DE112019007200T5

DE112019007200T5 - Kurzschluss-Detektionseinrichtung und Kurzschluss-Detektionsverfahren

Info

Publication number: DE112019007200T5
Application number: DE112019007200.5T
Authority: DE
Inventors: Yuji Takizawa; Haruyuki Kometani; Kenta MOTOYOSHI; Atsushi Yamamoto; Susumu Maeda; Nobuaki MUROKI
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2019-04-12
Filing date: 2019-04-12
Publication date: 2021-12-23
Also published as: CN113678007B; US20220146593A1; JPWO2020208812A1; WO2020208812A1; CN113678007A; JP6725765B1

Abstract

Es wird eine Kurzschluss-Detektionseinrichtung angegeben, die Folgendes aufweist: eine Signal-Erfassungseinheit, konfiguriert zum Erfassen, von einem Magnetfluss-Detektor, der konfiguriert ist zum Detektieren eines Magnetflusses, der in einem Luftspalt zwischen einem Rotor und einem Stator der rotierenden elektrischen Maschine erzeugt wird, eines Detektionssignals entsprechend dem Magnetfluss; eine Signal-Verarbeitungseinheit, konfiguriert zum Unterziehen des Detektionssignals, das von der Signal-Erfassungseinheit erfasst wird, einer Filterung zum Entfernen zumindest einer Komponente aus Komponenten ungerader Ordnung, die im Detektionssignal enthalten sind, so dass dadurch ein gefiltertes Signal erzeugt wird, das das Detektionssignal ist, das der Filterung unterzogen ist; und eine Kurzschluss-Detektionseinheit, konfiguriert zum Detektieren eines Kurzschlusses einer Feldwicklung durch Verwendung des gefilterten Signals, das von der Signal-Verarbeitungseinheit erzeugt wird.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kurzschluss-Detektionseinrichtung und ein Kurzschluss-Detektionsverfahren zum Detektieren eines Kurzschlusses einer Feldwicklung einer rotierenden elektrischen Maschine.
Stand der Technik
Als eine Einrichtung, die konfiguriert ist zum Detektieren eines Kurzschlusses einer Feldwicklung eines Turbinengenerators, der ein Beispiel für eine rotierende elektrische Maschine ist, wurde bereits eine Einrichtung vorgeschlagen, die konfiguriert ist zum Detektieren einer Änderung eines Feld-Magnetflusses, die vom Kurzschluss der Feldwicklung hervorgerufen wird, mittels eines Magnetfluss-Detektors, beispielsweise einer Prüfspule, konfiguriert zum Detektieren des Magnetflusses, der in einem Luftspalt zwischen einem Rotor und einem Stator erzeugt wird (siehe z.B. Patentliteratur 1).
Im Gegensatz zu einem intakten Magnetpol, der - aus zwei Magnetpolen des Rotors - der eine Magnetpol ist, in welchem kein Kurzschluss aufgetreten ist, wird hier im Kurzschluss-Magnetpol, der der andere Magnetpol ist, in welchem ein Kurzschluss aufgetreten ist, der Wert des Feld-Magnetflusses verringert, und zwar infolge der Verringerung der Anzahl von Windungen der Feldwicklung. Die in der Patentliteratur 1 beschriebene Einrichtung ist so konfiguriert, dass sie eine solche Eigenschaft nutzt, um diese Verringerung des Wertes des Feld-Magnetflusses zu detektieren, so dass sie dadurch das Auftreten des Kurzschlusses detektiert.
Literaturverzeichnis
Patentliteratur
[PTL 1] JP 58-005682 A
Zusammenfassung der Erfindung
Technisches Problem
In einem solchen Fall verkettet sich in der Prüfspule, die die Verringerung des Magnetflusses detektieren soll, die durch den Kurzschluss der Feldwicklung hervorgerufen wird, ein Haupt-Magnetfluss zusätzlich mit dem Feld-Magnetfluss, der in einer Rotornut erzeugt wird. Der Haupt-Magnetfluss wird durch eine Wechselwirkung zwischen dem Feld-Magnetfluss und einem Anker-Reaktions-Magnetfluss hervorgerufen. Der Feld-Magnetfluss, der in der Rotornut erzeugt wird, ist ein Streu-Magnetfluss, der zwischen benachbarten Rotornuten fließt. Solch ein Magnetfluss wird im Folgenden als „Rotornut-Streu-Magnetfluss“ bezeichnet.
Demzufolge ist der Verringerungswert des Magnetflusses, der durch einen Kurzschluss der Feldwicklung hervorgerufen wird, ein Wert des Magnetflusses, der höchstens einer einzigen Kurzschluss-Windung entspricht. Der Rotornut-Streu-Magnetfluss, der durch die verbleibenden Windungen der Feldwicklung hervorgerufen wird, beträgt im Gegensatz dazu einige Male dessen, der der Anzahl von Windungen für eine einzige Nut entspricht, und außerdem beträgt der Haupt-Magnetfluss einige hundert Male dessen, der der Anzahl von Windungen entspricht, die erhalten werden, indem die Anzahl von Windungen für einige zehn Nuten aufaddiert wird.
Das heißt, ein Kurzschluss-Signal und ein Störungs-Signal, das einige zehn Male bis einige hundert Male dem Kurzschluss-Signal entspricht, sind einem Prüfspulen-Spannungssignal überlagert. Demzufolge kann sich die Genauigkeit zum Detektieren des Kurzschlusses der Feldwicklung verschlechtern, und zwar in Abhängigkeit von den Zuständen der rotierenden elektrischen Maschine.
Die vorliegende Erfindung wurde konzipiert, um die oben erwähnten Problem zu lösen. Es ist ihre Aufgabe, eine Kurzschluss-Detektionseinrichtung und ein Kurzschluss-Detektionsverfahren anzugeben, mit denen ein Kurzschluss einer Feldwicklung mit hoher Genauigkeit detektiert werden kann.
Lösung des Problems
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird eine Kurzschluss-Detektionseinrichtung angegeben, die Folgendes aufweist: eine Signal-Erfassungseinheit, konfiguriert zum Erfassen, von einem Magnetfluss-Detektor, der konfiguriert ist zum Detektieren eines Magnetflusses, der in einem Luftspalt zwischen einem Rotor und einem Stator der rotierenden elektrischen Maschine erzeugt wird, eines Detektionssignals entsprechend dem Magnetfluss; eine Signal-Verarbeitungseinheit, konfiguriert zum Unterziehen des Detektionssignals, das von der Signal-Erfassungseinheit erfasst wird, einer Filterung zum Entfernen zumindest einer Komponente aus Komponenten ungerader Ordnung, die im Detektionssignal enthalten sind, so dass dadurch ein gefiltertes Signal erzeugt wird, das ein Detektionssignal ist, das der Filterung unterzogen worden ist; und eine Kurzschluss-Detektionseinheit, konfiguriert zum Detektieren eines Kurzschlusses einer Feldwicklung der rotierenden elektrischen Maschine durch Verwendung des gefilterten Signals, das von der Signal-Verarbeitungseinheit erzeugt wird.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Kurzschluss-Detektionsverfahren angegeben, das Folgendes aufweist: einen Signal-Erfassungsschritt zum Erfassen, von einem Magnetfluss-Detektor, der konfiguriert ist zum Detektieren eines Magnetflusses, der in einem Luftspalt zwischen einem Rotor und einem Stator einer rotierenden elektrischen Maschine erzeugt wird, eines Detektionssignals entsprechend dem Magnetfluss; einen Signal-Verarbeitungsschritt zum Unterziehen des Detektionssignals, das im Signal-Erfassungsschritt erfasst wird, einer Filterung zum Entfernen zumindest einer Komponente aus Komponenten ungerader Ordnung, die im Detektionssignal enthalten sind, so dass dadurch ein gefiltertes Signal erzeugt wird, das das Detektionssignal ist, das der Filterung unterzogen ist; und einen Kurzschluss-Detektionsschritt zum Detektieren eines Kurzschlusses einer Feldwicklung der rotierenden elektrischen Maschine durch Verwendung des gefilterten Signals, das im Signal-Verarbeitungsschritt erzeugt wird.
Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, die Kurzschluss-Detektionseinrichtung und das Kurzschluss-Detektionsverfahren bereitzustellen, mit welchen der Kurzschluss der Feldwicklung mit hoher Genauigkeit detektiert werden kann.
Figurenliste

1 ist eine Konfigurationsansicht zum Veranschaulichen eines Turbinengenerators, bei welchem eine Kurzschluss-Detektionseinrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet ist.
2 ist eine Ansicht von Magnetfluss-Linien zum Veranschaulichen eines Beispiels einer Magnetfluss-Verteilung, die in einem Luftspalt des Turbinengenerators hervorgerufen werden wird, bei der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
3 ist ein Konfigurationsdiagramm zum Veranschaulichen eines Beispiels einer Hardwarekonfiguration der Kurzschluss-Detektionseinrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
4 zeigt Ansichten von Magnetfluss-Linien zum Veranschaulichen von Beispielen der Magnetfluss-Verteilung in Abhängigkeit von verschiedenen Betriebsbedingungen des Turbinengenerators bei der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
5 zeigt Wellenformdiagramme zum Veranschaulichen von Beispielen eines zu detektierenden Prüfspulen-Spannungssignals in Abhängigkeit von verschiedenen Betriebsbedingungen des Turbinengenerators bei der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
6 ist ein Ablaufdiagramm zum Veranschaulichen einer Kurzschlussdetektionsverarbeitung in einem Vergleichsbeispiel.
7 zeigt Wellenform-Diagramme zum Veranschaulichen des Prüfspulen-Spannungssignals und eines Kurzschluss-Detektionssignals, die von der Kurzschlussdetektionsverarbeitung erhalten werden sollen, im Vergleichsbeispiel.
8 ist ein Ablaufdiagramm zum Veranschaulichen einer Kurzschlussdetektionsverarbeitung bei der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
9 zeigt Graphen zur Darstellung von Frequenzanalyse-Ergebnissen des Prüfspulen-Spannungssignals, das von einer Prüfspule detektiert werden soll, bei der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
10 zeigt Wellenform-Diagramme zum Veranschaulichen des Prüfspulen-Spannungssignals und des Kurzschluss-Detektionssignals, die von der Kurzschlussdetektionsverarbeitung erhalten werden sollen, bei der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
11 ist ein Ablaufdiagramm zum Veranschaulichen einer Kurzschlussdetektionsverarbeitung in einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Beschreibung von Ausführungsformen
Nachstehend werden eine Kurzschluss-Detektionseinrichtung und ein Kurzschluss-Detektionsverfahren gemäß jeder von bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. In der Darstellung der Zeichnungen sind den gleichen Komponenten die gleichen Bezugszeichen zugewiesen, und deren überlappende Beschreibung wird hier weggelassen.
Erste Ausführungsform
1 ist eine Konfigurationsansicht zum Veranschaulichen eines Turbinengenerators, bei welchem eine Kurzschluss-Detektionseinrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet ist. In 1 ist die Konfiguration - bei Betrachtung entlang der Axialrichtung - einer rotierenden elektrischen Maschine, die ein Anwendungsziel der Kurzschluss-Detektionseinrichtung ist, gemeinsam dargestellt. In der ersten Ausführungsform ist ein Turbinengenerator als ein Beispiel für die rotierende elektrische Maschine dargestellt.
Zunächst wird die Konfiguration des Turbinengenerators beschrieben. Wie in 1 veranschaulicht, weist der Turbinengenerator einen Rotor 10 und einen Stator 20 auf. Der Rotor 10 ist so angeordnet, dass er frei drehbar ist. Der Stator 20 ist auf der Außenseite des Rotors 10 angeordnet. Ein Außenumfangsbereich des Rotors 10 und ein Innenumfangsbereich des Stators 20 liegen einander mit einem Luftspalt 30 dazwischen gegenüber. In einem Rotorkern 11 des Rotors 10 sind eine Mehrzahl von Rotornuten 12 ausgebildet. Eine reihengeschaltete Feldwicklung 13 ist in der Mehrzahl von Rotornuten 12 gewickelt.
Die Feldwicklung 13 wird einer DC-Anregung aus einer externen Energieversorgung unterzogen, so dass der Rotorkern 11 in zwei Magnetpole magnetisiert wird. Auf diese Weise werden im Rotorkern 11 zwei Magnetpole 14 gebildet. In 1 sind die Magnetpol-Mittelrichtung 41 und die Zwischenpol-Mittelrichtung 42 dargestellt. Die Magnetpol-Mittelrichtung 41 geht durch die Mittelachse des Rotors 10 und den Mittelpunkt jedes Magnetpols 14. Die Zwischenpol-Mittelrichtung 42 geht durch die Mittelachse des Rotors 10 und den Mittelpunkt zwischen den zwei Magnetpolen 14, die einander in Umfangsrichtung benachbart sind.
In einem Statorkern 21 des Stators 20 sind eine Mehrzahl von Statornuten 22 ausgebildet. Eine Mehrphasen-Wicklung 23 ist in der Mehrzahl von Statornuten 22 gewickelt. Die Mehrphasenwicklung 23 wird einer AC-Erregung unterzogen, so dass ein Rotations-Magnetfeld im Luftspalt 30 hervorgerufen wird. Der in 1 veranschaulichte Turbinengenerator ist ein zweipoliger Generator, der sechsunddreißig Rotornuten 12 und zweiundvierzig Statornuten 22 aufweist. Der Pfeil in der Gegenuhrzeigersinnrichtung in 1 gibt die Rotationsrichtung des Rotors 10 an.
Nachstehend erfolgt unter Bezugnahme auf 2 die Beschreibung eines Zustands des Magnetflusses, der im Luftspalt 30 des Turbinengenerators erzeugt wird, und zwar in dem Fall, in welchem die Betriebsbedingung des Turbinengenerators eine Nennlastbedingung ist, die später beschrieben wird. 2 ist eine Ansicht von Magnetfluss-Linien zum Veranschaulichen eines Beispiels einer Magnetfluss-Verteilung, die im Luftspalt 30 des Turbinengenerators hervorgerufen werden wird, bei der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der Pfeil in 2 gibt die Richtung des Haupt-Magnetflusses an, die eine Richtung von Haupt-Magnetflüssen ist, die später beschrieben werden. In 2 sind die Bezugszeichen nicht dargestellt, so dass der Zustand des Magnetflusses einfach erkannt werden kann.
Wie in 2 gezeigt, gibt es im Luftspalt 30 hauptsächlich Haupt-Magnetflüsse, die aus Feld-Magnetflüssen gebildet werden, die von der Feldwicklung 13 angeregt werden, sowie Anker-Reaktions-Magnetflüsse, die von der Mehrphasen-Wicklung 23 angeregt werden. Der Feld-Magnetfluss ist ein relativ hochfrequenter Magnetfluss, der in der Rotornut 12 erzeugt wird, und er bewegt sich relativ zur Prüfspule 24. Der Anker-Reaktions-Magnetfluss ist ein relativ niederfrequenter Magnetfluss, der in der Mehrphasen-Wicklung 23 erzeugt wird, und er bewegt sich nicht relativ zur Prüfspule 24.
Der Haupt-Magnetfluss fließt zwischen dem Rotor 10 und dem Stator 20. Außerdem gibt es an Positionen im Luftspalt 30, die in Umfangsrichtung bezüglich der Haupt-Magnetfluss-Richtung beabstandet sind, hauptsächlich Rotornut-Streu-Magnetflüsse. Der Rotornut-Streu-Magnetfluss streut heraus und fließt in der Umgebung der Rotornut 12, ohne dass er mit dem Statorkern 21 verkettet. Die Magnetflüsse in der Umgebung des Rotors 10 sind grob unterteilt in die zwei Magnetflüsse aus dem Haupt-Magnetfluss und dem Rotornut-Streu-Magnetfluss.
