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HINTERGRUND
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Der hierin offenbarte Gegenstand betrifft die Überwachung der Isolierung der Wicklungen innerhalb elektrischer Maschinen.
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Bestimmte elektrische Maschinen, wie z.B. Generatoren oder Motoren, verwenden Wicklungen aus Metall, um eine mechanische Drehbewegung in elektrische Energie und umgekehrt umzuwandeln. Jede Wicklung ist durch eine oder mehrere Isolierschichten isoliert, um elektrische Kurzschlüsse zu verhindern, den Leckstrom zu minimieren und die Haltbarkeit zu verlängern. Wenn die elektrische Maschine eingesetzt wird, kann die Wicklungsisolierung auf natürliche Weise beeinträchtigt werden und kann zu irgendeinem Zeitpunkt ersetzt oder repariert (gewartet) werden. Das Warten der Wicklungen kann eine unerwünschte Zeitdauer in Anspruch nehmen und die Betriebskosten erhöhen. Es ist somit am besten, die Wicklungsisolierung lediglich dann zu warten, wenn die Isolierung einen bestimmten Beeinträchtigungspunkt erreicht hat. Die Überwachung des Materialzustands der Isolierung einzelner Wicklungen zur Bestimmung, wann die Isolierung gewartet werden soll, kann jedoch schwierig sein. Jede Wicklung kann eigenen Betriebsbedingungen ausgesetzt sein, die die Rate, mit der die Isolierung beeinträchtigt wird, beeinflussen können. Eine Berücksichtigung der Betriebsbedingungen (z.B. Temperatur, Umgebungsbedingungen, Isolationsmaterial) kann schwierig sein.
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KURZDARSTELLUNG
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Bestimmte im Schutzumfang der ursprünglich beanspruchten Erfindung entsprechende Ausführungsformen sind nachstehend zusammengefasst. Diese Ausführungsformen sollen nicht den Schutzumfang der beanspruchten Erfindung einschränken, sondern stattdessen sollen diese Ausführungsformen nur eine kurze Zusammenfassung möglicher Formen der Erfindung liefern. Tatsächlich kann die Erfindung vielfältige Formen umfassen, die den nachstehend erläuterten Ausführungsformen ähnlich sein oder sich von diesen unterscheiden können.
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In einer ersten Ausführungsform weist ein System ein Überwachungs- und/oder Schutzsystem auf, das einen Isolationsableitungsschaltkreis aufweist. Der Isolationsableitungsschaltkreis ist eingerichtet, um eine erste Temperaturkompensationskurve auf der Basis einer ersten Temperatur und eines ersten Stroms abzuleiten, und das Überwachungs- und/oder Schutzsystem ist eingerichtet, um mit einem ersten Stromsensor kommunikationsmäßig verbunden zu sein, der eingerichtet ist, um den ersten Strom zu erfassen, der durch eine erste Phase einer Statorwicklung eines Motors, eines Generators oder einer Kombination von diesen fließt. Der Isolationsableitungsschaltkreis ist ferner eingerichtet, um mit einem ersten Temperatursensor kommunikationsmäßig verbunden zu sein, der eingerichtet ist, um die erste Temperatur des Stators zu erfassen, wenn der Stator erregt ist, und die Temperaturkompensationskurve ist eingerichtet, um eine Temperatur auf einen Leckstromverlustfaktor abzubilden.
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In dem zuvor erwähnten System kann der Isolationsableitungsschaltkreis einen Speicher aufweisen, der die erste Temperaturkompensationskurve speichert, wobei der Isolationsableitungsschaltkreis eingerichtet sein kann, um die erste Temperaturkompensationskurve zu verwenden, um eine Beeinträchtigung einer Isolierung der ersten Phase der Statorwicklung abzuleiten.
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Zusätzlich oder alternativ kann der Isolationsableitungsschaltkreis eingerichtet sein, um eine zweite Temperaturkompensationskurve abzuleiten, die auf der ersten erfassten Temperatur und dem ersten erfassten Strom basiert, wobei die zweite Temperaturkompensationskurve eine Zeitdauer nach der Ableitung der ersten Temperaturkompensationskurve abgeleitet wird.
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Der Isolationsableitungsschaltkreis jedes beliebigen vorstehend erwähnten Systems kann eine in einem Rack montierbare Steckkarte aufweisen.
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In dem System jedes beliebigen vorstehend erwähnten Typs kann der Isolationsableitungsschaltkreis eingerichtet sein, um eine Eingabe zu empfangen, die für eine Isolierung der ersten Phase einer Statorwicklung kennzeichnend ist, um die erste Temperaturkompensationskurve vorauszuberechnen.
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Alternativ oder zusätzlich kann der Isolationsableitungsschaltkreis eingerichtet sein, um die Temperaturkompensationskurve dynamisch zu erzeugen.
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In dem System jedes beliebigen vorstehend erwähnten Typs kann der Stator eine zweite Phase, die eine zweite Wicklung aufweist, und eine dritte Phase aufweisen, die eine dritte Wicklung aufweist, wobei das Überwachungs- und Schutzsystem eingerichtet sein kann, um mit einem zweiten Stromsensor kommunikationsmäßig verbunden zu sein.
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Der erste und/oder der zweite Stromsensor jedes beliebigen vorstehend erwähnten Systems kann einen hochempfindlichen Stromwandler (HSCT), einen Hochspannungssensor (HVS) oder eine Kombination von diesen aufweisen.
