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Hintergrund
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Hierin dargestellte Ausführungsformen betreffen allgemein elektrische Maschinen und insbesondere die Überwachung von Synchronmaschinen.
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Eine Synchronmaschine ist eine mit Wechselstrom arbeitende elektrische Maschine, die bei einer zu der Stromversorgungsfrequenz synchronen Drehzahl arbeitet. Synchronmaschinen enthalten einen Stator, der die Ankerwicklung trägt, einen Rotor, der die Feldwicklung trägt, und eine Bürsten-Schleifringanordnung zum Erregen der Feldwicklungen auf dem Rotor. Die Feldwicklungen werden durch eine Gleichstromversorgungsspannung erregt. Die Gleichstromversorgungsspannung kann durch eine externe Quelle erzeugt werden (fremderregte Synchronmaschinen), oder kann von einem auf dem Rotor montierten Generator (selbsterregte Synchronmaschinen) bereitgestellt werden. Die Feldwicklungen sind z. B. typischerweise unter Verwendung eines Isolationslackes isoliert.
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Während des Betriebs der Synchronmaschine kann sich die Feldisolation aufgrund verschiedener Faktoren, wie zum Beispiel Wärmeabgabe der Feldwicklung, interne Erwärmung der Synchronmaschine, Teilentladungsphänomene, Staub, Wasser (Feuchtigkeit, Kondensation und ungewolltes Eintauchen), mechanische Kräfte, elektrische Störungen usw. verschlechtern. Eine derartige Verschlechterung der Feldisolation kann Kurzschlüsse der Feldwicklungen und Erdschlüsse bewirken. Die Verschlechterung der Wicklungsisolation führt schließlich zu einem vollständigen Durchbruch der Wicklungsisolation und kann zu einem katastrophalen Ausfall der Synchronmaschine führen. Um einen derartigen Ausfall zu verhindern, gibt es Frühwarnsysteme, die eine Wicklungsverschlechterung überwachen.
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Ein derartiges System beruht auf der Injektion eines Niederfrequenz-Rechteckwellensignals in die Feldwicklung und die Identifizierung eines Wicklungsausfalles auf der Basis der gemessenen Antwort. Derartige Systeme sind jedoch typischerweise durch einen maximalen Widerstand, der für die Vorhersage des Ausfalls gemessen werden kann, eingeschränkt. Weitere Systeme, wie zum Beispiel Isolationsmessgeräte stehen zur Verfügung, die Isolationswiderstände in einem höheren Bereich messen können. Jedoch erfordern derartige Systeme typischerweise eine Außerbetriebnahme der Synchronmaschine für die Prüfung. Eine derartige Abschaltzeit kann zu unerwünschter Betriebsausfallszeit und Einnahmeverlust führen.
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Kurzbeschreibung
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Es wird ein Verfahren zum Überwachen einer Synchronmaschine beschrieben. Das Verfahren beinhaltet die Injektion eines schmalbandigen sinusförmigen Signals an einem ersten Ende einer Feldwicklung der Synchronmaschine. Das Verfahren beinhaltet ferner die Überwachung einer Spannung an einem zweiten Ende der Feldwicklung in Bezug auf Erde. Das Verfahren identifiziert dann eine Resonanzfrequenz auf der Basis der überwachten Spannung und erzeugt einen Wicklungszustandsindikator auf der Basis der identifizierten Resonanzfrequenz und einer erwarteten bzw. Anfangsresonanzfrequenz oder einer Resonanzfrequenz, die in einwandfreiem Zustand gemessen wird.
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Es wird ein System zum Überwachen einer Synchronmaschine beschrieben. Das System enthält einen Signalgenerator zum Initiieren eines schmalbandigen sinusförmigen Signals an einem ersten Ende der Feldwicklung der Synchronmaschine. Das System beinhaltet ferner ein Überwachungsmodul zum Überwachen einer Spannung an einem zweiten Ende der Feldwicklung in Bezug auf Erde. Das System beinhaltet auch einen Spektrumanalysator zum Identifizieren einer Resonanzfrequenz auf der Basis der überwachten Spannung. Schließlich enthält das System ein Prognosemodul zum Erzeugen eines Wicklungszustandsindikators wenigstens teilweise auf der Basis der identifizierten Resonanzfrequenz.
