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ERFINDUNGSGEBIET
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Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Testen eines Statorkerns eines Generators.
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BESCHREIBUNG DES VERWANDTEN STANDS DER TECHNIK
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Ein Generator ist eine Komponente in der Stromerzeugungsindustrie, der mechanische Leistung in elektrische Leistung umwandelt. Ein Generator enthält typischerweise einen Stator und einen Rotor. Ein Generatorstator kann einen Statorkern verwenden, der mehrere sich axial erstreckende Schlitze entlang einem Innenumfang des Statorkerns umfasst. Statorwicklungen werden in den Schlitzen mit Isolation von dem Statorkern platziert. Ein Rotor kann sich innerhalb des Statorkerns drehen, angetrieben durch eine Turbine. Der Rotor kann eine Rotorwicklung tragen, die durch einen Erregungsstrom von einem Erreger bestromt wird. Ein sich drehender Magnetfluss kann durch eine Rotorwicklung, die sich innerhalb des Statorkerns dreht, erzeugt werden, der die Statorwicklungen schneidet und innerhalb der Statorwicklungen einen Wechselstrom generiert.
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Ein Statorkern kann aus mehreren gestapelten dünnen Metalllamellen bestehen. Die Lamellen sind durch ein sehr dünnes Dielektrikum voneinander isoliert. Die Lamellen lenken den Magnetfluss um den Statorkern herum. Falls eine Anzahl von Lamellen zusammen kurzgeschlossen sind, so dass eine Schleife um den Magnetfluss entstehen kann, dann wird ein Strom in dieser Schleife unter Generierung von Wärme fließen. Das Kurzschließen von Lamellen kann aufgrund von Fremdkörpern, die die Lamellen miteinander verschmieren können oder einen Pfad bereitstellen können durch Verbinden von benachbarten Lamellen mit einem leitfähigen Material, sehr oft auftreten. Andere Modi von Lamelle-zu-Lamelle-Kurzschluss können aufgrund von übermäßiger Wärme von verschiedenen Quellen auftreten, was die dielektrische Beschichtung beeinflusst. Eine beschädigte Isolation des Statorkerns kann zwischen mehreren Lamellen zu einem stärkeren Wirbelstrom und einer höheren lokalen Temperatur, auch als lokaler Hotspot bekannt, führen. Der Schaden kann sich mit der Zeit entlang des Statorkerns ausbreiten und kann einen Schaden des Generators verursachen. Es wird empfohlen, die Isolation des Statorkerns regelmäßig zu prüfen, um mögliche Folgeschäden des Generators zu vermeiden.
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Das ELCID(Electromagnetic Core Imperfection Detection)-Verfahren ist ein wirtschaftliches Mittel zum Testen des Isolationszustands eines Statorkerns. ELCID stellt jedoch möglicherweise nur begrenzte Informationen über den Isolationszustand des Statorkerns bereit. Ein Schleifentest kann empfohlen werden, wenn ELCID Probleme bei der Statorkernisolation identifiziert. Ein Schleifentest kann einen Arbeitszustand des Generators simulieren, der zum Erhitzen des Statorkerns führt. Ein Schleifentest kann unter Verwendung von Erregungskabeln durchgeführt werden, die durch den Statorkern gewickelt sind, wo der Rotor normalerweise installiert ist. Erregungskabel können je nach dem Volumen des Statorkerns aus einer Anzahl von Windungen bestehen. Ein derartiger Schleifentest erfordert jedoch möglicherweise das Entfernen des Rotors, was eine erheblich lange Zeit erfordern und eine signifikante finanzielle Bürde mit sich führen kann. Alternativ kann ein Schleifentest durchgeführt werden, indem die Erregungskabel innerhalb eines Luftspalts zwischen dem Statorkern und dem Rotor gewickelt werden. Eine derartige Anordnung blockiert jedoch möglicherweise die Fähigkeit zum Überwachen des Zustands der Statorkernisolation während des Schleifentests.
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In der
EP2816365A1 ist ein Verfahren zum Überprüfen eines Blechpakets sowie eine Messvorrichtung zum Überprüfen des Blechpakets beschrieben. Hier wird bei eingebautem Läufer über ein Erregerkabel ein Magnetfeld innerhalb des Blechpakets erzeugt und es kann über eine Messeinrichtung die Temperatur des Blechpakets in einer axialen und Umfangsrichtung gemessen werden.