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In dem System jedes beliebigen vorstehend erwähnten Typs kann der Isolationsableitungsschaltkreis einen Speicher aufweisen, der einen linearen Analyseprozess, einen nicht linearen Analyseprozess, ein neuronales Netzwerk, einen genetischen Algorithmus, ein Expertensystem oder eine Kombination von diesen speichert, die eingerichtet sind, um die erste Temperaturkompensationskurve abzuleiten.
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In einer zweiten Ausführungsform enthält eine Vorrichtung ein nicht vorübergehendes computerlesbares Speichermedium, das Anweisungen aufweist, die eingerichtet sind, um eine Messung eines ursprünglichen Stroms auf der Basis eines Signals abzuleiten, das eine erste Phase einer Statorwicklung eines Motors, eines Generators oder einer Kombination von diesen durchläuft. Die Anweisungen sind ferner eingerichtet, um eine Messung einer ursprünglichen Temperatur auf der Basis eines Temperatursignals von einem Temperatursensor abzuleiten, der in dem Stator angeordnet und eingerichtet ist, um eine Temperatur zu erfassen, wenn der Stator erregt ist, und sind eingerichtet sind, um einen ursprünglichen Zustand der Isolierung auf der Basis der ursprünglichen Strommessung und der ursprünglichen Temperaturmessung abzuleiten.
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Die Anweisungen des zuvor erwähnten nicht vorübergehenden computerlesbaren Mediums können ferner eingerichtet sein, um: eine Messung eines aktuellen Stroms auf der Basis eines aktuellen Signals von dem Stromsensor abzuleiten, der einen Strom erfasst, der die erste Phase der Statorwicklung eines Motors, des Generators oder der Kombination von diesen durchfließt; eine Messung einer aktuellen Temperatur auf der Basis eines aktuellen Temperatursignals von dem Temperatursensor abzuleiten; und einen aktuellen Zustand der Isolierung auf der Basis der aktuellen Strommessung und der aktuellen Temperaturmessung abzuleiten; und den aktuellen Zustand der Isolierung mit dem ursprünglichen Zustand der Isolierung zu vergleichen, um einen Beeinträchtigungsfaktor zu bestimmen.
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Zusätzlich kann das Vergleichen des aktuellen Zustands der Isolierung mit dem ursprünglichen Zustand der Isolierung ein Verwenden einer Temperaturkompensationskurve aufweisen.
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In dem nicht vorübergehenden computerlesbaren Medium jedes beliebigen vorstehend erwähnten Typs können die Anweisungen eingerichtet sein, um den ursprünglichen Zustand der Isolierung unter Verwendung eines neuronalen Netzwerks, eines genetischen Algorithmus, eines Expertensystems oder einer Kombination von diesen abzuleiten.
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Alternativ oder zusätzlich können die Anweisungen eingerichtet sein, um den ursprünglichen Zustand der Isolierung unter Verwendung einer Anpassungskurve einer Polynomfunktion abzuleiten, wobei die Funktion an eine Kurve eines Graphen mit einem Verlustfaktor als Ordinate und einer Temperatur als Abszisse angepasst werden kann.
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Die Anweisungen jedes beliebigen vorstehend erwähnten nicht vorübergehenden computerlesbaren Mediums können auf einer in einem Rack montierbaren Steckkarte enthalten sein.
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Alternativ oder zusätzlich können die Anweisungen eingerichtet sein, um den ursprünglichen Zustand der Isolierung zu einem externen Speicherort zu übertragen.
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In einer dritten Ausführungsform weist ein Verfahren ein Ableiten eines ursprünglichen Strommesswerts auf der Basis eines Signals auf, das eine erste Phase einer Statorwicklung eines Motors, eines Generators oder eine Kombination von diesen durchläuft. Das Verfahren weist ferner ein Ableiten eines ursprünglichen Temperaturmesswerts auf der Basis eines Temperatursignals von einem Temperatursensor auf, der in dem Stator angeordnet und eingerichtet ist, um eine Temperatur zu erfassen, wenn der Stator erregt wird, und enthält ein Ableiten eines ursprünglichen Zustands der Isolierung auf der Basis des ursprünglichen Strommesswerts und des ursprünglichen Temperaturmesswerts.
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Das zuvor erwähnte Verfahren kann ferner aufweisen: Ableiten eines aktuellen Strommesswerts auf der Basis eines aktuellen Signals von dem Stromsensor, der einen Strom erfasst, der die erste Phase der Statorwicklung des Motors, des Generators oder der Kombination von diesen durchfließt; Ableiten eines aktuellen Temperaturmesswerts auf der Basis eines aktuellen Temperatursignals von dem Temperatursensor; und Ableiten eines aktuellen Zustands der Isolierung auf der Basis des aktuellen Strommesswerts und des aktuellen Temperaturmesswerts; und Vergleichen des aktuellen Zustands der Isolierung mit dem ursprünglichen Zustand der Isolierung, um einen Beeinträchtigungsfaktor zu bestimmen.
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In dem Verfahren jedes beliebigen vorstehend erwähnten Typs, kann das Ableiten eines ursprünglichen Strommesswerts, das Ableiten eines ursprünglichen Temperaturmesswerts oder einer Kombination von diesen ein Ableiten für einen Lernzeitraum aufweisen, wobei der Lernzeitraum beim Start des Motors, des Generators oder der Kombination von diesen innerhalb des Stators beginnt und nach einer benutzerdefinierten Zeitdauer endet.
