DE112021007230T5

DE112021007230T5 - Kurzschluss-detektionseinrichtung für rotierende elektrische maschine

Info

Publication number: DE112021007230T5
Application number: DE112021007230.7T
Authority: DE
Inventors: Yuji Takizawa; Atsushi Yamamoto; Susumu Maeda
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2021-03-10
Filing date: 2021-03-10
Publication date: 2024-01-04
Also published as: WO2022190236A1; JPWO2022190236A1; JP6949287B1; CN116918242A

Abstract

Eine Kurzschluss-Detektionseinrichtung (100) für eine rotierende elektrische Maschine (10) weist Folgendes auf: eine Signalverarbeitungseinrichtung (60), die eine Signalerfassungseinheit (61), eine Signalzerlegungseinheit (62), eine Verringerungseinheit (63) für spezifische Frequenzkomponenten, eine Signal-Umwandlungseinheit (64) und eine Kurzschluss-Detektionseinheit (65) aufweist; und einen Magnetdetektor (50), der innerhalb eines Stators (20) platziert ist und einen Kurzschluss einer Feldwicklung (32) detektiert. Die Signalzerlegungseinheit (62) zerlegt ein Spannungssignal von der Signalerfassungseinheit (61) in eine Mehrzahl von Frequenzkomponenten verschiedener Ordnungen. Die Verringerungseinheit (63) für spezifische Frequenzkomponenten verringert die Frequenzkomponenten für ungeradzahlige Ordnungen und Frequenzkomponenten für geradzahlige Ordnungen höher als ein Schwellenwert kleiner als die Grundordnung einer Nut-Harmonischen. Die Signal-Umwandlungseinheit (64) führt eine Umwandlung in ein Spannungssignal durch. Die Kurzschluss-Detektionseinheit (65) erzeugt eine Differenz-Wellenform zwischen den Spannungssignalen entsprechend den Magnetpolen und detektiert den Kurzschluss der Feldwicklung (32) und eine Kurzschluss-Position von diesem.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kurzschluss-Detektionseinrichtung für eine rotierende elektrische Maschine.
Stand der Technik
Um einen Kurzschluss zu detektieren, der an einer Feldwicklung einer rotierenden elektrischen Maschine auftritt, wird bei beispielsweise einer herkömmlichen Konfiguration, die in Patentdokument 1 beschrieben ist, die Änderung des Magnetflusses des Feldes infolge des Kurzschlusses einer Feldwicklung eines Rotors von einer Sonde detektiert, die darin eine Induktionswicklung aufweist. Die Sonde ist mit einem solchem Mechanismus versehen, der es erlaubt, dass die Sonde in der Radialrichtung durch einen Kühlluftstrom-Kanal gleitet, der in der Axialrichtung eines Statorkerns vorhanden ist, so dass kein Hindernis zu der Zeit der Herausnahme oder Wiedereinführung des Rotors besteht. Während des Betriebs einer rotierenden elektrischen Maschine ist die Sonde fixiert, so dass sie nahe dem Rotor verläuft, und zwar in einem Spalt.
Literaturverzeichnis
Patentdokument
Patentdokument 1: Japanisches Patent Nr. JP 2 825 373 B
Zusammenfassung der Erfindung
Mit der Erfindung zu lösende Probleme
In der herkömmlichen Konfiguration, die in Patentdokument 1 beschrieben ist, ist es notwendig, einen beweglichen Mechanismus zu haben, der es ermöglicht, dass die Sonde gleitet, sowie eine Sonden-Struktur mit einer ausreichenden Festigkeit gegen die Vibration infolge der Kühl-Luft, die im Spalt zwischen dem Stator und dem Rotor strömt, und eine komplizierte große Struktur ist notwendig, um den Kurzschluss der Feldwicklung zu detektieren.
Die vorliegende Erfindung wurde konzipiert, um die oben genannten Probleme zu lösen. Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Kurzschluss-Detektionseinrichtung für eine rotierende elektrische Maschine anzugeben, die dazu imstande ist, einen Kurzschluss einer Feldwicklung eines Rotors zuverlässig zu detektieren, während sie klein ist und eine einfache Konfiguration aufweist.
Lösung der Probleme
Eine Kurzschluss-Detektionseinrichtung für eine rotierende elektrische Maschine gemäß der vorliegenden Erfindung weist Folgendes auf: einen Magnetdetektor, der so platziert ist, dass er einer Feldwicklung gegenüberliegt, die an einer Mehrzahl von Nuten eines Rotors der rotierenden elektrischen Maschine angeordnet ist; und eine Signalverarbeitungseinrichtung zur Verarbeitung eines Signals vom Magnetdetektor, und zum Detektieren des Kurzschlusses der Feldwicklung. Der Magnetdetektor ist innerhalb eines Stators platziert, der mit einem Spalt vom Rotor angeordnet ist. Die Signalverarbeitungseinrichtung weist Folgendes auf: eine Signalerfassungseinheit, die ein Spannungssignal erfasst, das das Signal vom Magnetdetektor ist; eine Signalzerlegungseinheit, die das Spannungssignal zerlegt, das von der Signalerfassungseinheit erfasst wird, und zwar in eine Mehrzahl von Frequenzkomponenten mit verschiedenen Ordnungen; eine Verringerungseinheit für spezifische Frequenzkomponenten, die unter der Mehrzahl von Frequenzkomponenten eine Frequenzkomponente für eine ungeradzahlige Ordnung und eine Frequenzkomponente für eine geradzahlige Ordnung höher als einen Schwellenwert zerlegt, der auf eine Ordnung niedriger als eine Grundordnung einer Nut-Harmonischen vorgegeben ist, die eine Harmonische ist, die eine Korrelation mit dem Abstandswert der Mehrzahl von Nuten aufweist; eine Signal-Umwandlungseinheit, die eine Mehrzahl von Frequenzkomponenten, die aus der Verringerungseinheit für spezifische Frequenzkomponenten ausgegeben werden, in ein Spannungssignal umwandelt; und eine Kurzschluss-Detektionseinheit, die das Spannungssignal, das von der Signal-Umwandlungseinheit umgewandelt wird, in Spannungssignale für die jeweiligen Umfangsrichtungs-Winkel um den Rotor teilt, die jeweils einer Mehrzahl von Magnetpolen des Rotors entsprechen, und eine Differenz-Wellenform zwischen den Spannungssignalen entsprechend angrenzenden Magnetpole unter der Mehrzahl von Magnetpolen erzeugt. Auf der Basis der Form der Differenz-Wellenform detektiert die Kurzschluss-Detektionseinheit den Kurzschluss der Feldwicklung und schätzt die Position in Umfangsrichtung um den Rotor, wo der Kurzschluss aufgetreten ist.
