DE102010010600A1

DE102010010600A1 - Verfahren zum Überwachen der Funktion einer rotierenden elektrischen Maschine sowie Überwachungssystem zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE102010010600A1
Application number: DE102010010600A
Authority: DE
Inventors: Dr. Schwery Alexander; Thomas Kunz
Original assignee: Alstom Technology AG
Current assignee: GE Renewable Technologies SAS
Priority date: 2010-03-08
Filing date: 2010-03-08
Publication date: 2011-09-08
Also published as: US20130057228A1; CA2792326A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überwachen der Funktion einer rotierenden elektrischen Maschine, insbesondere einer doppelt gespeisten Asynchronmaschine im Leistungsbereich zwischen 20 MVA und 500 MVA, welche einen um eine Achse drehenden, von einem Stator konzentrisch umgebenen Rotor umfasst, wobei der Rotor und der Stator einen aus geschichteten und in axialer Richtung zu einem Verbund verpressten Blechen aufgebauten Rotorblechkörper bzw. Statorblechkörper aufweisen, welche mittels in axialer Richtung durch den Rotorblechkörper bzw. Statorblechkörper hindurch gehende, gegen die Blechkörper elektrisch isolierte Zugbolzen (21) verpresst sind. Bei einem solchen Verfahren wird eine einfache und sichere Überwachung der Isolation der Zugbolzen dadurch erreicht, dass die Isolation der Zugbolzen während des Betriebs der Maschine fortlaufend auf elektrischem Wege gemessen wird, wobei die Zugbolzen (21) jeweils mittels einer Spannungsquelle (24) auf ein vorbestimmtes Potential gegenüber dem zugehörigen Blechkörper gelegt werden, und der Stromfluss durch die Spannungsquelle (24) und/oder durch den jeweiligen Zugbolzen (21) gemessen und ausgewertet wird.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der rotierenden elektrischen Maschinen. Sie betrifft ein Verfahren zum Überwachen der Funktion einer rotierenden elektrischen Maschine, insbesondere einer doppelt gespeisten Asynchronmaschine im Leistungsbereich zwischen 20 MVA und 500 MVA gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Überwachungssystem zur Durchführung des Verfahrens.
STAND DER TECHNIK
Doppelt gespeiste Asynchronmaschinen im Leistungsbereich von 20 MVA bis 500 MVA können zur drehzahlvariablen Energieproduktion eingesetzt werden. Diese Maschinen zeichnen sich durch eine verteilte Dreiphasenwicklung auf dem Rotor aus. Die Rotorwicklung besteht aus einzelnen Stäben, welche im Rotorblechpaket in Nuten eingebettet sind. Im Wickelkopf werden die einzelnen Stäbe zu einer Wicklung verschaltet. Die Einspeisung der Ströme erfolgt über mindestens drei Schleifringe, welche am Ende der Maschine an der Welle befestigt sind. Ein Ausschnitt aus einer solchen Maschine ist in 1 in stark vereinfachter Form wiedergegeben. Die in 1 dargestellte Asynchronmaschine 10 hat eine Maschinenachse 13. Um diese Achse 13 drehbar ist ein Zentralkörper 11 mit einer Welle, auf der die Schleifringe 12 angeordnet sind. Um den Zentralkörper 11 herum ist der Rotorblechkörper 14 angeordnet, an den unterhalb eines Wickelkopfes 16 der Rotorwicklung ein Hilfsrim 20 anschliesst. Der Rotorblechkörper 14 ist von einem Statorblechkörper 15 konzentrisch umgeben, in dem eine Statorwicklung untergebracht ist, die am Ende des Körpers mit einem Statorwickelkopf 17 nach aussen vorsteht. Der Rotorblechkörper 14 ist in 2 im Ausschnitt vergrössert wiedergegeben.