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In einer Ausführungsform ist das Überwachungsmodul dafür eingerichtet, den Strom von Wicklung zur Erde aufgrund des initiierten schmalbandigen sinusförmigen Signals zu messen. Der Spektrumanalysator verarbeitet dann den Wicklungs-Erde-Strom, um einen Wicklungszustand vorherzusagen. Der Spektrumanalysator kann eine Resonanzfrequenz und eine einer Phasendifferenz von Null zwischen dem Wicklungs-Erde-Strom und der angelegten Spannung entsprechende Frequenz identifizieren. Das Prognosemodul kann dann einen Windungszustandsindikator auf der Basis der Differenz zwischen den zwei Frequenzen erzeugen.
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Es wird ein Computerprogrammprodukt beschrieben, das ein nicht nicht-flüchtiges computerlesbares Medium aufweist, das mit von Computern ausführbaren Instruktionen codiert ist. Die vom Computer ausführbaren Instruktionen bewirken, wenn sie ausgeführt werden, dass einer oder mehrere Prozessoren ein schmalbandiges sinusförmiges Signal an einem ersten Ende einer Feldwicklung der Synchronmaschine injizieren, eine Spannung an einem zweiten Ende der Feldwicklung in Bezug auf Erde überwachen, eine Resonanzfrequenz auf der Basis der überwachten Spannung identifizieren und einen Wicklungszustandsindikator auf der Basis der identifizierten Resonanzfrequenz und einer erwarteten Resonanzfrequenz erzeugen.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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1 stellt eine Beispielumgebung dar, in welcher ein Synchronmaschinen-Überwachungssystem gemäß einer Ausführungsform arbeiten kann;
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2 stellt ein exemplarisches Synchronmaschinenüberwachungssystem gemäß einer Ausführungsform dar; und
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3 ist ein Flussdiagramm eines exemplarischen Verfahrens zum Überwachen einer Synchronmaschine gemäß einer Ausführungsform.
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Detaillierte Beschreibung
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Hierin dargestellte Ausführungsformen beschreiben Techniken zum Überwachen des Zustandes von Synchronmaschinen. Die Techniken beinhalten die Überwachung von Feldwicklungen von Synchronmaschinen durch Testen der Feldwicklung mit einem schmalbandigen sinusförmigen Signal, wie zum Beispiel einem sinusförmigen Chirp-Signal, und die Überwachung von Spektraleigenschaften der Feldwicklung, wie zum Beispiel eines Resonanzfrequenzzustandes und von Phasenzuständen, um den Zustand der Feldwicklung zu ermitteln. In einer Ausführungsform können die überwachten Spektraleigenschaften mit einer erwarteten Ausgangseigenschaft oder einer Eigenschaft eines einwandfreien Zustands verglichen werden. Für den Zweck dieser Offenlegung können die erwartete Eigenschaft, Ausgangseigenschaft und die Eigenschaft des einwandfreien Zustands austauschbar verwendet werden. In verschiedenen Ausführungsformen detektieren die hierin beschriebenen Techniken Feldwicklungsisolationsfehler, wie zum Beispiel Feld/Erde-Fehler und Zwischenwicklungsfehler. Die Zustandsüberwachung der Synchronmaschinen gemäß den hierin dargestellten Ausführungsformen erfordert keine Außerbetriebnahme der Synchronmaschine. Mit anderen Worten, die hierin beschriebenen Zustandsüberwachungstechniken ermöglichen die Überwachung von im Betrieb befindlichen Synchronmaschinen. Obwohl die nachstehende Beschreibung eine Zustandsüberwachung für Synchronmaschinen oder Wechselstromgeneratoren darstellt, treffen die hierin dargestellten Ausführungsformen auch auf andere elektrische Maschinen zu.
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1 stellt eine Beispielumgebung 100 dar, in welcher ein Synchronmaschinenüberwachungssystem gemäß einer Ausführungsform arbeiten kann. Die Umgebung 100 beinhaltet eine Synchronmaschine 110, eine Erreger- und Steuereinheit 120 und ein Zustandsüberwachungssystem 140. Die Synchronmaschine 110 kann mit einer Last verbunden sein. Obwohl 1 eine mit der Synchronmaschine 110 verbundene elektrische Last darstellt, dürfte erkennbar sein, dass in Implementationen, in welchen die Synchronmaschine 110 ein Synchronmotor ist, die Last eine mechanische Last sein kann.