Wirkung der Erfindung
Die Kurzschluss-Detektionseinrichtung für eine rotierende elektrische Maschine gemäß der vorliegenden Erfindung kann zuverlässig einen Kurzschluss einer Feldwicklung eines Rotors detektieren, während sie eine kleine und einfache Konfiguration hat.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen

1 ist ein Konfigurationsdiagramm, das eine rotierende elektrische Maschine und eine Kurzschluss-Detektionseinrichtung gemäß Ausführungsform 1 zeigt.
2 veranschaulicht die Position einer Prüfspule gemäß Ausführungsform 1.
3 zeigt den Bereich der Position einer Prüfspule bezogen auf die Magnetflussdichte, gemäß Ausführungsform 1.
4 ist ein Wellenform-Diagramm, das ein Beispiel eines Spannungssignals zeigt, das von einer Signalerfassungseinheit gemäß Ausführungsform 1 erfasst wird.
5 ist ein Spektrum-Graph, der ein Frequenzspektrum von Amplituden-Komponenten eines Spannungssignals zeigt, das durch Frequenzanalyse mittels einer Signalzerlegungseinheit erhalten wird, gemäß Ausführungsform 1.
6 ist ein Spektrum-Graph, der ein Frequenzspektrum von Amplituden-Komponenten nach der Verringerungs-Verarbeitung durch eine Verringerungseinheit für spezifische Frequenzkomponenten zeigt, gemäß Ausführungsform 1.
7 zeigt ein Spannungssignal, das von einer Signal-Umwandlungseinheit umgewandelt ist, gemäß Ausführungsform 1.
8 zeigt eine Differenz-Wellenform, die von einer Kurzschluss-Detektionseinheit erhalten wird, gemäß Ausführungsform 1.
9 zeigt eine Differenz-Wellenform, die von einer Kurzschluss-Detektionseinheit erhalten wird, in einem Vergleichsbeispiel.
10 ist ein Konfigurationsdiagramm, das ein Beispiel für Hardware zum Implementieren von Funktionen einer Signalverarbeitungseinrichtung zeigt, gemäß Ausführungsform 1.
11 ist ein Konfigurationsdiagramm, das ein weiteres Beispiel für Hardware zum Implementieren von Funktionen der Signalverarbeitungseinrichtung zeigt, gemäß Ausführungsform 1.
12 ist ein Konfigurationsdiagramm, das eine rotierende elektrische Maschine und eine Kurzschluss-Detektionseinrichtung gemäß Ausführungsform 2 zeigt.

Beschreibung von Ausführungsformen
Ausführungsform 1
Nachfolgend wird eine Ausführungsform unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
1 ist ein Konfigurationsdiagramm, das eine rotierende elektrische Maschine und eine Kurzschluss-Detektionseinrichtung gemäß Ausführungsform 1 zeigt. In Ausführungsform 1 wird ein elektrischer Turbinengenerator 10 als die rotierende elektrische Maschine verwendet. In 1 ist der elektrische Turbinengenerator 10 im Querschnitt senkrecht zur Axialrichtung des elektrischen Turbinengenerators 10 gezeigt.
Wie in 1 gezeigt, weist der elektrische Turbinengenerator 10 einen Stator 20 als Anker und einen Rotor 30 als Feldsystem auf. Der Stator 20 weist einen zylindrischen Statorkern 21 und eine Multiphasenwicklung 22 auf. Der Stator 20 ist auf der Außenseite des Rotors 30 angeordnet.
Die Axialrichtung des Statorkerns 21 ist die Richtung entlang der Achse des Statorkerns 21 und senkrecht zur Zeichenebene in 1. Die Radialrichtung des Statorkerns 21 ist die Radialrichtung eines Kreises, der auf der Achse des Statorkerns 21 zentriert ist Die Umfangsrichtung des Statorkerns 21 ist die Richtung entlang eines Bogens, der auf der Achse des Statorkerns 21 zentriert ist.
In einem Innenumfangs-Teil des Statorkerns 21 ist eine Mehrzahl von Statornuten 23 ausgebildet. Jede Statornut 23 ist entlang der Radialrichtung des Statorkerns 21 ausgebildet. Die Mehrzahl von Statornuten 23 sind mit einem gleichmäßigen Abstandsmaß bzw. Abstandswert in der Umfangsrichtung des Statorkerns 21 angeordnet. In Ausführungsform 1 ist die Gesamtanzahl von Statornuten 23 vierundachtzig. Die Multiphasenwicklung 22 ist durch die Mehrzahl von Statornuten 23 gewickelt.