Wie unter erneuter Bezugnahme auf die Beschreibung in 1 ersichtlich, ist die Prüfspule 24 an einem Teil des Stators 20 befestigt, der dem Luftspalt 30 zugewandt ist. Die Prüfspule 24 ist als ein Magnetdetektor ausgebildet, der konfiguriert ist zum Detektieren des Magnetflusses in Radialrichtung, der im Luftspalt 30 zwischen dem Rotor 10 und dem Stator 20 des Turbinengenerators erzeugt wird. Der Haupt-Magnetfluss und der Rotornut-Streu-Magnetfluss, die im Luftspalt 30 erzeugt werden, verketten mit der Prüfspule 24. Demzufolge wird eine Spannung entsprechend den magnetischen Flüssen, die mit der Prüfspule 24 wechselwirken, zwischen Anschlüssen an beiden Enden der Prüfspule 24 erzeugt.
Die Verteilung der Magnetflüsse, die mit der Prüfspule 24 verketten, variiert einhergehend mit der Rotation des Rotors 10. Demzufolge wird ein Prüfspulen-Spannungssignal entsprechend dem Wert des verkettenden Magnetflusses aus der Prüfspule 24 gemäß dem Rotationswinkel des Rotors 10 ausgegeben.
Eine Kurzschluss-Detektionseinrichtung 100 ist mit der Prüfspule 24 verbunden. Die Kurzschluss-Detektionseinrichtung 100 weist Folgendes auf: eine Signal-Erfassungseinheit 101, eine Signal-Verarbeitungseinheit 102 und eine Kurzschluss-Detektionseinheit 103. Die Signal-Erfassungseinheit 101 ist so konfiguriert, dass sie das Prüfspulen-Spannungssignal von der Prüfspule 24 als ein Detektionssignal erfasst. Die Signal-Verarbeitungseinheit 102 ist so konfiguriert, dass sie das Detektionssignal, das von der Signal-Erfassungseinheit 101 erfasst wird, einer später noch beschriebenen Hochfrequenz-Filterung unterzieht und dadurch ein gefiltertes Signal erzeugt und ausgibt.
Die Kurzschluss-Detektionseinheit 103 ist so konfiguriert, dass sie eine Wellenform der Differenz zwischen dem gefilterten Signal, das von der Signal-Verarbeitungseinheit 102 ausgegeben wird, und einem im Voraus gespeicherten gefilterten Signal in einem intakten Zustand berechnet und den Kurzschluss der Feldwicklung 13 aus der berechneten Wellenform der Differenz detektiert.
Als eine Hardwarekonfiguration der Kurzschluss-Detektionseinrichtung 100 gemäß der ersten Ausführungsform kann beispielsweise die in 3 gezeigte Konfiguration angenommen werden. 3 ist ein Konfigurationsdiagramm zum Veranschaulichen eines Beispiels der Hardwarekonfiguration der Kurzschluss-Detektionseinrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Wie in 3 gezeigt, weist die Kurzschluss-Detektionseinrichtung 100 als Hardwarekonfiguration einen Prozessor 200 und eine Speichereinrichtung 300 auf. Der Prozessor 200 ist so konfiguriert, dass er ein Programm ausführt, das in der Speichereinrichtung 300 gespeichert ist, so dass er dadurch Funktionen der oben beschriebenen Kurzschluss-Detektionseinrichtung 100 implementiert. Die Speichereinrichtung 300 ist aus einem Speicher gebildet, in welchem ein Programm oder dergleichen gespeichert ist, in welchem eine Verarbeitung entsprechend den Funktionen der oben beschriebenen Kurzschluss-Detektionseinrichtung 100 geschrieben ist.
Der Prozessor 200 ist aus einem Prozessor gebildet, der logisch durch eine Hardwareschaltung konfiguriert ist, wie z. B. einen Mikrocomputer, einen digitalen Signalprozessor (DSP) oder einen FPGA. Eine Mehrzahl von Prozessoren 200 und eine Mehrzahl von Speichereinrichtungen 300 können miteinander zusammenarbeiten, um die Funktionen der oben beschriebenen Kurzschluss-Detektionseinrichtung 100 zu implementieren.
Nachstehend erfolgt unter Bezugnahme auf 4 die Beschreibung der Differenz der Magnetfluss-Verteilung in Abhängigkeit von verschiedenen Betriebsbedingungen des Turbinengenerators, die im Luftspalt 30 des Turbinengenerators aus 1 verursacht werden. 4 zeigt Ansichten von Magnetfluss-Linien zum Veranschaulichen von Beispielen der Magnetfluss-Verteilung in Abhängigkeit von verschiedenen Betriebsbedingungen des Turbinengenerators bei der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Ansichten der Magnetfluss-Linien in 4 werden durch Analyse mittels elektromagnetischer Feldanalyse erhalten.
Die Ansicht in 4 (oben) ist eine Ansicht der Magnetfluss-Linien zum Veranschaulichen eines Beispiels der Magnetfluss-Verteilung, die im Luftspalt 30 in dem Fall hervorgerufen wird, in welchem die Betriebsbedingung des Turbinengenerators eine Dreiphasen-Kurzschluss-Bedingung ist. Die Ansicht in 4 (Mitte) ist eine Ansicht der Magnetfluss-Linien zum Veranschaulichen eines Beispiels der Magnetfluss-Verteilung, die im Luftspalt 30 in dem Fall hervorgerufen wird, in welchem die Betriebsbedingung des Turbinengenerators eine Eisenverluste-Bedingung ist. Die Ansicht in 4 (unten) ist eine Ansicht der Magnetfluss-Linien zum Veranschaulichen eines Beispiels der Magnetfluss-Verteilung, die im Luftspalt 30 in dem Fall hervorgerufen wird, in welchem die Betriebsbedingung des Turbinengenerators die Nennlastbedingung ist.
Die Dreiphasen-Kurzschluss-Bedingung ist eine Bedingung, in welcher eine Spannung, die zwischen den Anschlüssen der Mehrphasen-Wicklung 23 erzeugt wird, Null ist, und ein Nennstrom durch die Mehrphasen-Wicklung 23 fließt. Aus 4 ist ersichtlich, dass die Anker-Reaktions-Magnetflüsse so angeregt werden, dass sie die Feld-Magnetflüsse aufheben, und die Rotornut-Streu-Magnetflüsse sind als der Typ der im Luftspalt 30 erzeugten Magnetflüsse dominant.
Die Eisenverluste-Bedingung ist eine Bedingung, in welcher ein Strom, der durch die Mehrphasen-Wicklung 23 fließt, Null ist und eine Nennspannung zwischen den Anschlüssen der Mehrphasen-Wicklung 23 erzeugt wird. Aus 4 ist ersichtlich, dass der Anker-Reaktions-Magnetfluss Null ist und demzufolge die Feld-Magnetflüsse als die Haupt-Magnetflüsse, bei welchen die Magnetfluss-Richtung die Magnetpol-Mittelrichtung 41 ist, als der Typ der im Luftspalt 30 erzeugten Magnetflüsse dominant sind. An Positionen des Luftspalts 30, die um 90° in Umfangsrichtung bezüglich der Magnetpol-Mittelrichtung 41 beabstandet sind, sind die Rotornut-Streu-Magnetflüsse dominant.
Die Nennlastbedingung ist eine Bedingung, bei der eine Nennspannung zwischen den Anschlüssen der Mehrphasen-Wicklung 23 erzeugt wird und ein Nennstrom durch die Mehrphasen-Wicklung 23 fließt. Wie aus 4 ersichtlich, werden an Positionen des Luftspalts 30, die um Winkel voneinander beabstandet sind, die einem Leistungsfaktorwinkel und einem inneren Phasenwinkel in Umfangsrichtung bezüglich der Magnetpol-Mittelrichtung 41 entsprechen, Haupt-Magnetflüsse erzeugt, die aus den Feld-Magnetflüssen und den Anker-Reaktions-Magnetflüssen gebildet sind. An jenen Positionen des Luftspalts 30 sind die Haupt-Magnetflüsse dominant. An Positionen des Luftspalts 30, die weit in Umfangsrichtung bezüglich der Magnetpol-Mittelrichtung 41 beabstandet sind, sind die Rotornut-Streu-Magnetflüsse dominant.