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In dem Verfahren jedes beliebigen vorstehend erwähnten Typs, kann das Ableiten eines ursprünglichen Strommesswerts ein Vergleichen einer Phase des Stromsensors mit einer Phase eines Leitungsspannungssensors aufweisen.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Diese und andere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung unter Bezugnahme auf beiliegende Zeichnungen verständlicher, in welchen gleiche Bezugszeichen gleiche Teile in allen Zeichnungen kennzeichnen, worin:
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer Rotationsmaschine, die Sensoren zur Überwachung eines Leckstroms innerhalb von Wicklungen aufweist.
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2 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer Rotationsmaschine, die Sensoren aufweist, die mit einer zentralen Überwachungsstation verbunden sind.
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3 zeigt eine graphische Ausführungsform einer Kompensationskurve, die zur Bestimmung des Maßes einer Beeinträchtigung der Isolierung verwendet werden kann.
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4 zeigt ein Flussdiagramm einer Ausführungsform zur Implementierung von Aspekten der momentanen Offenbarung gemäß bestimmten Ausführungsformen.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Im Folgenden werden ein oder mehrere spezielle Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben. In dem Bemühen, eine konzise Beschreibung dieser Ausführungsformen vorzulegen, sind möglicherweise nicht sämtliche Merkmale einer tatsächlichen Implementierung in der Beschreibung aufgeführt. Es sollte erkannt werden, dass bei der Entwicklung einer jeden solchen Implementierung, wie in jedem technischen oder konstruktiven Projekt, zahlreiche implementierungsspezifische Entscheidungen zu treffen sind, um spezielle Ziele der Entwickler zu erreichen, z. B. Konformität mit systembezogenen und unternehmensbezogenen Beschränkungen, die von einer Implementierung zur anderen unterschiedlich sein können. Darüber hinaus sollte es verständlich sein, dass ein solcher Entwicklungsaufwand komplex und zeitraubend sein könnte, jedoch nichtsdestoweniger für den Fachmann, der über den Vorteil dieser Beschreibung verfügt, eine Routinemaßnahme der Entwicklung, Fertigung und Herstellung darstellen würde.
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Wenn Elemente verschiedener Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung eingeführt werden, sollen die Artikel „ein“, „eine“, „der“, „die“ und „das“ bedeuten, das ein oder mehrere der Elemente vorhanden sind. Die Begriffe ”umfassen”, ”enthalten” und ”aufweisen” sind als einschließend zu verstehen und bedeuten, dass möglicherweise zusätzliche Elemente vorhanden sind, die sich von den aufgelisteten Elementen unterscheiden.
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Die vorliegende Offenbarung betrifft Techniken, die bei der Ableitung von Zuständen bestimmter Ausrüstungen, wie z.B. von Statorwicklungen, nützlich sind, indem bestimmte Betriebsbedingungen, wie z.B. der Leckstrom der Isolierung, über bestimmte feste oder veränderliche Zeitspannen überwacht und/oder analysiert werden. Die Wicklungen umfassen eine Isolierung zwischen jeder der Schichten auf, die sich im Laufe der natürlichen Lebensdauer der Maschine verschlechtern kann. Es ist sinnvoll zu wissen, wann sich die Isolierung genug verändert hat, um einen Ersatz der Wicklung in der Maschine zu erfordern und/oder um genauere Informationen über die Maschinenleistung zu liefern. Die hierin beschriebenen Techniken weisen Sensoren, die mit einem Maschinenüberwachungs- und/oder -schutzsystem kommunizieren, und Prozesse auf, die von dem Maschinenüberwachungs- und/oder -schutzsystem ausführbar sind und nützlich sind, um auf der Basis von Sensordaten eine Abnutzung und einen Verschleiß einer Ausrüstung, wie z.B. eine Beeinträchtigung der Isolierung, abzuleiten. Das Überwachungs- und/oder Schutzsystem kann mit vorgegebenen Beeinträchtigungsskalen programmiert werden, die von dem Material der Wicklungsisolierung abhängen. D.h. jedes Isolationsmaterial wird eine getestete Stärke des Leckstroms aufweisen, der abhängig davon, wie weit die Isolierung sich verschlechtert hat, abfließt. Zusätzlich kann das Überwachungsund/oder Schutzsystem für Wicklungen, die mit einem unbekannten Material isoliert sind, die Eigenschaften der Wicklung bezüglich des temperaturabhängigen Leckstroms erlernen. Das Überwachungs- und/oder Schutzsystem kann die Eigenschaften z.B. durch Messung bestimmter Leitungsspannungen, Leckströme und/oder Temperaturen erlernen. Datenmessungen können gespeichert und/oder dynamisch verarbeitet werden, um ein Kompensationsmodel zu berechnen. Das Model kann einige Male während der Lebensdauer der Maschine aktualisiert werden. Das ursprüngliche Kompensationsmodel kann eine Basismessung etablieren, die für die Ableitung eines erwünschten Normierungstemperaturbereichs nützlich ist. Zusätzliche Modelle können die Messung über einen ausgedehnten Temperaturbereich aktualisieren. Das Überwachungs- und/oder Schutzsystem kann dann eine Temperaturkompensation für Online-Messungen nach dem Lernzeitraum implementieren, die detailliertere Zustände des Verschleißes und der Abnutzung der Ausrüstung liefern können.
