DE112018001976T5

DE112018001976T5 - Stückweise schätzung von gegenspannung zur fehlererkennung in elektrischen systemen

Info

Publication number: DE112018001976T5
Application number: DE112018001976.4T
Authority: DE
Inventors: Abhilash Pani; Santosh Kumar Sharma
Original assignee: Eaton Intelligent Power Ltd
Current assignee: Eaton Intelligent Power Ltd
Priority date: 2017-05-04
Filing date: 2018-05-03
Publication date: 2019-12-24
Also published as: US20180321320A1; US10838007B2; CN110546881A; CN110546881B; WO2018202788A1

Abstract

Ein Diagnosesystem, das konfiguriert ist, einen Statorwicklungsfehler in einer elektrischen Maschine zu erkennen, die eine Vielzahl von Statorwicklungen umfasst, wird bereitgestellt. Das Diagnosesystem schließt einen Prozessor ein, der programmiert ist, Messungen von Dreiphasenspannungen und -strömen zu empfangen, die der elektrischen Maschine bereitgestellt werden, Mit-, Gegen- und Nullkomponenten von Spannung und Strom aus den Dreiphasenspannungen und -strömen zu berechnen und einen Rauschfaktorbeitrag und einen Statorfehlerbeitrag zu der Gegenspannung zu identifizieren, indem ein zweistufiger Initialisierungsalgorithmus durchgeführt wird, der eine modifiziertes rekursives Verfahren kleinster Quadrate (recursive least square (RLS) method) umfasst, wobei der Rauschfaktorbeitrag ein Ungleichgewicht in der elektrischen Maschine umfasst, das aus einem oder mehreren von Mitstrom, Gegenstrom und Mitspannung resultiert. Der Prozessor ist weiterhin so programmiert, dass er einen Statorfehler in der elektrischen Maschine basierend auf dem Statorfehlerbeitrag zu der Gegenspannung erkennt.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf elektrische Systeme, Maschinen und Motoren und insbesondere auf ein System und ein Verfahren zum Durchführen einer stückweisen Schätzung einer Gegenspannung zu Zwecken eines Erkennens von Statorwicklungsfehlern bei solchen elektrischen Maschinen.
In Industrieanlagen werden elektrische Maschinen wie beispielsweise Generatoren, Wechselstrommotoren und/oder Transformatoren in verschiedenen Anwendungen verwendet. Zum Beispiel werden Asynchronmotoren für Anwendungen wie beispielsweise Pumpen, Kühlen, Materialbewegung und andere Anwendungen eingesetzt, bei denen kostengünstige und robuste Motoren erforderlich sind. Ein elektrisches Verteilungssystem wird in Verbindung mit elektrischen Maschinen in solchen Anwendungen verwendet, wobei das elektrische Verteilungssystem Schutz- und Steuerkomponenten, wie beispielsweise Unterbrecher, Schütze, Starter usw. einschließt.
In einem Dreiphasensystem mit einem elektrischen Verteilungssystem und einer elektrischen AC-Maschine wird erkannt, dass verschiedene Faktoren zu einer/einem Dreiphasen-Spannungsasymmetrie/-Ungleichgewicht in dem System führen können. Das heißt, sowohl Hochwiderstandsverbindungen als auch Statorwicklungsfehler (ein Statorwicklungsfehler) verändern den Widerstand in dem System, was zu der/dem Dreiphasen-Spannungsasymmetrie/-Ungleichgewicht führt. Unter Bezugnahme auf Statorwicklungsfehler im System können diese Fehler durch die allmähliche Verschlechterung der Wicklungsisolation verursacht werden, die auf eine Kombination aus elektromechanisch kraftinduzierten Vibrationen, hohen dv/dt-Spannungsspitzen, thermischer Überlastung und/oder Verunreinigung zurückzuführen ist. Wenn ein Statorwicklungsfehler auftritt und die Wicklungen des Stators kurzgeschlossen werden, wird im Windungsschluss ein großer Umlauffehlerstrom induziert, der zu einer lokalen thermischen Überlastung führt. Diese lokale thermische Überlastung kann schließlich zum Motorausfall aufgrund von Erdschluss/Phasenisolation oder Drahtbruch innerhalb kurzer Zeit führen, wenn sie unentdeckt bleibt. Dementsprechend ist es wünschenswert, Statorwicklungsfehler in einer effizienten und kosteneffektiven Weise zu erkennen.
Es wird erkannt, dass manche existierende sensorlosen Techniken, die für das Erkennen von Statorwicklungsfehlern entwickelt wurden, auf einem Hauptansatz/Konzept zum Überwachen des Einflusses der „Änderung“ in der Asymmetrie des Dreiphasensystems beruhen, da die Fehler in einer der Phasen auftreten. Parameter wie beispielsweise die Dreiphasenspannungen und -ströme, die der Maschine in der Schaltung bereitgestellt werden, die Mit-, Gegen-, und Nullkomponenten von Spannung und Strom, ein Spannungsungleichgewicht den Motoranschlüssen, und ein Stromungleichgewicht an den Motoranschlüssen können erfasst/analysiert werden, um einen Statorwicklungsfehler in Dreiphasen-Motorschaltungen zu identifizieren - wobei ein windungsübergreifender Fehler eine Änderung der Gegenspannung bewirkt, die identifiziert werden kann.
Es wird im Hinblick auf vorhandene sensorlose Techniken zum Erkennen von Statorwicklungsfehlern, die Gegenparameter (d. h. Gegenspannung) des Motors verwenden, erkannt, dass verschiedene Faktoren eine andere Variation in der Gegenspannung als der windungsübergreifende Fehler selbst bewirken können - wobei diese Faktoren allgemein als „Rauschfaktoren“ bezeichnet werden. Somit hängt die Genauigkeit und Zuverlässigkeit einer windungsübergreifenden Fehlererkennung zumindest teilweise von der Bestimmung eines Rauschfaktorbeitrags zu der Gegenspannung ab, wobei der geschätzte Rauschfaktorbeitrag von einer negativen Gesamtgegenspannung abgezogen wird, um die Gegenspannung aufgrund des windungsübergreifenden Fehlers zu identifizieren.
Bei vorhandenen Statorwicklungsfehler-Erkennungstechniken wurde dieser Rauschfaktorbeitrag unter Verwendung von linearen Optimierungstechniken durchgeführt, wie beispielsweise Techniken der kleinsten mittleren Quadrate (least mean squares (LMS)) und der rekursiven kleinsten Quadrate (recursive least square (RLS)). Jedoch wird erkannt, dass die Gegenparameter nichtlineare Abhängigkeiten von der Last und der Versorgungsspannung besitzen, und damit besitzen lineare Schätztechniken eine schlechte Genauigkeit, wenn es eine Lastvariation gibt. Diese schlechte Genauigkeit in der Rauschfaktorbeitragsschätzung schränkt die geringste Schwere von windungsübergreifenden Fehlern ein, die erkannt werden können, und kann daher zu einer ungenauen und/oder einer fehlenden Identifizierung von einem Auftreten eines Fehlers führen. Obwohl Versuche unternommen wurden, Techniken zu entwickeln, die den Rauschfaktorbeitrag genauer schätzen - einschließlich eines Last-Bin-Ansatzes, eines neuronalen Netzansatzes und der Verwendung komplexer nichtlinearer Gleichungen zum Schätzen des Rauschfaktorbeitrags - waren solche Ansätze rechenintensiv, schwierig zu implementieren und kostspielig.
Es wäre daher wünschenswert, ein System und ein Verfahren bereitzustellen, das fähig ist, einen Rauschfaktorbeitrag zu einer Variation der Gegenspannung genau abzuschätzen, wenn Statorwicklungsfehler erkannt werden. Es wäre auch wünschenswert, dass ein solches System und Verfahren auf eine einfache und kostengünstige Weise implementiert werden.
KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Gemäß einem Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung ist ein Diagnosesystem konfiguriert, um einen Statorwicklungsfehler in einer elektrischen Maschine zu erkennen, die eine Vielzahl von Statorwicklungen umfasst. Das Diagnosesystem schließt einen Prozessor ein, der programmiert ist, um Messungen von Dreiphasenspannungen und -strömen zu empfangen, die der elektrischen Wechselstrommaschine bereitgestellt werden, wobei die Messungen von Spannungs- und Stromsensoren empfangen werden, die der elektrischen Maschine zugeordnet sind. Der Prozessor ist ferner programmiert, Mit-, Gegen- und Nullkomponenten von Spannung und Strom aus den Dreiphasenspannungen und -strömen zu berechnen und einen Rauschfaktorbeitrag und einen Statorfehlerbeitrag zu der Gegenspannung zu identifizieren, wobei der Rauschfaktorbeitrag ein Ungleichgewicht in der elektrischen Maschine umfasst, das aus einem oder mehreren von Mitstrom, Gegenstrom und Mitspannung resultiert. Der Prozessor ist weiterhin so programmiert, dass er einen Statorfehler in der elektrischen Maschine basierend auf dem Statorfehlerbeitrag zu der Gegenspannung erkennt. Beim Identifizieren des Rauschfaktorbeitrags und des Statorfehlerbeitrags zu der Gegenspannung ist der Prozessor ferner programmiert, um einen zweistufigen Initialisierungsalgorithmus durchzuführen, der ein modifiziertes rekursives Verfahren der kleinsten Quadrate (RLS) umfasst, um den Rauschfaktorbeitrag zu identifizieren.
Gemäß einem weiteren Gesichtspunkt der Erfindung schließt ein elektrisches System einen Eingang, der mit einer AC-Quelle verbindbar ist, und einen Ausgang ein, der mit Anschlüssen einer elektrischen Maschine verbindbar sind um dieser eine Dreiphasenleistung bereitzustellen, wobei die elektrische Maschine eine Vielzahl von Statorwicklungen umfasst. Das elektrische System schließt auch ein Diagnosesystem ein, das konfiguriert ist, um einen Statorfehler in den Statorwicklungen der elektrischen Maschine zu identifizieren, wobei das Diagnosesystem einen Prozessor umfasst, der programmiert ist, Messungen von Dreiphasenversorgungsspannungen und -strömen zu empfangen, die der elektrischen Maschine bereitgestellt werden, wobei die Messungen der Dreiphasenversorgungsspannungen und -ströme von Spannungs- und Stromsensoren bereitgestellt werden, die mit der elektrischen Verteilungsschaltung zwischen dem Eingang und dem Ausgang verbunden sind. Der Prozessor ist ferner programmiert, um Mit-, Gegen- und Nullkomponenten für die Versorgungsspannungen und -ströme zu berechnen, Rauschfaktoren in der Gegenspannung zu kompensieren, um eine Gegenspannung eines Statorfehlers zu isolieren, wobei die Rauschfaktoren ein Ungleichgewicht bei der elektrischen Maschine umfassen, das aus einem oder mehreren von Mitstrom, Gegenstrom, und Mitspannung resultiert. Der Prozessor ist weiterhin so programmiert, dass er einen Statorfehler in der elektrischen Verteilungsschaltung basierend auf der Gegenspannung des Statorfehlers identifiziert. Beim Kompensieren von Rauschfaktoren in der Gegenspannung ist der Prozessor ferner programmiert, einen ersten und zweiten Koeffizienten zu schätzen, die eine Funktion des Mitstroms bei einem Basislastwert sind, und mit einem dritten Koeffizienten, der eine Funktion des Mitstroms bei einem Nullwert ist, bei einer Vielzahl von Lastwerten einen Fehler zwischen einer tatsächlichen Gegenspannung und der geschätzten Gegenspannung unter Verwendung der geschätzten ersten und zweiten Koeffizienten und des Nullwertes für den dritten Koeffizienten zu berechnen und den dritten Koeffizienten durch Optimieren des Fehlers zu schätzen.
Gemäß noch einem anderen Gesichtspunkt der Erfindung wird ein Verfahren zum Identifizieren eines windungsübergreifenden Statorfehlers in einer elektrischen Maschine, die eine Vielzahl von Statorwicklungen umfasst, bereitgestellt. Das Verfahren umfasst ein Messen der Dreiphasenspannungen und -ströme, die Anschlüssen einer elektrischen Maschine mittels Spannungs- und Stromsensoren bereitgestellt werden, und ein Veranlassen eines Diagnosesystems, einen windungsübergreifenden Statorfehler in die Statorwicklungen der elektrischen Maschine zu identifizieren, wobei das Veranlassen des Diagnosesystems, den windungsübergreifenden Statorfehler zu identifizieren, ferner ein Empfangen der gemessenen Dreiphasenspannungen und -ströme, die den Anschlüssen der elektrischen Maschine bereitgestellt werden, ein Berechnen einer Mit-, Gegen-, und Nullspannung und eines Mit-, Gegen-, und Nullstroms aus den gemessenen Dreiphasenspannungen und -strömen, ein Kompensieren von Rauschfaktoren in der Gegenspannung, um eine Statorfehler-Gegenspannung zu isolieren, und ein Identifizieren eines windungsübergreifenden Statorfehlers in der elektrischen Maschine basierend auf der Statorfehler-Gegenspannung einschließt. Beim Kompensieren von Rauschfaktoren in der Gegenspannung schließt das Verfahren ferner ein Durchführen einer modifizierten rekursiven Schätzung kleinster Quadrate (RLS) ein, um einen Rauschfaktorbeitrag zu der Gegenspannung zu schätzen.
Aus der folgenden ausführlichen Beschreibung und den Zeichnungen werden verschiedene weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ersichtlich.
Figurenliste
Die Zeichnungen veranschaulichen bevorzugte Ausführungsformen, die derzeit für die Durchführung der Erfindung in Betracht gezogen werden.
In den Zeichnungen:

ist 1 eine schematische Ansicht einer dreiphasigen elektrischen Verteilungsschaltung zur Verwendung mit Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung;
ist 2 ein schematisches Diagramm einer Motorschaltung mit Statorwicklungsfehlern, die darin vorhanden sind, gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
ist 3 ein Flussdiagramm, das eine Technik zum Erkennen von Statorwicklungsfehlern in einer elektrischen Maschine gemäß einer Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht;
ist 4 ein Flussdiagramm, das eine Technik zum Durchführen einer stückweisen Schätzung einer Gegenspannung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht;
ist 5 ein Diagramm, das einen Leistungsvergleich der stückweisen Schätztechnik von 4 gegenüber einer Schätztechnik nach dem Stand der Technik zur Schätzung der Gegenspannung während eines windungsübergreifenden Statorfehlers niedriger Schwere darstellt;
ist 6 ein Flussdiagramm, das einen Fehler einer geschätzten Gegenspannung unter Verwendung jedes der stückweisen Schätztechnik von 4 veranschaulicht.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Ausführungsformen der Erfindung, die hierin dargelegt sind, beziehen sich auf ein System und ein Verfahren zum Durchführen einer stückweisen Schätzung einer Gegenspannung für Zwecke des Erkennens von Statorwicklungsfehlern in elektrischen Maschinen. Das System und das Verfahren schätzen einen nichtlinearen Beitrag von Rauschfaktoren zu Gesamtänderungen von Gegenparametern der elektrischen Maschine, um den Beitrag eines Statorfehlers zu Änderungen in der Gegenspannung genau zu identifizieren.
Bezugnehmend auf 1 ist eine elektrische Dreiphasenverteilungsschaltung 10 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung gezeigt. Die elektrische Verteilungseinheit 10 ist zwischen einem Dreiphasen-AC-Eingang 12a bis 12c und einer Last 14, wie beispielsweise einer elektrischen AC-Maschine, verbunden, um der elektrischen Maschine Schutz bereitzustellen und Leistung aus dem Dreiphasen-AC-Eingang 12a bis 12c zur Abgabe an die Maschine zu konditionieren. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung liegt die elektrische Maschine 14 in der Form eines Induktionsmotors 14 vor und wird daher hierin nachstehend in 1 als Induktionsmotor 14 bezeichnet. Jedoch wird erkannt, dass die elektrischen Maschine 14 zum Beispiel auch ein Generator oder Transformator sein könnte oder eine beliebige andere Last, die durch eine Dreiphasenleistung betrieben werden und in einem industriellen Umfeld nützlich sein kann. Dementsprechend sollten Ausführungsformen der Erfindung nicht auf einen bestimmten Typ der elektrischen Maschine oder des Motors beschränkt werden.