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Die Synchronmaschine 110 ist eine elektromechanische Energieumwandlungsvorrichtung, in welcher der Rotor mit derselben Drehzahl wie die Rotationsgeschwindigkeit eines rotierenden Magnetfeldes rotiert. Beispiele von Synchronmaschinen beinhalten Synchrongeneratoren, Synchronmotoren und Leistungsfaktorkompensatoren. Die Synchronmaschine 110 kann zwischen einem Antriebsmodus und einem Erzeugungsmodus durch Wechseln der elektrischen Verbindungen umgeschaltet werden. Beispielsweise kann bei mobilen Verbrennungsmotoren die Synchronmaschine 110 ein integrierter Starter/Generator sein. Die Synchronmaschine 110 arbeitet in dem Antriebsmodus, in dem sie elektrische Energie von einer Bordbatterie aufnimmt, um den Verbrennungsmotor zu starten. Sobald der Verbrennungsmotor gestartet ist, schaltet die Steuerelektronik die Synchronmaschine 110 in den Erzeugungsmodus um, indem sie mechanische Energie aus der Verbrennungsmotorwelle aufnimmt und elektrischen Strom erzeugt. Die Synchronmaschine 110 enthält eine Ankerwicklung 112 und eine Feldwicklung 114. Typischerweise kann in Niedrigenergie und Niedrigdrehmomentanwendungen die Synchronmaschine 110 ein Typ mit rotierendem Anker sein, der eine auf dem Rotor angeordnete Ankerwicklung 112 enthält, und bei der die Feldwicklung 114 auf dem Stator angeordnet ist. In industriellen Anwendungen mit hohem Drehmoment und hoher Leistung kann die Synchronmaschine 110 ein Rotationsfeld-Typ sein, der eine auf dem Stator angeordnete Ankerwicklung 112 enthält und bei dem die Feldwicklung 114 auf dem Rotor angeordnet ist. Die Feldwicklung 114 ist mit der Erreger- und Steuereinheit 120 über Feldanschlüsse 116A und 116B verbunden.
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Die Erreger und Steuereinheit 120 enthält einen Erreger, wie zum Beispiel, jedoch nicht darauf beschränkt, einen Gleichstromgenerator, eine Batterie, eine gleichgerichtete Wechselstromquelle oder einen statischen Erreger, um die Feldwicklungen 114 zu erregen. Ein statischer Erreger führt einen Teil des Wechselstroms aus jeder Phase des Generatorausgangs zu den Feldwicklungen 114 als Gleichstromerregungen über ein System von Transformatoren, Gleichrichtern und Reaktoren zurück. Eine externe Gleichstromquelle kann zum anfänglichen Erregen der Feldwicklungen verwendet werden. Der Erreger legt eine hierin als Feldspannung bezeichnete Erregungsspannung an die Feldwicklung 114 der Synchronmaschine 110 an, um dadurch ein Fließen von Feldstrom durch die Feldwicklung 114 zu bewirken. Aufgrund der Rotation der Feldwicklungen 114 variiert der auf die in dem Stator der Synchronmaschine 110 angeordneten stationären Spulen eingekoppelte Fluss in einer sinusartigen Weise, was eine sinusförmige Veränderung der Spannung über den Anschlüssen der stationären Spulen bewirkt. Die Erreger- und Steuereinheit steuert den Betrieb der Synchronmaschine 110. Beispielsweise kann die Erreger- und Steuereinheit 120 die den Feldwicklungen 114 zugeführte Feldspannung und den Feldstrom so steuern, dass die Spannung am Ausgang konstant bleibt. Ferner kann die Erreger- und Steuereinheit 120 die an die Synchronmaschine 110 gelieferte Leistung oder die von der Synchronmaschine 110 gelieferte Leistung steuern. Die Erreger- und Steuereinheit 120 kann auch den Leistungsfaktor der Synchronmaschine 110 steuern.