Der Rotor 30 weist einen Rotorkern 31, eine Feldwicklung 32 und eine rotierende Welle (nicht dargestellt) auf. Der Rotorkern 31 und die rotierende Welle sind koaxial mit dem Statorkern 21 angeordnet. Der Rotor 30 ist um die rotierende Welle drehbar.
Die Axialrichtung des Rotorkerns 31 ist die Richtung entlang der Achse O des Rotorkerns 31 und senkrecht zur Zeichenebene in 1. Die Radialrichtung des Rotorkerns 31 ist die Radialrichtung eines Kreises, der auf der Achse O des Rotorkerns 31 zentriert ist. Die Umfangsrichtung des Rotorkerns 31 ist die Richtung entlang eines Bogens, der auf der Achse O des Rotorkerns 31 zentriert ist.
In einem Außenumfangs-Teil des Rotorkerns 31 ist eine Mehrzahl von Rotornuten 33 ausgebildet. Jede Rotornut 33 ist entlang der Radialrichtung des Rotorkerns 31 ausgebildet.
In Ausführungsform 1 ist die Mehrzahl von Rotornuten 33 in eine erste Nutgruppe 34 und eine zweite Nutgruppe 35 geteilt. Die erste Nutgruppe 34 und die zweite Nutgruppe 35 weisen jeweils sechzehn Rotornuten 33 auf. Das heißt, die Gesamtanzahl von Rotornuten 33 beträgt zweiunddreißig.
In der ersten Nutgruppe 34 und der zweiten Nutgruppe 35 ist die Mehrzahl von Rotornuten 33 mit einem gleichmäßigen Abstandsmaß bzw. Abstandswert in der Umfangsrichtung des Rotorkerns 31 angeordnet. Der Abstandswert der Rotornuten 33 ist der Abstand zwischen den Mittelpunkten von zwei Rotornuten 33 in Breitenrichtung, die in der Umfangsrichtung des Rotorkerns 31 aneinandergrenzen bzw. benachbart sind. Der Abstandswert der Rotornuten 33 in Ausführungsform 1 beträgt 7,42°, wenn er durch den Umfangsrichtung-Winkel um den Rotorkern 31 ausgedrückt wird. Nachfolgend wird der Abstandswert der Rotornuten 33 als ein Rotornut-Abstandswert Sp bezeichnet.
Ein erster Magnetpol 36 und ein zweiter Magnetpol 37 sind zwischen der ersten Nutgruppe 34 und der zweiten Nutgruppe 35 ausgebildet. In 1 ist die strichpunktierte Linie, die durch die Achse O des Rotorkerns 31 geht und die Mittelpunkte des ersten Magnetpols 36 und des zweiten Magnetpols 37 in der Umfangsrichtung des Rotors 30 geht, nachfolgend als eine Magnetpol-Zentrumslinie C1 bezeichnet. Die erste Nutgruppe 34 und die zweite Nutgruppe 35 sind symmetrisch bezogen auf die Magnetpol-Zentrumslinie C1 angeordnet.
Eine strichpunktierte Linie, die durch die Achse O des Rotorkerns 31 und die Mittelpunkte der ersten Nutgruppe 34 und der zweiten Nutgruppe 35 in der Umfangsrichtung des Rotorkerns 31 geht, wird nachfolgend als eine Inter-Pol-Zentrumslinie C2 bezeichnet.
Die Mehrzahl von Rotornuten 33 wird jeweils als eine erste Nut, eine zweite Nut, .., eine achte Nut bezeichnet, und zwar in der Reihenfolge von der Seite nahe der Magnetpol-Zentrumslinie C1 aus. Mit anderen Worten: Die Mehrzahl von Rotornuten 33 werden jeweils als eine erste Nut, eine zweite Nut, ..., eine achte Nut bezeichnet, und zwar in der Reihenfolge von der Seite weit weg von der Inter-Pol-Zentrumslinie C2 aus.
In der Mehrzahl von Rotornuten 33 ist die Feldwicklung 32 so gewickelt, dass sie zwischen der ersten Nutgruppe 34 und der zweiten Nutgruppe 35 über die Magnetpol-Zentrumslinie C1 hinweg hin- und hergeht. Von der Feldwicklung 32 sind Teile, die sich in angrenzenden Rotornuten 33 befinden, miteinander in Reihe geschaltet.
Die Feldwicklung 32 wird mit einem Gleichstrom aus einer externen Energieversorgung (nicht dargestellt) erregt. Folglich wird einer von dem ersten Magnetpol 36 und dem zweiten Magnetpol 37 ein N-Pol, und der andere wird ein S-Pol. Das heißt, der elektrische Turbinengenerator 10 ist ein elektrischer Generator mit zwei Polen.
Ein Spalt 40 wird zwischen dem Statorkern 21 und dem Rotorkern 31 gebildet. Die Multiphasenwicklung 22 wird mit einem Wechselstrom aus einer externen Energieversorgung (nicht dargestellt) erregt. Folglich wird ein rotierendes Magnetfeld im Spalt 40 erzeugt.
Eine Kurzschluss-Detektionseinrichtung 100 dient zum Detektieren des Kurzschlusses der Feldwicklung 32 des elektrischen Turbinengenerators 10, und sie weist Folgendes auf: eine Suchspule oder Prüfspule 50 als Magnetdetektor, eine Signalverarbeitungseinrichtung 60 zur Verarbeitung eines Detektionssignals von der Prüfspule 50, und eine Anzeigeeinrichtung 70. Die Prüfspule 50 ist innerhalb des Stators 20 platziert, und in diesem Fall ist sie in einer Statornut 23 des Statorkerns 21 fixiert. Die Prüfspule 50 liegt der Feldwicklung 32 gegenüber, wobei der Spalt 40 dazwischen besteht.