Die elektrische Verteilungsschaltung 10 schließt einen Eingang 16 ein, der mit dem Dreiphasen-AC-Eingang 12a bis 12c verbindbar ist, um Leistung von diesem zu empfangen. Die elektrische Verteilungsschaltung 10 schließt auch einen Dreiphasenausgang 18 ein, der mit Motoranschlüssen 20 des Induktionsmotors verbindbar ist, um dem Induktionsmotor 14 Dreiphasenspannungen und -ströme bereitzustellen. Gemäß einer Ausführungsform kann der Ausgang 18 zum Beispiel mit den Motoranschlüssen 20 bei einem Anschlusskasten 22 der elektrischen Verteilungsschaltung 10 verbunden sein.
Wie ferner in 1 gezeigt, ist eine Vielzahl von Schaltungskomponenten in der elektrischen Verteilungsschaltung 10 eingeschlossen, die zwischen dem Eingang 16 und dem Ausgang 18 positioniert sind, wobei die Schaltungskomponenten einen Schutz vor und Steuerung der Spannung und des Stroms bereitstellen, der von dem Dreiphasen-AC-Eingang 12a bis 12c zur Lieferung an den Induktionsmotor 14 bereitgestellt wird. Eine Anzahl solcher Schutz- und Steuerungskomponenten ist in 1 gezeigt, es wird jedoch erkannt, dass andere Komponenten auch/stattdessen in der elektrischen Verteilungsschaltung 10 gemäß Ausführungsformen der Erfindung eingeschlossen sein könnten. In der in 1 gezeigten Ausführungsform der elektrischen Verteilungsschaltung 10 ist ein Motorsteuerzentrum (motor control center (MCC)) 24 als in der Schaltung eingeschlossen gezeigt. Das Motorsteuerungszentrum 24 kann eine Baugruppe aus einem oder mehreren umschlossenen Sektionen mit einem gemeinsamen Leistungsbus und mit einer Anzahl von Motorsteuerungseinheiten umfassen - wie beispielsweise einer Anzahl von Motorstartern. Das Motorsteuerungszentrum 24 kann auch Antriebe mit variabler Frequenz, programmierbare Controller und Messung einschließen. Dem Betrieb des Motorsteuerungszentrums 24 zugeordnet sind eine Anzahl von Schutzkomponenten/- vorrichtungen, um den Motor 14 zu schützen, einen Kurzschlussschutz bereitzustellen und/oder die Motorschaltung zu isolieren. Zum Beispiel sind Sicherungen 26 und Schütze 28 in der elektrischen Verteilungsschaltung 10 bereitgestellt, wie beispielsweise in einem lokalen elektrischen Feld 30, um einen Kurzschlussschutz und eine Steuerung des Induktionsmotors 14 bereitzustellen. Ein Leistungsschalter 32 und ein Trennschalter 34 sind ebenfalls bereitgestellt, um einen Kurzschlussschutz und eine Isolierung der elektrischen Verteilungsschaltung 10 bereitzustellen.
Es wird erkannt, dass die in 1 gezeigte elektrische Verteilungsschaltung 10 lediglich veranschaulichend für eine elektrische Motorverteilungsschaltung ist, die einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zugeordnet sein kann, und dass Dreiphasen-AC-Schaltungen verschiedener Konfigurationen und Anordnungen stattdessen gemäß Ausführungsformen der Erfindung bereitgestellt werden können.
In Hinblick auf die in FIG: 1 gezeigte elektrische Verteilungsschaltung 10 ist es wünschenswert, in der Lage zu sein, einen Statorwicklungsfehler in dem Induktionsmotor 14 zu erkennen. Statorwicklungsfehler im System können durch eine allmähliche Verschlechterung der Statorwicklungsisolation verursacht werden, die auf eine Kombination aus elektromechanisch kraftinduzierten Vibrationen, hohen dv/dt-Spannungsspitzen, thermischer Überlastung und/oder Verunreinigung zurückzuführen ist. Wenn ein Statorwicklungsfehler auftritt und die Wicklungen des Stators kurzgeschlossen werden, wird in der kurzgeschlossenen Wicklung ein großer Umlauffehlerstrom induziert, der zu einer lokalen thermischen Überlastung führt. Diese lokale thermische Überlastung kann schließlich zum Motorausfall aufgrund von Erdschluss/Phasenisolation oder Drahtbruch innerhalb kurzer Zeit führen, wenn sie unentdeckt bleibt.
Um eine Erkennung eines solchen Statorwicklungsfehlers bereitzustellen, ist ein Diagnosesystem 40 in der elektrischen Verteilungsschaltung 10 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung eingeschlossen. Das Diagnosesystem 40 empfängt eine Eingabe bezüglich der Dreiphasen-Versorgungsspannung und des Stroms, die dem Induktionsmotor 14 bereitgestellt werden. Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform empfängt das Diagnosesystem 40 Spannungs- und Strommessungen, die von Spannungs- und Stromsensoren (allgemein als 41 bezeichnet) erfasst werden, die in einen oder mehrere Motorstarter in der MCC 24 integriert sind; es wird jedoch erkannt, dass separate dedizierte Spannungs- und Stromsensoren in der elektrischen Verteilungsschaltung 10 eingeschlossen sein könnten, um Spannungs- und Stromdaten von einem Ort zwischen dem Eingang 16 und dem Ausgang 18 zu erfassen und sie dem Diagnosesystem 40 bereitzustellen. Wie in 1 gezeigt, empfängt ein Prozessor 42 in dem Diagnosesystem 40 die gemessenen Dreiphasenspannungen und -ströme und ist programmiert, die Daten zu analysieren, um einen Statorwicklungsfehler in dem Induktionsmotor zu identifizieren.
Während das Diagnosesystem 40 den 1 als in der Form eines eigenständigen Produkts/einer eigenständigen Vorrichtung gezeigt ist, wird erkannt, dass ein solches System in eine Schutz- und Steuerungskomponente eingebaut werden könnte, die in der elektrischen Verteilungsschaltung 10 eingeschlossen ist. Das heißt, ein Prozessor 42 mit einem Programm/Algorithmus darauf, das/der die Erkennung von Statorwicklungsfehlern in dem Induktionsmotor 14 ermöglicht, kann sich in einem vorhandenen Anlasser, Relais, Antrieb, Leistungsschalter, Motorsteuerungszentrum und/oder anderem Motorsteuerungs- oder -schutzprodukts in der elektrischen Verteilungsschaltung 10 befinden. Das Diagnosesystem 40 kann somit eine Online-Überwachung der elektrischen Verteilungsschaltung 10 von einem Ort der Verteilungsschaltung oder an einem von der Verteilungsschaltung entfernten Ort bereitstellen.
Während hier nachstehend Ausführungsformen der Erfindung in Hinblick auf den Prozessor 42 des Diagnosesystems 40 beschrieben sind, der programmiert ist, um eine Technik zum Identifizieren eines Statorwicklungsfehlers im Induktionsmotor 14 durchzuführen, wird erkannt, dass der hierin verwendete Begriff „Prozessor“ keine programmierbare Vorrichtung sein muss. Das heißt, es versteht sich, dass der Prozessor 42 (und die damit durchgeführten Schritte), wie im hierin nachstehend beschrieben, auch gleichwertige Hardware und Rechenvorrichtung abdeckt, die die gleichen Aufgaben durchführen.
Gemäß Ausführungsformen der Erfindung wird zu Zwecken des Erkennens des Vorhandenseins eines Spannungsabfalls oder einer Spannungsverstärkung in einer Dreiphasenmotorschaltung das Verfahren symmetrischer Komponenten eingesetzt, um die Analyse der Motorschaltung zu vereinfachen, wenn sie unausgeglichen wird. Die asymmetrischen/unausgeglichenen Zeiger (Spannungen und Ströme) sind als drei symmetrische Sätze von symmetrischen Zeigern dargestellt - der erste Satz weist die gleiche Phasensequenz auf wie das untersuchte System (positive Sequenz, z. B. ABC), der zweite Satz weist die umgekehrten Phasensequenz auf (negative Sequenz, z. B. ACB), und im dritten Satz sind die Zeiger A, B und C in Phase miteinander (Nullsequenz). Im Wesentlichen wandelt dieses Verfahren drei unausgeglichene Phasen in drei unabhängige Quellen um, was die asymmetrische Fehleranalyse lenkbarer macht. Unter Verwendung der Sequenzzeiger von Spannungen und Strömen wird ein Fehlerschweregradindex (fault severity index (FSI)) berechnet, dessen Größe ein Anzeiger der Menge der Spannungsverstärkung oder des Spannungsabfalls in der Schaltung ist und dessen Winkel die Phase oder Phasen angibt, die die Spannungsverstärkung/den Spannungsabfall aufweist/aufweisen.