Wie aus 4 ersichtlich, auf die oben Bezug genommen wird, ist bei den Betriebsbedingungen, die von der Dreiphasen-Kurzschluss-Bedingung verschieden sind, d. h. der Eisenverluste-Bedingung und der Nennlastbedingung, die Magnetfluss-Verteilung des Luftspalts 30 im folgenden Zustand. Das heißt, die Haupt-Magnetflüsse belegen die Mehrzahl und sind dominant, und die Rotornut-Streu-Magnetflüsse sind nur in Teilen in der Nähe der Winkel dominant, die in Umfangsrichtung bezüglich der Haupt-Magnetflussrichtung weit beabstandet sind.
Als Nächstes erfolgt unter Bezugnahme auf 5 die Beschreibung von Beispielen des Prüfspulen-Spannungssignals, das von der Prüfspule 24 detektiert werden soll. 5 zeigt Wellenformdiagramme zum Veranschaulichen von Beispielen des zu detektierenden Prüfspulen-Spannungssignals in Abhängigkeit von verschiedenen Betriebsbedingungen des Turbinengenerators bei der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In jedem in 5 gezeigten Graph stellt die horizontale Achse den Rotationswinkel des Rotors 10 dar, und die vertikale Achse stellt das Prüfspulen-Spannungssignal dar. Außerdem können die Signale aus 5 und jeder später zu beschreibenden Figur durch Analyse mittels elektromagnetischer Feldanalyse erhalten werden.
5 zeigt eine Wellenform des zu detektierenden Prüfspulen-Spannungssignals in dem Fall, in welchem die Prüfspule 24 an einer Position angeordnet ist, die um 8,5 mm in Radialrichtung von einer Rotorfläche beabstandet ist, die eine Fläche des Rotors 10 ist, sowie eine Wellenform des zu detektierenden Prüfspulen-Spannungssignals in dem Fall, in welchem die Prüfspule 24 um 50 mm in Radialrichtung von der Rotorfläche beabstandet ist. Außerdem zeigt 5 die Wellenform des Prüfspulen-Spannungssignals, wobei die Betriebsbedingung des Turbinengenerators geteilt ist in jeden von der Dreiphasen-Kurzschluss-Bedingung, der Eisenverluste-Bedingung und der Nennlastbedingung, wie oben beschrieben.
Wie aus 5 ersichtlich, werden in dem Fall, in welchem die Prüfspule 24 nahe an der Rotorfläche angeordnet ist, d. h. in dem Fall, in welchem die Prüfspule 24 an der Position angeordnet ist, die um 8,5 mm in Radialrichtung von der Rotorfläche beabstandet ist, große Hochfrequenz-Variationen von den Rotornut-Streu-Magnetflüssen hervorgerufen. In dem Fall indessen, in welchem die Prüfspule 24 weit von der Rotorfläche entfernt und nahe an der Statorfläche angeordnet ist, d. h. in dem Fall, in welchem die Prüfspule 24 um 50 mm in Radialrichtung von der Rotorfläche beabstandet ist, werden große Niedrigfrequenz-Variationen von den Anker-Reaktions-Magnetflüssen hervorgerufen.
Unter Bezugnahme auf 6 und 7 erfolgt als Nächstes eine Beschreibung der Kurzschlussdetektionsverarbeitung im Vergleichsbeispiel. 6 ist ein Ablaufdiagramm zum Veranschaulichen der Kurzschlussdetektionsverarbeitung in einem Vergleichsbeispiel. In 6 sind Beispiele für die Wellenformen der Prüfspulen-Spannungssignale, die nach dem Verarbeiten der jeweiligen Schritte erhalten werden, zusammen dargestellt. Außerdem zeigt 6 jedes von einem Prüfspulen-Spannungssignal entsprechend einem intakten Zustand, in welchem kein Kurzschluss in der Feldwicklung 13 aufgetreten ist, und einem Prüfspulen-Spannungssignal entsprechend einem Kurzschluss-Zustand, in welchem ein Kurzschluss in der Feldwicklung 13 aufgetreten ist. Außerdem wird angenommen, dass ein Kurzschluss entsprechend einer Windung der Feldwicklung 13 in der Rotornut 12 aufgetreten ist, entsprechend jedem von einem Rotationswinkel θ1 und einem Rotationswinkel 02.
Wie in 6 veranschaulicht, wird im Schritt S11 das Prüfspulen-Spannungssignal von der Prüfspule 24 als das Detektionssignal erfasst. Danach fährt die Verarbeitung mit Schritt S12 fort.
Im Schritt S12 wird das im Schritt S11 erfasste Prüfspulen-Spannungssignal einer Niedrigfrequenz-Filterung unterzogen, bei welcher die niedrigen Frequenzen abgeschnitten werden, die von den Anker-Reaktions-Magnetflüssen hervorgerufen werden. Anschließend wird das Prüfspulen-Spannungssignal, das der Niedrigfrequenz-Filterung unterzogen worden ist, als ein gefiltertes Signal ausgegeben. Als Filter zum Durchführen der Niedrigfrequenz-Filterung wird ein Niedrigfrequenz-Filter verwendet, das so konzipiert ist, dass es die niedrigen Frequenzen abschneidet, die von den Anker-Reaktions-Magnetflüssen hervorgerufen werden. Danach fährt die Verarbeitung mit Schritt S 13 fort.
Im Schritt S13 wird ein Kurzschluss-Detektionssignal erzeugt, indem das gefilterte Signal im intakten Zustand vom gefilterten Signal subtrahiert wird, das im Schritt S12 ausgegeben wird, und dieses Kurzschluss-Detektionssignal wird ausgegeben. Danach fährt die Verarbeitung mit Schritt S14 fort.
Im Schritt S14 werden das Auftreten des Kurzschlusses und die Position der Rotornut 12, an welcher der Kurzschluss aufgetreten ist, auf der Basis des Merkmales eines Scheitelwerts oder dergleichen detektiert, der im Kurzschluss-Detektionssignal auftritt, das im Schritt S13 ausgegeben wird. Danach wird die Verarbeitung beendet.
Unter Bezugnahme auf 7 erfolgt als Nächstes die Beschreibung des Prüfspulen-Spannungssignals und des Kurzschluss-Detektionssignals, die sich in Abhängigkeit der Position der Rotornut 12 ändern, in welcher der Kurzschluss aufgetreten ist. 7 zeigt Wellenform-Diagramme zum Veranschaulichen des Prüfspulen-Spannungssignals und des Kurzschluss-Detektionssignals, die von der Kurzschlussdetektionsverarbeitung erhalten werden sollen, im Vergleichsbeispiel.
7 zeigt Beispiele des Prüfspulen-Spannungssignals und des Kurzschluss-Detektionssignals, die in jedem der folgenden Fälle erhalten werden sollen: (I) ein Kurzschluss ist in einer Rotornut 12 aufgetreten, die in einer Richtung vorhanden ist, in welcher die Haupt-Magnetflüsse kleiner sind als die Rotornut-Streu-Magnetflüsse, und (II) ein Kurzschluss ist in einer Rotornut 12 nahe der Haupt-Magnetflussrichtung aufgetreten. Außerdem können das Prüfspulen-Spannungssignal und das Kurzschluss-Detektionssignal, die in jedem Fall erhalten werden sollen, erhalten werden, wenn die Betriebsbedingung des Turbinengenerators die Nennlastbedingung ist.
Als eine Bedingung der Niedrigfrequenz-Filterung, die an dem Prüfspulen-Spannungssignal durchgeführt werden soll, wird außerdem eine Bedingung angenommen, bei welcher die Komponenten der Rotornut-Streu-Magnetflüsse, die im Prüfspulen-Spannungssignal enthalten sind, ausreichend abgeschnitten sind. Genauer gesagt: Als Bedingung der Niedrigfrequenz-Filterung wird eine Bedingung angenommen, bei welcher eine Komponente 24ter Ordnung und Komponenten mit niedrigeren Ordnungen des Prüfspulen-Spannungssignals abgeschnitten sind. Die Zahl „24“, die als ein spezifisches numerisches Beispiel der Ordnung des Filters gegeben ist, ist ein numerischer Wert, der der Einfachheit halber ausgewählt ist, so dass Rotornut-Ordnungs-Komponenten, die im Prüfspulen-Spannungssignal enthalten sind, ausreichend abgeschnitten werden können.