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Eine längere Nutzung der Synchronmaschine 110 kann die Lamination der Feldwicklungen 114 verschlechtern und Wicklungsschlüsse und Erdschlüsse bewirken. 1 stellt eine äquivalente Schaltung für einen Erdschluss 130 dar. Ein Erdschluss ist einer, bei dem sich die Lamination der Feldwicklung 114 verschlechtert hat und somit einen Kurzschluss zwischen der Feldwicklung 114 und Erde bewirkt. Typischerweise ist das Gehäuse der Synchronmaschine 110 zur Sicherheit vor elektrischen Schlägen mit Erde verbunden. Wenn sich die Lamination der Feldwicklung 114 verschlechtert, kann sich ein Kurzschluss zwischen der Feldwicklung 114 und dem Gehäuse der Synchronmaschine 110 ergeben, und somit den Erdschluss 130 bewirken. Der Erdschluss 130 kann als eine Parallelverbindung eines Widerstandes (der eine resistive Komponente des Erdschlusses 130 darstellt) und eine Kapazität (der eine kapazitive Komponente des Erdschlusses (130) darstellt) modelliert werden. Die Widerstandskomponente repräsentiert einen Isolationswiderstand zwischen der Feldwicklung 114 und Erde, während die kapazitive Komponente die Durchschlagfestigkeit der Feldwicklungsisolation darstellt. Der Erdschluss 130 bildet zusammen mit der induktiven Komponente der Feldwicklung 114 einen Tankkreis zwischen den Feldanschlüssen 116A/116/B und dem Ort des Erdschlusses 130 in der Feldwicklung 114. Um den Zustand der Isolation zu überwachen, kann man die resistiven und kapazitiven Komponenten oder einen von diesen Komponenten abhängigen Parameter überwachen. Beispielsweise ist die resistive Komponente im Falle einer einwandfreien Isolation sehr hoch, während der Isolationswiderstand mit der Alterung abnimmt. In einer Ausführungsform wird der Zustand der Isolation durch Messung von Größen überwacht, die diese Parameter reflektieren, wie zum Beispiel, jedoch nicht darauf beschränkt den Feld-Erde-Strom und die Feld-Erde-Spannung.
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Verschiedene hierin dargestellte Ausführungsformen können zum Detektieren des Erdschlusses 130 in der Feldwicklung angewendet werden. Hierin dargestellte Ausführungsformen werden für die Synchronmaschine des rotierenden Feldtyps beschrieben. Es dürfte jedoch erkennbar sein, dass die Ausführungsformen gleichermaßen auf alle Arten von Synchronmaschinen zutreffen können.
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Der Erdschluss 130 kann durch das Überwachungssystem 114 detektiert werden. Das Überwachungssystem 114 überwacht den Zustand der Synchronmaschine unter Anwendung einer Frequenzinjektion und Signalüberwachung. Das Überwachungssystem 140 ist mit den Feldwicklungen 114 über die Feldanschlüsse 116A und 116B verbunden. In 2 ist ein Beispielsynchronmaschinen-Überwachungssystem gemäß einer Ausführungsform dargestellt. Das Überwachungssystem 140 enthält einen Signalgenerator 210, ein Überwachungsmodul 220, einen Spektrumanalysator 230 und ein Prognosemodul 240.
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Der Signalgenerator 210 erzeugt ein schmalbandiges sinusförmiges Signal zum Injizieren in die Feldwicklung 114. Der Signalgenerator 210 kann ein schmalbandiges sinusförmiges Chirp-Signal oder ein Frequenz-Wobbelsignal zur Injektion erzeugen. Das sinusförmige Injektionssignal kann in dem Signalgenerator 210 als eine Startfrequenz und eine Endfrequenz definiert sein. Alternativ kann das Injektionssinussignal als eine Mittenfrequenz und eine Bandbreite des schmalbandigen sinusförmigen Signals definiert sein. Es dürfte erkennbar sein, dass sich beide Definitionen auf den Bereich injizierter Frequenzen beziehen, und werden hierin als das ”Frequenzband” bezeichnet.