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KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
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Kurz beschrieben betreffen Aspekte der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Testen eines Statorkerns eines Generators.
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Gemäß einem Aspekt wird eine Vorrichtung zum Testen eines Statorkerns eines Generators vorgelegt. Die Vorrichtung umfasst eine Stromversorgung, die ausgebildet ist zum Liefern eines Erregungsstroms mit einer Basisfrequenz. Die Vorrichtung umfasst einen Frequenzwandler, der mit der Stromversorgung verbunden ist. Ein Rotor ist innerhalb des Statorkerns installiert. Die Vorrichtung umfasst ein Erregungskabel, das den Frequenzwandler mit dem Rotor an zwei axialen Enden verbindet. Der Frequenzwandler ist ausgebildet zum Umwandeln der Basisfrequenz des Erregungsstroms in eine Erregungsfrequenz, die über der Basisfrequenz liegt. Das Erregungskabel überträgt den Erregungsstrom mit der Erregungsfrequenz zu dem Rotor. Der Rotor wird durch den Erregungsstrom mit der Erregungsfrequenz als einer einzelnen Erregungswicklung zum Simulieren eines Arbeitszustands des Generators erregt, der eine Temperatur des Statorkerns erhöht, ohne den Rotor während des Testens zu überhitzen.
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Gemäß einem Aspekt wird ein Verfahren zum Testen eines Statorkerns eines Generators vorgelegt. Das Verfahren umfasst das Liefern eines Erregungsstroms mit einer Basisfrequenz durch eine Stromversorgung. Das Verfahren umfasst das Umwandeln der Basisfrequenz in eine Erregungsfrequenz durch einen Frequenzwandler. Die Erregungsfrequenz liegt über der Basisfrequenz. Das Verfahren umfasst das Übertragen des Erregungsstroms mit der Erregungsfrequenz an einen Rotor über ein Erregungskabel. Der Rotor ist innerhalb des Statorkerns installiert. Das Erregungskabel verbindet den Frequenzwandler mit dem Rotor an zwei axialen Enden. Das Verfahren umfasst das Erregen des Rotors als eine einzelne Erregungswicklung zum Simulieren eines Arbeitszustands des Generators, der die Temperatur des Statorkerns erhöht, ohne den Rotor während des Testens zu überhitzen.
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Verschiedene Aspekte und Ausführungsformen der Anmeldung, wie oben und im Folgenden beschrieben, können nicht nur in den explizit beschriebenen Kombinationen verwendet werden, sondern auch in anderen Kombinationen. Modifikationen ergeben sich dem Fachmann beim Lesen und Verstehen der Beschreibung.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Ausführungsbeispiele der Anmeldung werden bezüglich der beiliegenden Zeichnungen ausführlicher erläutert. Die Figur veranschaulicht eine schematische Querschnittsansicht eines Generators mit einer Anordnung zum Testen eines Statorkerns eines Generators gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Eine detaillierte Beschreibung bezüglich Aspekten der vorliegenden Erfindung wird im Folgenden bezüglich der beiliegenden Figur beschrieben.
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Die Figur veranschaulicht eine schematische Querschnittsansicht eines Generators 100 mit einer Anordnung zum Testen eines Statorkerns des Generators 100 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der Generator 100 enthält einen Stator 200 und einen Rotor 300. Der Stator 200 und der Rotor 300 können sich axial zu zwei axialen Enden 110 und 120 erstrecken. Der Rotor 300 kann innerhalb des Stators 200 installiert sein. Der Stator 200 besitzt einen Statorkern 210, der aus mehreren gestapelten dünnen Metalllamellen besteht. Eine Statorwicklung 220 kann innerhalb des Statorkerns 210 angeordnet sein.
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Der Rotor 300 kann eine Rotorwelle 310 enthalten, die den Rotor 300 um eine Rotationsachse 320 drehen kann. Der Rotor 300 kann zwei Rotorhalteringe 330 besitzen, die an zwei axialen Enden 110 und 120 angeordnet sind. Die Rotorwelle 310 kann sich axial durch die Halteringe 330 zu zwei axialen Enden 110 und 120 erstrecken. Ein Luftspalt 340 kann zwischen dem Statorkern 230 und dem Rotor 300 existieren.