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1 zeigt ein schematisches Diagramm einer Ausführungsform einer Rotationsmaschine 10, die Sensoren 12 zur Überwachung eines Leckstroms 14 aufweist, beispielsweise um den Zustand einer Isolierung innerhalb der Wicklungen 16 eines Stators 18 zu bestimmen. Die Wicklungen 16 sind in Phasen 17 organisiert, die innerhalb des Gehäuses 20 der Maschine 10 angeordnet sind. Wie veranschaulicht, kann der Stator 18 drei Phasen 17 aufweisen, aber in anderen Ausführungsformen kann der Stator 18 mehr oder weniger Phasen 17 aufweisen. Die Phasen 17 können in einer Dreieckskonfiguration, einer Sternkonfiguration oder irgendeiner anderen Konfiguration angeordnet sein. Die Rotationsmaschine 10 wird in den meisten Fällen entweder ein Motor oder ein Generator sein. In dem Fall, dass die Maschine 10 ein Motor ist, wird der Strom von einer externen Quelle zu der Maschine/dem Motor 10 über die Verbindungen (z.B. den Verbindungen Va, Vb, Vc) übertragen, wo er durch die Wicklungen 16 hindurchströmt. Die Wicklungen 16 erzeugen ein Magnetfeld, das verwendet wird, um einen Rotor zu drehen, der nützlich ist, um eine Rotationskraft zu liefern. In dem Fall, dass die Maschine 10 ein Generator ist, wird ein mechanisches Drehmoment auf einen Magneten übertragen, der innerhalb der Wicklungen 16 rotiert, wodurch er eine Spannung an den Verbindungen (z.B. den Verbindungen Va, Vb, Vc) erzeugt. Im Betrieb der Maschine 10 können mangelhafte Zustände der Wicklungen 16 (unter anderem) ermöglichen, dass ein Leckstrom 14 von der Schaltung der Wicklungen 16 weg geleitet wird. Der Leckstrom 14 kann beispielsweise zur Erde, z.B. zu dem Gehäuse 20, das geerdet ist, abfließen. Die Spulen jeder der Wicklungen 16 sind mit einer Isolierung überzogen, um elektrisch leitende Leiter zu trennen und den Leckstrom 14 zu minimieren.
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Der Leckstrom 14 in der veranschaulichten Ausführungsform kann durch die Sensoren 12 erfasst werden. Die Sensoren 12 können beispielsweise vielfältige Sensortypen aufweisen, die nachstehend detaillierter beschrieben sind und die eingerichtet sind, um den ankommenden Strom 22 von der Verbindung (z.B. der Verbindung Va, Vb, Vc) und den abgehenden Strom 24, nachdem der Strom durch die Wicklungen 16 hindurchgeflossen ist, zu überwachen. Die Sensoren 12 können irgendwo entlang des Schaltkreises, einschließlich einiger weniger Zentimeter von dem Gehäuse 20 weg bis zu mehreren Hundert Metern von dem Gehäuse 20 weg platziert werden. Es kann sinnvoll sein, die Sensoren 12 in der Nähe des Gehäuses 20 (oder innerhalb des Gehäuses 20) zu platzieren, um speziell die Größe des Leckstroms 14 zu messen, der aus den Wicklungen 16 entweicht.
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Der Leckstrom 14 hängt von einer Anzahl von Faktoren ab, die in Beziehung zueinander verwendet werden können, um den Zustand der Isolierung zu bestimmen. Die Faktoren weisen beispielsweise das Isolationsmaterial, Alter und Betriebsbedingungen (z.B. Temperatur, Feuchtigkeit, Spannung, Strom, Rotationsgeschwindigkeit der Maschine 10) auf. In den offenbarten Ausführungsformen wird der Leckstrom 14 bezüglich der Faktoren analysiert, einschließlich der Temperatur, die im Verlauf bestimmter Betriebszeiträume der Maschine 10 aufgezeichnet wird, um den Zustand der Wicklungsisolierung zu bestimmen. Wie vorstehend beschrieben, ist die Wicklungsisolierung primär dafür verantwortlich, dass der Leckstrom 14 daran gehindert wird, von den Wicklungen 16 abzufließen, aber das Material der Wicklungen 16, des Gehäuses 20, des Rotors oder anderer Komponenten der Maschine 10 selbst kann auch die Größe des Leckstroms 14 beeinflussen. Diese Faktoren können eine erste Stärke des Leckstroms 14, wenn die Maschine 10 brandneu ist, und eine andere (z.B. höhere) Stärke des Leckstroms 14 zu anderer Zeit zulassen. D.h., im Laufe der Lebensdauer der Maschine 10 kann sich die Stärke des Leckstroms 14 ändern, der von den Wicklungen 16 abfließt. Zusätzlich zu den inhärenten Aspekten der Maschine 10 kann der Leckstrom 14 von externen Faktoren, wie z.B. der Temperatur, den atmosphärischen Bedingungen, dem durch die Wicklungen fließenden Strom usw. beeinflusst werden. Die Temperatur der Wicklungen 16 kann insbesondere einen weiten Bereich des Leckstroms 14 zur Folge haben. Eine beispielhafte Beziehung zwischen Temperatur und Leckstrom ist in 3 veranschaulicht. Somit hängt eine genauere Erfassung des Zustands einer Isolierung von einer genaueren Erfassung der Temperatur des Stators 18 ab. Die Steuerung der Temperatur der gesamten Maschine 10 kann jedoch undurchführbar sein.