Das Prüfspulen-Spannungssignal enthält hauptsächlich Komponenten, die von den Anker-Reaktions-Magnetflüssen erzeugt werden, und Rotornut-Ordnungs-Komponenten, die Komponenten sind, die von den Rotornut-Streu-Magnetflüssen erzeugt werden. Die Komponenten, die von den Anker-Reaktions-Magnetflüssen erzeugt werden, enthalten eine Komponente erster Ordnung. Die Rotornut-Ordnungs-Komponenten werden auch als Ordnungen von Raumharmonischen der Rotornuten 12 bezeichnet. Die Rotornut-Ordnungs-Komponenten schließen eine Komponente 47ter Ordnung und eine Komponente 49ter Ordnung ein.
Die oben beschriebene Bedingung wird unter Berücksichtigung solcher Punkte bestimmt. Die Zahlen „47“ und „49“, die als spezifische numerische Werte beispielhaft genannt sind, sind Werte, die eindeutig durch die Spezifikation des Rotors 10 bestimmt sind. Die n-te Ordnung (n = 1, 2, ...) ist hier eine Komponente, die „n“ Male auf der horizontalen Achse in 7 variiert, d. h. für eine Umdrehung des Rotors. Beispielsweise ist die erste Ordnung die Ordnung einer Komponente, die einmal pro Umdrehung des Rotors variiert.
In dem in 7 dargestellten Fall (I) ist in der Nähe des Wertes von 220° auf der horizontalen Achse das Kurzschluss-Detektionssignal im Störungs-Signal versteckt. Auch im Fall (II) - ähnlich zum Fall (I) - ist das Kurzschluss-Detektionssignal im Störungs-Signal versteckt, und es versteht sich, dass das Kurzschluss-Detektionssignal und das Störungs-Signal nicht klar voneinander unterschieden werden können.
Die in 7 veranschaulichten Ergebnisse sind Analyseergebnisse, wie oben beschrieben, aber auch in der tatsächlichen Messung überlagern harmonische Störungen, die von der Umgebung verursacht werden, das Prüfspulen-Spannungssignal und das Kurzschluss-Detektionssignal. Demzufolge können bei der Kurzschlussdetektionsverarbeitung im Vergleichsbeispiel das Kurzschluss-Detektionssignal und das Störungs-Signal nicht klar voneinander unterschieden werden, und es besteht die Gefahr, dass ein Kurzschluss fehlerhaft detektiert wird.
Unter Bezugnahme auf 8 erfolgt als Nächstes die Beschreibung der Kurzschlussdetektionsverarbeitung bei der ersten Ausführungsform. 8 ist ein Ablaufdiagramm zum Veranschaulichen der Kurzschlussdetektionsverarbeitung bei der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In 8 sind Beispiele für die Wellenformen der Prüfspulen-Spannungssignale, die nach dem Verarbeiten der jeweiligen Schritte erhalten werden, zusammen dargestellt.
Außerdem zeigt 8 jedes von einem Prüfspulen-Spannungssignal entsprechend einem intakten Zustand, in welchem kein Kurzschluss in der Feldwicklung 13 aufgetreten ist, und einem Prüfspulen-Spannungssignal entsprechend einem Kurzschluss-Zustand, in welchem ein Kurzschluss in der Feldwicklung 13 aufgetreten ist. Außerdem wird angenommen, dass ein Kurzschluss entsprechend einer Windung der Feldwicklung 13 in der Rotornut 12 aufgetreten ist, entsprechend jedem von einem Rotationswinkel θ1 und einem Rotationswinkel 02.
Wie in 8 veranschaulicht, erfasst im Schritt S21 die Signal-Erfassungseinheit 101 der Kurzschluss-Detektionseinrichtung 100 das Prüfspulen-Spannungssignal von der Prüfspule 24 als ein Detektionssignal entsprechend dem Magnetfluss. Danach fährt die Verarbeitung mit Schritt S22 fort.
Im Schritt S22 unterzieht die Signal-Verarbeitungseinheit 102 das Prüfspulen-Spannungssignal, das im Schritt S21 erfasst wird, einer Hochfrequenz-Filterung, bei welcher zumindest eine von Haupt-Komponenten ungerader Ordnung der Rotornut-Ordnungs-Komponenten entfernt wird, die im Prüfspulen-Spannungssignal enthalten sind. Anschließend erzeugt die Signal-Verarbeitungseinheit 102 ein gefiltertes Signal und gibt es aus, das das Prüfspulen-Spannungssignal ist, das der Hochfrequenz-Filterung unterzogen worden ist. Als Filter zum Durchführen der Hochfrequenz-Filterung wird ein Hochfrequenz-Filter verwendet, das so konzipiert ist, dass es zumindest die Haupt-Komponenten ungerader Ordnung der Rotornut-Ordnungs-Komponenten entfernt. Danach fährt die Verarbeitung mit Schritt S23 fort.
Im Schritt S23 erzeugt die Signal-Verarbeitungseinheit 102 ein Kurzschluss-Detektionssignal, indem es das gefilterte Signal im intakten Zustand von dem im Schritt S22 ausgegebenen gefilterten Signal subtrahiert, und gibt das Kurzschluss-Detektionssignal aus. Danach fährt die Verarbeitung mit Schritt S24 fort.
Im Schritt S24 detektiert die Kurzschluss-Detektionseinheit 103 das Auftreten des Kurzschlusses und die Position der Rotornut 12, an welcher der Kurzschluss aufgetreten ist, auf der Basis des Merkmales eines Scheitelwerts oder dergleichen, der im Kurzschluss-Detektionssignal auftritt, das im Schritt S23 ausgegeben wird. Danach wird die Verarbeitung beendet. Wie oben beschrieben, verwendet die Kurzschluss-Detektionseinheit 103 das gefilterte Signal, das von der Signal-Verarbeitungseinheit 102 erzeugt wird, um den Kurzschluss der Feldwicklung 13 des Turbinengenerators zu detektieren.
Als Nächstes erfolgt unter Bezugnahme auf 9 die Beschreibung der technischen Bedeutung, dass die Signal-Verarbeitungseinheit 102 so konfiguriert ist, dass sie das Prüfspulen-Spannungssignal der oben beschriebenen Hochfrequenz-Filterung unterzieht, und zwar bei der ersten Ausführungsform. 9 zeigt Graphen zur Darstellung von Frequenzanalyse-Ergebnissen des Prüfspulen-Spannungssignals, das von der Prüfspule 24 detektiert werden soll, bei der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Hier wird die technische Bedeutung unter Bezugnahme auf die Wellenformen der Prüfspulen-Spannungssignale entsprechend dem intakten Zustand bzw. dem Kurzschluss-Zustand verifiziert, d. h. dem Fall (II).
9 zeigt die Prüfspulen-Spannungssignale entsprechend jeweils dem intakten Zustand und dem Kurzschluss-Zustand, sowie Frequenzanalyse-Ergebnisse der jeweiligen Prüfspulen-Spannungssignale. Wie aus 9 ersichtlich, ist ein Ergebnis, das erhalten wird, wenn der Feld-Magnetfluss um einen Wert verringert wird, der einer Windung entspricht, einhergehend mit dem Auftreten des Kurzschlusses vernachlässigbar bzw. unerheblich, wenn die Prüfspulen-Spannungssignale miteinander verglichen werden. Dies rührt daher, dass die effektive Anzahl von Windungen, die einige Male der Anzahl der Kurzschluss-Windungen entspricht, noch in derselben Nut verbleibt.
