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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überwachen einer elektrischen Maschine und eine Anordnung zum Durchführen des Verfahrens.
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Stand der Technik
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Elektrische Maschinen sind in der elektrischen Energietechnik eingesetzte Energiewandler, wobei zwischen rotierenden elektrischen Maschinen und ruhenden elektrischen Maschinen unterschieden wird. Zu den rotierenden elektrischen Maschinen, die hierin insbesondere betrachtet werden, gehören Elektromotoren und elektrische Generatoren, bei denen die magnetischen Kraftwirkungen eine maßgebliche Rolle spielen. Diese elektrischen Maschinen dienen der Umsetzung elektrischer Leistung in mechanische Leistung. Wird elektrische Leistung in mechanische Leistung umgesetzt, ist die elektrische Maschine als Elektromotor betrieben. Wird mechanische Leistung in elektrische Leistung umgesetzt, so ist die elektrische Maschine als elektrischer Generator betrieben.
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Elektromotoren können nach Stromart und nach Wirkungsprinzip klassifiziert werden. So unterscheidet man nach Stromart zwischen Gleichstrom-, Wechselstrom-, Dreiphasenwechselstrom- und Impulsstrommaschinen. Bei Berücksichtigung des Wirkungsprinzips unterscheidet man zwischen Kommutator-, Asynchron- und Synchronmaschinen.
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Elektromotoren werden in vielen Bereichen eingesetzt, wobei der Fachmann je nach Anwendungsgebiet, das sich auf Baugröße und erforderliche Leistung der elektrischen Maschine auswirkt, eine geeignete elektrische Maschine auswählen kann.
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Zu beachten ist, dass falsche Betriebsbedingungen von elektrischen Maschinen nicht nur die Funktionsfähigkeit dieser Maschinen beeinträchtigen können, sondern auch andere Einrichtungen, die mit diesen verbunden sind oder mit diesen zusammenwirken, beeinflussen oder gar beschädigen können. Selbst die Umgebung einer fehlerhaft betriebenen elektrischen Maschine, in der diese betrieben wird, kann beeinträchtigt werden. Entsprechend kann die elektrische Maschine durch Fehler oder Störungen im Umfeld beeinträchtigt bzw. beeinflusst werden. Beispiele hierfür sind:
- - falsch angebrachte Werkzeuge in elektrischen Maschinen, wie bspw. Bohrer, Sägeblätter oder Drehwerkzeuge,
- - ein ungleichmäßiges Anbringen von Rädern in Fahrzeugen, was zu einem ungleichförmigen Radprofil führt und auch die Lager bei Einzelradantrieben beschädigen kann.
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Bislang ist bei Einrichtungen mit elektrischen Maschinen entweder überhaupt kein Schutzmechanismus vorgesehen oder, jedoch nur bei hochwertigen Einrichtungen, es werden zusätzliche Sensoren angebracht, die die Betriebsbedingungen überwachen. Diese Sensoren erfassen ungleichmäßige Betriebsbedingungen anhand von einem mechanischen Verhalten, bspw. anhand von Vibrationen.
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Die Druckschrift
US 9 800 197 B2 beschreibt ein Verfahren zum Identifizieren einer elektrischen Maschine. Dabei wird ein Herausforderungs-Antwort-Paar als Basis für die Identifizierung erzeugt. Die elektrische Maschine weist einen Stator und einen Rotor auf. Als Herausforderung wird eine erste Wechselspannung zwischen zwei Punkten eines festgelegten Punktepaars der elektrischen Maschine angelegt, welche eine Induktion in der elektrischen Maschine bewirkt. Als Antwort wird eine Größe bestimmt, die von der Induktion abhängt. Die erste Wechselspannung hat eine Frequenz, die höher als die Arbeitsfrequenz der elektrischen Maschine ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund werden ein Verfahren nach Anspruch 1 und eine Anordnung gemäß Anspruch 8 vorgestellt. Es werden weiterhin ein Computerprogramm mit den Merkmalen des Anspruchs 9 und ein maschinenlesbares Speichermedium nach Anspruch 10 vorgestellt. Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und aus der Beschreibung.