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Der Rotor 300 kann nicht gezeigte Rotorwicklungen besitzen. Während des Betriebs des Generators 100 kann ein nicht gezeigter Erreger einen Erregungsstrom zu Rotorwicklungen übertragen. Der Erregungsstrom fließt durch Rotorwicklungen, was ein Magnetfeld generiert. Die Stärke des Magnetfelds ist direkt proportional zu der Intensität des Erregungsstroms. Der Rotor 300 kann durch eine nicht gezeigte Turbine angetrieben werden, um sich mit einer Frequenz von typischerweise 50 Hz oder 60 Hz zu drehen. Das Magnetfeld kann einen Magnetfluss und eine Spannung an einem Statorkern 210 induzieren.
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Beim Betrieb des Generators 100 können die induzierte Spannung und der induzierte Strom auf dem Statorkern 210 auf dem Statorkern 210 eine signifikante Menge an Wärme generieren, was Isolierungen zwischen individuellen Lamellen des Statorkerns 210 beschädigen kann. Dies kann die Temperaturen des Statorkerns 210 erhöhen, was Hotspots am Statorkern 210 bewirken kann.
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Ein Schleifentest kann während einer Wartung oder eines Ausfalls des Generators 100 durchgeführt werden, um eine induzierte Spannung an einem Statorkern 210 vorherzusagen. Während des Schleifentests wird mindestens eine Schleife einer Erregungswicklung um den Statorkern 210 gewickelt, um den induzierten Fluss und die induzierte Spannung am Statorkern 210 zu messen. Die induzierte Spannung am Statorkern 210 kann durch die folgende Funktion definiert werden:
wobei:
- V:
- induzierte Längsspannung an einem Statorkern, V/m,
- f:
- Rotationsfrequenz des Rotors,
- B:
- induzierte Magnetflussdichte an einem Statorkern, T und
- A:
- Querschnittsfläche des Statorkerns, durch den induzierten Magnetfluss beeinflusst, m2.
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Eine Vorrichtung zum Testen des Statorkerns 210 ist in der Figur gemäß einer Ausführungsform dargestellt. In dem Ausführungsbeispiel ist ein Rotor 300 innerhalb eines Statorkerns 210 installiert. Ein Erregungskabel 430 kann mit dem Rotor 300 an zwei axialen Enden 110 und 120 verbunden sein. Das Erregungskabel 430 kann mit der Rotorwelle 310 der Rotorwelle 300 an den beiden axialen Enden 110 und 120 an einem Ort jenseits der Rotorhalteringe 330 verbunden sein.
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Das Erregungskabel 430 kann mit einem Frequenzwandler 420 verbunden sein. Der Frequenzwandler 420 kann auch mit einer AC-Stromversorgung 410 verbunden sein, so dass ein Erregungsstrom zu dem Erregungskabel 430 übertragen werden kann. Das Erregungskabel 420 kann den Erregungsstrom zum Rotor 300 übertragen. Der Rotor 300 kann durch den Erregungsstrom als eine einzelne Erregungswicklung erregt werden, um eine Magnetflussdichte B am Statorkern 210 zu induzieren. Ein Arbeitszustand des Generators 100 kann simuliert werden, um den Statorkern 210 zu testen, wie etwa eine Temperaturverteilung des Statorkerns 210, die eine höhere lokale Temperatur des Statorkerns 210 anzeigen kann, auch als ein lokaler Hotspot am Statorkern 210 bekannt. Die AC-Stromversorgung 410 kann bei einer Basisfrequenz f entsprechend einer Rotationsfrequenz des Rotors 300 arbeiten, typischerweise bei 50 Hz oder 60 Hz.