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Das Frequenzband kann auf der Basis einer Resonanzfrequenz eines einwandfreien Zustands der Feldwicklung 114 der einwandfreien Synchronmaschine 110 festgelegt werden. Typischerweise haben Synchronmaschinen mit denselben Bauspezifikationen dieselbe Resonanzfrequenz der Feldwicklung 114 unmittelbar nach der Herstellung mit minimalen Abweichungen. Die Resonanzfrequenz des einwandfreien Zustands der Feldwicklung der Synchronmaschine 110 jeder Bauspezifikation kann beispielsweise durch eine breitbandige Wobbelfrequenzreaktionsanalyse oder eine Simulation identifiziert und in einem, dem Signalgenerator 210 zugeordneten, Speicher gespeichert werden. Der Signalgenerator 210 kann dann das Modell der Synchronmaschine detektieren und das geeignete Frequenzband aus dem Speicher auswählen. In einer weiteren Implementation kann der Signalgenerator 210 so programmiert sein, dass er in einem Lernmodus arbeitet, der eine breitbandige Wobbelfrequenzreaktionsanalyse nur bei der Erstinstallation durchführt und die Resonanzfrequenz des einwandfreien Zustands der Synchronmaschine 110 identifiziert. Sobald die Resonanzfrequenz des einwandfreien Zustands identifiziert ist, kann der Signalgenerator 210 nur in einem Schutzmodus arbeiten und ein schmalbandiges sinusförmiges Signal innerhalb des Frequenzbandes injizieren.
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Der Signalgenerator 210 kann in dem Schutzmodus kontinuierlich ein schmalbandiges sinusförmiges Signalinjizieren. Alternativ kann der Signalgenerator 210 das schmalbandige sinusförmige Signal intermittierend nach festgelegten Zeitintervallen injizieren.
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Der Signalgenerator 210 kann das schmalbandige sinusförmige Signal an einem oder beiden von den Feldanschlüssen 116A und 116B injizieren. Beispielsweise kann der Signalgenerator 210 in einem Schlussdetektionsmodus zum Detektieren des vorliegenden Erdschlusses 130 oder eines bevorstehenden Erdschlusses das schmalbandige sinusförmige Signal nur an einem Feldanschluss 116A oder 116B injizieren. In einem Schlusslokalisierungsmodus kann der Signalgenerator 210 das schmalbandige sinusförmige Signal an beiden Feldanschlüssen 116A und 116B injizieren, um die Position des Erdschlusses 130 in der Feldwicklung 114 zu lokalisieren.
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In dem Fehlerdetektionsmodus misst das Überwachungsmodul 220 die Feldspannung an dem gegenüberliegenden Feldanschluss 116A oder 116B in Bezug auf Erde, welche hierin als ”Feld-Erde-Spannung” bezeichnet wird. Beispielsweise misst, wenn der Signalgenerator 202 das schmalbandige sinusförmige Signal an dem Feldanschluss 116A injiziert, das Überwachungsmodul 220 die Feld-Erde-Spannung an dem Feldanschluss 116B und umgekehrt. In dem Schlusslokalisierungsmodus kann der Signalgenerator 210 intermittierend das schmalbandige sinusförmige Signal an beiden Feldanschlüssen 116A und 116B synchron dergestalt injizieren, dass, während das schmalbandige sinusförmige Signal an dem Feldanschluss 116A injiziert wird, das Überwachungsmodul 220 die Feld-Erde-Spannung an dem Feldanschluss 116B misst, und wenn das schmalbandige sinusförmige Signal an dem Feldanschluss 116B injiziert wird, das Überwachungsmodul 220 die Feld-Erde-Spannung an dem Feldanschluss 116A misst.
