DE102009050693A1

DE102009050693A1 - Electrical machine e.g. generator, cooling method, for use in small hydro electric power plant, involves regulating and/or controlling rotation of axial blowers depending on detected operating temperature of electrical machine

Info

Publication number: DE102009050693A1
Application number: DE102009050693A
Authority: DE
Inventors: Ralph Schelle
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2009-10-26
Filing date: 2009-10-26
Publication date: 2011-04-28

Abstract

The method involves detecting an operating temperature of an electrical machine e.g. generator, depending on current flows (25) through a stator winding (15) of the machine that is cooled by an air stream generated by blowers. A rotation of axial blowers (29) i.e. axial ventilator, is regulated and/or controlled depending on the detected operating temperature of the electrical machine. A temperature at the stator winding and a cooling body (21) of the electrical machine is detected as the operating temperature that is detected by a sensor (31) fastened to a machine housing. Independent claims are also included for the following: (1) a device for cooling an electrical machine, comprising an axial ventilator (2) a controller for performing a method for cooling an electrical machine.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kühlung einer elektrischen Maschine, insbesondere eines Generators oder eines Motors, wobei die Kühlung durch einen von einem Gebläse erzeugten Luftstrom erfolgt. Außerdem betrifft die Erfindung eine entsprechende Vorrichtung und ein Steuergerät.The present invention relates to a method for cooling an electric machine, in particular a generator or an engine, wherein the cooling is effected by an air flow generated by a fan. Moreover, the invention relates to a corresponding device and a control device.

Aus dem Stand der Technik sind Generatoren bekannt, die mit einem Radialventilator, der auf der Rotorwelle des Generators fest angebracht ist, gekühlt werden. Drehzahl und Drehrichtung des Radialventilators und des Rotors der elektrischen Maschine sind somit starr miteinander gekoppelt. Mit dem Einsatz eines Radialventilators sind jedoch mehrere Nachteile verbunden: Zum einen muss der angesaugte Luftstrom beim Austreten aus dem Gebläse um 90° umgelenkt werden, damit er auf die zu kühlenden Bauteile des Generators – den Rotor, den Stator und die Kühlkörper – auftrifft und diese durch Konvektion kühlt. Durch den Umlenkvorgang wird die Strömungsgeschwindigkeit der Luft deutlich reduziert, wodurch sich die Kühlwirkung des Luftstroms verringert. Die Kühlung mittels eines Radialventilators hat somit im Vergleich zu einem Axialventilator einen schlechteren Wirkungsgrad. Des weiteren ist die Kühlleistung aufgrund der starren Kopplung von Gebläse und Rotorwelle stets proportional zur Drehzahl der elektrischen Maschine, während der Kühlbedarf, insbesondere abhängig von dem erzeugten Strom, stark schwanken kann.Generators are known from the prior art, which are cooled with a centrifugal fan, which is fixedly mounted on the rotor shaft of the generator. Speed and direction of rotation of the centrifugal fan and the rotor of the electric machine are thus rigidly coupled together. The use of a centrifugal fan, however, several disadvantages: First, the sucked air flow must be deflected as it exits the fan by 90 °, so that it hits the components to be cooled of the generator - the rotor, the stator and the heat sink - and this cooled by convection. Due to the deflection process, the flow velocity of the air is significantly reduced, whereby the cooling effect of the air flow is reduced. The cooling by means of a centrifugal fan thus has a lower efficiency compared to an axial fan. Furthermore, the cooling performance due to the rigid coupling of fan and rotor shaft is always proportional to the speed of the electric machine, while the cooling demand, especially depending on the power generated, can vary widely.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektrische Maschine, insbesondere einen Drehstromasynchrongenerator, in Abhängigkeit von der Wärmeentwicklung in der Maschine auf möglichst einfache, effektive und kostengünstige Weise zu kühlen. Diese Aufgabe wird bei dem Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 dadurch gelöst, dass die Drehzahl des Gebläses in Abhängigkeit einer erfassten Betriebstemperatur der Maschine geregelt und/oder gesteuert wird. Erfindungsgemäß ist erkannt worden, dass ein von der Rotorwelle entkoppeltes Gebläse den Vorteil hat, dass die Drehzahl des Gebläses in Abhängigkeit von der tatsächlich herrschenden thermischen Belastung des Generators, insbesondere von der Temperatur der Statorwicklungen und/oder der Kühlrippen, eingestellt werden kann. Bei fehlendem Kühlbedarf ist es nicht erforderlich, das Gebläse mit voller Leistung zu betreiben – vielmehr kann das Gebläse, sofern keine Kühlung notwendig ist, über längere Zeiträume auch ganz abgeschaltet werden.The object of the present invention is to cool an electric machine, in particular a three-phase asynchronous generator, in the simplest, most effective and cost-effective manner as a function of the heat development in the machine. This object is achieved in the method according to the preamble of claim 1, characterized in that the speed of the fan is controlled and / or controlled in dependence on a detected operating temperature of the machine. According to the invention, it has been recognized that a blower decoupled from the rotor shaft has the advantage that the speed of the blower can be set as a function of the actual thermal load of the generator, in particular the temperature of the stator windings and / or the cooling fins. In the absence of cooling demand, it is not necessary to operate the blower at full power - rather, the fan can, if no cooling is necessary, for a long period of time completely switched off.

