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Vorrichtung zur Prüfung elektrischer Maschinen oder Maschinenteile,
insbesondere von Elektromotoren, Generatoren od. dgl.
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Bei den umlaufenden Teilen elektrischer Maschinen können Fehler auftreten,
die nicht ohne weiteres nachweisbar sind. Wenn vermutet wird, daß ein Fehler vorliegt,
wird der Motor im allgemeinen geöffnet, damit der Läufer untersucht werden kann;
selbst dann kann es jedoch noch vorkommen, daß der Fehler in einem Leiter des Läufers
oder in einer elektrischen Verbindung nicht sichtbar oder nachweisbar ist, da die
Möglichkeit besteht, daß der Fehler nur dann auftritt, wenn der Läufer rotiert.
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Es ist daher erwünscht, einen solchen Fehler in den umlaufenden Teilen
im Betrieb erkennbar zu machen.
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Auch kann es in der Praxis erwünscht sein, in einfacher Weise die
Schlupffrequenz eines Motors oder den Sättigungszustand des magnetischen Kreises
festzustellen.
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Es ist wohl bekannt, daß Rotoren von elektrischen Maschinen auf Fehler
geprüft werden können, indem sie aus ihrem Stator ausgebaut und in einen Spezialprüfstator
oder in ein Joch, das mit Wechselstrom erregt wird, eingesetzt werden.
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Das Prüfjoch ist mit einer oder mehreren Hilfswindungen versehen
und der Rotor dreht sich nach diesen Windungen, wenn der Stator durch eine geeignete
Spannungsquelle erregt wird. Jeder Fehler im Pol des Stators kann also mit einem
Oszilloskop oder mit einem anderen bekannten Mittel angezeigt werden.
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Mit diesen vorbekannten Einrichtungen ist es nicht möglich, den Rotor
einer Maschine während des Laufes im zugehörigen Stator bei normalen Betriebsbedingungen
zu prüfen.
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Insbesondere ist es wichtig, bei Maschinen mit sehr hohen Geschwindigkeiten
unmittelbar bei Entstehung eines Fehlers dieses zu wissen, um die Möglichkeit zu
haben, die Maschine zu stoppen, bevor ein Schaden aufgetreten ist. Ferner ist es
möglich, eine ständige Kontrolle über die Exzentrizität des Rotors in dessen Lagern
laufend durchzuführen, und es ist ein weiterer Vorteil, daß nach Feststellung eines
Fehlers die Maschine rechtzeitig gestoppt werden kann, bevor ein gefährlicher Zustand
erreicht wird.
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Die Erfindung bezweckt daher insbesondere, einen Fehler in dem umlaufenden
Teil und/oder die Schlupffrequenz und/oder den Sättigungszustand des magnetischen
Kreises bei laufender Maschine festzustellen.
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Es kann auch vorkommen, daß Verschleiß bei den Lagern des Läufers
auftritt oder es können sonstige Fehler in einem oder beiden Lagern des Läufers
vorhanden sein, die nicht ohne weiteres feststellbar sind, und die eine Exzentrizität
des Läufers in dem Ständer bewirken, so daß bei weiterem Gebrauch des Motors oder
Generators erhebliche Schäden auftreten können.
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Die Erfindung bezweckt, auch in diesen Fällen eine Überwachung der
Maschine, eine Anzeige der ent-
sprechenden Betriebsbedingungen und den Einsatz entsprechender
Schutz- und tiberwachungseinrichtungen zu ermöglichen.
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Gemäß der Erfindung wird eine Prüfungsschaltvorrichtung zur Prüfung
elektrischer Maschinen vorgeschlagen, in der das Maschinenteil bei der Drehung einem
magnetischen Wechselfeld ausgesetzt wird und die in einer dem Feld des Maschinenteiles
bzw. dem resultierenden Feld ausgesetzten Leitereinrichtung induzierte Spannung
zur Darstellung des Meßergebnisses verwendet wird, indem bei elektrischen Maschinen
die Ständerwicklung zur Erregung des magnetischen Wechselfeldes dient und in einer
Ständernut ein Leiter derart untergebracht ist, daß die Prüfung bei betriebsmäßig
arbeitender Maschine erfolgen kann.
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Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen,
daß die in wenigstens zwei zusätzlichen, in einem bestimmten Abstand voneinander
angeordneten Leitern erzeugten Spannungen verglichen werden.