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Sobald der Erdschluss 130 detektiert worden ist, kann das Zustandsüberwachungssystem 140 auf den Schlusslokalisierungsmodus umschalten. Der Schluss kann in jedem Abschnitt der Feldwicklung lokalisiert werden. Der Signalgenerator 210 injiziert zuerst das schmalbandige sinusförmige Signal an dem Feldanschluss 116A. Das Überwachungsmodul 220 misst die Feld-Erde-Spannung und den Feld-Erde-Strom an dem Feldanschluss 116B. Der Spektrumanalysator 230 identifiziert die Resonanzfrequenz der Feldwicklungen 114. Der Spektrumanalysator 230 berechnet dann einen ersten Wert der Isolationsimpedanz bei der identifizierten Resonanzfrequenz. In einer identischen Weise wird der Prozess für die entgegengesetzte Seite der Feldwicklungen 114 wiederholt. Mit anderen Worten, der Signalgenerator 210 injiziert das schmalbandige sinusförmige Signal am Feldanschluss 116B, und das Überwachungsmodul 220 misst die Feld-Erde-Spannung und den Feld-Erde-Strom an dem Feldanschluss 116A. Der Spektrumanalysator 230 berechnet dann einen zweiten Wert der Isolationsimpedanz bei der identifizierten Resonanzfrequenz. Da nur die Wirkkomponente der Wicklungsimpedanz bei der Resonanz bestehen bleibt, ergibt die Kenntnis des Wertes des Feldwicklungswiderstandes, der Differenz zwischen den Isolationsimpedanzen bei der identifizierten Resonanzfrequenz die Information bezüglich der Stelle des Erdschlusses 130. Die Stelle des Erdschlusses 130 wird in Form eines Prozentsatzes der Feldwicklung von einem Ende der Feldwicklung 114 angegeben, bei welcher der Isolationsfehler aufgetreten ist.
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In einer Beispielimplementation enthält das Überwachungsmodul 220 einen Hochpräzisionswiderstand mit einem bekannten Wert, der zwischen den Feldanschluss 116A oder 116B und Erde geschaltet ist. Das Überwachungsmodul 220 misst den Spannungsabfall über dem Hochpräzisionswiderstand, um die Feld-Erde-Spannung zu überwachen.
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Der Spektrumanalysator 230 identifiziert dann die spektralen Merkmale aus der gemessenen Feld-Erde-Spannung. Der Spektrumanalysator 230 kann die Resonanzfrequenz, die Frequenz, die der Phasendifferenz von Null zwischen dem Feld-Erde-Strom und der Feld-Erde-Spannung entspricht, usw. identifizieren.
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In einer Implementation kann der Spektrumanalysator 230 ein Fourier-Transformationsmodul zum Beispiel ein Fast-Fourier-Transformationsmodul zum Berechnen einer Spannungsspektralsignatur auf der Basis der gemessenen Feld-Erde-Spannung enthalten. Die Spektralsignatur enthält den Frequenzgehalt der gemessenen Feld-Erde-Spannung, aufgetragen über den Spannungsamplituden der verschiedenen Frequenzen. Der Spektrumanalysator 230 kann dann beispielsweise Kurvenanpassungsalgorithmen oder Spitzendetektionsalgorithmen verwenden, um Spitzen der Spannungsamplitude in der Spannungsspektralsignatur zu identifizieren.
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Der Spektrumanalysator 230 kann darin die Resonanzfrequenzen des einwandfreien Zustandes der Feldwicklung 114 gespeichert haben. Wie vorstehend beschrieben, können die Resonanzfrequenzen des einwandfreien Zustands durch mathematische Analyse, Simulationen oder eine breitbandige Wobbelfrequenzanalyse identifiziert werden.
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Abgesehen von der Spannungsspektralsignatur kann der Spektrumanalysator 230 auch eine Phasendarstellung der Phasendifferenz zwischen der Feld-Erde-Spannung und dem Feld-Erde-Strom berechnen. Der Spektrumanalysator 230 kann dann eine Frequenz identifizieren, die der Phasendifferenz von Null zwischen der Feld-Erde-Spannung und dem Feld-Erde-Strom entspricht. Typischerweise ist bei einer Synchronmaschine 110 mit einer einwandfreien Feldwicklung 114 die der Phasendifferenz von Null entsprechende Frequenz dieselbe wie die Resonanzfrequenz der Feldwicklung 114. Jedoch weicht bei einer Verschlechterung der Feldwicklungsisolation und einem bevorstehenden Erdschlusszustand die Resonanzfrequenz von der der Phasendifferenz von Null entsprechenden Frequenz ab. Eine derartige Abweichung kann auch bei der Ermittlung des Wicklungszustandsindikators verwendet werden.