Vorteilhafterweise wird als Betriebstemperatur eine Temperatur an mindestens einer Statorwicklung der Maschine erfasst. Dadurch wird die an einem wichtigen Bauelement der Maschine tatsächlich vorherrschende Temperatur unmittelbar gemessen.Advantageously, a temperature at at least one stator winding of the machine is detected as the operating temperature. As a result, the actual temperature prevailing on an important component of the machine is measured directly.

Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausführungsform wird als Betriebstemperatur eine Temperatur an mindestens einem Kühlkörper der Maschine erfasst. Dies ermöglicht es auf einfache Weise, einen entsprechenden Temperatursensor nachzurüsten.According to another advantageous embodiment, a temperature is detected at at least one heat sink of the machine as the operating temperature. This makes it possible in a simple manner to retrofit a corresponding temperature sensor.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird die Betriebstemperatur in Abhängigkeit eines Stroms bestimmt, der durch eine Statorwicklung der Maschine fließt. Somit kann die Temperatur auch mittelbar erfasst werden, ohne dass hierfür der Einsatz eines Temperatursensors notwendig ist.According to a further advantageous embodiment, the operating temperature is determined as a function of a current flowing through a stator winding of the machine. Thus, the temperature can also be detected indirectly, without the use of a temperature sensor is necessary for this purpose.

Vorteilhafterweise wird die Betriebstemperatur mittels eines Sensors erfasst, der an und/oder in einem Maschinengehäuse befestigt ist. Dadurch kann eine präzise Temperaturmessung in unmittelbarer Nähe der Wärmequellen erfolgen.Advantageously, the operating temperature is detected by means of a sensor which is attached to and / or in a machine housing. This allows a precise temperature measurement in the immediate vicinity of the heat sources.

Vorzugsweise wird ein Wert der erfassten Betriebstemperatur durch eine elektrische Schaltung und/oder ein Rechengerät, insbesondere einen Mikroprozessor, verarbeitet.Preferably, a value of the detected operating temperature is processed by an electrical circuit and / or a computing device, in particular a microprocessor.

Es erweist sich als vorteilhaft, dass der Wert mittels eines auf dem Rechengerät ablauffähigen Computerprogramms verarbeitet wird. Die Auswertung mittels Computerprogramms kann flexibel geändert und an die zu steuernde Hardware angepasst werden.It proves to be advantageous that the value is processed by means of a computer program executable on the computing device. The evaluation by means of a computer program can be flexibly changed and adapted to the hardware to be controlled.

Es ist besonders vorteilhaft, dass die Drehzahl des Gebläses in Abhängigkeit von der erfassten Betriebstemperatur eingestellt wird. So kann die Drehzahl des Gebläses bei zunehmender thermischer Belastung des Generators erhöht werden, wodurch ein stärkerer Luftstrom den Generator besser kühlt. Umgekehrt kann die Drehzahl des Gebläses reduziert werden, wenn die thermische Belastung zurückgeht oder der Ventilator ganz abgeschaltet werden, wenn gar keine Kühlung mehr erforderlich ist, d. h. wenn die natürliche Konvektion ausreicht.It is particularly advantageous that the speed of the fan is set in dependence on the detected operating temperature. Thus, the speed of the fan can be increased with increasing thermal load of the generator, whereby a stronger air flow cools the generator better. Conversely, the fan speed may be reduced if the thermal load decreases or the fan is completely shut down when no more cooling is required, ie. H. if natural convection is sufficient.

Vorteilhafterweise wird der Wert der erfassten Betriebstemperatur durch die elektrische Schaltung und/oder das Rechengerät und/oder das Computerprogramm auf Plausibilität geprüft. Somit können Messdaten, die nicht innerhalb eines vorgegebenen Wertebereichs liegen, erkannt und das Gebläse entsprechend angesteuert werden.Advantageously, the value of the detected operating temperature is checked for plausibility by the electrical circuit and / or the computing device and / or the computer program. Thus, measurement data that is not within a predetermined value range can be detected and the fan can be controlled accordingly.

Nach einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird das Gebläse, wenn der Wert als fehlerhaft erkannt wird, mit voller Leistung betrieben. Im Fehlerfall, bspw. bei einem Kurzschluss oder einer Unterbrechung der Fühlerleitung, wird die Maschine daher maximal gekühlt.In a particularly preferred embodiment, if the value is found to be faulty, the blower operates at full power. In the event of a fault, for example in the event of a short circuit or interruption of the sensor line, the machine is therefore cooled to the maximum.

Als eine weitere Lösung der Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird, ausgehend von einer Vorrichtung gemäß Anspruch 11, vorgeschlagen, dass die Kühlung durch einen Axialventilator erfolgt, dessen Drehzahl in Abhängigkeit einer Betriebstemperatur der Maschine regelbar und/oder steuerbar ist. Die Drehzahl des Axialventilators kann somit abhängig von der thermischen Belastung des Generators erhöht oder verringert werden. Außerdem kann mit Hilfe des Axialgebläses Luft direkt und daher mit wesentlich geringeren Strömungsverlusten auf den Generator geblasen werden als mit einem Radiallüfter. Somit kann die eingeblasene Luft die relevanten Bauteile in der Maschine, insbesondere die Statorwicklungen eines Generators, stärker kühlen, so dass die thermische Belastung des Generators sinkt und sich dessen Wirkungsgrad erhöht. Des weiteren ist dadurch, dass das Gebläse nicht starr auf der Rotorwelle des Generators montiert ist, eine Kühlung der Maschine unabhängig von der Drehrichtung des Rotors möglich. Dies ist insofern wichtig, als der Generator aufgrund der propellerartigen Ausformung der Lüfterblätter des Axialgebläses nur dann effizient gekühlt werden kann, wenn sich die Lüfterblätter des Axialgebläses in einer vorgegebenen Drehrichtung bewegen.As a further solution of the object of the present invention, starting from a Apparatus according to claim 11, proposed that the cooling takes place by an axial fan whose speed is controllable and / or controllable in dependence on an operating temperature of the machine. The speed of the axial fan can thus be increased or decreased depending on the thermal load of the generator. In addition, with the help of the axial fan air can be blown directly and therefore with much lower flow losses to the generator as with a radial fan. Thus, the injected air, the relevant components in the machine, in particular the stator windings of a generator, cool more, so that the thermal load of the generator decreases and increases its efficiency. Furthermore, as a result of the fact that the blower is not rigidly mounted on the rotor shaft of the generator, it is possible for the machine to be cooled independently of the direction of rotation of the rotor. This is important in that the generator can only be efficiently cooled due to the propeller-like shape of the fan blades of the axial fan when the fan blades of the axial fan move in a predetermined direction of rotation.