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Zur Ausübung des Verfahrens gemäß der Erfindung ist eine Vorrichtung
vorgesehen, welche Mittel zur Erzeugung eines Stromflusses in der Ständerwicklung,
wenigstens einen zusätzlichen Leiter in dem Ständer, und eine Einrichtung zur Analysierung
der in dem zusätzlichen Leiter erzeugten Spannung bei Stromfluß in der Ständerwicklung
enthält. Die Analyse kann dabei auf die Feststellung der Schlupffrequenz oder des
Sättigungszustandes des magnetischen Kreises oder auf die Feststellung sonstiger
Abweichungen und Unregelmäßigkeiten
bei den induzierten Strömen
gerichtet sein, wie z. B. bei einem Fehler in dem Läufer, insbesondere bei einem
gebrochenen oder beschädigten Leiter des Läufers auftreten können. Der zusätzliche
Leiter oder die zusätzlichen Leiter können in einer Nut des Ständers untergebracht
sein, z. B. in oder unter dem Nutenkeil. Mehrere Leiter können so angeordnet und
geschaltet sein, daß bei unbeschädigter Lagerung und konzentrischem Umlaufen des
Läufers sich die erzeugten Spannungen aufheben, wobei ein Warnsignal ansprechen
kann oder eine Sicherungseinrichtung, z. B. eine magnetische Ausschaltung, wirksam
werden kann, wenn der Läufer in einem späteren Zeitpunkt exzentrisch im Ständer
liegt und die erzeugten Spannungen sich dementsprechend nicht mehr aufheben.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden an Hand der Zeichnungen
näher beschrieben.
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Fig. 1 zeigt einen Teilschnitt durch eine Ständernut eines Motors
bei Anwendung der Erfindung; Fig. 2 zeigt den Stromkreis des zusätzlichen Leiters;
Fig. 3 zeigt einen Teilschnitt durch eine Ständernut eines Motors bei Anwendung
der Erfindung; Fig. 4 zeigt den Stromkreis bei Verwendung mehrerer zusätzlicher
Leiter; Fig. 5 zeigt eine weitere Ausführungsform der Schaltung mit einer Verteileranordnung,
mit der die zusätzlichen Leiter verbunden sind; Fig. 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel
eines Brückenkreises zum Vergleich der Spannungen, und Einrichtungen zur Messung
des Gleichgewichtszustandes der in zwei gegengeschalteten Leitern auftretenden Spannungen;
Fig. 7 zeigt im Diagramm eine in einem Oszillographen aufgenommene Kurve.
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Wie aus den Fig. 1 und 2 hervorgeht, ist in dem Ständer einer umlaufenden
elektrischen Maschine ein zusätzlicher Einzelleiter 3 angeordnet, der z. B. als
Bündelleiter aus gl asisoliertem Polychloropren-Kupferdraht 23/0076 ausgebildet
und in einer Ständernut 8 untergebracht ist.
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Wie Fig. 1 zeigt, ist die Ständerwicklung in üblicher Art ausgeführt,
wobei die einzelnen Windungen der Wicklung 10 durch den Eingangsspalt 12 der Nut
8 hindurchgeführt und in der Nut dicht gepackt sind; anschließend ist ein Keil 16
über die Wicklung 10 von einer Seite eingeführt. Im vorliegenden Fall weist der
Keil 16 jedoch eine axiale Bohrung od. dgl. 18 auf, die den zusätzlichen Leiter
3 aufnehmen kann.
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Wenn nun der Läufer auf Fehler geprüft werden soll, wird der Leiter
3 in einen Stromkreis eingeschaltet, der mit einem Satz Ablenkplatten eines (nicht
dargestellten) Oszillographen verbunden ist, der dann so eingestellt wird, daß er
die stationäre 50-Hz-Sinusschwingung des Hauptfeldes zeigt. Der 50-Hz-Spannung,
die in dem erwähnten Leiter durch das Hauptfeld erzeugt wird, ist eine sinusförmige
Pulsationsschwingung höherer Frequenz und kleinerer Amplitude überlagert, die durch
die Läuferstäbe oder Leiter hervorgerufen ist, welche eine Spannung in dem zusätzlichen
Leiter induzieren. Die so erhaltene, auf dem Oszillographen sichtbare Kurve ist
in Fig. 8 dargestellt.
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Diskontinuitäten in dem Läuferkreis oder Beschädigungen der Leiter
des Läufers werden entweder durch völligen Ausfall oder durch Abnahme oder Verzerrung
der Pulsationsschwingungen abgebildet. Der Fall des Ausbleibens der Pulsationsschwingung
ist an der Steller der Fig. 7 dargestellt.