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2 zeigt ein schematisches Diagramm einer Ausführungsform der Rotationsmaschine 10, die Sensoren 12 aufweist, die mit einer zentralen Überwachungsstation verbunden sind. Die Maschine 10 weist ähnliche Komponenten zu jenen in 1 auf, entsprechend werden ähnliche Komponenten mit ähnlichen Bezugszeichen gekennzeichnet. Zusätzlich weist die Maschine 10 in 2 einen oder mehrere Temperatursensoren 26 auf, die die Temperatur der Wicklungen 16 erfassen. Jede Wicklung 16 des Stators 18 kann einen oder mehrere der Temperatursensoren 26 aufweisen, die an vielfältigen Stellen in dem Gehäuse 20 angeordnet sind, oder der Temperatursensor 26 kann lediglich in einer einzelnen Wicklung 16 angeordnet sein. Die Temperatursensoren 26 sind kommunikationsmäßig mit einem Temperaturerfassungsmodul 28 verbunden, das die Temperaturmesswerte von einem oder mehreren der Temperatursensoren 26 sammelt und die Temperaturmesswerte an ein Überwachungs- und Schutzsystem 30 weiterleitet. Das Überwachungs- und/oder Schutzsystem 30 kann eine Reihe von in einem Rack montierbaren Vorrichtungen 32 aufweisen, die in einem Schaltschrank 34 montiert sind. Die in einem Rack montierbaren Vorrichtungen 32 können beispielsweise aufweisen: in einem Rack montierbare Steckkarten, die für eine Datenverarbeitung sorgen, Speicher, Stromversorgungen, Vibrations- und Positionsüberwachung, Phasenlagenüberwachung, Zustandsüberwachung von von Flugtriebwerken abgeleiteten Turbinensystemen, Zustandsüberwachung von Wasserturbinen, Zustandsüberwachung von Windkraftanlagen, Kolbenkompressorüberwachung, Temperaturüberwachung, Drucküberwachung, Prozessgrößenüberwachung, Spielraumüberwachung (z.B. Abstand zwischen rotierenden und stationären Komponenten), Strömungsüberwachung, Betätigungsrelais, Pumpen, Ventile und dergleichen. Die Vorrichtungen 32 können unter Verwendung einer Rackrückwand 36 miteinander kommunikationsmäßig verbunden sein. Die Rückwand 36 kann beispielsweise einen Datenkommunikationsbus 40 aufweisen, der für Abwicklung der Kommunikationen zwischen den verschiedenen Karten 32 geeignet ist.
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Ebenfalls gezeigt ist ein Isolationsableitungsschaltkreis 42, der als eine in einem Rack montierbare Karte 44 geschaffen ist, die im laufenden Betrieb wechselbar sein kann. D.h., der Isolationsableitungsschaltkreis 42 kann durch einen zweiten Isolationsableitungsschaltkreis 42 ersetzt werden, ohne das Überwachungs- und/oder Schutzsystem 30 abzuschalten. Sollten in dem Isolationsableitungsschaltkreis 42 unerwünschte Zustände auftreten, kann der Isolationsableitungsschaltkreis 42 in der Tat entfernt und durch einen zweiten Isolationsableitungsschaltkreis 42 ersetzt werden, ohne dass das Überwachungs- und/oder Schutzsystem 30 und/oder die Rotationsmaschine 10 abgeschaltet werden muss bzw. müssen. Während Überwachungs- und/oder Schutzvorgängen können von der Rotationsmaschine 10 ankommende Daten von einer oder mehreren der Karten 32 und durch den Isolationsableitungsschaltkreis 42 verarbeitet werden, um einen Satz von Messwerten, Zuständen, Parametern, Alarmen usw. abzuleiten, die nützlich sind, um für den Zustand der überwachten Rotationsmaschine 10 zu sorgen. Der Isolationsableitungsschaltkreis 42 kann solche Ableitungen auch an externe Systeme übermitteln.
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Das Überwachungs- und/oder Schutzsystem 30 empfängt auch Daten von einem oder mehreren Hochspannungssensoren (HVS) 46 und/oder hochempfindlichen Stromwandlern (HSCT) (z.B. den Sensoren 12). Die HVS 46 können fortlaufend die Leitungsspannung jeder Wicklung 16 in dem Stator 18 an oder in der Nähe bestimmter Verbindungen (z.B. Va, Vb, Vc) messen und überwachen. Die HVS 46 und die HSCT übertragen die Messwerte an das Überwachungsund/oder Schutzsystem 30 über Schnittstellenmodule 48. Die Schnittstellenmodule 48 steuern die Signale, die von der Erfassungsausrüstung aufgenommen werden, um sie für das Überwachungs- und/oder Schutzsystem 30 lesbar zu machen. Die HSCT (z.B. die Sensoren 12) können den Differenzstrom oder Leckstrom jeder Phase messen und überwachen, der von den Sensoren 12 und den Schnittstellenmodulen 48 erfasst und übertragen wird. In einer Ausführungsform kann der Isolationsableitungsschaltkreis 42 die Zustände der Isolierungen und den durchschnittlichen Verlustfaktor für jede Wicklung 16 des Stators 18 berechnen, indem er die Phasen der von den HSCT (z.B. den Sensoren 12) empfangenen Signale der Leckströme 14 mit jenen der von den HVS 46 empfangenen Leitungsspannungen vergleicht. Während der Vergleich der von den HSCT (z.B. den Sensoren 12) und den HVS 46 gelieferten Signale zur Ableitung eines augenblicklichen Verlustfaktors genau sein können, kann die Empfindlichkeit der Messungen von der Temperatur der Maschine 10 beeinflusst werden. Der Isolationsableitungsschaltkreis 42 weist somit eine Temperaturanalyse auf, die zur Erzeugung einer Kompensationskurve geeignet ist, die die Temperatur mit dem Verlustfaktor über einen weiten Bereich von Temperaturen korreliert, wie unter Bezugnahme auf 3 detaillierter beschrieben ist.