Vorzugsweise erstreckt sich die Drehachse des Axialventilators im Wesentlichen koaxial zu einer Rotorwelle der Maschine. Durch diese Anordnung wird Luft direkt und mit maximaler Effizienz auf die Statorwicklungen der Maschine, insbesondere eines Generators, gelenkt.Preferably, the axis of rotation of the axial fan extends substantially coaxially with a rotor shaft of the machine. By this arrangement, air is directed directly and with maximum efficiency to the stator windings of the machine, in particular a generator.

Vorteilhafterweise misst ein Sensor, der an und/oder in einem Maschinengehäuse befestigt ist, die Betriebstemperatur. Somit kann die Betriebstemperatur unmittelbar an der Maschine festgestellt werden.Advantageously, a sensor attached to and / or in a machine housing measures the operating temperature. Thus, the operating temperature can be determined directly on the machine.

Vorteilhafterweise ist der Sensor als ein PT100-Sensor ausgebildet. Dabei handelt es sich um ein handelsübliches Widerstandsthermometer, dessen Vorteil insbesondere in der Standardisierung des Nennwiderstands und der Widerstandsänderung sowie in der leichten Austauschbarkeit der Widerstandsfühler besteht.Advantageously, the sensor is designed as a PT100 sensor. It is a commercially available resistance thermometer, the advantage of which is in particular in the standardization of the nominal resistance and the resistance change and in the easy replacement of the resistance sensor.

Des weiteren ist vorteilhaft, dass der Sensor in einen Gewindestift integriert ist, welcher in ein Sackgewinde des Maschinengehäuses einschraubbar ist. Ein solches Sackgewinde ist zu Transportzwecken ohnehin stets im Generatorgehäuse vorhanden, so dass kein zusätzliches Gewinde installiert werden muss.Furthermore, it is advantageous that the sensor is integrated in a threaded pin, which can be screwed into a blind thread of the machine housing. Such a blind thread is anyway always present in the generator housing for transport purposes, so that no additional thread must be installed.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:A preferred embodiment of the present invention will be explained in more detail with reference to FIGS. Show it:

1 eine schematische Darstellung eines kleinen Laufwasserkraftwerks mit einem auf der Rotorwelle des Generators befindlichen Radialgebläse gemäß dem Stand der Technik; und 1 a schematic representation of a small run-of-river power plant with a located on the rotor shaft of the generator radial blower according to the prior art; and

2 eine schematische Darstellung des Laufwasserkraftwerks mit dem erfindungsgemäßen Kühlverfahren, 2 a schematic representation of the run-of-river power plant with the cooling method according to the invention,

3 einen Schaltplan zur Ausführung des erfindungsgemäßen Kühlverfahrens, in dem Bauelemente eines Netzteils hervorgehoben sind, 3 a circuit diagram for carrying out the cooling method according to the invention, in which components of a power supply are highlighted,

4 den Schaltplan zur Ausführung des erfindungsgemäßen Kühlverfahrens, in dem Baulemente einer Signalverarbeitung hervorgehoben sind, 4 the circuit diagram for carrying out the cooling method according to the invention, are highlighted in the construction elements of a signal processing,

5 den Schaltplan zur Ausführung des erfindungsgemäßen Kühlverfahrens, in dem Bauelemente einer Fehleranzeige hervorgehoben ist und 5 the circuit diagram for carrying out the cooling method according to the invention, is highlighted in the components of an error display and

6 den Schaltplan zur Ausführung des erfindungsgemäßen Kühlverfahrens, in dem Baulemente einer Anzeige der Ausgangsspannung hervorgehoben ist. 6 the circuit diagram for carrying out the cooling method according to the invention, is highlighted in the construction elements of an indication of the output voltage.

Vorab ist anzumerken, dass funktionsäquivalente Teile in allen Figuren der Zeichnung jeweils mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet und nicht jedes Mal erneut beschrieben sind.It should be noted in advance that functionally equivalent parts are denoted by the same reference numerals in all figures of the drawing and are not described again each time.

Bei der vorliegend als Ausführungsbeispiel beschriebenen Kleinwasserkraftanlage wird Wasser zur Stromerzeugung einer Turbine zugeleitet, die mit einem Generator gekoppelt ist. Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf dieses Ausführungsbeispiel beschränkt.In the presently described as an embodiment small hydropower plant water is fed to generate electricity of a turbine, which is coupled to a generator. Of course, the invention is not limited to this embodiment.