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Das Prognosemodul 240 vergleicht dann die identifizierte Resonanzfrequenz mit der Resonanzfrequenz des einwandfreien Zustands der Feldwicklung 114. Das Prognosemodul 240 kann darin die Resonanzfrequenz des einwandfreien Zustands der Feldwicklung 114 der Synchronmaschine 110 gespeichert haben. Wie vorstehend diskutiert, kann die Resonanzfrequenz des einwandfreien Zustands aus mathematischer Analyse oder Simulationen oder grundlegenden Experimenten identifiziert werden. Alternativ kann die Resonanzfrequenz des einwandfreien Zustands durch das Überwachungssystem 140 identifiziert werden, während die Synchronmaschine 110 noch neu ist. Das Prognosemodul 240 erzeugt dann einen Wicklungszustandsindikator auf der Basis der Differenz in der identifizierten Resonanzfrequenz und der Resonanzfrequenz des einwandfreien Zustands der Feldwicklung 114.
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In einer Implementation kann das Prognosemodul 240 die Resonanzfrequenz mit der der Phasendifferenz von Null entsprechenden Frequenz zwischen der injizierten Feld-Erde-Spannung und dem Feld-Erde-Strom vergleichen. Eine derartige Abweichung kann aufgrund einer Änderung im Isolationswiderstand und in der Kapazität erkannt werden. Beispielsweise kann der Isolationswiderstand sehr hoch sein und somit ist die Auswirkung des Isolationswiderstandes auf die Resonanzfrequenz minimal. Tatsächlich wird die Resonanzfrequenz durch die Wicklungsinduktivität und Isolationskapazität bestimmt. Die der Phasendifferenz von Null entsprechende Frequenz ist sehr nahe an der Resonanzfrequenz. Wenn sich die Isolation verschlechtert, nimmt der Isolationswiderstand ab und die der Phasendifferenz von Null entsprechende Frequenz weicht von der Resonanzfrequenz ab. Somit kann die Differenz zwischen den zwei Frequenzen als ein Indikator für den Wicklungsisolationszustand genutzt werden. Wenn die Differenz zwischen den zwei Frequenzen einen vorbestimmten Schwellenwert überschreitet, kann das Prognosemodul 240 einen Alarm ausgeben.
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Änderungen in der Resonanzfrequenz der Feldwicklung 114 repräsentieren typischerweise einen Schaden in der Feldwicklungsisolation, wie zum Beispiel eine Isolationsverschlechterung oder einen vollständigen Isolationsausfall. Der Wicklungszustandsindikator kann einfach ein hörbarer Alarmton oder eine Alarmlampe sein. Alternativ kann der Wicklungszustandsindikator die Änderung in der Resonanzfrequenz der Feldwicklung 114 sein. Es dürfte sich verstehen, dass der durch das Prognosemodul 240 erzeugte Wicklungszustandsindikator an einer von der Synchronmaschine 110 entfernten Stelle beobachtet werden kann. Das Prognosemodul 240 des Überwachungssystems 140 kann mit einer (nicht dargestellten) Ausgabevorrichtung beispielsweise mittels einer drahtlosen Verbindung verbunden sein, um die von dem Prognosemodul 240 erzeugten Wicklungszustandsindikatordaten zu übertragen. Ferner kann der Wicklungszustandsindikator in unterschiedliche Pegel auf der Basis des Abweichungswertes der identifizierten Resonanzfrequenz und der Resonanzfrequenz des einwandfreien Zustandes kategorisiert werden. Beispielsweise kann im Falle sehr hoher Abweichungswerte der Wicklungszustandsindikator mit einem roten Licht und einem hörbaren Alarm dargestellt werden. Dies kann eine Anzeige dafür sein, dass die Feldwicklung 114 einen erheblichen Isolationsschaden erlitten hat, welcher eine unmittelbare Untersuchung der Feldwicklung 114 erfordern kann.