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3 zeigt eine Graphik 50 einer Ausführungsform einer Temperaturkompensationskurve 60, die zur Bestimmung der Leckagegröße der Isolierung der Wicklungen 16 verwendet werden kann. Der Isolationsableitungsschaltkreis 42, wie er vorstehend beschrieben ist, kann programmiert sein, um eine Beziehung zwischen der Temperatur und der Größe des Leckageverlustes aus den Wicklungen 16 zu berechnen. D.h., der Isolationsableitungsschaltkreis 42 kann den gesamten Graphen 50 oder bestimmte Teile des Graphen 50 auf der Basis der von den Sensoren 12 empfangenen Daten und/oder den physikalischen und statistischen Modellen der Isolierung in den Wicklungen 16 erzeugen. In einer Ausführungsform kann der Graph 50 beispielsweise erzeugt werden, indem der Leckstrom der Isolierung bei verschiedenen Betriebsparametern (z.B. Temperatur, Strom, Spannung, Rotationsgeschwindigkeit) erfasst, eine nachstehend detaillierter beschriebene Analyse angewandt und dann die Kompensationskurve 60 abgeleitet wird. Der Graph 50 ist mit einer Abszisse 52, entlang derer ein Bereich von Temperaturen 54 dargestellt werden kann, und einer Ordinate 56 gezeigt, entlang derer ein Bereich des Leckstromverlustfaktors 58 dargestellt werden kann. Jede der Wicklungen 16 der Rotationsmaschine 10 kann eine verifizierbare Beziehung der Temperatur 54 zu dem Leckstromverlustfaktor 58 aufweisen. Während Umgebungsfaktoren kleine Änderungen in einer Kurve erzeugen können, ist der Isolationsableitungsschaltkreis 42 in der Lage, die ursprüngliche (oder Start-)Zustandskurve 60 der Isolierung auf Basis der von den HVS 46 und den HSCT (z.B. den Sensoren 12) empfangenen Messungen zu bestimmen. Die hierin beschriebenen Techniken können in der Tat den Graphen 50 für vielfältige Motoren und/oder Generatoren durch Beobachtungen, wie z.B. Ablesungen von den HVS 46 und/oder den HSCT (z.B. den Sensoren 12), ableiten.
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Dementsprechend kann ein Benutzer das Überwachungs- und/oder Schutzsystem 30 mit der Maschine 10 kommunikationsmäßig koppeln und mit den Beobachtungen der Maschine 10 beginnen. Nach einem bestimmten initialen Lernzeitraum (z.B. zwischen 1 Monat und 1 Jahr, 1 Woche und 1 Monat, 1 Tag und 1 Woche, 1 Stunde und 1 Tag) können die gesammelten Daten analysiert werden, um den Graphen 50 abzuleiten. Die ursprüngliche Zustandskurve 60 der Isolierung basiert auf den Messungen, die über einen initialen Lernzeitraum empfangen werden. Der Lernzeitraum kann in einem Bereich zwischen einem einzigen Startvorgang bis zu vielen Betriebszyklen liegen, die über etliche Stunden, Tage, Wochen und/oder Monate durchgeführt werden. Zu einem Zeitpunkt endet der Lernzeitraum, und der Isolationsableitungsschaltkreis 42 speichert die Kurve der initialen Zustandskurve 60 der Isolierung, die er über den Lernzeitraum abgeleitet hat. In anderen Ausführungsformen kann der Graph 50 auch auf früheren Experimenten basieren, die unter Verwendung des Materials der Isolierung der Wicklungen 16 durchgeführt wurden. D.h., eine Wicklung 16, die aus einem bestimmten Material hergestellt ist, kann eine bekannte Kompensationskurve 60 aufweisen. Dies kann nützlich sein, wenn die Sensoren 12 als Teil einer Ausbauprozedur installiert werden. D.h., solange das Material der Isolierung bekannt ist, kann eine ursprüngliche Zustandskurve 60 der Isolierung auf Basis dieses Materials bestimmt werden.