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Wenn der magnetische Kreis einer elektrischen Maschine auf Sättigungserscheinungen
oder Unregel-
mäßigkeiten geprüft werden soll, wird ein Satz Ablenkplatten eines
Oszillographen an den zusätzlichen Leiter 3 angelegt. Das Oszillographenbild gibt
dann an, ob der magnetische Kreis gesättigt oder ungesättigt ist. Die Sättigung
wird wiedergegeben durch eine Abfachung der positiven und negativen Amplitudenbereiche
der Sinusschwingung. Eine solche Abflachung ist an der Stelle B der Fig. 7 gezeigt,
wobei durch die gestrichelte Linie dargestellt ist, wie das Oszillographenbild sich
ändert.
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Die Frequenz der Pulsationsschwingungen ist abhängig von der Umdrehungsgeschwindigkeit
des Läufers und von der Zahl der Stäbe oder Leiter des Läufers, während die Amplitude
von der Last abhängt.
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Wenn der Motor synchron umläuft, stehen die überlagerten Pulsationsschwingungen
gegenüber der Sinuswelle still; sobald jedoch die Drehzahl des Läufers unter die
synchrone Drehzahl fällt, erhalten die Pulsationsschvvingungen einen rückläufigen
Schlupf. Die Schlupffrequenz kann dabei dadurch bestimmt werden, daß man die Bewegung
der Pulsationsschwingungen gegenüber der Grundwelle feststellt.
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Wie aus Fig. 4 im Zusammenhang mit Fig. 3 hervorgeht, weist bei diesem
Ausführungsbeispiel der Ständer vier zusätzliche Einzelleiter 3, 4, 5 und 6 auf,
die symmetrisch auf dem Ständer angeordnet sind (nicht dargestellt), wobei die Leiter
wiederum aus einzelnen glasisolierten Polychloropren-Kupferlitzen bestehen. Die
Leiter sind in Statornuten 8 untergebracht.
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Sie haben etwa die gleiche Länge wie die Statornut und sind in Abständen
von 1800 paarweise in Reihe geschaltet, wobei die Paare um 900 gegeneinander versetzt
sind. Die Reihenschaltung besteht also aus den Leitern 3, 5, 4, 6, wobei die Leiterpaare
3, 5 und 4, 6 jeweils in Reihe geschaltet sind; das Paar 3, 5 ist um 900 gegenüber
dem Paar 4, 6 versetzt.
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Wie Fig. 3 zeigt, ist der Ständer in üblicher Weise gewickelt, wobei
die einzelnen Windungen der Wicklung 10 durch den Schlitz 12 der Nut 8 hindurchgeführt
und in der Nut dicht gepackt sind; ein Keil 16 ist von einer Seite der Nut derart
eingeführt, daß er auf der Wicklung 10 liegt. Der Keil 16 weist eine Längsbohrung
18 oder eine ähnliche Aussparung auf, die den zusätzlichen Leiter aufnehmen kann.
Es sind also vier Keile vorgesehen, die jeweils einen zusätzlichen Leiter enthalten.
Bei manchen Maschinen ist es jedoch nicht notwendig, daß ein Keil 16 mit einer Bohrung
18 zur Aufnahme der Leiter vorgesehen wird, wenn in der Nut unterhalb des Keiles
genügend Platz für einen zusätzlichen Leiter vorhanden ist. Das Ausbohren oder die
Herstellung eines besonderen Keiles ist daher nur dann notwendig, wenn nicht genügend
Platz zur Verfügung steht. Die Leiter können auch in den Zähnen und im Joch des
Ständers untergebracht werden.
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Die Leiter 3, 4, 5 und 6 können in beliebiger zweckmäßiger Weise
ausgebildet sein und sie können, falls erforderlich, auch Halbleiter sein, so daß
man die an sich bekannten Verstärkungseigenschaften dieser Halbleiter ausnutzen
kann. Ein Spannungs transformator oder andere Verstärker sind dann entbehrlich,
selbst wenn die in dem Leiter induzierte Spannung zu klein ist, um ein Meßgerät
oder eine andere Vergleichseinrichtung zu betätigen.