Wie indessen aus 9 ersichtlich, gilt Folgendes: Wenn die Frequenzanalyse-Ergebnisse miteinander verglichen werden, werden Komponenten gerader Ordnung, die Ordnungen haben, die kleiner sind als die Ordnungen der Rotornut-Ordnungs-Komponenten, vom Kurzschluss hervorgerufen. Dies rührt daher, dass die Haupt-Magnetfluss-Verteilung durch den Kurzschluss gestört wird. Mit anderen Worten: Weil die Magnetfluss-Verteilung im Luftspalt zwischen dem intakten Magnetpol und dem kurzgeschlossenen Magnetpol asymmetrisch wird. Jene Komponenten gerader Ordnung sind kleiner als die Anzahl der verbleibenden Windungen, und zwar entsprechend einigen hundert Malen.
Die Komponenten gerader Ordnung haben jedoch die gleiche Phase in der kurzgeschlossenen Nut, und demzufolge haben sie eine große Änderung an der Kurzschlussnut-Position, wenn sie integriert werden. Dies ist der Grund, warum die Auswahl so erfolgt, dass die Hochfrequenz-Filterung zum Entfernen zumindest einer der Haupt-Komponenten ungerader Ordnung der Rotornut-Ordnungs-Komponenten durchgeführt wird, um die Niederfrequenz-Komponenten gerader Ordnung selektiv zu trennen.
Unter Bezugnahme auf 10 erfolgt nachstehend die Beschreibung der Ergebnisse des Falls, in welchem die Kurzschlussdetektionsverarbeitung bei der ersten Ausführungsform auf dem Prüfspulen-Spannungssignal durchgeführt wird, das in jedem von Fall (I) und Fall (II) detektiert werden soll, wie in 7 oben veranschaulicht. 10 zeigt Wellenform-Diagramme zum Veranschaulichen des Prüfspulen-Spannungssignals und des Kurzschluss-Detektionssignals, die von der Kurzschlussdetektionsverarbeitung erhalten werden sollen, bei der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
10 zeigt Beispiele des Prüfspulen-Spannungssignals und des Kurzschluss-Detektionssignals, die in jedem von Fall (I) und Fall (II) erhalten werden sollen, ähnlich denjenigen in der obigen 7.
Als Bedingung der Hochfrequenz-Filterung, die an dem Prüfspulen-Spannungssignal durchgeführt wird, wird außerdem eine Bedingung angenommen, bei welcher Komponenten ungerader Ordnung mit Ordnungen höher als die 24te Ordnung, die im Prüfspulen-Spannungssignal enthalten sind, abgeschnitten werden. Die Zahl „24“, die als ein spezifisches numerisches Beispiel der Ordnung des Filters gegeben ist, ist ein numerischer Wert, der der Einfachheit halber ausgewählt ist, so dass zumindest eine Komponente der Rotornut-Ordnungs-Komponenten, die im Prüfspulen-Spannungssignal enthalten sind, ausreichend abgeschnitten werden kann.
Diese Bedingung wird unter Berücksichtigung der Tatsache bestimmt, dass das Prüfspulen-Spannungssignal Komponenten enthält, die von den Anker-Reaktions-Magnetflüssen hervorgerufen werden, und die die erste Ordnung aufweisen, und die Rotornut-Ordnungs-Komponenten enthält, die die 47te und 49te Ordnung haben. Wenn die Komponenten ungerader Ordnung, die Ordnungen haben, die höher sind als die 24te Ordnung des Prüfspulen-Spannungssignals, abgeschnitten werden, können die Rotornut-Ordnungs-Komponenten, d. h. die Rotornut-Harmonischen, ausreichend entfernt werden.
Wie aus 10 ersichtlich, ist es ersichtlich, dass sogar unter der Bedingung des Falls (II), in welchem der Einfluss der Haupt-Magnetflüsse erhöht ist und es folglich schwierig ist, die Magnetfluss-Verringerung um einen Wert zu erfassen, der einer einzigen kurzgeschlossenen Windung entspricht, das Kurzschluss-Detektionssignal zufriedenstellend unterschieden werden kann. Die Prüfspule 24 nimmt leicht Messstörungen bzw. Messrauschen auf.
Demzufolge kann das Kurzschluss-Detektionsverfahren, das eine große Halbwertsbreite hat und durch die Kurzschlussdetektionsverarbeitung bei der ersten Ausführungsform erhalten wird, leicht von einer Impuls-Störungskomponente unterschieden werden. Daher ist die Kurzschlussdetektionsverarbeitung bei der ersten Ausführungsform ein effizientes Verfahren, das dazu imstande ist, eine fehlerhafte Detektion des Kurzschlusses zu unterbinden.
Es ist effizient, die Kurzschlussdetektionsverarbeitung bei der ersten Ausführungsform beispielsweise auf eine Spezifikation anzuwenden, bei welcher die Anzahl von Windungen der Feldwicklung 13, die um die Rotornuten 12 herum gewickelt sind, groß ist, eine Spezifikation, bei welcher die Anzahl von Rotornuten 12 groß ist, oder dergleichen. Außerdem ist es auch effizient, die Kurzschlussdetektionsverarbeitung bei der ersten Ausführungsform auf eine Betriebsbedingung des Turbinengenerators anzuwenden, bei welcher die Haupt-Magnetflüsse erzeugt werden, eine Betriebsbedingung des Turbinengenerators, bei welcher ein Feldstrom relativ kleiner wird als ein Strom, der durch die Mehrphasen-Wicklung 23 fließt, oder dergleichen.
Außerdem ist es auch effizient, die Kurzschlussdetektionsverarbeitung bei der ersten Ausführungsform auf einen Fall anzuwenden, in welchem ein Kurzschluss in der Rotornut 12 auftritt, die sich in der Nähe der Richtung befindet, in welche der Magnetfluss fließt, einen Fall, in welchem die Prüfspule 24 nahe der Rotorfläche angeordnet ist, einen Fall, in welchem Hochfrequenz-Störungen einer Messeinrichtung selbst infolge der Umgebung groß sind, oder dergleichen.
Wie vorstehend beschrieben, weist gemäß der ersten Ausführungsform die Kurzschluss-Detektionseinrichtung 100 Folgendes auf: Die Signal-Erfassungseinheit 101, die Signal-Verarbeitungseinheit 102 und die Kurzschluss-Detektionseinheit 103. Die Signal-Erfassungseinheit 101 ist konfiguriert zum Erfassen, von der Prüfspule 24, die ein Beispiel für den Magnetfluss-Detektor ist, der konfiguriert ist zum Detektieren des Magnetflusses, der im Luftspalt zwischen dem Rotor 10 und dem Stator 20 der rotierenden elektrischen Maschine erzeugt wird, des Prüfspulen-Spannungssignals, das ein Beispiel für das Detektionssignal entsprechend dem Magnetfluss ist.
Außerdem ist die Signal-Verarbeitungseinheit 102 konfiguriert zum Unterziehen des Detektionssignals, das von der Signal-Erfassungseinheit 101 erfasst wird, der Filterung zum Entfernen zumindest einer Komponente aus den Komponenten ungerader Ordnung der Rotornut-Ordnungs-Komponenten, die im Detektionssignal enthalten sind, so dass dadurch das gefilterte Signal erzeugt wird, das das Detektionssignal ist, das der Filterung unterzogen ist. Die Kurzschluss-Detektionseinheit 103 ist außerdem konfiguriert zum Detektieren des Kurzschlusses der Feldwicklung 13 durch Verwendung des gefilterten Signals, das von der Signal-Verarbeitungseinheit 102 erzeugt wird. Auf diese Weise kann der Kurzschluss der Feldwicklung 13 mit hoher Genauigkeit detektiert werden.
Ungeachtet der Spezifikation des Rotors 10 der rotierenden elektrischen Maschine, der Betriebsbedingung der rotierenden elektrischen Maschine, der Position der Nut, in welcher der Kurzschluss aufgetreten ist, der Anordnungs-Position der Prüfspule und dergleichen, kann der Kurzschluss der Feldwicklung mit hoher Genauigkeit detektiert werden, und zwar sogar unter der Bedingung, in welcher die Detektion des Kurzschlusses bislang schwierig war, und zwar wegen großer Haupt-Magnetflüsse und großer Rotornut-Streu-Magnetflüsse, die von der verbleibenden Feldwicklung erzeugt werden.