Ausführungsformen der Erfindung sind für das Erkennen des Vorhandenseins eines widerstandbasierten Fehlers in der elektrischen AC-Maschine bereitgestellt - einschließlich einer deltaverbundenen Motorschaltung oder einer sternverbundenen Motorschaltung. Eine Darstellung einer allgemeinen Induktionsmotorschaltung 44 ist in 2 bereitgestellt. In 2 sind die Versorgungsleitungsspannungen V_a , V_b , V_c ebenso veranschaulicht wie die Phasenspannungen an den Motoranschlüssen V_aM , V_bM , V_cM , die an dem Motor vorhanden sind. Die Motoranschlussspannungen, die vorhanden sind, werden zum Teil durch jeden Statorwicklungsfehler bestimmt, die in den Statorwicklungen 46 von der elektrischen Maschine (auf einer oder mehreren der Phasen) vorhanden sind, die als V_SFa , V_SFb , V_SFc angezeigt werden.
Nun bezugnehmend auf 3 und unter fortgesetzter Bezugnahme auf 1 und 2 wird eine Technik 50 veranschaulicht, die durch den Prozessor 42 des Diagnosesystems 40 implementiert wird, um einen oder mehrere Statorwicklungsfehler in einer delta- oder sternverbundenen elektrischen Verteilungs(motor)schaltung 10 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zu identifizieren, lokalisieren und quantifizieren. Es wird erkannt, dass die Technik 50 zum Identifizieren, Lokalisieren und Quantifizieren von Statorwicklungsfehlern (und die darin eingeschlossenen Schritte) für einen deltaverbundenen Motor und einen sternverbundenen Motor identisch ist.
In einem ersten Schritt der Technik 50 werden in SCHRITT 52 Dreiphasenstrom- und -spannungsmessungen durch den Prozessor 42 empfangen. Gemäß einem Ausführungsbeispiel empfängt der Prozessor 42 Dreiphasenstrom- und -spannungsdaten, wie sie in der MCC gemessen werden (d. h. an einem Erfassungsort zwischen dem Eingang 16 und dem Ausgang 18), wobei die Spannungen und Ströme von der MCC 24 anschließend den Anschlüssen 20 der elektrischen Maschine 14 - wie zum Beispiel einem Induktionsmotor - zugeführt werden. Nach Empfangen der Dreiphasenstrom- und -spannungsmessungen extrahiert der Prozessor 42 dann in SCHRITT 54 die grundlegenden Komponenten der Dreiphasenströme und -spannungen gemäß einer bekannten Technik/einem bekannten Verfahren. SCHRITT 54 ist in 3 gestrichelt dargestellt, da erkannt wird, dass eine Bestimmung der grundlegenden Komponenten zum Durchführen der Technik 50 optional ist - da das Erkennung, Lokalisieren und Quantifizieren eines Statorwicklungsfehlers in der elektrischen Verteilungsschaltung 10 ohne die grundlegenden Komponenten durchgeführt werden kann. Es wird jedoch erkannt, dass eine genauere Analyse der Statorwicklungsfehler durch die Bestimmung und Verwendung der grundlegenden Komponenten erreicht wird, wie hier nachstehend beschrieben.
Wie in 3 gezeigt, fährt die Technik 50 mit dem Berechnen von Sequenzkomponenten der grundlegenden Versorgungsspannungen und -ströme in SCHRITT 56 fort, wobei die Sequenzkomponenten der Spannungen als V_1,2,0 angegeben werden und die Sequenzkomponenten der Ströme als I_1,2,0 angegeben werden, wobei die Mit-, Gegen- und Nullkomponenten jeweils durch 1, 2 und 0 angegeben werden. In Hinblick auf das Bestimmen der Spannungssequenzkomponenten wird erkannt, dass das Kirchhoffsche Spannungsgesetz (Kirchoff's Voltage Law (KVL)) auf die verbundene Verteilungsschaltung angewandt werden kann, um die Beziehung zwischen den Versorgungsleitungsspannungen, Phasenspannungen an den Motoranschlüssen zu beschreiben und die Statorfehler in Gleichungsform als: $[\begin{matrix} V_{a M} \\ V_{b M} \\ V_{c M} \end{matrix}] = [\begin{matrix} V_{a} \\ V_{b} \\ V_{c} \end{matrix}] + [\begin{matrix} V_{S F a} \\ V_{S F b} \\ V_{S F c} \end{matrix}]$
wobei V_aM , V_bM , V_cM die Dreiphasenspannungen über die Motorwicklungen sind, V_a , V_b , V_c die Dreiphasenleitungsspannungen (gemessen an einer Erfassungsstelle) sind und V_SFa , V_SFb , V_SFc die Spannungsverstärkung aufgrund des Statorfehlers in der Phase A, und B bzw. C sind.
Die Mit-, Gegen- und Nullkomponenten-Spannungen können durch Anwenden einer Transformation T auf Gl. 1 erhalten werden. Gemäß einer bestimmten Ausführungsform wird eine Sequenztransformation T verwendet, die definiert ist gemäß: $T = \frac{1}{3} [\begin{matrix} 1 & 1 & 1 \\ 1 & a & a^{2} \\ 1 & a^{2} & a \end{matrix}]$
wobei $a = 1 ∠ 120 = - 0.5 + j \frac{\sqrt{3}}{2}$
(d. h. ein Einheitsvektor in einem Winkel von 120 Grad).
Anwenden der Transformation T auf Gl. 1 ergibt: $T * [\begin{matrix} V_{a M} \\ V_{b M} \\ V_{c M} \end{matrix}] = T * [\begin{matrix} V_{a} \\ V_{b} \\ V_{c} \end{matrix}] + T * [\begin{matrix} V_{S F a} \\ V_{S F b} \\ V_{S F c} \end{matrix}]$
Wenn berücksichtigt wird, dass die Leitungsabfälle in jeder Phase gleich sind (d. h. kein zusätzliches Ungleichgewicht, das durch die Statorwicklungen wahrgenommen wird), kann Gl. 2 umgeschrieben werden zu: $[\begin{matrix} V_{0 M} \\ V_{1 M} \\ V_{2 M} \end{matrix}] = \frac{1}{3} [\begin{matrix} 1 & 1 & 1 \\ 1 & a & a^{2} \\ 1 & a^{2} & a \end{matrix}] [\begin{matrix} V_{a} \\ V_{b} \\ V_{c} \end{matrix}] + \frac{1}{3} [\begin{matrix} 1 & 1 & 1 \\ 1 & a & a^{2} \\ 1 & a^{2} & a \end{matrix}] [\begin{matrix} V_{S F a} \\ V_{S F b} \\ V_{S F c} \end{matrix}]$
wobei V_0M , V_1M und V_2M die Null-, Mit- und Gegenspannungskomponenten an den Motoranschlüssen sind.
Nach Umordnen der Gegengleichung, um die Gegenspannung an den Motoranschlüssen V_2M zu isolieren, ergibt sich: $V_{2 M} = \frac{1}{3} (V_{a} + a^{2} V_{b} + a V_{c}) + \frac{1}{3} (V_{S F a} + a^{2} V_{S F b} + a V_{S F c})$
Gl. 4 wird dann umgeschrieben als: $V_{2 M} = V_{2} + \frac{1}{3} (V_{S F a} + a^{2} V_{S F b} + a V_{S F c})$
wobei V₂ die beobachtete Gegenspannung an der Erfassungsstelle auf der Versorgungsseite ist und V_SFa , V_SFb , V_SFc Spannungsverstärkungen sind, die beobachtet werden, wenn es einen Statorfehler in der Phase A, B bzw. C gibt.