Da die Rotoren von doppelt gespeisten Asynchronmaschinen eine Rotorwicklung 18 tragen, muss diese gegen die auftretenden Zentrifugalkräfte gesichert werden. Das Rotorblechpaket dient zum einen der Aufnahme dieser Kräfte und definiert zugleich den Weg des magnetischen Flusses. Das Hilfsrim 20 dient der Aufnahme der Zentrifugalkräfte, die auf den Rotorwickelkopf 16 einwirken. Das Hilfsrim 20, wie auch der Rotorblechkörper 14, bestehen aus geschichteten Blechen, welche in axialer Richtung zu einem Verbund gepresst werden. Es ist bekannt, hierbei eine Pressplatte 19 einzusetzen, die den durch die Zugbolzen 21 bzw. Scherbolzen 22 aufgebrachten Pressdruck auf die Bleche des Rotorblechpakets verteilt (siehe z. B. die DE-A1-195 13 457 oder die DE-A1-10 2007 000 668 ). Ähnliche Verhältnisse gelten auch beim Statorblechkörper 15.
Verschiedene Ansprüche werden an den Rotorblechkörper 14 gestellt. In 2 ist die prinzipielle Unterteilung in einen elektrischen Bereich 14a und einen mechanischen Bereich 14b dargestellt. Einerseits soll in den Zähnen genügend axialer Druck zwischen den Schichten der Bleche bestehen um die Homogenität des Körpers zu garantieren. Um Vibrationen zu vermeiden, dürfen sich die Schichten nicht lockern, da Relativbewegungen zwischen den Zähnen und der Rotorwicklung 18 die Isolation beschädigen könnten. Andererseits darf der Druck nicht zu hoch sein, um Schaden an den Isolationsschichten zwischen den einzelnen Blechen zu vermeiden, da solche Schäden zu erhöhten Verlusten führen würden.
Die Zugbolzen im Stator oder Rotor befinden sich im magnetisch aktiven Teil des jeweiligen Blechkörpers. Während des Betriebes des Motorgenerators überstreicht die Grundwelle des magnetischen Flusses mit der Nennfrequenz die Zugbolzen im Stator. Die Zugbolzen 21 im Rotor der doppelt gespeisten Asynchronmaschine werden im Betrieb mit Schlupffrequenz überstrichen. Während des Hochlaufs hingegen „sieht” auch der Rotor der Asynchronmaschine, und damit die Zugbolzen 21 auf dem Rotor, die Nennfrequenz.
Durch den sich ändernden Fluss, welcher die Bolzen überstreicht, wird in diesen eine Spannung induziert. Wären die Bolzen in direktem Kontakt mit dem Blechkörper, würden grosse Ströme über die Bolzen fliessen. Um diese Ströme zu verhindern, sind die Bolzen entweder über Isolatoren in den Löchern des Stators bzw. Rotors fixiert, oder sie sind über die ganze Länge isoliert. Das Potential der Bolzen ist somit nicht definiert. Während der Installation der Maschine wird sorgfältig die Isolation jedes Bolzen gegenüber dem Blechkörper überprüft. Nur wenn alle Bolzen genügend gut gegenüber dem Blechkörpern isoliert sind, kann die Maschine in Betrieb genommen werden. In definierten Abständen wird die Isolation der Bolzen im Rahmen von Unterhaltsarbeiten wieder kontrolliert. Dabei muss die Maschine bisher ausser Betrieb sein.
Im Betrieb kann sich mit der Zeit an den Durchgängen der Bolzen durch die Ventilationskanäle Schmutz ansammeln. Dies führt zu Kriechströmen. Enthält der Schmutz metallische Partikel, kann es zu elektrisch leitenden Kontakten zwischen Bolzen und Blechkörper kommen. Sollte es zu mehr als einem Kontakt an einem oder verschiedenen Bolzen kommen, fliessen hohe Ströme, die zu grossem Schaden an der Maschine führen können. Aus diesem Grunde besteht ein Interesse daran, die Isolation der Bolzen auch im Betrieb zu überwachen.