Zweite Ausführungsform
Die Konfiguration der Kurzschluss-Detektionseinrichtung gemäß der ersten Ausführungsform, wie oben beschrieben, kann wie folgt modifiziert werden. 11 ist ein Ablaufdiagramm zum Veranschaulichen einer Kurzschlussdetektionsverarbeitung bei einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Wie in 11 gezeigt, erfasst im Schritt S31 die Signal-Erfassungseinheit 101 der Kurzschluss-Detektionseinrichtung 100 das Prüfspulen-Spannungssignal von der Prüfspule 24 als Detektionssignal. Danach fährt die Verarbeitung mit dem Schritt S32 fort.
Im Schritt S32 unterzieht die Signal-Verarbeitungseinheit 102 das im Schritt S31 erfasste Prüfspulen-Spannungssignal einer Frequenzanalyse. Danach fährt die Verarbeitung mit Schritt S33 fort.
Wie vorstehend beschrieben, können mit jedem Prüfspulen-Spannungssignal, das im Schritt S31 erfasst wird und der Frequenzanalyse unterzogen wird, selbst dann, wenn die Spezifikation, beispielsweise die Anzahl von Windungen der Feldwicklung 13 des Turbinengenerators, unklar ist, die Ordnungen der Rotornut-Ordnungs-Komponenten aus den Hauptkomponenten geschätzt werden. Um eine fehlerhafte Detektion des Kurzschlusses zu verhindern, kann außerdem zumindest eine der Komponenten ungerader Ordnung geeignet ausgewählt werden, die eine Filterordnung ist, die ausreichend die Komponenten gerader Ordnung trennen kann. Durch die Frequenzanalyse kann außerdem bestimmt werden, die Komponente welcher Ordnung der Rotornut-Ordnungs-Komponenten im nächsten Schritt abgeschnitten werden soll, ohne dass sie vom Benutzer jedes Mal bestimmt wird.
Im Schritt S33 unterzieht die Signal-Verarbeitungseinheit 102 das im Schritt S31 erfasste Prüfspulen-Spannungssignal einer Hochfrequenz-Filterung, bei welcher zumindest eine von Haupt-Komponenten ungerader Ordnung der Rotornut-Ordnungs-Komponenten entfernt wird. Anschließend gibt die Signal-Verarbeitungseinheit 102 das Prüfspulen-Spannungssignal, das der Hochfrequenz-Filterung unterzogen worden ist, als ein gefiltertes Signal aus. Danach fährt die Verarbeitung mit Schritt S34 fort. Auf diese Weise unterzieht die Signal-Verarbeitungseinheit 102 das Detektionssignal der Frequenzanalyse und führt die Filterung zum Entfernen zumindest einer Komponente der Komponenten ungerader Ordnung durch, die im Detektionssignal enthalten sind, das der Frequenzanalyse unterzogen ist.
Im Schritt S34 erzeugt die Signal-Verarbeitungseinheit 102 ein Kurzschluss-Detektionssignal, indem es das gefilterte Signal im intakten Zustand von dem im Schritt S33 ausgegebenen gefilterten Signal subtrahiert, und gibt das Kurzschluss-Detektionssignal aus. Danach fährt die Verarbeitung mit Schritt S35 fort.
Im Schritt S35 detektiert die Kurzschluss-Detektionseinheit 103 das Auftreten des Kurzschlusses und die Position der Rotornut 12 an welcher der Kurzschluss aufgetreten ist, auf der Basis des Merkmales eines Scheitelwerts oder dergleichen, der im Kurzschluss-Detektionssignal auftritt, das im Schritt S34 ausgegeben wird. Danach wird die Verarbeitung beendet.
Dritte Ausführungsforrn
Die Konfiguration der Kurzschluss-Detektionseinrichtung gemäß der ersten Ausführungsform, wie oben beschrieben, kann wie folgt modifiziert werden. Bei einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die Rotation des Rotors 10 verwendet, um die Kurzschluss-Nut zu detektieren, und zwar durch Verwendung des Detektionssignals des kurzgeschlossenen Magnetpols, in welchem der Kurzschluss der Feldwicklung 13 aufgetreten ist, und das Detektionssignal des intakten Magnetpols, in welchem kein Kurzschluss der Feldwicklung 13 aufgetreten ist.
Ein erstes Modifikationsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist wie folgt. Die Signal-Erfassungseinheit 101 der Kurzschluss-Detektionseinrichtung 100 verwendet die Rotation des Rotors 10, um von der Prüfspule 24 jedes von dem Detektionssignal des intakten Magnetpols und dem Detektionssignal des kurzgeschlossenen Magnetpols zu erfassen. Anschließend unterzieht die Signal-Verarbeitungseinheit 102 jedes von diesen zwei Detektionssignalen einer Hochfrequenz-Filterung und gibt dadurch zwei gefilterte Signale aus. Die Kurzschluss-Detektionseinheit 103 vergleicht die zwei gefilterten Signale miteinander und detektiert so den Kurzschluss der Feldwicklung 13.
Auf diese Weise erzeugt die Signal-Verarbeitungseinheit 102 ein Verzögerungssignal, das erhalten wird, indem ein gegenwärtiges gefiltertes Signal um eine Phase von 180° im elektrischen Winkel verzögert wird. Auf diese Weise vergleicht die Kurzschluss-Detektionseinheit 103 das gegenwärtige gefilterte Signal und das Verzögerungssignal miteinander und detektiert so den Kurzschluss der Feldwicklung 13.
Ein zweites Modifikationsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist wie folgt. Die Signal-Erfassungseinheit 101 der Kurzschluss-Detektionseinrichtung 100 erfasst von der Prüfspule 24 ein gegenwärtiges Detektionssignal und ein vergangenes Detektionssignal, das vom gegenwärtigen Detektionssignal kontinuierlich oder nicht-kontinuierlich ist. Die Signal-Verarbeitungseinheit 102 gibt ein gegenwärtiges gefiltertes Signal und ein vergangenes gefiltertes Signal aus, die erhalten werden, indem das gegenwärtige Detektionssignal und das vergangene Detektionssignal jeweils der Hochfrequenz-Filterung unterzogen werden.
Die Kurzschluss-Detektionseinheit 103 vergleicht die zwei gefilterten Signale miteinander und detektiert so den Kurzschluss der Feldwicklung 13. Auf diese Weise vergleicht die Kurzschluss-Detektionseinheit 103 ein gegenwärtiges gefiltertes Signal mit einem vergangenen gefilterten Signal, das vom gegenwärtigen gefilterten Signal kontinuierlich oder nicht-kontinuierlich ist, so dass sie dadurch den Kurzschluss der Feldwicklung 13 detektiert.
Ein drittes Modifikationsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist wie folgt. Das heißt, in der rotierenden elektrischen Maschine mit zwei Polen sind zwei Prüfspule 24 befestigt und montiert, und zwar an Positionen des Luftspalts 30, die einander um 180° gegenüberliegen. Die Signal-Erfassungseinheit 101 der Kurzschluss-Detektionseinrichtung 100 erfasst zwei Detektionssignale jeweils von den zwei Prüfspulen 24. Die Signal-Verarbeitungseinheit 102 unterzieht jedes der zwei Detektionssignale einer Hochfrequenz-Filterung und gibt so zwei gefilterte Signale aus. Die Kurzschluss-Detektionseinheit 103 vergleicht die zwei gefilterten Signale miteinander und detektiert so den Kurzschluss der Feldwicklung 13.
Auf diese Weise erfasst die Signal-Erfassungseinheit 101 das Detektionssignal von jedem von der Mehrzahl der Prüfspulen 24, die an Positionen angeordnet sind, die voneinander um eine Phase von 180° oder mehr im elektrischen Winkel verschieden sind. Außerdem vergleicht die Kurzschluss-Detektionseinheit 103 gefilterte Signale, die jeweiligen Detektionssignale entsprechen, die von der Signal-Verarbeitungseinheit 102 erzeugt werden, miteinander, so dass sie dadurch den Kurzschluss der Feldwicklung 13 detektiert.