Kleinwasserkraftanlagen verwenden zur Stromerzeugung zumeist luftgekühlte Drehstromasynchrongeneratoren. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer gemäß dem Stand der Technik luftgekühlten Kleinwasserkraftanlage 1. In einem Rückhaltebecken aufgestautes Wasser wird einer Wasserturbine 3 zugeleitet und treibt über ein Getriebe 4 deren Turbinenblätter an. Ein als Riemenscheibe 5 ausgebildetes Abtriebselement der Turbine 3 ist über einen Riemen 7 mit einem ebenfalls als Riemenscheibe 9 ausgebildeten Antriebselement 9 des Generators 11 verbunden und treibt so einen Rotor 13 des Generators 11 an. Vorzugsweise ist der Generator 11 als ein Drehstromasynchrongenerator ausgebildet. Je stärker der Rotor 13 von der Turbine 3 angetrieben wird, um so mehr Energie wird über das elektromagnetische Feld in einen Stator 15 des Generators 11 transportiert und ins elektrische Netz eingespeist. Der elektrische Strom wird erzeugt, indem die mit Drehstrom beaufschlagten Rotorwicklungen aufgrund der Drehbewegung des Rotors 13 eine Spannung in den Statorsträngen 15 induzieren. Je stärker der induzierte Strom ausfällt, desto höher ist zugleich die thermische Belastung der Wicklungen des Stators 15. Deshalb werden die Spulen des Stators 15 mit Hilfe von Kühlkörpern 21, insbesondere Kühlrippen 21, gekühlt. Die Kühlrippen 21 werden wiederum mit Hilfe eines Radialgebläses 16 durch Konvektion luftgekühlt. Dabei saugt ein sogenanntes Lüfterrad, das aus einer Vielzahl Radialschaufeln besteht, Luft zentral im Wesentlichen in axialer Richtung an, ändert die Strömungsrichtung 25 der angesaugten Luft um 90°, so dass diese im Lüfterrad größtenteils radial verläuft, und gibt die Luft in Umfangsrichtung an ein Gehäuse 19 ab. Von dem Gehäuse 19 wird die auftreffende Luft in Richtung der Kühlkörper 21 umgelenkt. Die aus dem Radialgebläse 16 austretende Luft strömt also durch die Kühlrippen 21 und kühlt diese durch Konvektion. Die Kühlrippen dienen ihrerseits besonders der Kühlung der Statorwicklungen 15 des Generators 2.Small hydropower plants mostly use air-cooled three-phase asynchronous generators for power generation. 1 shows a schematic representation of an air-cooled according to the prior art small hydropower plant 1 , Dammed water in a retention basin becomes a water turbine 3 fed and drives over a gearbox 4 their turbine blades on. One as pulley 5 trained output element of the turbine 3 is over a belt 7 with one also as pulley 9 trained drive element 9 of the generator 11 connected and drives so a rotor 13 of the generator 11 at. Preferably, the generator 11 designed as a three-phase asynchronous generator. The stronger the rotor 13 from the turbine 3 is driven, the more energy is transmitted through the electromagnetic field in a stator 15 of the generator 11 transported and fed into the electrical grid. The electrical current is generated by the three-phase rotor windings due to the rotational movement of the rotor 13 a tension in the stator strands 15 induce. The stronger the induced current fails, the higher the thermal load on the windings of the stator 15 , Therefore, the coils of the stator 15 with the help of heat sinks 21 , in particular cooling fins 21 , cooled. The cooling fins 21 in turn, with the help of a radial fan 16 air-cooled by convection. In this case, a so-called fan wheel, which consists of a plurality of radial blades, air centrally substantially in the axial direction, changes the direction of flow 25 The sucked air by 90 °, so that this is largely radial in the fan and gives the air in the circumferential direction of a housing 19 from. From the case 19 The impinging air is directed towards the heatsink 21 diverted. The from the radial fan 16 escaping air thus flows through the cooling fins 21 and cools them by convection. The cooling fins in turn serve particularly to cool the stator windings 15 of the generator 2 ,

Der Stand der Technik sieht vor, dass das Lüfterrad des Radialgebläses 16 auf einer Rotorwelle 18 des Generators 11 befestigt ist. Dieses Verfahren hat jedoch den Nachteil, dass die Kühlwirkung von der Drehzahl des Rotors 13 abhängig ist und im Betrieb relativ hohe Leistungseinbußen bei der Stromerzeugung bewirkt. Des Weiteren kann eine effektive Kühlung des Generators 2 wegen der gekrümmten Schaufeln des Lüfterrads nur in einer Drehrichtung des Radialventilators 16 erfolgen.The prior art provides that the fan of the radial fan 16 on a rotor shaft 18 of the generator 11 is attached. However, this method has the disadvantage that the cooling effect of the rotational speed of the rotor 13 is dependent and causes relatively high power losses in power generation during operation. Furthermore, effective cooling of the generator 2 because of the curved blades of the fan only in one direction of rotation of the centrifugal fan 16 respectively.