Umordnen von Gl. 5 ergibt: $V_{S F a} + a^{2} V_{S F b} + a V_{S F c} = - 3 (V_{2} - V_{2 M})$
Es wird erkannt, dass die Gegenspannung an den Motoranschlüssen, V_2M , abhängig von Gegenmotorstrom, Versorgungsspannung, Mitstrom (Last) und einem Statorfehler ist.
Somit muss, um einen Statorfehler zu erkennen, eine Gegenspannung für den Gegenmotorstrom, die Versorgungsspannung und die Last kompensiert werden - d. h. „Rauschfaktoren“ - wobei erkannt wird, dass die Nichtlinearitäten dieser Parameter eine Schätzung davon schwierig machen, insbesondere wenn versucht wird, lineare Optimierungstechniken zum Durchführen einer solchen Schätzung zu benutzen. Somit wird, gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung, ein stückweiser Schätzalgorithmus bei SCHRITT 58 durchgeführt, um einen Rauschfaktorbeitrag und einen Statorfehlerbeitrag zu den Gegenparametern zu bestimmen. Eine Vielzahl von Teilschritten werden bei SCHRITT 58 durchgeführt, wie in 4 angegeben, um den Beitrag von Rauschfaktoren zur Gegenspannung zu schätzen, um so ein Entfernen dieser Rauschfaktoren und Isolierung der Gegenspannung des Statorfehlers zu ermöglichen. In einer Ausführungsform und wie unten detaillierter erläutert, umfasst der stückweise Schätzalgorithmus eine modifizierte rekursive Schätzung der kleinsten Quadrate (RLS), die die Nichtlinearitäten der oben dargelegten Rauschfaktoren berücksichtigt.
Um die Gegenspannung an den Motoranschlüssen zu schätzen, wird die Gegenspannung definiert gemäß: $V_{2 M} = K_{1} * I_{2} + K_{2} * V_{1} + K_{3} * I_{1}$
wobei I₁ der Mitstrom, I₂ der Gegenstrom, V₁ die Mitspannung und K₁, K₂, und K₃ Werte sind, die von dem Mitstrom I₁ abhängig sind. Es wird auch verstanden, dass der Gegenstrom, I₂, anhängig vom Mitstrom, I₁, ist, wie beispielsweise gemäß der Funktion: $I_{2} (I_{1}) = I_{2_b a s e} + f (I_{1})$
Da Gleichung 7 eine nichtlineare Gleichung ist, ergibt die Verwendung einer linearen Schätztechnik (z. B. RLS) zum Schätzen von K₁, K₂ und K₃ zusammen keine genaue Schätzung der Gegenspannung. Daher wird, bei Einsetzen des stückweisen Schätzalgorithmus von SCHRITT 58 zum Schätzen von V_2M, angenommen, dass die elektrische Maschine unter zuträglichen Bedingungen arbeitet (d. h. es gibt keinen Statorwicklungsfehler in den Motorwicklungen) - d. h. eine „Initialisierungs“-Stufe.
Zunächst annehmend, dass es keinen Statorwicklungsfehler gibt, ist die Gegenspannung (bei einem Erfassungsort zwischen dem Eingang 16 und Ausgang 18) gleich der Gegenspannung an den Motoranschlüssen (d. H. V₂ = V_2M). So beginnt, während der Initialisierung - annehmend, dass kein Statorwicklungsfehler vorhanden ist - die stückweise Schätzung durch Durchführen eines „ersten Schritts“ einer zweistufigen Optimierung bei SCHRITTEN 60 und 62 des Algorithmus. Bei SCHRITT 60 werden die Koeffizienten K₁ und K₂ für eine konstante Last auf dem Induktionsmotor 14 geschätzt, und K₃ wird auf Null gesetzt, sodass Gl. 7 optimiert werden kann zu: $V_{2 M} = K 1 * I_{2} + K_{2} * V_{1} + K_{2} * I_{1}$
Als ein Beispiel könnte der Induktionsmotor 14 bei einer konstanten Last von 20 % betrieben werden. Dieser Belastungswert ist definiert als ein Basiswert, wie bei SCHRITT 62 angegeben.
Der stückweise Schätzalgorithmus 58 setzt sich fort mit dem Durchführen eines „zweiten Schritts“ des zweistufigen Optimierungsalgorithmus bei den SCHRITTEN 64 und 66. Bei SCHRITT 64 wird der Induktionsmotor 14 in seinem normalen Arbeitszyklus betrieben und eine Berechnung einer Abweichung zwischen einer tatsächlichen Gegenspannung und einer geschätzten Gegenspannung wird durch Verwenden der Werte von K₁ und K₂ vorgenommen, wie sie aus dem ersten Schritt und mit K₃ als Null abgeleitet werden. Bei SCHRITT 66 wird dann K₃ geschätzt durch die Optimierung der Abweichung zu: $A b w e i c h u n g = K_{3} * (I_{1} - I_{1_b a s e})$
wobei I₁ der Mitstrom bei einem vorliegenden Belastungszustand und I_{1_base} der Mitstrom beim Basislastzustand ist.
Vorteilhafterweise stellt die Verwendung des stückweisen Schätzalgorithmus von 4 eine genauere Schätzung des nichtlinearen Gegenparameters zu Zwecken des Identifizierens von windungsübergreifenden Statorfehlern in einem elektrischen System bereit. 5 veranschaulicht einen Leistungsvergleich der stückweisen Schätztechnik gegenüber einer Schätztechnik nach dem Stand der Technik - d. h. eine RLS-Technik - zur Schätzung der Gegenspannung während eines windungsübergreifenden Statorfehlers niedriger Schwere. Wie darin zu sehen ist, wird während einer Initialisierungsperiode, angegeben bei 68, eine konstante Last aufrechterhalten - wobei in Gl. 9 konstante Werte von K₁ und K₂ vorhanden sind. Nach der Initialisierungsperiode wird die Last dann variiert (wie beispielsweise alle vier Darstellungspunkte) und die Gegenspannung des Statorfehlers, V_2SF, wird überwacht, um das Vorhandensein eines windungsübergreifenden Statorfehlers zu identifizieren. Datenpunkte der Gegenspannung des Statorfehlers, die unter einen bestimmten Fehlerschwellenwert 70 fallen und somit einen gesunden Motor anzeigen, werden bei 72 angezeigt, während Datenpunkte der Gegenspannung des Statorfehlers, die über dem festgelegten Fehlerschwellenwert 70 liegen und somit einen fehlerhaften Motor anzeigen, bei 74 angezeigt werden. Wie durch Vergleichen der Datenpunkte der Gegenspannung des Statorfehlers, die unter Verwendung der stückweisen Schätztechnik berechnet werden, mit den Punkten, die unter Verwendung der RLS Technik des Standes der Technik erlangt werden, zu sehen ist, ist zu sehen, dass die Datenpunkte, die einen gesunden Motor veranschaulichen, 72, und die Datenpunkte, die einen fehlerhaften Motor veranschaulichen, 74, stark zwischen die beiden Techniken variieren - wodurch veranschaulicht wird, dass die größere Genauigkeit beim Schätzen der Datenpunkte der Gegenspannung des Statorfehlers, die durch die stückweise Schätztechnik bereitgestellt werden, die Fähigkeit stark verbessern können, genau und zuverlässig windungsübergreifende Statorfehler in einem elektrischen System zu erkennen. Diese Genauigkeit wird weiter in dem Graphen von 6 wiedergegeben, wo zu sehen ist, dass die Abweichung der berechneten Gegenspannung des Statorfehlers, wenn er durch den stückweisen Schätzalgorithmus berechnet wird, der bei 76 angegeben ist, im Vergleich zur Abweichung der berechneten Gegenspannung des Statorfehlers, wenn er durch eine bekannte RLS-Technik berechnet wird, die bei 78 angegeben ist, stark reduziert ist.
Nun wiederum bezugnehmend auf die Technik 50 von 3, nach Beendigung von SCHRITT 58 und dem darin durchgeführten stückweisen Schätzalgorithmus zum Identifizieren von Rauschfaktor und Statorfehlerbeiträgen zu den Gegenparametern, kann Gl. 6 implementiert werden, um die Gegenspannung an den Motoranschlüssen, V_2M , zu bestimmen. Die Gegenspannung aufgrund von nur einem Statorwicklungsfehler, V_2SF , d. h. eine Gegenspannung des Statorfehlers, V_2SF , kann dann in SCHRITT 79 bestimmt werden gemäß: $V_{2 S F} = V_{2} - V_{2 M}$
Durch Einsetzen von Gl. 11 in Gl. 6 kann Gl. 6 kann umgeschrieben werden zu: $V_{S F a} + a^{2} V_{S F b} + a V_{S F c} = - 3 V_{2 S F}$
Gl. 12 kann verwendet werden, um die Zustände und Beziehungen zu quantifizieren und Spannungsverstärkung aufgrund eines Statorwicklungsfehlers in einer einzigen Phase oder mehreren Phasen des deltaverbundenen Motors zu lokalisieren.