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Aus Gleichung (1) ist ersichtlich, dass die Frequenz f des Erregungsstroms umgekehrt proportional zu der induzierten Magnetflussdichte B am Statorkern 210 für eine gegebene induzierte Längsspannung V ist. Beispielsweise kann unter Verwendung eines Erregungsstroms bei einer Frequenz von 50 Hz eine induzierte Längsspannung V von ungefähr 100 V/m an den Statorwicklungen 220 eine induzierte Magnetflussdichte B am Statorkern 210 etwa bis zu 1 T erfordern. Jedoch erfordert unter Verwendung eines Erregungsstroms bei einer Frequenz von 500 Hz eine induzierte Längsspannung V von ungefähr 100 V/m an den Statorwicklungen 220 möglicherweise nur eine induzierte Magnetflussdichte B am Statorkern 210 von etwa 0,1 T. Die induzierte Längsspannung V von 100 V/m an den Statorwicklungen 220 kann etwa 85% des normalen Arbeitszustands eines Generators 100 entsprechen.
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Die induzierte Magnetflussdichte B am Statorkern 210 ist direkt proportional zur Intensität des Erregungsstroms. Zum Simulieren des gleichen Arbeitszustands des Generators 100, der die Temperatur des Statorkerns 210 erhöhen kann, was am Statorkern 210 Hotspots bewirken kann, kann die Intensität des Erregungsstroms umgekehrt proportional zur Frequenz des Erregungsstroms reduziert werden, so dass der Erregungsstrom durch den Rotor 300 fließen kann, ohne den Rotor 300 während des Testens zu überhitzen. Der Rotor 300 kann eine einzelne Erregungswicklung zum Testen des Statorkerns 210 sein.
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Gemäß einer Ausführungsform kann der Frequenzwandler 420 die Basisfrequenz des von der AC-Stromversorgung 410 gelieferten Erregungsstroms in eine Erregungsfrequenz umwandeln, die über der Frequenz der AC-Stromversorgung 410 liegt. Der Frequenzwandler 420 kann den Erregungsstrom mit der Erregungsfrequenz über das Erregungskabel 430 an den Rotor 300 liefern. Der Rotor 300 kann eine Längsspannung V an den Statorwicklungen 220 induzieren, aber mit einer reduzierten Magnetflussdichte B im Vergleich zu einem Test unter Verwendung eines Erregungsstroms mit der Basisfrequenz. Beispielsweise kann die Magnetflussdichte B am Statorkern 210 von 1 T auf unter 0,15 T oder unter 0,1 T usw. reduziert werden. Der simulierte Arbeitszustand kann die Temperatur des Statorkerns 210 erhöhen, was Hotspots am Statorkern 210 bewirkt. Beispielsweise kann der simulierte Arbeitszustand mindestens 70% oder mindestens 80% oder mindestens 90% des normalen Arbeitszustands des Generators 100 entsprechen.
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Die reduzierte Magnetflussdichte B kann zu einer reduzierten Intensität des durch die AC-Stromversorgung 410 gelieferten Erregungsstroms führen. Gemäß einer Ausführungsform kann der Frequenzwandler 420 eine Basisfrequenz des Erregungsstroms in eine Erregungsfrequenz umwandeln, um die Intensität des Erregungsstroms auf ein solches Ausmaß zu reduzieren, dass der Erregungsstrom für einen simulierten Arbeitszustand des Generators 100 ohne Überhitzen des Rotors 300 zum Rotor 300 übertragen werden kann. Der Frequenzwandler 420 kann die Basisfrequenz in die Erregungsfrequenz umwandeln, die mindestens 8-mal größer sein kann als die Basisfrequenz oder mindestens 9-mal größer als die Basisfrequenz oder mindestens 10-mal größer als die Basisfrequenz usw. Die Basisfrequenz der AC-Stromversorgung 410 kann 50 Hz oder 60 Hz betragen. Die Erregungsfrequenz kann über 400 Hz oder über 500 Hz oder über 600 Hz usw. liegen. Die Erregungsfrequenz des Erregungsstroms kann auf Basis einer Designanforderung des Rotors 300 definiert werden. Die Erregungsfrequenz des Erregungsstroms kann auf Basis eines simulierten Arbeitszustands des Generators 100 definiert werden.
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Die reduzierte Intensität des Erregungsstroms kann die Leistungsabgabe der AC-Stromversorgung 410 reduzieren. Beispielsweise kann die Leistungsabgabe der AC-Stromversorgung 410 von 3 MW bei einem Erregungsstromtest von 50 Hz herunter auf 400 KW, 300 KW oder 200 KW bei einem Erregungsstromtest mit einer Frequenz von 500 Hz oder höher reduziert werden. Auch die Größe und das Gewicht der AC-Stromversorgung 410 können reduziert werden. Die AC-Stromversorgung 410 kann tragbar sein. Der Testaufbau kann erheblich kleiner sein.