Die in 2 dargestellte Erfindung sieht daher anstelle eines Radialgebläses 16 den Einsatz eines Axialgebläses 29 zur Kühlung des Generators 2 vor. Der Axialventilator 29 wird von der Rotorwelle 18 des Generators 2 entkoppelt betrieben. Eine Drehachse 27 des Axialventilators 29 und die Rotorwelle 18 liegen auf einer Geraden. Dadurch, dass der Axialventilator 29 nicht an der Rotorwelle 18 des Generators 2 befestigt ist, kann der Rotor 13 der elektrischen Maschine in beide Drehrichtungen betrieben werden und wird dabei stets durch den Axialventilator 29 effektiv gekühlt. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass die Drehzahl des Axialgebläses 29 und damit die effektive Kühlwirkung abhängig von der tatsächlichen thermischen Belastung im Generator 2, insbesondere der Statorwicklungen 15, eingestellt werden kann. Für eine effektive Luftzuführung in den Generator 2 wird eine seitlich am Generatorgehäuse 20 befindliche Abdeckung durch ein kegelstumpfförmiges Blech 30 ersetzt, an dessen axialen Ende das Axialgebläse 29 montiert ist. Dadurch wird die effektive Luftströmung 25 hin zu allen wärmebelasteten Bauteilen des Generators 2 möglich.In the 2 illustrated invention therefore sees instead of a radial fan 16 the use of an axial fan 29 for cooling the generator 2 in front. The axial fan 29 is from the rotor shaft 18 of the generator 2 operated decoupled. A rotation axis 27 of the axial fan 29 and the rotor shaft 18 lie on a straight line. Because of the axial fan 29 not on the rotor shaft 18 of the generator 2 is attached, the rotor can 13 the electric machine can be operated in both directions and is always through the axial fan 29 effectively cooled. Another advantage of the method according to the invention is that the rotational speed of the axial fan 29 and thus the effective cooling effect depends on the actual thermal load in the generator 2 , in particular the stator windings 15 , can be adjusted. For an effective air supply into the generator 2 is a side of the generator housing 20 Cover located by a frusto-conical sheet 30 replaced, at the axial end of the axial fan 29 is mounted. This will increase the effective airflow 25 to all heat-loaded components of the generator 2 possible.

Um das Axialgebläse 29 möglichst effizient und energiesparend zu betreiben, wird es in Abhängigkeit einer an den Kühlrippen 21 und/oder dem Generatorgehäuse 20 gemessenen Temperatur betrieben. Die Kühlrippen sind außen an dem Generatorgehäuse 20 befestigt und erstrecken sich in axialer Richtung längs des Generators 2. Als ein Temperatursensor 31 kommt vorzugsweise ein Widerstandsthermometer, beispielsweise ein PT100-Sensor 31, zum Einsatz. Der Temperatursensor 31 wird an einer der Kühlrippen und/oder am Generatorgehäuse 20 installiert. Es ist auch denkbar, dass der Sensor 31 an einer Statorwicklung 15 befestigt ist, um so die Erwärmung des Stators 15 unmittelbar zu messen. Als besonders vorteilhafte Alternative hat es sich jedoch erwiesen, zur Befestigung des PT100-Sensors 31 ein ohnehin am Generatorgehäuse 20 zu Transportzwecken vorhandenes Sackgewinde 33 zu nutzen. Dabei wird in das Sackgewinde ein Gewindestift eingeschraubt, in den der PT100-Sensor 31 eingesetzt beziehungsweise integriert ist. Auf diese Weise wird die Temperatur innerhalb des Generators 2 mittelbar erfasst, denn die Statorwicklungen 15 werden aufgrund des induzierten Stroms am stärksten erwärmt und der Temperaturverlauf nimmt in radialer Richtung zu den Kühlrippen 21 hin ab. Gemessen wird also beispielsweise die Temperatur, die an dem Generatorgehäuse 20 herrscht, und von der auf die Temperatur der Statorwicklungen 15 rückgeschlossen werden kann.To the axial fan 29 To operate as efficient and energy-saving as possible, it depends on one of the cooling fins 21 and / or the generator housing 20 operated temperature measured. The cooling fins are outside of the generator housing 20 attached and extend in the axial direction along the generator 2 , As a temperature sensor 31 Preferably comes a resistance thermometer, such as a PT100 sensor 31 , for use. The temperature sensor 31 is on one of the cooling fins and / or on the generator housing 20 Installed. It is also conceivable that the sensor 31 on a stator winding 15 is attached, so as to warm the stator 15 to measure directly. However, it has proved to be a particularly advantageous alternative for fastening the PT100 sensor 31 anyway on the generator housing 20 for transport purposes existing blind thread 33 to use. In this case, a set screw is screwed into the blind thread into which the PT100 sensor 31 is used or integrated. In this way the temperature inside the generator becomes 2 detected indirectly, because the stator windings 15 are heated most due to the induced current and the temperature profile increases in the radial direction to the cooling fins 21 down. Thus, for example, the temperature measured at the generator housing is measured 20 prevails, and from the temperature of the stator windings 15 can be deduced.