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In einer Beispielimplementation sind die verschiedenen Funktionen des Spektrumanalysators 230 und des Prognosemoduls 240 als Softwareinstruktionen implementiert, die auf einem Prozessor ausgeführt werden können. In einer derartigen Implementation können die Softwareinstruktionen auf einem nicht-flüchtigen computerlesbaren Medium wie zum Beispiel, jedoch nicht darauf beschränkt, Festplattenlaufwerken, Festkörperspeichervorrichtungen, einem mit dem Prozessor verbundenen Arbeitsspeicher (RAM) usw. gespeichert sein. Der Prozessor kann beispielsweise ein Allzweckmikroprozessor, ein Mikrocontroller, eine programmierbare Logikvorrichtung usw. sein. Ein Beispielcomputersystem, das eine derartige Implementation eines Prozessors enthält, kann auch periphere Eingabevorrichtungen, wie zum Beispiel eine Tastatur und eine Anzeigevorrichtung, periphere Ausgabevorrichtungen, wie zum Beispiel eine visuelle Anzeigeeinheit und eine oder mehrere Anzeigenetzwerkschnittstellen, wie zum Beispiel einen Bluetooth®-Adapter, eine IEEE 802.11 Schnittstelle, einen IEEE 802.3 Ethernet-Adapter usw. enthalten. Alternativ kann der Prozessor als ein spezieller Prozessor implementiert sein, der die hardwaremäßig in den speziellen Computer codierten verschiedenen Module enthält. Komponenten des Computersystems können durch einen oder mehrere Systembusse verbunden sein.
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Es dürfte sich verstehen, dass das hierin beschriebene Computersystem nur veranschaulichend und nicht einschränkend ist. Andere Implementationen des Computersystems liegen innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Offenlegung.
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3 ist ein Flussdiagramm 300 eines exemplarischen Verfahrens zum Überwachen einer Synchronmaschine gemäß einer Ausführungsform. Bei dem Schritt 310 injiziert der Signalgenerator 210 ein schmalbandiges sinusförmiges Signal an einem Feldanschluss 116A oder 116B einer Feldwicklung 114. Das schmalbandige sinusförmige Signal kann ein sinusförmiges Wobbelfrequenzsignal oder sinusförmiges Chirp-Signal sein. In einer Implementation hat das schmalbandige sinusförmige Wobbelfrequenzsignal ein Frequenzband, dass die Resonanzfrequenz des einwandfreien Zustands der Feldwicklung 114 enthält, und wenigstens eine Oberwelle der Resonanzfrequenz des einwandfreien Zustands.
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Bei dem Schritt 320 überwacht das Überwachungsmodul 220 die Spannung an den gegenüberliegenden Feldanschlüssen 116A oder 116B in Bezug auf Erde. Beispielsweise überwacht, wenn der Signalgenerator 210 das schmalbandige sinusförmige Signal am Feldanschluss 116A injiziert, das Überwachungsmodul 220 die Feld-Erde-Spannung am Feldanschluss 116B und umgekehrt.
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Bei dem Schritt 330 identifiziert der Spektrumanalysator 230 die Resonanzfrequenz der Feldwicklung 114 auf der Basis der überwachten Feld-Erde-Spannung. Der Spektrumanalysator 230 kann eine Fourier-Transformierte der überwachten Feld-Erde-Spannung zum Erzeugen einer Spannungsspektralsignatur berechnen und einen Spitzenanpassungsalgorithmus verwenden, um die Resonanzfrequenz als die Spitze der Spannungsspektralsignatur zu identifizieren.
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Bei dem Schritt 340 kann das Prognosemodul 240 dann einen Unterschied zwischen der identifizierten Resonanzfrequenz und der Frequenz des einwandfreien Zustands berechnen. Das Prognosemodul 240 kann dann einen Wicklungszustandsindikator auf der Basis der berechneten Differenz erzeugen.
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Es wird ein Verfahren zum Überwachen einer Synchronmaschine beschrieben. Das Verfahren beinhaltet die Injektion eines schmalbandigen sinusförmigen Signals an einem ersten Ende einer Feldwicklung der Synchronmaschine. Das Verfahren beinhaltet ferner die Überwachung einer Spannung an einem zweiten Ende der Feldwicklung in Bezug auf Erde. Das Verfahren identifiziert dann eine Resonanzfrequenz auf der Basis der überwachten Spannung und erzeugt einen Wicklungszustandsindikator auf der Basis der identifizierten Resonanzfrequenz und einer erwarteten Resonanzfrequenz.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- IEEE 802.11 [0033]
- IEEE 802.3 [0033]