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Nachdem die ursprüngliche Zustandskurve 60 der Isolierung bestimmt wurde (entweder durch Ableitung während des Lernzeitraums oder durch Experimente an dem Isolationsmaterial), kann der Isolationsableitungsschaltkreis 42 eine zweite Kompensationskurve 62 ableiten, die die Beeinträchtigung der Ausrüstung (z.B. Abnutzung und Verschleiß) berücksichtigt. Daten können beispielsweise über einen bestimmten Betriebszeitraum der Maschine 10 (z.B. zwischen 1 Monat und 1 Jahr, 1 Woche und 1 Monat, 1 Tag und 1 Woche, 1 Stunde und 1 Woche) gespeichert und zur Ableitung der zweiten Kurve 62 verwendet werden. In der Tat können mehrere (z.B. 3, 4, 5, 6, 7, 8 oder mehrere) verschiedene Modelle der Kompensationskurven 60, 62 in ähnlicher Weise berechnet werden, während die Maschine 10 altert. Zusätzlich kann die zweite Kompensationskurve 62 auch eine normierte Kombination etlicher von von dem Überwachungs- und/oder Schutzsystem 30 gesammelten Modellen sein. Die zweite Kompensationskurve 62 kann beispielsweise eine Kombination eines ersten Models, das während des ersten Betriebsjahrs der Maschine 10 aufgenommen wurde, eines zweiten Models, das während des fünften Betriebsjahr der Maschine 10 aufgenommen wurde, und eines dritten Models, das während des zehnten Jahrs aufgenommen wurde, sein. Dies kann wegen der sich ändernden Betriebstemperaturen im Laufe der Lebensdauer der Maschine 10 gemacht werden. Wie veranschaulicht, kann die Maschine 10 bei einer maximalen Temperatur 64 während des ersten Betriebsjahrs betrieben werden. Die Maschine 10 arbeitet bei der maximalen Temperatur 64 aufgrund der kühlenden Komponenten, wie z.B. Lüfter, Wärmesenken, usw., die einen weiteren Temperaturanstieg verhindern. Dies kann das Überwachungs- und/oder Schutzsystem 30 veranlassen, Kompensationskurven 60, 62 auf Basis der erfassten Daten 66 und extrapolierten Daten 68 zu erzeugen. Im Laufe der Zeit können sich die kühlenden Komponenten ändern, so dass während des ersten Jahrs des Betriebs die maximale Temperatur 64 niedriger als während des fünften Betriebsjahrs ist. In späteren Modellen, wenn die maximale Temperatur 64 höher ist, können somit erfasste Daten 66 die extrapolierten Daten 68 in den Kompensationskurven 60, 62 ersetzen. Indem mehrere Modelle (erfassende Modelle und/oder auf dem Isolationsmaterial basierende experimentelle Modele) kombiniert und normiert werden, kann das Überwachungs- und/oder Schutzsystem 30 eine genauere Beziehung zwischen der Temperatur 54 und dem Leckverlust 58 für eine bestimmte Maschine erzielen. Zusätzlich können die Kurven 60, 62 gegeneinander analysiert werden, um Zustände, wie übermäßige Beeinträchtigung der Maschine 10, Wartungspläne und dergleichen, abzuleiten. Indem die Kurven 60, 62 abgeleitet werden, schaffen die hierin beschriebenen Techniken eine verbesserte Überwachung der Maschine 10 für einen weiten Kreis von Herstellern der Maschine 10 und Typen der Maschine 10.
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4 zeigt ein Flussdiagramm einer Ausführungsform eines Prozesses 70, der zur Implementierung von Aspekten der vorliegenden Offenbarung gemäß bestimmter Ausführungsformen geeignet ist. Um die in 3 gezeigten Kurven 60, 62 abzuleiten, kann der Isolationsableitungsschaltkreis 42 den in 4 gezeigten Prozess 70 verwenden. Der Prozess 70 kann als Computeranweisungen in einem nicht vorübergehenden computerlesbaren Medium (z.B. einem Speicher) des Schaltkreises 42 gespeichert sein und kann von dem Schaltkreis 42, z.B. von einem in dem Schaltkreis 42 enthaltenen Prozessor ausgeführt werden. Der Prozess 70 beginnt im Block 72, wo der Isolationsableitungsschaltkreis 42 eine ursprüngliche Strommessung auf der Basis eines Stromsignals ableitet. Das Stromsignal kann, wie vorstehend beschrieben, eine von den HSCT (z.B. Sensoren 12) in Verbindung mit den HVS 46 erzielte Ablesung sein. Die Strommessung ist zeitabhängig, und der Isolationsableitungsschaltkreis 42 ist somit in der Lage, das Stromsignal über eine vorgegebene Zeitdauer zu speichern, um den Strommesswert abzuleiten. Im Block 74 leitet der Isolationsableitungsschaltkreis 42 eine ursprüngliche Temperaturmessung auf Basis eines Temperatursignals ab. Das Temperatursignal wird, wie vorstehend beschrieben, von dem Temperaturerfassungsmodul 28 empfangen. Die Temperaturmessung ist auch zeitabhängig, und deshalb ist der Isolationsableitungsschaltkreis 42 in der Lage, in dem Block 76 einen ursprünglichen Zustand der Isolierung auf Basis der ursprünglichen Strommessung und der ursprünglichen Temperaturmessung abzuleiten. Der ursprüngliche Zustand der Isolierung kann abgeleitet werden, während das Stromsignal und das Temperatursignal empfangen werden, oder kann abgeleitet werden, nachdem eine vollständige Messung durchgeführt wurde. In einer Ausführungsform kann der ursprüngliche Zustand 60 der Isolierung durch die Anwendung einer polynomischen oder exponentiellen Anpassung (z.B. einer Regressionsanalyse) auf die von den HVS 46, HSCT (z.B. den Sensoren 12) und den Temperaturerfassungsmodulen 28 empfangenen Datenpunkte abgeleitet werden. D.h., der Schaltkreis 42 kann Datenpunkte sammeln und eine lineare (oder nicht lineare) Regressionsanpassung auf die Punkte anwenden, um die Kurven 60, 62 abzuleiten. Der Isolationsableitungsschaltkreis 42 kann auch ein neuronales Netzwerk, einen genetischen Algorithmus, ein Expertensystem und/oder Data-Mining-Techniken (z.B. Clustering-Techniken, wie z.B. ein k-Means-Clustering) aufweisen, wobei der Isolationsableitungsschaltkreis 42 im Laufe der Zeit die Beziehung zwischen der Temperatur und dem Verlustfaktor für jede beliebige der Wicklungen 16 erlernt.