Die Bestimmung der Ist-Temperatur der Statorwicklungen 15 kann mit Hilfe eines Steuergeräts 35 erfolgen, das die vom Temperaturfühler 31 gemessene Temperatur über die Leitung 41 erhält und auswertet. In Abhängigkeit des gemessenen Wertes steuert es ein Gebläsemotor 37 an und regelt die Drehzahl des Axialgebläses 29. Am Steuergerät 35 ist eine Solltemperatur manuell über ein Potentiometer vorgebbar. In Abhängigkeit der eingestellten Solltemperatur wird über eine Ausgangsspannung, die beispielsweise zwischen 0 bis 10 V betragen kann, der Gebläsemotor 37 über die Leitung 39 angesteuert. Stellt das Steuergerät fest, dass der Temperatursensor 31 keine verwertbaren Werte liefert, beispielsweise weil die Leitung 41 unterbrochen oder kurzgeschlossen ist, so wird der Ausgang des Steuergeräts 35 aus Sicherheitsgründen auf 10 V geschaltet, damit das Axialgebläse 29 mit 100% Lüfterleistung betrieben wird. Ist hingegen eine Kühlung des Generators 2 kaum oder nicht erforderlich, so reduziert das Steuergerät 35 die Leistung des Gebläsemotors 37; gegebenenfalls kommt es zu einer völligen Abschaltung.The determination of the actual temperature of the stator windings 15 can with the help of a control unit 35 done by the temperature sensor 31 measured temperature over the line 41 receives and evaluates. Depending on the measured value, it controls a blower motor 37 and regulates the speed of the axial fan 29 , At the control unit 35 a setpoint temperature can be specified manually via a potentiometer. Depending on the set target temperature is via an output voltage, which may for example be between 0 to 10 V, the fan motor 37 over the line 39 driven. If the controller detects that the temperature sensor 31 provides no usable values, for example because the line 41 is interrupted or shorted, then the output of the controller 35 for safety reasons switched to 10 V, so the axial fan 29 operated with 100% fan power. Is, however, a cooling of the generator 2 hardly or not required, so reduces the control unit 35 the power of the fan motor 37 ; if necessary, it comes to a complete shutdown.

Das Steuergerät 35 wird mit einer Versorgungsspannung von 230 V Wechselspannung betrieben und nimmt eine Leistung von maximal 4,5 W auf. Es weist einen dauerkurzschlussfesten Ausgangsschutz auf. Ferner verfügt das Steuergerät 35 über mehrere LED-Anzeigen für die Ausgangsspannung und für eine fehlerhafte Funktionsweise des Temperaturfühlers.The control unit 35 is operated with a supply voltage of 230 V AC and consumes a maximum power of 4.5 W. It has a permanent short-circuit proof output protection. Furthermore, the control unit has 35 via several LED displays for the output voltage and for a faulty functioning of the temperature sensor.

Die 3 bis 6 zeigen jeweils einen Schaltplan einer elektrischen Schaltung, die zur Ausführung des erfindungsgemäßen Kühlverfahrens im Steuergerät 35 verwendet wird.The 3 to 6 each show a circuit diagram of an electrical circuit to the Execution of the cooling method according to the invention in the control unit 35 is used.

In 3 sind mehrere Bauelemente eines Netzteils mit einer Linie 43 umrandet dargestellt. Zur Verwendung kommt ein Transformator 230 V/2 × 15 V mit anschließender Gleichrichtung durch mehrere Gleichrichter Gl1 und Gl2 und Glättung mittels mehrerer Kondensatoren C1 und C4. Zwei Kondensatoren C2 und C3 dienen zur Entstörung. Zwei Festspannungsregler, IC1 und IC2, stabilisiert durch zwei Kondensatoren C5 und C12, produzieren positive und negative Betriebsspannungen in Höhe von +15 V/–15 V. An einem örtlich vom Netzteil abgelegenen Teil der Platine stabilisieren ein Kondensator C9 die negative Spannung und ein Kondensator C6 die positive Spannung. Eine Leuchtdiode D1, der ein Widerstand R8 vorgeschaltet ist, zeigt das Vorhandensein der Betriebsspannung an.In 3 are several components of a power supply with a line 43 outlined. For use is a transformer 230 V / 2 × 15 V with subsequent rectification by a plurality of rectifiers Gl1 and Gl2 and smoothing by means of several capacitors C1 and C4. Two capacitors C2 and C3 are used for suppression. Two fixed voltage regulators, IC1 and IC2, stabilized by two capacitors C5 and C12, produce positive and negative operating voltages of +15 V / -15 V. On a part of the board remote from the power supply, a capacitor C9 stabilizes the negative voltage and a capacitor C6 the positive voltage. A light-emitting diode D1, which is connected upstream of a resistor R8, indicates the presence of the operating voltage.

Neben den Betriebsspannungen von +/–15 V werden auch zwei Präzisionsspannungen erzeugt: Einem Teil der nachfolgenden Signalverarbeitungsschaltung wird eine stabile Referenzspannung in Höhe von 2,489 V mittels einer Zener-Diode D7 und eines Widerstands R3 zur Verfügung gestellt. Des Weiteren existiert ein einstellbarer Spannungsregler LM 317T (IC3). Verschaltet mit einem Widerstand R1 und zwei Kondensatoren C7 und C8, produziert der Spannungsregler LM 317T eine mit einem Potentiometer P2 einstellbare Spannung in Höhe von 10,0 V. Mit dieser wird ein rail-to-rail-Operationsverstärker LTC 1152 (IC9) versorgt. Die Höhe dieser Spannung bestimmt die maximale Höhe der Ausgangsspannung des Gerätes.In addition to the operating voltages of +/- 15 V, two precision voltages are generated: A stable reference voltage of 2.489 V is made available to a part of the subsequent signal processing circuit by means of a Zener diode D7 and a resistor R3. Furthermore there is an adjustable voltage regulator LM 317T (IC3). Interconnected with a resistor R1 and two capacitors C7 and C8, the LM 317T voltage regulator produces an adjustable voltage of 10.0 V with a potentiometer P2. This voltage is used to supply an LTC 1152 rail-to-rail op-amp (IC9). The height of this voltage determines the maximum level of the output voltage of the device.