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Das vorgestellte Verfahren dient zum Überwachen einer elektrischen Maschine, die mit einer ersten elektrischen Größe angesteuert wird. Diese erste elektrische Größe ist bspw. eine Spannung, insbesondere eine Wechselspannung, mit der die elektrische Maschine angesteuert bzw. betrieben wird. Bei einem Elektromotor mit Stator und Rotor wird mit dieser ersten elektrischen Größe, insbesondere einer Wechelspannung, die Statorwicklung des Elektromotors angesteuert.
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Bei dem Verfahren wird ein zeitlicher Verlauf einer zweiten elektrischen Größe, der von einem Verlauf der ersten elektrischen Größe abhängig ist, aufgenommen und ausgewertet, um einen fehlerhaften Zustand im Umfeld der elektrischen Maschine, der sich auf den Verlauf der zweiten elektrischen Größe auswirkt, zu erkennen.
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Die zweite elektrische Größe ist bspw. ein Strom, der genannte Verlauf ist damit ein Stromverlauf, der einerseits von dem Verlauf der ersten elektrischen Größe abhängt bzw. von diesem beeinflusst wird und andererseits ggf. Anteile enthält, die auf einen Fehler bzw. eine Störung hinweisen. Wird die elektrische Maschine bspw. mit einer Wechselspannung in einem Stromkreis angesteuert, so kann ein Wechselstrom aufgenommen werden, der in diesem Stromkreis oder einem von diesem Stromkreis abhängigen bzw. beeinflussten weiteren Stromkreis fließt. Dieser Stromverlauf ist von dem Verlauf der Wechselspannung abhängig, weist aber ggf. auch Anteile auf, die auf Fehler bzw. Störungen hinweisen. So können sich diese Fehler auf eine Amplitude bzw. eine Änderung der Amplitude über der Zeit und/oder auf eine Frequenz bzw. eine Änderung der Frequenz über der Zeit auswirken. Daneben kann es auch zu einer Phasenverschiebung zwischen Spannung und Strom kommen, die wiederum auch zeitveränderlich sein kann.
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Da sich Fehler charakteristisch auf den Verlauf der zweiten elektrischen Größe auswirken, so kann auch eine Identifizierung eines oder mehrerer Fehler bzw. Fehlerzustände vorgenommen werden. Hierzu kann bspw. auf eine Datenbank zugegriffen werden, in der Fehler mit zugeordneten Auswirkungen auf den Verlauf der zweiten elektrischen Größen abgelegt sind.
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Es kann insbesondere hilfreich sein, den Verlauf der zweiten elektrischen Größe vor der Verarbeitung weiterzuverarbeiten. Hierbei kann bspw. eine Frequenzanalyse durchgeführt werden. Mit einer Frequenzanalyse wird untersucht, welche Frequenzanteile wie stark in einem Signal, in diesem Fall der Verlauf der elektrischen Größe, vertreten sind. Ergebnis der Analyse ist ein Spektrum, dem die Frequenzanteile zu entnehmen sind. Als Verfahren zur Frequenzanalyse kann bspw. eine Fouriertransformation (FT) oder auch eine schnelle Fouriertransformation (FFT: Fast Fourier Transformation) durchgeführt werden.
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Im Vergleich zu bekannten Verfahren, bei denen eine mechanisches Verhalten erfasst wird, wird nunmehr ein elektrisches Verhalten überwacht und eine elektrische Reaktion bzw. Antwort auf bestehende Betriebsbedingungen erfasst und ausgewertet. Es können somit feinere bzw. geringfügigere Effekte erfasst werden. Insbesondere können diese aus der Ferne erfasst werden, ohne dass eine Bedienperson anwesend sein muss.