Der Haupt-Magnetfluss und ein Streu-Magnetfluss verketten mit der Prüfspule 50. Der Haupt-Magnetfluss ist der Magnetfluss, der im Spalt 40 erzeugt wird, und der Streu-Magnetfluss ist der Magnetfluss, der aus jeder Rotornut 33 streut. Der Magnetfluss, der mit der Prüfspule 50 verkettet, wird als Verkettungs-Magnetfluss bezeichnet.
Die Prüfspule 50 hat einen ersten Anschluss 51 und einen zweiten Anschluss 52. Wenn der Magnetfluss mit der Prüfspule 50 verkettet, wird ein Spannungssignal als Detektionssignal zwischen dem ersten Anschluss 51 und dem zweiten Anschluss 52 induziert. Die Verteilung des Verkettungs-Magnetflusses in der Prüfspule 50 schwankt einhergehend mit der Rotation des Rotors 30.
Die Signalverarbeitungseinrichtung 60 weist als Funktionsblöcke Folgendes auf: eine Signalerfassungseinheit 61, eine Signalzerlegungseinheit 62, eine Verringerungseinheit 63 für spezifische Frequenzkomponenten, eine Signal-Umwandlungseinheit 64 und eine Kurzschluss-Detektionseinheit 65.
Die Signalerfassungseinheit 61 erfasst ein Spannungssignal, das in der Prüfspule 50 induziert wird. Die Signalzerlegungseinheit 62 zerlegt das Spannungssignal, das von der Signalerfassungseinheit 61 erfasst wird, in eine Mehrzahl von Frequenzkomponenten mit verschiedenen Ordnungen. Außerdem trennt die Signalzerlegungseinheit 62 jede zerlegte Frequenzkomponente in Amplitude und Phase.
Die Verringerungseinheit 63 für spezifische Frequenzkomponenten gibt als einen Schwellenwert die Ordnung einer Frequenzkomponente vor, die niedriger als eine Grundordnung einer Nut-Harmonischen ist. Die Nut-Harmonische ist eine Harmonische, die eine Korrelation mit dem Rotornut-Abstandswert Sp hat.
Außerdem verringert die Verringerungseinheit 63 für spezifische Frequenzkomponenten die Frequenzkomponenten für ungeradzahlige Ordnungen und die Frequenzkomponenten für geradzahlige Ordnungen, die höher als der Schwellenwert sind, unter der getrennten bzw. separierten Amplituden.
Die Signal-Umwandlungseinheit 64 summiert sämtliche Phasen und Amplituden, die nach der Verringerungs-Verarbeitung durch die Verringerungseinheit 63 für spezifische Frequenzkomponenten erhalten werden, für die jeweiligen Ordnungen der Frequenzkomponenten. Dadurch werden sie in ein Spannungssignal umgewandelt, und zwar nach der Verringerung für die spezifischen Frequenzkomponenten.
Die Kurzschluss-Detektionseinheit 65 teilt das umgewandelte Spannungssignal nach der Verringerung der spezifischen Frequenzkomponenten in Spannungssignale für den jeweiligen Umfangsrichtungs-Winkel um den Rotor 30, der jeweils dem ersten Magnetpol 36 und dem zweiten Magnetpol 37 des Rotors 30 entspricht. Außerdem erzeugt die Kurzschluss-Detektionseinheit 65 eine Differenz-Wellenform zwischen den Spannungssignalen entsprechend dem ersten Magnetpol 36 und dem zweiten Magnetpol 37. Dann detektiert auf der Basis Der Form der Differenz-Wellenform die Kurzschluss-Detektionseinheit 65 den Kurzschluss der Feldwicklung 32 und schätzt die Position in der Umfangsrichtung um den Rotor 30, wo der Kurzschluss der Feldwicklung 32 aufgetreten ist.
Ferner gibt die Kurzschluss-Detektionseinheit 65 eine Information darüber aus, ob oder ob nicht der Kurzschluss der Feldwicklung 32 aufgetreten ist, und die Position der Rotornut 33, wo der Kurzschluss aufgetreten ist, und zwar an die Anzeigeeinrichtung 70.
Die Anzeigeeinrichtung 70 ist außerhalb der Signalverarbeitungseinrichtung 60 angeordnet. Die Anzeigeeinrichtung 70 zeigt an, ob oder ob nicht der Kurzschluss der Feldwicklung 32 aufgetreten ist, sowie die Position der Rotornut 33, wo der Kurzschluss aufgetreten ist, auf der Basis der Information von der Kurzschluss-Detektionseinheit 65.
Die Anzeigeeinrichtung 70 kann außerhalb der Kurzschluss-Detektionseinrichtung 100 angeordnet sein.
Die Prüfspule 50, die in der Statornut 23 platziert ist, wird nachfolgend beschrieben.
2 veranschaulicht die Position der Prüfspule 50. Wie in 2 gezeigt, ist die Prüfspule 50 an einem Statorkeil 24 fixiert, der innerhalb der Statornut 23 zwischen zwei Zähnen 25 angeordnet ist. Der Statorkeil 24 ist aus einem nichtmagnetischen Material gebildet und an der Außenseite (Öffnungsseite) der Multiphasenwicklung 22 innerhalb der Statornut 23 angeordnet. Die Prüfspule 50 ist ebenfalls auf der Außenseite der Multiphasenwicklung 22 innerhalb der Statornut 23 platziert.