In 4 sind mehrere Bauelemente zur Signalverarbeitung mit einer Linie 45 umrandet dargestellt. Ein Temperaturfühler der Ausführung „Pt 100”, gespeist von einer Referenzspannung an einer Zener-Diode D7 bzw. einem Widerstand R3, bildet mit einem Widerstand R15 einen Spannungsteiler. Temperaturänderungen verursachen in diesem Teiler nur vergleichsweise geringe Spannungsänderungen. Aus diesem Grund nimmt der Präzisions-Operationsverstärker OPA 07 (IC8) eine geeignete Spannungsverstärkung vor. Die Höhe der Verstärkung ist mittels eines Potentiometers P3 einstellbar.In 4 are several components for signal processing with a line 45 outlined. A temperature sensor of the "Pt 100" design, fed by a reference voltage on a Zener diode D7 or a resistor R3, forms a voltage divider with a resistor R15. Temperature changes cause only relatively small voltage changes in this divider. For this reason, the precision operational amplifier OPA 07 (IC8) performs a suitable voltage gain. The height of the gain can be adjusted by means of a potentiometer P3.

Das nun spannungsverstärkte Signal (Istwert) wird mit einer zweiten Spannung, dem – mittels einem Potentiometer P4 justierbaren – gewünschten Sollwert, durch einen nachgeschalteten rail-to-rail-Operationsverstärker LTC 1152 verglichen. Abweichungen zwischen Soll- und Istwert (an dessen positivem und negativem Eingang) führen, je nach Abweichungshöhe, am Ausgang jenes Operationsverstärkers zu Ausgangsspannungen zwischen 0 und 10 V.The now voltage-amplified signal (actual value) is compared with a second voltage, the desired value which can be adjusted by means of a potentiometer P4, by a downstream rail-to-rail operational amplifier LTC 1152. Deviations between setpoint and actual value (at its positive and negative input) lead, depending on the amount of deviation, at the output of that operational amplifier to output voltages between 0 and 10 V.

Da der letztgenannte Operationsverstärker technisch nicht in der Lage ist, Strom von mehreren mA zu liefern, wird zur Stromverstärkung nachfolgend ein OP LM 741 (IC10) eingesetzt.Since the latter operational amplifier is technically not able to supply current of several mA, an OP LM 741 (IC10) is subsequently used for current amplification.

Das nun vergleichsweise belastbare Signal gelangt auf einen dreistufigen Betriebsartenschalter S1. Je nach Schalterstellung beträgt das Signal am Schaltungsausgang 10 V (= Schalterstellung „100%”), 0 V (= Schalterstellung „0%”) oder, je nach Abweichung zwischen Soll- und Istwert, eine variable Spannung zwischen 0 und 10 V (= Schalterstellung „auto”).The comparatively reliable signal now reaches a three-stage mode switch S1. Depending on the switch position, the signal at the circuit output is 10 V (= switch position "100%"), 0 V (= switch position "0%") or, depending on the deviation between setpoint and actual value, a variable voltage between 0 and 10 V (= Switch position "auto").

In 5 sind mehrere Bauelemente einer Fehleranzeige mit der Linie 47 umrandet dargestellt. Ein Ausfall der Kühlvorrichtung am Stromgenerator durch einen fehlerhaft verschalteten oder defekten Temperaturfühler 31 kann nachteilhafte Folgen haben. Aus diesem Grund beinhaltet die Schaltung eine Überwachungselektronik, die Fühlerfehler anzeigt und hierbei gegebenenfalls ein Ausgangssignal von 10 V (= 100% Kühlleistung) generiert. Dabei ist jeweils eine Fehleranzeige für eine unterbrochene Fühlerleitung bzw. für einen kurzgeschlossenen Temperaturfühler 31 vorgesehen:

a) Fehleranzeige 1: Ist der Temperaturfühler 31 nicht angeschlossen, die Fühlerleitung unterbrochen oder der Temperaturfühler 31 zu hochohmig, reagiert ein als Komparator geschalteter Operationsverstärker 2458 (IC6) und bringt dies über die Zener-Diode D5, einen Widerstand R9 und einen Transistor T1 mittels einer Leuchtdiode D4 zur Anzeige. Im Falle eines zu hochohmigen Temperaturfühlers 31 braucht in die Signalverarbeitungsschaltung, in 4 umrandet von Linie 45, nicht eingegriffen zu werden: Ist der Fühlereingang ungewöhnlich hochohmig, wird dies seitens der Signalverarbeitungsschaltung als hohe Ist-Temperatur gewertet, worauf die Schaltung, wie in diesem Fall erwünscht, eine Ausgangsspannung von 10 V (= Anforderung 100% Kühlleistung) veranlasst.
b) Fehleranzeige 2: Ist der Temperaturfühler 31 kurzgeschlossen oder ungewöhnlich niederohmig, reagiert der als Komparator geschaltete Operationsverstärker 2458 und schaltet über eine Zener-Diode D6 und einen Widerstand R11 einen Transistor T2 durch. In der Folge leuchtet zur Fehleranzeige eine Leuchtdiode D2 und über einen Widerstand R19 wird ein Transistor T3 durchgeschaltet. Der Transistor T3 zwingt die Signalverarbeitung durch das Anlegen einer 0 V-Spannung am Eingang des LTC 1152 (IC9), eine Ausgangsspannung von 10 V aufzuschalten.