Vierte Ausführungsform
Die Konfiguration der Kurzschluss-Detektionseinrichtung gemäß der ersten Ausführungsform, wie oben beschrieben, kann wie folgt modifiziert werden. Bei einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gilt Folgendes: Wenn die Feldwicklung 13 mit einem Kontaktwiderstand von Null kurzgeschlossen wird, wie bei der oben erwähnten elektromagnetischen Analyse, wird der Magnetfluss verringert, der einer Windung entspricht. Wenn der Kontaktwiderstand nicht Null ist, ist der Verringerungswert des Magnetflusses kleiner als derjenige, der einer Windung entspricht. Außerdem ist der Verringerungswert des Magnetflusses sogar bei der gleichen Kurzschluss-Bedingung verschieden, und zwar zwischen einem Nennlast-Zustand und einem Teillast-Zustand des Feldstroms.
Wenn - wie in diesen Beispielen - ein Schwellenwert mit einem gewissen Wert vorgegeben ist, kann die Kurzschluss-Detektion schwierig werden. Das Signal, das der oben erwähnten Filterung unterzogen ist, hat ein gutes Signal-Störungs-Verhältnis, und ungeachtet der Stärke von dessen Absolutwert ist das Kurzschluss-Detektionssignal klar. Demzufolge wird irgendeines aus dem Signal, das der Filterung mittels der Signal-Verarbeitungseinheit 102 unterzogen wird, oder dem Kurzschluss-Detektionssignal, das von der Signal-Verarbeitungseinheit 102 erzeugt wird, einer Signalverstärkung unterzogen. Wie oben beschrieben, ist die Signal-Verarbeitungseinheit 102 so konfiguriert, dass sie das gefilterte Signal verstärkt.
Auf diese Weise kann der Kurzschluss der Feldwicklung 13 einfach bestimmt werden, und zwar auf der Basis des Signal-Störungs-Verhältnisses oder der Zählungs-Anzahl des Kurzschluss-Detektionssignals. Wenn zumindest eine Komponente der Komponenten gerader Ordnung, die vom Kurzschluss der Feldwicklung 13 hervorgerufen wird, verstärkt wird, kann die Änderung, die durch den Kurzschluss hervorgerufen wird, bezüglich der Komponenten ungerader Ordnung hervorgehoben werden.
Die erste bis vierte Ausführungsform sind als Beispiele der vorliegenden Erfindung beschrieben. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf die Konfigurationen der ersten bis vierten Ausführungsform beschränkt. Innerhalb des Umfangs, der vom Wesen der vorliegenden Erfindung nicht abweicht, können die Konfigurationen der ersten bis vierten Ausführungsform geeignet kombiniert werden, oder sie können teilweise modifiziert oder teilweise dabei Merkmale weggelassen werden.
Bezugszeichenliste

10: Rotor
11: Rotorkern
12: Rotornut
13: Feldwicklung
14: Magnetpol
20: Stator
21: Statorkern
22: Statornut
23: Mehrphasen-Wicklung
24: Prüfspule
30: Luftspalt
41: Magnetpol-Mittelrichtung
42: Zwischenpol-Mittelrichtung
100: Kurzschluss-Detektionseinrichtung
101: Signal-Erfassungseinheit
102: Signal-Verarbeitungseinheit
103: Kurzschluss-Detektionseinheit
200: Prozessor
300: Speichereinrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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.
Zitierte Patentliteratur

JP 58005682 A [0004]

Claims

Kurzschluss-Detektionseinrichtung, die Folgendes aufweist: - eine Signal-Erfassungseinheit, konfiguriert zum Erfassen, von einem Magnetfluss-Detektor, der konfiguriert ist zum Detektieren eines Magnetflusses, der in einem Luftspalt zwischen einem Rotor und einem Stator der rotierenden elektrischen Maschine erzeugt wird, eines Detektionssignals entsprechend dem Magnetfluss; - eine Signal-Verarbeitungseinheit, konfiguriert zum Unterziehen des Detektionssignals, das von der Signal-Erfassungseinheit erfasst wird, einer Filterung zum Entfernen zumindest einer Komponente aus Komponenten ungerader Ordnung von Rotornut-Ordnungs-Komponenten, die im Detektionssignal enthalten sind, so dass dadurch ein gefiltertes Signal erzeugt wird, das das Detektionssignal ist, das der Filterung unterzogen ist; und - eine Kurzschluss-Detektionseinheit, konfiguriert zum Detektieren eines Kurzschlusses einer Feldwicklung der rotierenden elektrischen Maschine durch Verwendung des gefilterten Signals, das von der Signal-Verarbeitungseinheit erzeugt wird.
Kurzschluss-Detektionseinrichtung nach Anspruch 1, wobei die Signal-Verarbeitungseinheit konfiguriert ist zum Unterziehen des Detektionssignals einer Frequenzanalyse und zum Durchführen der Filterung zum Entfernen zumindest einer Komponente aus Komponenten ungerader Ordnung, die im Detektionssignal enthalten sind, das der Frequenzanalyse unterzogen ist.
Kurzschluss-Detektionseinrichtung nach Anspruch 2, wobei die Signal-Verarbeitungseinheit konfiguriert ist zum Verstärken zumindest einer Komponente aus Komponenten gerader Ordnung, die im Detektionssignal enthalten sind, das der Frequenzanalyse unterzogen ist.
Kurzschluss-Detektionseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Kurzschluss-Detektionseinheit konfiguriert ist zum Vergleichen eines gegenwärtigen gefilterten Signals mit einem vergangenen gefilterten Signal, das vom gegenwärtigen gefilterten Signal kontinuierlich oder nicht-kontinuierlich ist, so dass dadurch der Kurzschluss der Feldwicklung detektiert wird.
Kurzschluss-Detektionseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Signal-Verarbeitungseinheit konfiguriert ist zum Erzeugen eines Verzögerungssignals, das erhalten wird, indem ein gegenwärtiges gefiltertes Signal um eine Phase von 180° im elektrischen Winkel verzögert wird, und wobei die Kurzschluss-Detektionseinheit konfiguriert ist zum Vergleichen des gegenwärtigen gefilterten Signals und des Verzögerungssignals miteinander, so dass dadurch ein Kurzschluss der Feldwicklung detektiert wird.
Kurzschluss-Detektionseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Signal-Erfassungseinheit konfiguriert ist zum Erfassen von Detektionssignalen von jedem von einer Mehrzahl der Magnetfluss-Detektoren, die an Positionen angeordnet sind, die voneinander um eine Phase von 180° oder mehr im elektrischen Winkel verschieden sind, und wobei die Kurzschluss-Detektionseinheit konfiguriert ist zum Vergleichen von gefilterten Signalen miteinander, die den jeweiligen Detektionssignalen entsprechen, die von der Signal-Verarbeitungseinheit erzeugt werden, so dass dadurch der Kurzschluss der Feldwicklung detektiert wird.
Kurzschluss-Detektionseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Signal-Verarbeitungseinheit konfiguriert ist zum Verstärken des gefilterten Signals.
Kurzschluss-Detektionseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Magnetfluss-Detektor konfiguriert ist zum Detektieren eines Magnetflusses in Radialrichtung.
Kurzschluss-Detektionsverfahren, das Folgendes aufweist: - einen Signal-Erfassungsschritt zum Erfassen, von einem Magnetfluss-Detektor, der konfiguriert ist zum Detektieren eines Magnetflusses, der in einem Luftspalt zwischen einem Rotor und einem Stator einer rotierenden elektrischen Maschine erzeugt wird, eines Detektionssignals entsprechend dem Magnetfluss; - einen Signal-Verarbeitungsschritt zum Unterziehen des Detektionssignals, das im Signal-Erfassungsschritt erfasst wird, einer Filterung zum Entfernen zumindest einer Komponente aus Komponenten ungerader Ordnung, die im Detektionssignal enthalten sind, so dass dadurch ein gefiltertes Signal erzeugt wird, das das Detektionssignal ist, das der Filterung unterzogen ist; und - einen Kurzschluss-Detektionsschritt zum Detektieren eines Kurzschlusses einer Feldwicklung der rotierenden elektrischen Maschine durch Verwendung des gefilterten Signals, das im Signal-Verarbeitungsschritt erzeugt wird.