Technik 50 fährt dann bei Schritt 80 fort, wo bestimmt wird, ob die Größe der Gegenspannung des Statorfehlers, V_2SF , größer ist als ein Schwellenwert des Spannungspegels, sodass eine Bestimmung, ob die Gegenspannung des Statorfehlers einen Statorfehler in der Verteilungsschaltung 10 anzeigt. Es wird erkannt, dass der Schwellenwert des Spannungspegels in Abhängigkeit vom Schweregrad, bei dem ein Alarm ausgelöst werden soll, eingestellt werden kann, und somit der Schwellenwert ein vordefinierter Wert im Programm sein könnte oder aus Benutzereinstellungen oder unter Verwendung von Benutzereingaben bestimmt werden kann. Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform wird der Spannungsschwellenwert auf 100 mV eingestellt - sodass größere Spannungsabfälle als 100 mV als ein Statorfehler kategorisiert werden - obwohl erkannt wird, dass der Schwellenwert ein höher oder niedriger Wert sein könnte. Wenn bei STEP 80 bestimmt wird, dass die Gegenspannung des Statorfehlers, V_2SF , kleiner als die Schwellenwertspannung ist, wie bei 82 angezeigt, wird bestimmt, dass es keinen Statorfehler in dem System gibt, wie bei SCHRITT 84 angezeigt. Die Technik kehrt dann zu SCHRITT 52 zurück, wobei zusätzliche Dreiphasenstrom- und -spannungsmessungen durch den Prozessor 42 empfangen werden, sodass die Überwachung auf einen Statorfehler fortgesetzt wird.
Wenn andererseits bei SCHRITT 80 bestimmt wird, dass die Größe der Gegenspannung des Statorfehlers, V_2SF , größer ist als die Schwellenwertspannung, wie bei 86 angezeigt, fährt die Technik 50 als SCHRITT 88 fort mit der Berechnung eines Lokalisierungsreferenzphasenwinkels für jede Phase in der Verteilungsschaltung 10/elektrischen Maschine 14. Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform werden die in SCHRITT 88 berechneten Lokalisierungsreferenzphasenwinkel zum Teil durch Verwenden des Phasenwinkels des grundlegenden Stroms abgeleitet, der durch jede jeweilige Phase fließt. Somit kann für die Phase A der Lokalisierungsreferenzphasenwinkel beschrieben werden durch: $_{{}_{r e f}} φ_{2 S F a} = 180 + φ_{f a}$
wobei φ_fa der Winkel der grundsätzlichen Komponente des Phasenstroms ist, der durch die Phase A fließt.
Für die Phase B kann der Lokalisierungsreferenzphasenwinkel beschrieben werden durch: $_{{}_{r e f}} φ_{2 S F b} = 60 + φ_{f b}$
wobei φ_fb der Winkel der grundlegenden Komponente des Phasenstroms ist, der durch die Phase B fließt.
Für die Phase C kann der Lokalisierungsreferenzphasenwinkel beschrieben werden durch: $_{{}_{r e f}} φ_{2 S F c} = 300 + φ_{f c}$
wobei φ_fc der Winkel der grundlegenden Komponente des Phasenstroms ist, der durch die Phase C fließt.
Nach Bestimmung der Lokalisierungsreferenzphasenwinkel bei SCHRITT 88 wird als Nächstes bei SCHRITT 90 eine Berechnung einer Spannungsverstärkung, die einem Statorwicklungsfehler zugeschrieben wird, durchgeführt. Eine Berechnung der Spannungsverstärkung, die bei SCHRITT 90 dem Statorwicklungsfehler zugeschrieben wird, kann alternativ als eine Berechnung einer FSI beschrieben werden - wobei die FSI ein Zeiger mit einer Größe ist, die ein Anzeiger der Menge von Spannungsverstärkung ist, die durch einen Statorwicklungsfehler verursacht wird, und einem Winkel, der die Phase oder Phasen angibt, auf denen die Spannungsverstärkung aufgrund eines Statorwicklungsfehlers vorhanden ist. In Hinblick auf die Größe des FSI-Zeigers, wird die Menge der Spannungsverstärkung aus der Gegenspannung des Statorfehlers, V_2SF , abgeleitet wie in Gl. 11 beschrieben - wobei die Gegenspannung des Statorfehlers nach der Phase heruntergebrochen wird, wie in Gl. 12 beschrieben. Mit Hinblick auf den Winkel des FSI-Zeigers wird/werden die Phase oder Phasen, denen der Statorwicklungsfehler (und die begleitende Spannungsverstärkung) zuzuschreiben ist (d. h. Lokalisieren des Statorwicklungsfehlers) durch einen Vergleich eines Phasenwinkels der Gegenspannung des Statorfehlers mit den Lokalisierungsreferenzphasenwinkeln für jede Phase bestimmt.
Nach dem Quantifizieren und Lokalisieren der Spannungsverstärkung, die einem Statorwicklungsfehler zugeschrieben wird, bei SCHRITT 90 wird bei SCHRITT 92 eine Bedingungsprüfung für den Statorwindungsfehler durchgeführt. Beim Durchführen der Prüfung, werden die Spannungen am Motoranschluss von jeder der Phasen A, B, C aufgrund von nur einem Statorfehler jeweils beschrieben als: $\begin{array}{l} V_{a S F} = V_{1} + V_{2 S F} \\ V_{b S F} = a^{2} * V_{1} + a * V_{2 S F} \\ V_{c S F} = a * V_{1} + a^{2} * V_{2 S F} \end{array}$
wobei V₁ die beobachtete Mitspannung an einem Erfassungsort auf der Versorgungsseite und V_2SF die Gegenspannung des Statorfehlers ist.
Es wird nun bei SCHRITT 92 geprüft, ob für eine Phase, die als einen Statorwicklungsfehler darauf aufweisend identifiziert wird, die Größe einer Spannung, die als nur auf dem Statorfehler über den jeweiligen Motoranschluss beruhend identifiziert wird, für diese Phase größer ist als Spannungen über die anderen Motoranschlüsse, die nur auf einem Statorfehler beruhen.
Für einen Statorwicklungsfehler in Phase A: $| V_{a S F} | > | V_{b S F} |, | V_{c S F} |$
Für einen Statorwicklungsfehler in Phase B: $| V_{b S F} | > | V_{a S F} |, | V_{c S F} |$
Für einen Statorwicklungsfehler in Phase C: $| V_{c S F} | > | V_{a S F} |, | V_{b S F} |$
Diese Bedingungsprüfung bei SCHRITT 92 kann durchgeführt werden, um das Vorhandensein eines Statorwicklungsfehlers für eine bestimmte Phase zu verifizieren.
Vorteilhafterweise stellen die Ausführungsformen der Erfindung somit ein System und Verfahren zum Erkennen von windungsübergreifenden Statorwicklungsfehlern in elektrischen Dreiphasenverteilungsschaltungen durch Verwenden der Dreiphasenspannungen und -ströme bereit, die einer elektrischen Maschine (z. B. einem AC-Motor) zugeführt werden. Da ein windungsübergreifender Statorwicklungsfehler in Dreiphasenmotorschaltungen zu einem Spannungsungleichgewicht an den Motoranschlüssen (d. h. eine Spannungsverstärkung an einem oder mehreren der Anschlüsse) und einem daraus folgendem Stromungleichgewicht führt, kann ein Statorwicklungsfehler über die Analyse und Verarbeitung gemessener Dreiphasenspannungen und -ströme erkannt werden. Ein stückweiser Schätzalgorithmus wird eingesetzt, der eine genauere Schätzung von nichtlinearen Gegenparametern (im Vergleich zu linearen Optimierungstechniken wie beispielsweise LMS und RLS) zu Zwecken des Identifizierens der windungsübergreifenden Statorfehler bereitstellt. Der stückweise Schätzalgorithmus ist weniger rechenintensiv als andere nichtlineare Schätztechniken, die zuvor eingesetzt wurden, sodass er auf eine einfache und kostengünstige Weise implementiert werden kann.