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In weiteren Ausführungsformen des Verfahrens 70 aus 4 leitet der Isolationsableitungsschaltkreis 42 im Block 78 eine aktuelle Strommessung auf Basis eines Stromsignals ab. Das Stromsignal wird, wie bei dem ursprünglichen Stromsignal, von den HVS 46, HSCT (z.B. den Sensoren 12) geliefert. Der Isolationsableitungsschaltkreis 42 leitet auch im Block 80 eine aktuelle Temperaturmessung auf Basis eines Temperatursignals ab, das von dem Temperaturerfassungsmodul 28 empfangen wird. Der Isolationsableitungsschaltkreis 42 leitet dann im Block 82 einen aktuellen Zustand der Isolierung auf Basis der aktuellen Strommessung und der aktuellen Temperaturmessung ab, die in den Blöcken 78 und 80 abgeleitet wurden. Der Isolationsableitungsschaltkreis 42 vergleicht dann im Block 84 den aktuellen Zustand der Isolierung mit dem ursprünglichen Zustand der Isolierung, um einen Beeinträchtigungsfaktor zu bestimmen. Der Beeinträchtigungsfaktor wird verwendet, um unter anderem den Wartungsplan für die Wicklungen 16 und/oder den Stator zu bestimmen. Ferner kann das Überwachungs- und/oder Schutzsystem 30 genauer den Leckstrom 14 in vielfältigen Rotationsmaschinen 10, einschließlich der Rotationsmaschinen 10, die von verschiedenen Herstellern bereitgestellt sein können, berücksichtigen.
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Technische Effekte der Erfindung umfassen Systeme und Verfahren zur Bestimmung eines Beeinträchtigungsfaktors für eine Wicklung 16 in einer Rotationsmaschine 10. Ein Isolationsableitungsschaltkreis 42 empfängt Messwerte von Temperaturerfassungsmodulen 28, HVS 46 und HSCT (z.B. den Sensoren 12). Die Messwerte werden von den Sensoren 12, 26 gesammelt, die den Betrieb der Rotationsmaschine 10 überwachen. Der Isolationsableitungsschaltkreis 42 ist in der Lage, anhand der Messungen einen Zustand einer Isolierung abzuleiten. Der Zustand der Isolierung kann ein ursprünglicher Zustand der Isolierung oder ein aktueller Zustand der Isolierung sein. In einigen Ausführungsformen wird der aktuelle Zustand der Isolierung mit einem ursprünglichen Zustand der Isolierung verglichen, der ebenfalls durch den Isolationsableitungsschaltkreis 42 abgeleitet wird. In anderen Ausführungsformen kann der ursprüngliche Zustand der Isolierung auf vorausberechneten Kurven basieren. Ein Vergleich des aktuellen Zustands der Isolierung mit dem ursprünglichen Zustand der Isolierung ergibt einen Beeinträchtigungsfaktor.
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Diese schriftliche Beschreibung nutzt Beispiele, um die Erfindung, einschließlich der besten Ausführungsart, zu offenbaren und um auch jedem Fachmann zu ermöglichen, die Erfindung in die Praxis umzusetzen, einschließlich der Herstellung und Nutzung aller Vorrichtungen und Systeme und der Durchführung aller einbezogenen Verfahren. Der patentfähige Schutzumfang der Erfindung ist durch die Ansprüche definiert und kann weitere Beispiele umfassen, die für den Fachmann ersichtlich sind. Derartige weitere Beispiele sollen in dem Schutzumfang der Erfindung enthalten sein, sofern sie strukturelle Elemente besitzen, die sich nicht von dem Wortsinn der Ansprüche unterscheiden, oder wenn sie äquivalente strukturelle Elemente mit unwesentlichen Änderungen gegenüber dem Wortsinn der Ansprüche enthalten.
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Ein System weist ein Überwachungs- und/ oder Schutzsystem auf, das einen Isolationsableitungsschaltkreis aufweist. Der Isolationsableitungsschaltkreis ist eingerichtet, um eine erste Temperaturkompensationskurve auf der Basis einer ersten Temperatur und eines ersten Stroms abzuleiten, und das Überwachungs- und/oder Schutzsystem ist eingerichtet, um mit einem ersten Stromsensor kommunikationsmäßig verbunden zu sein, der eingerichtet ist, um den ersten Strom zu erfassen, der durch eine erste Phase einer Statorwicklung eines Motors, eines Generators oder einer Kombination von diesen fließt. Der Isolationsableitungsschaltkreis ist ferner eingerichtet, um mit einem ersten Temperatursensor kommunikationsmäßig verbunden zu sein, der eingerichtet ist, um die erste Temperatur des Stators zu erfassen, wenn der Stator erregt ist, und die Temperaturkompensationskurve ist eingerichtet, um eine Temperatur auf einen Leckstromverlustfaktor abzubilden.