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Das vorgestellte Verfahren wird insbesondere dazu eingesetzt, einen Fehler, einen Fehlzustand bzw. eine Störung im Umfeld der elektrischen Maschine zu erfassen. Im Umfeld der Maschine bedeutet, dass dieser Fehler nicht unmittelbar bei der elektrischen Maschine auftritt, sondern in der Umgebung bzw. dem Umfeld der Maschine und sich dann auf den Betrieb der Maschine auswirkt und somit den Betrieb der Maschine beeinflusst. Die Ursache hierfür ist somit nicht durch einen Fehler unmittelbar in der Maschine begründet, sondern findet sich im Umfeld der Maschine, wirkt sich aber auf deren Betrieb aus.
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Mit dem Verfahren können bspw. falsch angebrachte Werkzeuge in der elektrischen Maschinen, wie bspw. Bohrer, Sägeblätter oder Drehwerkzeuge, oder auch ein ungleichmäßiges Anbringen von Rädern in einem Fahrzeug, das mit der elektrischen Maschine angetrieben wird, was zu einem ungleichförmigen Radprofil führt und auch die Lager bei Einzelradantrieben beschädigen kann, erkannt werden.
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Das Verfahren basiert somit auf der Erfassung der Frequenzen, die dem ungleichmäßigen Betrieb entsprechen bzw. mit diesem korrespondieren und die sich im Allgemeinen von der Antriebsfrequenz unterscheiden oder zumindest nicht mit dieser korrelieren.
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Bspw. bei einem Elektromotor mit angesteuertem Stator und Rotor wurde erkannt, dass ein ungleichmäßiger Betrieb eine Asymmetrie in der relativen Position des Rotors und des Stators bewirkt. Diese Asymmetrie verursacht ein asymmetrisches Verhalten der überwachten elektrischen Größe, bspw. der Impedanz, auf der Statorseite und daher eine zeitveränderliche Asymmetrie in dem Strom als überwachte zweite elektrische Größe bezüglich der Spannung als erste elektrische Größe, mit der die elektrische Maschine angesteuert wird. Diese Asymmetrie wiederholt sich im Allgemeinen mit einer Frequenz, die der ungleichmäßigen Funktionsweise entspricht.
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Zu beachten ist, dass mit dem vorgestellten Verfahren grundsätzlich sowohl eine Störung oder Beschädigung an der elektrischen Maschine selbst als auch Störungen oder fehlerhafte Zu- bzw. Umstände im Umfeld der elektrischen Maschine, die sich auf den Betrieb der elektrischen Maschine auswirken, erkannt werden können.
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Die vorgestellte Anordnung ist zum Durchführen des Verfahrens eingerichtet und ist bspw. in einer Hardware und/oder einer Software implementiert. Die Anordnung kann bspw. in einem Steuergerät, das zur Ansteuerung der elektrischen Maschine dient, integriert oder als solches ausgebildet sein.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
- 1 zeigt in einer schematischen Darstellung eine elektrische Maschine.
- 2 zeigt in vier Graphen Einflüsse eines fehlerhaften Betriebs auf elektrische Größen einer elektrischen Maschine.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ausführlich beschrieben.
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1 zeigt eine elektrische Maschine, die insgesamt mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet ist. Diese elektrische Maschine 10 umfasst einen Stator 12, der eine Statorwicklung 14 trägt, und einen Rotor 16, der auf einer Welle 18 sitzt und diese im Betrieb in eine Drehbewegung um ihre Längsachse versetzt. Hierzu wird die Statorwicklung 14 mit einer ersten elektrischen Größe 20, in diesem Fall einer Wechselspannung, angesteuert. Der Rotor 16 trägt ebenfalls eine Wicklung, in diesem Fall eine Rotorwicklung 22. Die Statorwicklung 14 ist Teil eines Stromkreises 24, in dem ein Strom als zweite elektrische Größe 26 fließt, die von der ersten elektrischen Größe 20, der Wechselspannung, abhängig ist. Weiterhin wird durch Wechselwirkung zwischen der Statorwicklung 14 und der Rotorwicklung 22 ein Strom induziert, der zu der zweiten elektrischen Größe 26 beiträgt bzw. diese beeinflusst.