Prinzipiell liesse sich die induzierte Spannung an den Bolzen messen. Fliesst ein ungewollter Strom über die Bolzen, liesse sich das theoretisch über eine Änderung der anliegenden Spannung erkennen. Praktisch wird die Spannungsänderung bei kleinen Strömen aber so klein sein, dass sich diese Idee nur schlecht praktisch umsetzen lässt.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Überwachen der Funktion einer rotierenden elektrischen Maschine zu schaffen, mit welchem die Isolation der Zugbolzen im Stator- und/oder Rotorblechkörper auf einfache Weise während des Betriebs der Maschine überwacht werden kann, sowie ein Überwachungssystem zur Durchführung des Verfahrens anzugeben.
Die Aufgabe wird durch die Gesamtheit der Merkmale der Ansprüche 1 und 5 gelöst.
Wesentlich für die Erfindung ist, dass die Isolation der Zugbolzen während des Betriebs der Maschine fortlaufend auf elektrischem Wege gemessen wird, wobei die Zugbolzen jeweils mittels einer Spannungsquelle auf ein vorbestimmtes Potential gegenüber dem zugehörigen Blechkörper gelegt werden, und der Stromfluss durch die Spannungsquelle und/oder durch den jeweiligen Zugbolzen gemessen und ausgewertet wird.
Eine Ausgestaltung des Verfahren nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass beim Überschreiten von vorgegebenen Werten des Stroms durch den bzw. die Zugbolzen ein Alarm und ggf. ein Notstopp der Maschine ausgelöst wird.
Dabei kann als Spannungsquelle eine reine Gleichspannungsquelle verwendet werden.
Es ist aber auch denkbar, als Spannungsquelle eine Gleichspannungsquelle mit überlagerter Wechselspannung zu verwenden.
Das erfindungsgemässe Überwachungssystem ist dadurch gekennzeichnet, dass es eine Spannungsquelle aufweist, welche an die Blechkörper und an die Zugbolzen angeschlossen ist, und dass Mittel zur Messung des durch die Zugbolzen fliessenden Stroms vorgesehen sind, welche an eine Überwachungseinheit angeschlossen sind.
Insbesondere umfassen die Mittel zur Messung des durch die Zugbolzen fliessenden Stroms Stromaufnehmer, welche in den aus Spannungsquelle, Zugbolzen und Blechkörper gebildeten Stromkreis eingefügt sind.
Dabei können alle zu überwachenden Zugbolzen an eine gemeinsame Spannungsquelle angeschlossen sein.
Es ist aber auch denkbar, dass jedem zu überwachenden Zugbolzen ein eigener Stromaufnehmer zugeordnet ist, und dass die von den Stromaufnehmern gemessenen Ströme in der Überwachungseinheit ausgewertet werden.
Eine Ausgestaltung des Überwachungssystems ist dadurch gekennzeichnet, dass an die Überwachungseinheit ausgangsseitig eine Alarmanzeige angeschlossen ist.
Die Überwachungseinheit kann aber auch ausgangsseitig mit einer Maschinensteuerung zur Steuerung der rotierenden elektrischen Maschine verbunden sein.
Grundsätzlich kann dabei die Spannungsquelle als reine Gleichspannungsquelle ausgebildet sein.
Es ist aber auch denkbar, dass die Spannungsquelle als Gleichspannungsquelle mit überlagerter Wechselspannung ausgebildet ist.
KURZE ERLÄUTERUNG DER FIGUREN
Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen
1 in einer stark vereinfachten Darstellung einen Ausschnitt aus einer Asynchronmaschine, wie sie zur Anwendung der Erfindung geeignet ist;
2 in einem vergrösserten Ausschnitt den Aufbau des Rotorblechkörpers der Maschine aus 1 einschliesslich einer zum Verspannen des Rotorblechkörpers eingesetzten Pressplatte mit verschiedenen Bolzen gemäss einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
3 ein stark vereinfachtes Schaltschema eines Überwachungssystems für die Überwachung der Zugbolzenisolation gemäss einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
Die zentrale Idee der Überwachung gemäss vorliegender Erfindung besteht darin, das schwebende Potential der Zugbolzen über eine klar definierte Spannungsquelle zu fixieren. Dazu wird jeder Bolzen mit einer Spannungsquelle verbunden, welche das Potential entweder auf eine definierte Gleichspannung oder aber auf eine Gleichspannung mit einer überlagerten Wechselspannung legt. Eine Überwachung des Stromes, welcher durch die Spannungsquelle fliesst, kann beim Überschreiten von vordefinierten Werten einen Alarm bzw. Notstopp der Maschine auslösen. Dabei ist es möglich, den Strom in jedem einzelnen Zugbolzen, oder aber von allen Bolzen gemeinsam zu überwachen.