Der Radialrichtungs-Abstand y von der Radialrichtungs-Position der Öffnungsfläche der Statornut 23, d. h. der Radialrichtungs-Position eines Zahn-Endes 21A, zu der Position, wo die Prüfspule 50 platziert ist, ist kleiner als der Radialrichtungs-Abstand d von der Radialrichtungs-Position des Zahn-Endes 21A zu der Fläche der Multiphasenwicklung 22. Also ist 0 < y < d erfüllt.
Wenn der Strom, der durch die Feldwicklung 32 fließt zunimmt, nimmt der Haupt-Magnetfluss ebenfalls zu, und daher erreicht der Statorkern 21 allmählich die magnetische Sättigung. Da ein Magnetfluss aus dem magnetisch gesättigten Statorkern 21 zur Statornut 23 streut, wird der Einfluss der Änderung des Magnetfluss-Werts des Haupt-Magnetflusses, der irrelevant für den Kurzschluss der Feldwicklung 32 ist, größer als der Einfluss der Änderung des Magnetfluss-Werts, der durch den Kurzschluss hervorgerufen wird. Im Ergebnis wird es schwierig, die Tatsache akkurat zu detektieren, dass der Kurzschluss aufgetreten ist, oder die Position der Rotornut 33, wo der Kurzschluss aufgetreten ist.
3 zeigt den Bereich der Position der Prüfspule bezogen auf die Magnetflussdichte.
Hier gilt Folgendes: Unter der Bedingung, dass der Strom der Feldwicklung 32 allmählich erhöht wird, bis der Statorkern 21 magnetisch gesättigt ist, ist der Positionsbereich Sxy der Prüfspule 50 bezogen auf die Magnetflussdichte am Zahn-Ende 21A des Statorkerns 21 benachbart zur Statornut 23 gezeigt. Die Vertikalachse gibt die maximale Magnetflussdichte x [T] (T: Tesla) am Zahn-Ende 21A an Die Horizontalachse gibt als Prozentwert (%) das Verhältnis (y/d) des Radialrichtung-Abstands y zu der Position an, wo die Prüfspule 50 platziert ist, und zwar relativ zum Radialrichtung-Abstand d zur Fläche der Multiphasenwicklung 22, vom Zahn-Ende 21A als Referenz einer Radialrichtungs-Position.
Wie im Graphen gezeigt, ist die Prüfspule 50 in einem Bereich platziert, wo das Verhältnis (y/d) innerhalb 0 bis 100% liegt, und wird durch eine Funktion f(x) der maximalen Magnetflussdichte x begrenzt. Der Positionsbereich Sxy ist ein solcher Positionsbereich der Prüfspule 50, dass eine fehlerhafte Detektion des Kurzschlusses nicht auftritt, und zwar innerhalb der Statornut 23. Die Funktion f(x) wurde durch Simulation eines Nichtlast-Betriebszustands des elektrischen Turbinengenerators 10 in 1 erzeugt. Das heißt, die Funktion f(x) ist so vorgegeben, dass der Kurzschluss der Feldwicklung 32 nicht fehlerhaft detektiert wird, unter der Bedingung, bis der Statorkern 21 magnetisch gesättigt ist.
Hier bedeutet eine fehlerhafte Detektion, dass das Auftreten des Kurzschlusses der Feldwicklung 32 und dessen Kurzschluss-Position fehlerhaft detektiert werden. Die Einzelheiten davon werden später beschrieben.
Die Funktion f(x) wird durch den folgenden Ausdruck unter Verwendung der maximalen Magnetflussdichte x [T] dargestellt. $f (x) = 801 \times 5,9 ((1,5 - x) (5,9)) + 3,6$
Im Allgemeinen ist es wahrscheinlicher, dass in einem Bereich, wo die Magnetflussdichte am Zahn 25 größer als 1 T ist, magnetische Sättigung auftritt, und zwar verglichen mit einem Bereich, der nicht größer als 1 T ist, und infolge der allgemeinen magnetischen Eigenschaften von gestapelten Stahlblechen des des Statorkerns 21 nimmt der gestreute Magnetfluss stark exponentiell zu, wenn die Magnetflussdichte zunimmt. Das heißt, auch in der vorliegenden Ausführungsform gilt Folgendes: Wenn die Magnetflussdichte zunimmt, die auf der Vertikalachse in 3 gezeigt ist, nimmt der Streu-Magnetfluss vom Zahn 25 zur Statornut 23 zu. Wenn der Streu-Magnetfluss relativ zum Magnetfluss des Feldes vom Rotor 30 zunimmt, wirkt der Streu-Magnetfluss als Störung gegen den Magnetfluss des Feldes, detektiert von der Prüfspule 50.
Daher gilt Folgendes: Wenn die Magnetflussdichte zunimmt, wird der Positionsbereich Sxy der Prüfspule 50 schmaler.
Beispielsweise in einem Fall, in dem die Kurzschluss-Detektion is unter der Betriebsbedingung durchgeführt wird, dass die maximale Magnetflussdichte x [T] nicht größer als 0,8 ist, kann der Ort, wo der Kurzschluss der Feldwicklung 32 aufgetreten ist, ohne fehlerhafte Detektion geschätzt werden, ungeachtet welchen Wert das Verhältnis (y/d), das die Position der Prüfspule 50 angibt, von 0 bis 100% annimmt.
Indessen wird beispielsweise in einem Fall, wo die Kurzschluss-Detektion unter der Betriebsbedingung durchgeführt wird, dass die maximale Magnetflussdichte x [T] nicht kleiner als 1,0 ist, das Verhältnis (y/d), das die Position der Prüfspule 50 angibt, so vorgegeben, dass es kleiner als 20% ist, um den Kurzschluss-Ort normal ohne fehlerhafte Detektion zu schätzen.