Ein technischer Beitrag für das offenbarte Verfahren und die offenbarte Einrichtung ist, dass es eine prozessorimplementierte Technik zum Erkennen von windungsübergreifenden Statorfehlern in Dreiphasen-AC-Motorschaltungen bereitstellt, wobei eine stückweise Schätztechnik zum Berechnen der Gegenparameter in den Schaltungen eingesetzt wird, die zum genauen Identifizieren solcher Statorfehler notwendig sind.
Daher ist gemäß einer bestimmten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein Diagnosesystem konfiguriert, um einen Statorwicklungsfehler in einer elektrischen Maschine, die eine Vielzahl von Statorwicklungen umfasst, zu erkennen. Das Diagnosesystem schließt einen Prozessor ein, der programmiert ist, um Messungen von Dreiphasenspannungen und -strömen zu empfangen, die der elektrischen Wechselstrommaschine bereitgestellt werden, wobei die Messungen von Spannungs- und Stromsensoren empfangen werden, die der elektrischen Maschine zugeordnet sind. Der Prozessor ist ferner programmiert, Mit-, Gegen- und Nullkomponenten von Spannung und Strom aus den Dreiphasenspannungen und -strömen zu berechnen und einen Rauschfaktorbeitrag und einen Statorfehlerbeitrag zu der Gegenspannung zu identifizieren, wobei der Rauschfaktorbeitrag ein Ungleichgewicht in der elektrischen Maschine umfasst, das aus einem oder mehreren von Mitstrom, Gegenstrom und Mitspannung resultiert. Der Prozessor ist weiterhin so programmiert, dass er einen Statorfehler in der elektrischen Maschine basierend auf dem Statorfehlerbeitrag zu der Gegenspannung erkennt. Beim Identifizieren des Rauschfaktorbeitrags und des Statorfehlerbeitrags zu der Gegenspannung ist der Prozessor ferner programmiert, um einen zweistufigen Initialisierungsalgorithmus durchzuführen, der ein modifiziertes rekursives Verfahren der kleinsten Quadrate (RLS) umfasst, um den Rauschfaktorbeitrag zu identifizieren.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung schließt ein elektrisches System einen Eingang, der mit einer AC-Quelle verbindbar ist, und einen Ausgang, der mit Anschlüssen einer elektrischen Maschine verbindbar ist, ein, um dieser Dreiphasenleistung bereitzustellen, wobei die elektrische Maschine eine Vielzahl von Statorwicklungen umfasst. Das elektrische System schließt auch ein Diagnosesystem ein, das konfiguriert ist, um einen Statorfehler in den Statorwicklungen der elektrischen Maschine zu identifizieren, wobei das Diagnosesystem einen Prozessor umfasst, der programmiert ist, Messungen von Dreiphasenversorgungsspannungen und -strömen zu empfangen, die der elektrischen Maschine bereitgestellt werden, wobei die Messungen der Dreiphasenversorgungsspannungen und -ströme von Spannungs- und Stromsensoren bereitgestellt werden, die mit der elektrischen Verteilungsschaltung zwischen dem Eingang und dem Ausgang verbunden sind. Der Prozessor ist ferner programmiert, um Mit-, Gegen- und Nullkomponenten für die Versorgungsspannungen und -ströme zu berechnen, Rauschfaktoren in der Gegenspannung zu kompensieren, um eine Gegenspannung eines Statorfehlers zu isolieren, wobei die Rauschfaktoren ein Ungleichgewicht bei der elektrischen Maschine umfassen, das aus einem oder mehreren von Mitstrom, Gegenstrom, und Mitspannung resultiert. Der Prozessor ist weiterhin so programmiert, dass er einen Statorfehler in der elektrischen Verteilungsschaltung basierend auf der Gegenspannung des Statorfehlers identifiziert. Beim Kompensieren von Rauschfaktoren in der Gegenspannung ist der Prozessor ferner programmiert, einen ersten und zweiten Koeffizienten zu schätzen, die eine Funktion des Mitstroms bei einem Basislastwert sind, und mit einem dritten Koeffizienten, der eine Funktion des Mitstroms bei einem Nullwert ist, bei einer Vielzahl von Lastwerten einen Fehler zwischen einer tatsächlichen Gegenspannung und der geschätzten Gegenspannung unter Verwendung der geschätzten ersten und zweiten Koeffizienten und des Nullwertes für den dritten Koeffizienten zu berechnen und den dritten Koeffizienten durch Optimieren des Fehlers zu schätzen.
Gemäß noch einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Identifizieren eines windungsübergreifenden Statorfehlers in einer elektrischen Maschine, die eine Vielzahl von Statorwicklungen umfasst, bereitgestellt. Das Verfahren umfasst ein Messen der Dreiphasenspannungen und -ströme, die Anschlüssen einer elektrischen Maschine mittels Spannungs- und Stromsensoren bereitgestellt werden, und ein Veranlassen eines Diagnosesystems, einen windungsübergreifenden Statorfehler in die Statorwicklungen der elektrischen Maschine zu identifizieren, wobei das Veranlassen des Diagnosesystems, den windungsübergreifenden Statorfehler zu identifizieren, ferner ein Empfangen der gemessenen Dreiphasenspannungen und -ströme, die den Anschlüssen der elektrischen Maschine bereitgestellt werden, ein Berechnen einer Mit-, Gegen-, und Nullspannung und eines Mit-, Gegen-, und Nullstroms aus den gemessenen Dreiphasenspannungen und -strömen, ein Kompensieren von Rauschfaktoren in der Gegenspannung, um eine Statorfehler-Gegenspannung zu isolieren, und ein Identifizieren eines windungsübergreifenden Statorfehlers in der elektrischen Maschine basierend auf der Statorfehler-Gegenspannung einschließt. Beim Kompensieren von Rauschfaktoren in der Gegenspannung schließt das Verfahren ferner ein Durchführen einer modifizierten rekursiven Schätzung kleinster Quadrate (RLS) ein, um einen Rauschfaktorbeitrag zu der Gegenspannung zu schätzen.
Die vorliegende Erfindung wurde im Sinne der bevorzugten Ausführungsform beschrieben, und es wird anerkannt, dass Äquivalente, Alternativen und Änderungen, abgesehen von den ausdrücklich genannten, im Rahmen der beigelegten Ansprüche möglich sind.

Claims

Diagnosesystem, das konfiguriert ist, einen Statorwicklungsfehler in einer elektrischen Maschine zu erkennen, die eine Vielzahl von Statorwicklungen umfasst, wobei das Diagnosesystem umfasst: einen Prozessor, der programmiert ist: Messungen von Dreiphasenspannungen und -strömen zu empfangen, die der elektrischen Maschine bereitgestellt werden, wobei die Messungen von Spannungs- und Stromsensoren kommend empfangen werden, die der elektrischen Maschine zugeordnet sind; Mit-, Gegen- und Nullkomponenten von Spannung und Strom aus den Dreiphasenspannungen und -strömen zu berechnen; einen Rauschfaktorbeitrag und einen Statorfehlerbeitrag zu der Gegenspannung zu identifizieren, wobei der Rauschfaktorbeitrag ein Ungleichgewicht in der elektrischen Maschine umfasst, das aus einem oder mehreren von Mitstrom, Gegenstrom und Mitspannung herrührt; und einen Statorfehler in der elektrischen Maschine basierend auf dem Statorfehlerbeitrag zu der Gegenspannung zu erkennen; wobei beim Identifizieren des Rauschfaktorbeitrags und des Statorfehlerbeitrags zu der Gegenspannung der Prozessor ferner programmiert ist, um einen zweistufigen Initialisierungsalgorithmus durchzuführen, der ein modifiziertes rekursives Verfahren der kleinsten Quadrate (RLS) umfasst, um den Rauschfaktorbeitrag zu identifizieren.