Ein entsprechendes Überwachungssystem ist am Beispiel der Zugbolzen 21 des Rotors in 3 wiedergegeben. Die aus dem Hilfsrim 20 herausstehenden Enden der Zugbolzen 21 des Rotors sind gemäss dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel jeweils an den einen Pol einer Spannungsquelle 24 angeschlossen. Der andere Pol der Spannungsquelle 24 ist mit dem Hilfsrim 20 selbst bzw. mit dem Rotorblechkörper verbunden. Auf diese Weise wird für jeden der Zugbolzen 21 ein Stromkreis 26 definiert, der dann mehr oder weniger geschlossen ist, wenn die Isolierung zwischen Zugbolzen 21 und Blechkörper mehr oder weniger stark eingeschränkt ist.
Der durch die Stromkreise 26 fliessende Strom ist bei vorgegebener Spannung an der Spannungsquelle 24 ein Mass für den Zustand der Isolation. Es kann dann ein Stromwert festgelegt werden, bei dessen Überschreiten entweder eine Warnung bzw. ein Alarm abgegeben wird, oder aber die Maschine direkt gestoppt wird. Wird in jeden der Stromkreise 26 ein Stromaufnehmer 25 eingefügt, kann der Isolationszustand an jedem Zugbolzen 21 getrennt bestimmt und überwacht werden, indem der Strom im jeweiligen Stromkreis 26 gemessen und ausgewertet wird. Auf diese Weise ergibt sich die Möglichkeit, bei einer Reparatur gezielt auf die Bolzen abzustellen, die den höchsten Strom in ihrem Stromkreis angezeigt haben.
Es ist aber auch denkbar, nur den Strom durch die Spannungsquelle 24 zu messen, der die Summe der Ströme in den einzelnen Stromkreisen 26 darstellt und entsprechend eine Aussage über den globalen Isolationszustand aller Zugbolzen 21 zusammen macht. Im Reparaturfall muss dann separat festgestellt werden, welche der Zugbolzen 21 für den gemessenen Strom im Wesentlichen verantwortlich sind.
Grundsätzlich kann als Spannungsquelle 24 eine reine Gleichstromquelle eingesetzt werden. Um Störungen zu vermeiden bzw. zu unterdrücken, kann es jedoch von Vorteil sein, der Gleichspannung eine Wechselspannung zu überlagern, die dann eine Wechselspannungsmessung mit den entsprechenden Vorteilen ermöglicht.
Zur Steuerung und Überwachung der Spannungsquelle 24 ist diese mit einer zentralen Überwachungseinheit 23 verbunden, die gleichzeitig die Messwerte von den Stromaufnehmern 25 übernimmt und auswertet. An einen Ausgang der Überwachungseinheit 23 ist eine (akustische oder optische) Alarmanzeige 28 angeschlossen, die bei Überschreiten eines voreingestellten Wertes der gemessenen Ströme einen Alarm abgibt. Ein anderer Ausgang der Überwachungseinheit 23 ist wahlweise mit der Maschinensteuerung 29 verbunden, die in einem solchen Fall oder beim Überschreiten eines höher liegenden Grenzwertes einen Notstopp ausführt, der die Maschine zum Stillstand bringt, um grössere Schäden zu vermeiden.
Die Höhe der eingeprägten Spannung und der Grenzwerte für den gemessenen Strom hängt stark von den Einzelheiten des Aufbaus der Blechkörper und der Isolationen der Zugbolzen ab und muss den jeweiligen Gegebenheiten angepasst werden.