In der Statornut 23, um die ein Magnetmaterial mit nichtlinearen Magneteigeschaften vorhanden ist, nimmt der Einfluss der Änderung des Magnetfluss-Werts, der irrelevant für den Kurzschluss der Feldwicklung 32 ist, in Richtung der Nut-Unterseite auf der Außenumfangsseite zu. Daher wird in einem Fall, in dem die Detektion des Kurzschlusses Der Feldwicklung 32 unter der Betriebsbedingung durchgeführt wird, dass die Magnetflussdichte hoch ist, die Prüfspule 50 nahe der Nutöffnung platziert, um die herum der Wert des Magnetmaterials klein ist und wo die Änderung des Magnetfluss-Werts infolge des Kurzschlusses der Feldwicklung 32 groß ist.
Als nächstes wird die Signalverarbeitungseinrichtung 60 der Kurzschluss-Detektionseinrichtung 100 detaillierter unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
4 ist ein Wellenform-Diagramm, das ein Beispiel eines Spannungssignals zeigt, das von der Signalerfassungseinheit 61 erfasst wird. Dieses Wellenform-Diagramm wurde durch Simulation eines Nichtlast-Betriebszustands des elektrischen Turbinengenerators 10 in 1 unter Verwendung eines Analyseprogramms für das elektromagnetische Feld erhalten.
Die Simulation wurde unter der Bedingung ausgeführt, dass beispielsweise nur eine Windung der Feldwicklung 32 kurzgeschlossen ist, und zwar in der zweiten Nut auf Seiten des ersten Magnetpols 36. Daher ist ein Beispiel, das unten unter Bezugnahme auf das Wellenform-Diagramm in 4 beschrieben ist, ein Fall, in dem nur eine Windung der Feldwicklung 32 kurzgeschlossen ist, und zwar in der zweiten Nut auf Seiten des ersten Magnetpols 36.
Wie in 4 gezeigt, entspricht beispielsweise der Umfangsrichtung-WinkelBereich von 0° bis 180° dem ersten Magnetpol 36, und der Umfangsrichtung-WinkelBereich von 180° bis 360° entspricht dem zweiten Magnetpol 37. Daher ist beim Umfangsrichtung-Winkel 90° das Zentrum des ersten Magnetpols 36 der Prüfspule 50 am nächsten, und beim Umfangsrichtung-Winkel 270° ist das Zentrum des zweiten Magnetpols 37 der Prüfspule 50 am nächsten. In dem Wellenform-Diagramm in 4 treten zweiunddreißig Spannungsschwankungen auf Basis des Rotornut-Abstandswerts Sp auf, d. h auf der Basis von 7.42°.
5 ist ein Spektrum-Graph, der ein Frequenzspektrum von Amplituden-Komponenten eines Spannungssignals zeigt, das durch Frequenzanalyse mittels der Signalzerlegungseinheit 62 erhalten wird. Die Horizontalachse gibt die Ordnung n einer Harmonischen an, und eine Säule in dem Säulendiagramm in 5 gibt eine Ordnung an. In 5 sind die Harmonischen bis zur 110-ten Ordnung gezeigt. Hier ist n eine Ganzzahl nicht kleiner als 1. Harmonische für Ordnungen nicht kleiner als 111 sind nicht dargestellt, da deren Amplituden klein sind. Die Vertikalachse gibt die Intensität der Spannung der Harmonischen für jede Ordnung an.
Wie in 5 gezeigt, ist die Spannungsintensität einer Harmonischen für eine ungeradzahlige Ordnung größer als die Spannungsintensität einer Harmonischen für eine geradzahlige Ordnung. Die Harmonischen für ungeradzahlige Ordnungen treten ungeachtet dessen auf, ob oder ob nicht ein Kurzschluss an der Feldwicklung 32 aufgetreten ist. Andererseits treten Harmonische für geradzahlige Ordnungen auf, wenn ein Kurzschluss an der Feldwicklung 32 aufgetreten ist.
Unter den Harmonischen für ungeradzahlige Ordnungen ist die Spannungsintensität der Harmonischen erster Ordnung besonders groß. Die Harmonische erster Ordnung wird auch Fundamentalwelle genannt, und sie ist eine Frequenzkomponente des Haupt-Magnetflusses.
Unter den Harmonischen für ungeradzahlige Ordnungen hat die Harmonische 47-ter Ordnung eine größere Spannungsintensität als die Harmonischen in ihrer Umgebung. Die Harmonische 47-ter Ordnung ist eine Nut-Harmonische und ist eine Harmonische, die eine Korrelation mit dem Rotornut-Abstandswert Sp aufweist. Die 47-te Ordnung ist die Grundordnung der Nut-Harmonischen. Die Nut-Harmonische tritt infolge der Differenz zwischen der Durchflutung bzw. magnetomotorischen Kraft erster Ordnung des Rotors 30 und der Permeanzänderung des Rotornut-Abstandswerts Sp auf. Die Permeanz ist der Umwandlungskoeffzient von der Durchflutung zur Magnetflussdichte. In diesem Fall beträgt die Differenz zwischen der Ordnung der Durchflutung und der Ordnung der Permeanz 47, was die Ordnung der Nut-Harmonischen ist.
Die Harmonischen für Ordnungen nicht kleiner als 48 sind Harmonische entsprechend Abstandwerten schmaler als der Rotornut-Abstandswert Sp, d. h. Winkel kleiner als der Rotornut-Abstandswert Sp in der Umfangsrichtung. Die Frequenzkomponenten entsprechend Winkeln kleiner als der Rotornut-Abstandswert Sp sind nicht notwendigerweise Komponenten zum Schätzen der Kurzschluss-Position der Feldwicklung 32. Demzufolge wählt die Verringerungseinheit 63 für spezifische Frequenzkomponenten eine Ordnung kleiner als 47 aus, und zwar als eine Ordnung des Schwellenwerts zum Entfernen von Frequenzkomponenten für geradzahlige Ordnungen. Dann entfernt die Verringerungseinheit 63 für spezifische Frequenzkomponenten die Frequenzkomponenten für sämtliche geradzahligen Ordnungen größer als der ausgewählte Schwellenwert.