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Wenn nun der Läufer konzentrisch im Ständer angeordnet ist, werden
die in den zusätzlichen Wicklungen hervorgerufenen Spannungen sich im wesentlichen
aufheben, wenn sie entgegengesetzt geschaltet sind und kein Potential bei den Klemmen
20 und 22 vorhanden ist, mit denen die zusätzlichen Leiter verbunden sind; wenn
jedoch der Läufer exzentrisch angeordnet ist,
z. B. wenn Verschleiß
bei einem Lager auftritt, so wird der Läufer nicht mehr gegenüber den zusätzlichen
Leitern symmetrisch liegen; er kann z. B. näher bei Leiter6 liegen als bei Leiter
4. Die Reluktanzen sind dann ungleich und der Fluß je Pol wird bei der größeren
Luftspaltlänge geringer und bei der kleineren Luftspaltlänge stärker sein. In diesem
Fall werden in den vier zusätzlichen Leitern verschiedene Spannungen erzeugt und
die abweichende Spannung ermöglicht eine Messung der Differenz der Luftspaltlänge.
Die Resultierende der induzierten Spannungen (Fig. 4) wird dann bei den Klemmen
20 und 22 erscheinen, so daß man den Zustand des Luftspaltes der Maschine feststellen
und überwachen kann. Die Spannung kann z. B. verwendet werden, um ein Anzeigegerät
oder eine Warneinrichtung zu betätigen oder eine Abschalteinrichtung über geeignete
Relais zu betätigen, wenn die induzierte Spannung einen vorgegebenen Wert erreicht.
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Fig. 5 zeigt eine weitere zweckmäßige Ausführungsform. Die Anschlußleitungen
der Leiter 3, 4, 5 und 6 sind bei diesem Ausführungsbeispiel herausgeführt und getrennt
an Klemmen od. dgl. 24 einer geeigneten Verteileranordnung 26 gelegt. Die Leiter
können dann mit einem äußeren Kreis z. B. mit Hilfe eines rotierenden Umschalters
(nicht dargestellt) in beliebiger Weise verbunden werden. Es ist auch nicht unbedingt
erforderl ich, alle acht Verbindungen zur Verteileranordnung zu führen; man kann
z. B. die Anschlüsse einer Seite der Leiter miteinander verbinden und den so gebildeten
gemeinsamen Punkt am Maschinenrahmen »erden«.
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EinAusführungsbeispiel einer Brückenschaltung zur Messung der Differenzen
der in zwei entgegengesetzt geschalteten Leitern induzierten Spannungen ist in Fig.
6 dargestellt. Zwei Gleichrichterbrücken28 und 30 sind gegeneinander geschaltet.
Die Eingänge der beiden Brücken 28 und 30 sind mit einem Paar gegeneinander geschalteter
Leiter verbunden, in diesem Fall mit den Leitern 3 bzw. 5. Die Ausgänge der Brücken
liegen in Gegenschaltung und parallel zu den Ausgängen liegt ein geeignetes Meßgerät,
z. B. ein Voltmeter oder Galvanometer 32. Die in den Leitern 3 und 5 erzeugten Spannungen
werden durch die Brücken 28 und 30 gleichgerichtet und das Voltmeter zeigt die Differenz
zwischen den beiden induzierten Spannungen an.
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Wenn die Leiter 3 und 5 miteinander verglichen sind, kann der Drehumschalter
gedreht werden, so daß nun die in den Leitern 4 und 6 erzeugten Spannungen der Brückenschaltung
zum Vergleich zugeführt werden.
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Auf diese Weise ist es möglich, jede Exzentrizität des Läufers im
Ständer zu messen, da diejenigen Leiter, in denen die höchste Spannung erzeugt wird,
dem Läufer am nächsten liegen müssen. Falls erforderlich, kann ein Spannungstransformator
oder ein anderer Verstärker geeigneter Bauart zwischen dem Leiter und der Gleichrichterbrücke
eingeschaltet sein.
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P ENTINSPR(: <: HE: 1. Prüfungsschaltvorrichtung zur Prüfung elektrischer
Maschinen, in der das Maschinenteil bei der Drehung einem magnetischen Wechselfeld
ausgesetzt wird und die in einer dem Feld des Maschinenteils bzw. dem resultierenden
Feld ausgesetzten Leiteinrichtung induzierte Spannung zur Darstellung des Meßergebnisses
verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, daß bei elektrischen Maschinen die Ständerwicklung
zur Erregung des magnetischen Wechselfeldes dient und in einer
Ständernut ein Leiter
derart untergebracht ist, daß die Prüfung bei betriebsmäßig arbeitender Maschine
erfolgen kann.