt, die dort aufbereiteten und digitalisierten Messwerte an eine softwaregesteuerte Auswerteeinheit (12) zur Erzeugung von speicherbaren Datensätzen sowie Fehlermeldungen weitergeleitet und danach die Fehlermeldungen und relevanten Daten an Peripheriekomponenten (14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21) übergeben werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturmessung mittels an oder in den Kohlebürsten (1) angeordnete Temperatursensoren durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Strommessung über einen Stromwandler oder einen Shunt erfolgt, die ein analoges Signal bereitstellen, das dem in einem Stromseil (7) abfließenden Strom proportional ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die gemessenen und aufbereiteten Eingangsgrößen Temperatur und Strom mit Hilfe programmierter mathematischer Operationen ausgewertet sowie speicherbare Datensätze erzeugt und Fehler diagnostiziert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass aus den aufbereiteten und digitalisierten Messwerten in der Auswerteeinheit (12) temperaturunabhängige Diagnosewerte errechnet werden, aus deren Vergleich untereinander Übertragungseigenschaften und Verschleißzustände abgeleitet werden.
Diagnoseanlage zur Überwachung eines Schleifringsystems in Elektromaschinen, wobei das Schleifringsystem Kohlebürsten (1) und Bürstenhalter (22) sowie mindestens einen Schleifring (2) umfasst, umfassend eine Kohlebürste (1) mit Temperatursensor (3) und/oder einen Stromwandler (5), eine Messwertaufbereitungseinheit (11), eine Auswerteeinheit (12), eine Stromversorgung (13) und Peripheriekomponenten (14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21).
Diagnoseanlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Peripheriekomponenten (14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21) eine Anzeigeeinheit (14), eine Bedieneinheit (15), eine funktechnische Übertragung (16), eine Telekommunikationseinheit (17), eine Aufschaltung auf Leittechnik (18), Speichermedien (19), eine Schnittstellenanbindung (20) und/oder BUS-Anbindungen (21) umfassen.
Diagnoseanlage nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Stromseil (7) durch einen Stromwandler (5) oder über einen Shunt geführt ist.
Diagnoseanlage nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Messwertaufbereitungseinheit (11) im Temperatursensor (3) integriert oder außerhalb desselben angeordnet ist.
Diagnoseanlage nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperatursensor (3) über eine Sensorleitung (4) und der Stromwandler (5) über eine Sensorleitung (6) mit der Messwertaufbereitungseinheit (11) verbunden ist.
Kohlebürste mit Bürstenhalter für Schleifringsysteme, dadurch gekennzeichnet, dass die Kohlebürste (1) und/oder der Bürstenhalter (22) mit mindestens einem Temperatursensor (3) zur Messung der Bürstentemperatur kombiniert ist.
Kohlebürste nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperatursensor (3) in einem Bürstenkörper (23) angeordnet ist.
Kohlebürste nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperatursensor (3) in einer Bohrung (24) im Bürstenkörper (23) eingeklebt ist, wobei in der Bohrung (24) zwischen Temperatursensor (3) und Wandung eine Isolierhülse (25) angeordnet ist.
Kohlebürste nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das der Temperatursensor (3) unterhalb eines Dämpfungselementes (26), das zwischen den Kontaktstellen mehrerer abgehender Stromseile (7) angeordnet ist, positioniert ist.
Kohlebürste nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperatursensor (3) im oder am Bürstenhalter (22) positioniert ist.
Kohlebürste nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass als Temperatursensor (3) mindestens ein IR-Sensor oder ein berührungsloser Sensor positioniert ist.