Die Spannungsintensität der Nut-Harmonischen ist höher als die Spannungsintensität der Frequenzkomponente für eine ungeradzahlige Ordnung näher an der Nut-Harmonischen. Daher wird eine Frequenzkomponente für eine geradzahlige Ordnung näher an der Ordnung der Nut-Harmonischen mehr von der Nut-Harmonischen beeinflusst, und es ist wahrscheinlicher, dass sie instabil ist. Demzufolge ist es bevorzugt, dass der Schwellenwert so vorgegeben ist, dass die Frequenzkomponenten für geradzahlige Ordnungen entfernt werden, die mehr von der Nut-Harmonischen beeinflusst werden.
Außerdem wird eine Frequenzkomponente für eine ungeradzahlige Ordnung ein Faktor, der die Detektion einer Frequenzkomponente für eine geradzahlige Ordnung behindert. Indessen enthält eine Frequenzkomponente für eine ungeradzahlige Ordnung Informationen, die notwendig sind, um den Umfangsrichtung-Winkel zu identifizieren. Genauer gesagt: Dass eine Frequenzkomponente für eine ungeradzahlige Ordnung enthalten ist, ermöglicht es, zu bestimmen, auf welcher der Magnetpol-Seiten der Kurzschluss aufgetreten ist.
Daher ist es nicht erwünscht, dass Frequenzkomponenten für ungeradzahlige Ordnungen vollständig entfernt werden, um die Kurzschluss-Position der Feldwicklung 32 zu schätzen. Demzufolge dämpft die Verringerungseinheit 63 für spezifische Frequenzkomponenten die Frequenzkomponenten für ungeradzahlige Ordnungen, anstelle sie vollständig zu entfernen.
Genauer gesagt: In Ausführungsform 1 gibt die Verringerungseinheit 63 für spezifische Frequenzkomponenten den Schwellenwert auf 12 vor und entfernt die Frequenzkomponenten für geradzahlige Ordnungen nicht kleiner als 14. Außerdem dämpft die Verringerungseinheit 63 für spezifische Frequenzkomponenten die Frequenzkomponenten für sämtliche ungeradzahligen Ordnungen. In diesem Fall werden Frequenzkomponenten für ungeradzahlige Ordnungen nicht größer als 11 auf 1/50 gedämpft, und Frequenzkomponenten für ungeradzahlige Ordnungen nicht kleiner als 13 werden auf nahezu null gedämpft oder entfernt. Wie oben beschrieben, schliet in der vorliegenden Ausführungsform ein Entfernen von Frequenzkomponenten ein Entfernen von Frequenzkomponenten und ein Dämpfen von Frequenzkomponenten ein.
6 ist ein Spektrum-Graph, der ein Frequenzspektrum der Amplituden-Komponenten nach der Verringerungs-Verarbeitung durch die Verringerungseinheit 63 für spezifische Frequenzkomponenten zeigt. Wie in 6 gezeigt, weist das Frequenzspektrum der Amplituden-Komponenten, das aus der Verringerungseinheit 63 für spezifische Frequenzkomponenten ausgegeben wird, Frequenzkomponenten für geradzahlige Ordnungen von 2 bis 12 auf, sowie gedämpfte Frequenzkomponenten für ungeradzahlige Ordnungen.
Auf diese Weise verringert die Verringerungseinheit 63 für spezifische Frequenzkomponenten die Frequenzkomponenten für geradzahlige Ordnungen höher als der Schwellenwert, was eine Ordnung niedriger als die Grundordnung der Nut-Harmonischen ist, sowie die Frequenzkomponenten für ungeradzahlige Ordnungen, wodurch es möglich ist, einen Faktor zu verringern, der die Kurzschluss-Detektion an der Feldwicklung 32 behindert. Folglich kann die Detektionsgenauigkeit für den Kurzschluss verbessert werden.
7 zeigt ein Spannungssignal, das von der Signal-Umwandlungseinheit 64 umgewandelt wird.
Die Signal-Umwandlungseinheit 64 summiert sämtliche Phasen und Amplitudennach der Verringerungs-Verarbeitung durch die Verringerungseinheit 63 für spezifische Frequenzkomponenten, und zwar für die jeweiligen Ordnungen der Frequenzkomponenten. Dadurch werden sie in ein Spannungssignal umgewandelt. Das umgewandelte Spannungssignal enthält nicht die Nut-Harmonische-Komponente, und daher - wie in 7 gezeigt - ist der Spannungsfluktuationszyklus länger als derjenige des Spannungssignals, das in 4 gezeigt ist. Mit anderen Worten: In 7 erscheint eine fein fluktuierende Wellenform entsprechend dem Rotornut-Abstandswert Sp nicht.
8 zeigt eine Differenz-Wellenform, die von der Kurzschluss-Detektionseinheit 65 erhalten wird.