Diagnosesystem nach Anspruch 1, wobei beim Erfassen des Statorfehlers in der elektrischen Maschine, der Prozessor ferner programmiert ist: eine Menge an Spannungsverstärkung in den Statorwicklungen basierend auf dem Statorfehlerbeitrag zu der Gegenspannung zu bestimmen; die Spannungsverstärkung mit einem Spannungsschwellenwert zu vergleichen; und wenn die Spannungsverstärkung größer als der Spannungsschwellenwert ist, einen Statorfehler in der elektrischen AC-Maschine zu identifizieren, andernfalls zu bestimmen, dass es keinen Statorfehler in der elektrischen AC-Maschine gibt.
Diagnosesystem nach Anspruch 2, wobei der Prozessor ferner programmiert ist, den Statorwicklungsfehler in der elektrischen Maschine zu identifizieren und den Statorfehler an einer oder mehreren Phasen der elektrischen AC-Maschine zu lokalisieren gemäß: $V_{S F a} + a^{2} V_{S F b} + a V_{S F c} = - 3 V_{2 S F},$
wobei $a = 1 ∠ 120 = - 0 .5 + j \frac{\sqrt{3}}{2},$
V_SFa, V_SFb, V_SFc Spannungsverstärkungen in einer Phase A, B, C sind, die einen Statorfehler anzeigen, und V_2SF der Statorfehlerbeitrag zu der Gegenspannung ist.
Diagnosesystem nach Anspruch 1, wobei der Prozessor ferner programmiert ist, die Gegenspannung zu berechnen gemäß: $V_{2 M} = K_{1} * I_{2} + K_{2} * V_{1} + K_{3} * I_{1},$
wobei I₁ der Mitstrom, I₂ der Gegenstrom, V₁ die Mitspannung und K₁, K₂ und K₃ Koeffizienten sind, die von dem Mitstrom I₁ abhängig sind.
Diagnosesystem nach Anspruch 4, wobei der Prozessor beim Durchführen des zweistufigen Initialisierungsalgorithmus ferner programmiert ist: die Koeffizienten K₁, K₂ für eine konstante Last und unter Annehmen des Koeffizienten K₃ als Null zu schätzen; die konstante Last als die Basislast einzustellen; Bei einer Vielzahl von unterschiedlichen Lasten eine Abweichung zwischen einer tatsächlichen Gegenspannung und einer geschätzten Gegenspannung zu berechnen, wobei die geschätzten Koeffizienten K₁, K₂ bei der Basislast sind und der Koeffizient K₃ bei Null ist; und den Koeffizienten K₃ durch Optimieren der Abweichung zwischen der tatsächlichen Gegenspannung und der geschätzten Gegenspannung zu schätzen.
Diagnosesystem nach Anspruch 5, wobei der Prozessor ferner programmiert ist, den Koeffizienten K₃ zu schätzen durch Optimieren der Abweichung gemäß: $A b w e i c h u n g = K_{3} * (I_{1} - I_{1_b a s e}),$
wobei I₁ der Mitstrom bei einem vorliegenden Belastungszustand und I_{1_base} der Mitstrom beim Basislastzustand ist.
Diagnosesystem nach Anspruch 5, wobei der Prozessor ferner programmiert ist, die Koeffizienten K₁, K₂ für eine konstante Last während einer Initialisierungsperiode zu schätzen, wobei es während der Initialisierungsperiode keinen Statorfehlerbeitrag zu der Gegenspannung gibt.
Diagnosesystem nach Anspruch 1, wobei der Prozessor ferner programmiert ist, grundlegende Komponenten der Dreiphasenspannungen und -ströme zu bestimmen, die der elektrischen AC-Maschine bereitgestellt werden, und wobei die Mit-, Gegen- und Nullkomponenten von Spannung und Strom aus den grundlegenden Komponenten bestimmt werden.
Verfahren zum Identifizieren eines windungsübergreifenden Statorfehlers in einer elektrischen Maschine, die eine Vielzahl von Statorwicklungen umfasst, wobei das Verfahren umfasst: Messen von Dreiphasenspannungen und -strömen, die Anschlüssen einer elektrischen Maschine mittels Spannungs- und Stromsensoren bereitgestellt werden; Veranlassen eines Diagnosesystems, einen windungsübergreifenden Statorfehler in den Statorwicklungen der elektrischen Maschine zu identifizieren, wobei das Veranlassen des Diagnosesystems, die windungsübergreifenden Statorfehler zu identifizieren, umfasst: Empfangen der gemessenen Dreiphasenspannungen und -ströme, die den Anschlüssen der elektrischen Maschine bereitgestellt werden; Berechnen einer Mit-, Gegen- und Nullspannung und eines Mit-, Gegen- und Nullstroms aus den gemessenen Dreiphasenspannungen und -strömen; Kompensieren von Rauschfaktoren in der Gegenspannung, um eine Gegenspannung des Statorfehlers zu isolieren, und Identifizieren eines windungsübergreifenden Statorfehlers in der elektrischen Maschine basierend auf der Gegenspannung des Statorfehlers; wobei das Kompensieren von Rauschfaktoren in der Gegenspannung ein Durchführen einer modifizierten rekursiven Schätzung kleinster Quadrate (RLS) umfasst, um einen Rauschfaktorbeitrag zu der Gegenspannung zu schätzen.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Gegenspannung berechnet wird gemäß: $V_{2 M} = K_{1} * I_{2} + K_{2} * V_{1} + K_{3} * I_{1},$
wobei I₁ der Mitstrom, I₂ der Gegenstrom, V₁ die Mitspannung und K₁, K₂ und K₃ der erste, zweite bzw. dritte Koeffizient sind, die von dem Mitstrom I₁ abhängig sind.
Verfahren nach Anspruch 10, ferner umfassend: Schätzen der Koeffizienten K₁, K₂ für eine konstante Last und unter Annehmen des Koeffizienten K₃ als Null; Einstellen der konstanten Last als die Basislast; Berechnen bei einer Vielzahl von unterschiedlichen Lasten einer Abweichung zwischen einer tatsächlichen Gegenspannung und einer geschätzten Gegenspannung, wobei die berechneten Koeffizienten K₁, K₂ bei der Basislast sind und der Koeffizient K₃ bei Null ist; und Schätzen des Koeffizienten K₃ durch Optimieren der Abweichung zwischen der tatsächlichen Gegenspannung und der geschätzten Gegenspannung.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei der dritte Koeffizient K₃ geschätzt wird durch Optimieren der Abweichung gemäß: $A b w e i c h u n g = K_{3} * (I_{1} - I_{1_b a s e}),$
wobei I₁ der Mitstrom bei einem vorliegenden Belastungszustand und I_{1_base} der Mitstrom beim Basislastzustand ist.
Verfahren von Anspruch 9, wobei das Identifizieren des windungsübergreifenden Statorfehlers ein Berechnen eines Fehlerschweregradindexes (fault severity index (FSI)) umfasst, wobei der FSI einen Spannungszeiger mit einer Größe, die eine Menge einer Spannungsverstärkung oder eines Spannungsabfalls an den Anschlüssen der elektrischen Maschine angibt, und einem Winkel, der die Phase oder Phasen angibt, in denen die Spannungsverstärkung oder der Spannungsabfall vorhanden ist, umfasst.
Verfahren nach Anspruch 13, ferner umfassend ein Lokalisieren des Statorfehlers an einer oder mehreren Phasen der elektrischen Maschine gemäß: $V_{S F a} + a^{2} V_{S F b} + a V_{S F c} = - 3 V_{2 S F},$
wobei $a = 1 ∠ 120 = - 0.5 + j \frac{\sqrt{3}}{2},$
V_SFa, V_SFb, V_SFc Spannungsverstärkungen in einer Phase A, B, C sind, die einen Statorfehler anzeigen, und V_2SF die Gegenspannung des Statorfehlers ist.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Verfahren beim Identifizieren des windungsübergreifenden Statorfehlers in der elektrischen Maschine ferner umfasst: Bestimmen einer Menge an Spannungsverstärkung in den Statorwicklungen basierend auf der Gegenspannung des Statorfehlers; Vergleichen der Spannungsverstärkung mit einem Spannungsschwellenwert; und wenn die Spannungsverstärkung größer als der Spannungsschwellenwert ist, Identifizieren eines windungsübergreifenden Statorfehlers in der elektrischen-Maschine; ansonsten Bestimmen, dass es keinen Statorfehler in der elektrischen Maschine gibt.