Bezugszeichenliste

10: Asynchronmaschine
11: Zentralkörper (mit Welle)
12: Schleifring
13: Achse
14: Rotorblechkörper
14a: elektrischer Bereich
14b: mechanischer Bereich
15: Statorblechkörper
16: Rotorwickelkopf
17: Statorwickelkopf
18: Rotorwicklung
19: Pressplatte
20: Hilfsrim
21: Zugbolzen
22: Scherbolzen
23: Überwachungseinheit
24: Spannungsquelle
25: Stromaufnehmer
26: Stromkreis
27: Überwachungssystem
28: Alarmanzeige
29: Maschinensteuerung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 19513457 A1 [0003]
DE 102007000668 A1 [0003]

Claims

Verfahren zum Überwachen der Funktion einer rotierenden elektrischen Maschine, insbesondere einer doppelt gespeisten Asynchronmaschine (10) im Leistungsbereich zwischen 20 MVA und 500 MVA, welche einen um eine Achse (13) drehenden, von einem Stator (15, 17) konzentrisch umgebenen Rotor (11, 14) umfasst, wobei der Rotor (11, 14) und der Stator (15, 17) einen aus geschichteten und in axialer Richtung zu einem Verbund verpressten Blechen aufgebauten Rotorblechkörper (14) bzw. Statorblechkörper (15) aufweisen, welche mittels in axialer Richtung durch den Rotorblechkörper (14) bzw. Statorblechkörper (15) hindurch gehende, gegen die Blechkörper (14, 15) elektrisch isolierte Zugbolzen (21) verpresst sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolation der Zugbolzen (21) während des Betriebs der Maschine fortlaufend auf elektrischem Wege gemessen wird, wobei die Zugbolzen (21) jeweils mittels einer Spannungsquelle (24) auf ein vorbestimmtes Potential gegenüber dem zugehörigen Blechkörper (14 bzw. 15) gelegt werden, und der Stromfluss durch die Spannungsquelle (24) und/oder durch den jeweiligen Zugbolzen (21) gemessen und ausgewertet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beim Überschreiten von vorgegebenen Werten des Stroms durch den bzw. die Zugbolzen (21) ein Alarm und/oder ein Notstopp der Maschine ausgelöst wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Spannungsquelle (24) eine reine Gleichspannungsquelle verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Spannungsquelle (24) eine Gleichspannungsquelle mit überlagerter Wechselspannung verwendet wird.
Überwachungssystem (27) zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Überwachungssystem eine Spannungsquelle (24) aufweist, welche an die Blechkörper (14, 15) und an die Zugbolzen (21) angeschlossen ist, und dass Mittel (25) zur Messung des durch die Zugbolzen (21) fliessenden Stroms vorgesehen sind, welche an eine Überwachungseinheit (23) angeschlossen sind.
Überwachungssystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Messung des durch die Zugbolzen (21) fliessenden Stroms Stromaufnehmer (25) umfassen, welche in den aus Spannungsquelle (24), Zugbolzen (21) und Blechkörper (14, 15) gebildeten Stromkreis eingefügt sind.
Überwachungssystem nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass alle zu überwachenden Zugbolzen (21) an eine gemeinsame Spannungsquelle (24) angeschlossen sind.
Überwachungssystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass jedem zu überwachenden Zugbolzen (21) ein eigener Stromaufnehmer (25) zugeordnet ist, und dass die von den Stromaufnehmern (25) gemessenen Ströme in der Überwachungseinheit (23) ausgewertet werden.
Überwachungssystem nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass an die Überwachungseinheit (23) ausgangsseitig eine Alarmanzeige (28) angeschlossen ist.
Überwachungssystem nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachungseinheit (23) ausgangsseitig mit einer Maschinensteuerung (29) zur Steuerung der rotierenden elektrischen Maschine (10) verbunden ist.
Überwachungssystem nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsquelle (24) als reine Gleichspannungsquelle ausgebildet ist.
Überwachungssystem nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsquelle (24) als Gleichspannungsquelle mit überlagerter Wechselspannung ausgebildet ist.