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Die Temperaturen des Statorkerns 210 können während des Testens durch einen Wärmesensor 440 überwacht werden. Der Wärmesensor 440 kann die Temperaturen des Statorkerns 210 aufzeichnen, um höhere lokale Temperaturen zu detektieren, auch als Hotspots am Statorkern 210 bekannt. Der Wärmesensor 440 kann eine Wärmekamera besitzen. Der Wärmesensor 440 kann auf einem Roboter montiert sein. Der Wärmesensor 440 kann im Luftspalt 340 zwischen dem Statorkern 210 und dem Rotor 300 angeordnet sein.
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Gemäß einem Aspekt verwendet die vorgeschlagene Vorrichtung zum Testen eines Statorkerns 210 einen Rotor 300 als eine einzelne Erregungswicklung. Die vorgeschlagene Vorrichtung kann einen Arbeitszustand eines Generators 100 simulieren, der substanziell nahe an einem normalen Arbeitszustand des Generators 100 liegt. Der simulierte Arbeitszustand des Generators 100 kann die Temperatur des Statorkerns 210 erhöhen, was Hotspots am Statorkern 210 bewirken kann. Der Rotor 300 kann während des Testens innerhalb des Statorkerns 210 installiert sein. Die vorgeschlagene Vorrichtung kann zuverlässige Informationen über den Statorkern 210 unter Verwendung des Rotors 300 als der einzelnen Erregungswicklung bereitstellen, ohne den Rotor 300 zu überhitzen. Die vorgeschlagene Vorrichtung kann den Isolationszustand des Statorkerns 210 testen, ohne den Rotor 300 aus dem Stator 200 zu entfernen. Die vorgeschlagene Vorrichtung kann die Kosten und Dauer zum Durchführen eines Schleifentests signifikant reduzieren, wodurch die Effizienz beim Durchführen des Schleifentests signifikant erhöht wird. Die vorgeschlagene Vorrichtung kann die Komplexität zum Einrichten des Schleifentests signifikant reduzieren.
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Obwohl verschiedene Ausführungsformen, die die Lehren der vorliegenden Erfindung beinhalten, hier ausführlich gezeigt und beschrieben worden sind, kann sich der Fachmann ohne Weiteres andere abgeänderte Ausführungsformen ausdenken, die immer noch diese Lehren enthalten. Die Erfindung ist in ihrer Anwendung nicht auf die Ausführungsbeispieldetails der Konstruktion und der Anordnung von Komponenten beschränkt, die in der Beschreibung dargelegt oder in den Zeichnungen dargestellt sind. Die Erfindung ist zu anderen Ausführungsformen und zum Praktiziertwerden oder Ausgeführtwerden auf unterschiedliche Weisen in der Lage. Außerdem versteht sich, dass die hierin verwendeten Ausdrücke und Terme dem Zweck der Beschreibung dienen und nicht als beschränkend angesehen werden sollten. Die Verwendung von „mit“, „umfassend“ oder „aufweisend“ und Variationen davon sollen die danach aufgeführten Elemente und Äquivalente davon sowie zusätzliche Elemente einschließen. Sofern nicht spezifiziert oder anderweitig beschränkt, werden die Ausdrücke „montiert“, „verbunden“, „unterstützt“ und „gekoppelt“ und Variationen davon breit verwendet und schließen direkte und indirekte Montage, Verbindungen, Stützen und Kopplungen ein. Weiterhin sind „verbunden“ und „gekoppelt“ nicht auf physische oder mechanische Verbindungen oder Kopplungen beschränkt.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Generator
- 110, 120
- Axiale Enden
- 200
- Stator
- 210
- Statorkern
- 220
- Statorwicklung
- 300
- Rotor
- 310
- Rotorwelle
- 320
- Rotationsachse
- 330
- Rotorhaltering
- 340
- Luftspalt zwischen Statorkern und Rotor
- 410
- AC-Stromversorgung
- 420
- Frequenzwandler
- 430
- Erregungskabel
- 440
- Wärmesensor