In 5 are several components of a fault indicator with the line 47 outlined. A failure of the cooling device on the power generator due to a faulty connected or defective temperature sensor 31 can have adverse consequences. For this reason, the circuit includes a monitoring electronics, which indicates sensor errors and optionally generates an output signal of 10 V (= 100% cooling capacity). In each case, an error indication for a broken sensor line or for a short-circuited temperature sensor 31 intended:

a) Error indication 1: Is the temperature sensor 31 not connected, the sensor cable interrupted or the temperature sensor 31 Too high, reacts as a comparator switched operational amplifier 2458 (IC6) and brings this through the Zener diode D5, a resistor R9 and a transistor T1 by means of a light emitting diode D4 for display. In the case of a too high-temperature temperature sensor 31 needs in the signal processing circuit, in 4 edged by line 45 not to intervene: If the sensor input unusually high impedance, this is interpreted by the signal processing circuit as a high actual temperature, whereupon the circuit, as desired in this case, an output voltage of 10 V (= requirement 100% cooling capacity) causes.
b) Error display 2: Is the temperature sensor 31 short-circuited or unusually low-resistance, the comparator-connected operational amplifier 2458 responds and switches a transistor T2 through a Zener diode D6 and a resistor R11. As a result, a light-emitting diode D2 lights up for fault indication, and a transistor T3 is connected through a resistor R19. Transistor T3 forces signal processing to turn on an output voltage of 10V by applying a 0V voltage to the input of LTC 1152 (IC9).

In 6 sind zudem mehrere Bauelemente zur Anzeige einer Ausgangsspannung mit einer Linie 49 umrandet dargestellt. Die aktuelle Höhe der Ausgangsspannung (0 V/10 V/variabel 0...10 V), wird dem Nutzer mit Hilfe einer 10stufigen LED-Anzeige dargestellt. Eine einzelne LED steht dabei stellvertretend für 1 V Ausgangsspannung. Die Schaltung greift Spannung am Ausgang des Betriebsartenschalters ab. Das Signal wird über einen Spannungsteiler, umfassend mehrere Widerstände R2 und R22 und ein Potentiometer P1, in einen 10stufigen Bargraph-Treiber LM 3914 (IC4) eingeleitet. Eine Justierung des Bargraph-Treibers kann mit dem Potentiometer P1 vorgenommen werden. An den Treiber LM 3914 sind 10 Leuchtdioden (D8–D17) angeschlossen.In 6 are also several components for displaying an output voltage with a line 49 outlined. The current level of the output voltage (0 V / 10 V / variably 0 ... 10 V) is displayed to the user with the aid of a 10-level LED display. A single LED is representative of 1 V output voltage. The circuit picks up voltage at the output of the mode switch. The signal is introduced via a voltage divider comprising a plurality of resistors R2 and R22 and a potentiometer P1 in a 10-stage bar graph driver LM 3914 (IC4). An adjustment of the bar graph driver can be done with the potentiometer P1. The driver LM 3914 has 10 LEDs (D8-D17) connected.

Die Erfindung ermöglicht somit eine effektive und zugleich wirtschaftliche Kühlung des Generators, die von der Rotordrehzahl und -drehrichtung unabhängig ist.The invention thus enables effective and at the same time economical cooling of the generator, which is independent of the rotor speed and direction of rotation.

Claims

Method for cooling an electrical machine, in particular a generator ( 2 ) or a motor, wherein the cooling by one of a blower ( 29 ) generated air flow ( 25 ), characterized in that the speed of the fan ( 29 ) as a function of a detected operating temperature of the machine ( 2 ) is regulated and / or controlled.

Method according to Claim 1, characterized in that a temperature at at least one stator winding of the machine ( 2 ) is detected.

Method according to Claim 1, characterized in that a temperature at at least one heat sink ( 21 ) the machine ( 2 ) is detected.

Method according to Claim 1, characterized in that the operating temperature is determined as a function of a current which is generated by a stator winding of the machine ( 2 ) flows.

Method according to one of claims 1 to 4, characterized in that the operating temperature by means of a sensor ( 31 ) is detected on and / or in a machine housing ( 19 ) is attached.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that a value of the detected operating temperature by an electrical circuit and / or a computing device, in particular a microprocessor is processed.

A method according to claim 6, characterized in that the value is processed by means of an executable on the computing device computer program.

Method according to one of claims 6 or 7, characterized in that the rotational speed of the blower ( 29 ) is set depending on the detected operating temperature.

A method according to claim 8, characterized in that the value of the detected operating temperature is checked by the electrical circuit and / or the computing device and / or the computer program for plausibility.

Method according to claim 9, characterized in that the blower ( 29 ), if the value is detected as faulty, is operated at full power.

Device for cooling an electric machine, in particular a generator ( 2 ) or an engine, characterized in that the cooling by an axial fan ( 29 ), whose speed is controllable and / or controllable in dependence on an operating temperature of the machine.

Apparatus according to claim 11, characterized in that the axis of rotation of the axial fan ( 29 ) substantially coaxial with a rotor shaft ( 18 ) of the machine.

Device according to one of claims 11 or 12, characterized in that a sensor ( 31 ) on and / or in a machine housing ( 19 ), which measures operating temperature.

Device according to claim 13, characterized in that the sensor ( 31 ) is designed as a PT100 sensor.

Device according to one of claims 13 or 14, characterized in that the sensor ( 31 ) is integrated in a threaded pin, which in a blind thread ( 33 ) of the machine housing ( 19 ) can be screwed.

Control unit, characterized in that the control unit ( 35 ) is adapted to carry out a method according to one of claims 1 to 10.