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Weiterhin ist in der Darstellung ein Luftspalt 30 verdeutlicht, der durch einen Abstand zwischen dem Rotor 16 und dem Stator 12 bestimmt ist. Der magnetische Fluss in diesem Luftspalt ist durch diesen Abstand beeinflusst.
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Ändert sich dieser Abstand, so wirkt sich das auf den magnetischen Fluss in dem Luftspalt 30 aus, was wiederum eine Auswirkung auf den Verlauf der zweiten elektrischen Größe 26 im Stromkreis 24 hat.
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Ändert sich durch einen Fehler bzw. eine Störung im Umfeld der elektrischen Maschine 10 der Luftspalt 30 bzw. dessen Abmessungen, wobei dadurch auch eine zeitveränderliche Beeinflussung gemeint sein kann, so wirkt sich dies auf den Verlauf der zweiten elektrischen Größe 26 aus. Weiterhin wirken sich auch Geschwindigkeitsänderungen, d. h. eine veränderliche Drehgeschwindigkeit des Rotors 16, auf die zweite elektrische Größe 26 aus. Diese Auswirkungen auf die zweite elektrische Größe 26 sind typischerweise charakteristisch für die Ursache, d. h. den Fehler bzw. die Störung im Umfeld der elektrischen Maschine 10.
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Die zweite elektrische Größe 26 könnte grundsätzlich auch einem anderen Stromkreis, bspw. dem Stromkreis, in dem die Rotorwicklung 22 ist, entnommen werden.
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2 verdeutlicht anhand von vier Graphen die Auswirkung einer Störung auf eine elektrische Größe, insbesondere auf deren Verlauf.
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In einem ersten Graphen 50, an dessen Abszisse 52 die Zeit und an dessen Ordinate 54 eine Amplitude aufgetragen ist, ist ein Verlauf 56 einer zweiten elektrischen Größe aufgezeichnet. Die Darstellung zeigt einen periodischen Verlauf 56 mit fester Frequenz und Amplitude. Wird dieser Verlauf einer Frequenzanalyse unterzogen, so ergibt sich ein Spektrum, das in einem zweiten Graphen 60, an dessen Abszisse 62 die Frequenz und an dessen Ordinate 64 eine Amplitude aufgetragen ist, gezeigt ist. Dieser zweite Graph 60, zeigt, dass der Verlauf 56 nur einen Frequenzanteil hat.
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In einem dritten Graphen 70, an dessen Abszisse 72 die Zeit und an dessen Ordinate 74 eine Amplitude aufgetragen ist, ist ein Verlauf 76 einer zweiten elektrischen Größe gezeigt. Die Darstellung zeigt einen zeitveränderlichen Verlauf mit variierender Amplitude und Frequenz. Hieraus ergibt sich ein Spektrum, das in einem vierten Graphen 80, an dessen Abszisse 82 die Frequenz und an dessen Ordinate 84 eine Amplitude aufgetragen ist, gezeigt ist.
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Der Darstellung ist zu entnehmen, dass der Verlauf 76 zwei Frequenzanteile umfasst.
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Das Spektrum ermöglicht eine schnelle Auswertung des aufgenommenen Verlaufs der zweiten elektrischen Größe, da diesem ohne weiteres wichtige Informationen zu Frequenzanteilen im Verlauf der zweiten elektrischen Größe und damit Informationen zu diesem Signal zu entnehmen sind. Gewisse Frequenzanteile können dann charakteristisch für bestimmte Fehlerarten sein, so dass ein Fehler oder mehrere Fehler schnell identifiziert werden kann bzw. können.
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Mögliche Anwendungen finden sich bei Rädern von elektrisch angetriebenen Fahrzeugen. Die Frequenzen im elektrischen Antrieb bzw. der elektrischen Maschine sind viel höher und es ist möglich, versetzte niedrigere Frequenzen in der Reaktion zu erkennen und damit auf einen ungleichmäßigen Betrieb zu schließen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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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.
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Zitierte Patentliteratur
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