Die Kurzschluss-Detektionseinheit 65 empfängt das Spannungssignal, das von der Signal-Umwandlungseinheit 64 umgewandelt wird. Dann teilt die Kurzschluss-Detektionseinheit 65 das empfangene Spannungssignal in Spannungssignale für die jeweiligen Umfangsrichtungs-Winkel um den Rotor 30, die jeweils dem ersten Magnetpol 36 und dem zweiten Magnetpol 37 des Rotors 30 entsprechen. Da die Polaritäten des ersten Magnetpols 36 und des zweiten Magnetpols 37 voneinander verschieden sind, werden die Wellenform in einem Bereich von 0° bis 180° entsprechend dem ersten Magnetpol 36 und die Wellenform in einem Bereich von 180° bis 360° entsprechend dem zweiten Magnetpol 37 zueinander addiert und so eine Differenz-Wellenform zwischen den Spannungssignalen erzeugt, die dem ersten Magnetpol 36 und dem zweiten Magnetpol 37 entsprechen.
Das heißt, die Differenz-Wellenform, die in 8 gezeigt ist, wird erhalten, indem die Wellenform, die in 7 gezeigt ist, zwischen der linken und rechten Seite geteilt wird und diese zueinander addiert werden.
In der Differenz-Wellenform in 8 erscheint eine Scheitelwert-Wellenform P1 auf der Basis von einer Welle der Scheitelwert-Spannung in der positiven Richtung bei der Position von 50°, und eine Scheitelwert-Wellenform P2 auf der Basis einer Welle der Scheitelwert Spannung in der negativen Richtung erscheint bei einer Position von 130°. Hier bezeichnet „eine Welle“ eine Wellenform in einem Bereich Wa von einem Umfangsrichtung-Winkel, bei dem der Absolutwert der Spannung minimal ist, und zwar auf der einen Seite der Scheitelwert-Spannung, bis zu einem Umfangsrichtung-Winkel, an dem der Absolutwert der Spannung minimal ist, und zwar auf der anderen Seite der Scheitelwert-Spannung.
In 8 geben die vertikalen unterbrochenen Linien die Umfangsrichtungs-Winkel der ersten bis achten Nuten an. Die unterbrochenen Linien, die 90° am nächsten sind, was dem Zentrum des Magnetpols entspricht, geben die erste Nut an, und die unterbrochene Linien, die 0° und 180° am nächsten sind, geben die achte Nut an. Der Abstand zwischen den angrenzenden unterbrochenen Linien entspricht dem Rotornut-Abstandswert Sp.
Wenn die Scheitelwert-Wellenformen P1, P2, die einen breiteren Bereich Wa als der Rotornut-Abstandswert Sp haben, in der Differenz-Wellenform auftreten, zeigt dies an, dass der Kurzschluss an der Feldwicklung 32 aufgetreten ist.
Die Scheitelwert-Spannung bei 50° und die Scheitelwert-Spannung bei 130° sind den unterbrochenen Linien α1, α2 am nächsten, die beide die zweite Nut anzeigen. Aus diesem Ergebnis schätzt die Kurzschluss-Detektionseinheit 65, dass der Kurzschluss der Feldwicklung 32 an der zweiten Nut aufgetreten ist.
Wie oben beschrieben, gilt Folgendes: Wenn der Strom, der durch die Feldwicklung 32 fließt, zunimmt und der Statorkern 21 magnetisch gesättigt wird, streut ein Magnetfluss aus dem Statorkern 21 zum Statornut 23, wodurch die Kurzschluss-Detektion für die Feldwicklung 32 negativ beeinflusst wird.
9 zeigt eine Differenz-Wellenform, die von der Kurzschluss-Detektionseinheit erhalten wird, in einem Vergleichsbeispiel. In dem Vergleichsbeispiel, das in 9 gezeigt ist, wird angenommen, dass der Statorkern 21 magnetisch gesättigt ist, und die Scheitelwert-Wellenformen PP1, PP2, die Scheitelwert-Spannungen haben, treten an Umfangsrichtungs-Winkeln auf, die nicht der zweiten Nut entsprechen, wo der Kurzschluss tatsächlich aufgetreten ist. In diesem Fall sind die Scheitelwert-Spannungen der Scheitelwert-Wellenformen PP1, PP2 den unterbrochenen Linien für die erste Nut anstelle der unterbrochenen Linien α1, α2 am nächsten, die beide die zweite Nut angeben, so dass fehlerhaft geschätzt wird, dass der Kurzschluss der Feldwicklung 32 an der ersten Nut aufgetreten ist.
Wie im Vergleichsbeispiel gezeigt, wird die fehlerhafte Bestimmung durchgeführt, als wäre der Kurzschluss an einer Nut aufgetreten, wo der Kurzschluss nicht tatsächlich aufgetreten ist, d. h. es wird eine fehlerhafte Detektion durchgeführt, bei der die Kurzschluss-Position fehlerhaft detektiert wird. Hinsichtlich der fehlerhaften Detektion wird unten eine Bedingung beschrieben, bei der eine solche fehlerhafte Detektion nicht auftritt.
Die Bedingung, bei der eine fehlerhafte Detektion nicht auftritt, ist, dass die Differenz zwischen dem Winkel der Scheitelwert-Spannung der Scheitelwert-Wellenform P1, P2, die einen breiteren Bereich als der Rotornut-Abstandswert Sp hat und in der Differenz-Wellenform auftritt, die von der Kurzschluss-Detektionseinheit 65 erhalten wird, und der Winkel der Rotornut 33, wo der Kurzschluss tatsächlich aufgetreten ist, kleiner ist als 1/2 des Rotornut-Abstandswerts Sp. Wenn diese Differenz nicht kleiner als 1/2 des Rotornut-Abstandswerts Sp ist, wird eine fehlerhafte Detektion durchgeführt, als wenn ein Kurzschluss an einer angrenzenden Nut aufgetreten ist, oder an einer Nut, die auf diese Nut folgt, wo der Kurzschluss nicht tatsächlich aufgetreten ist.
Wie oben beschrieben, gilt in der vorliegenden Ausführungsform Folgendes: Da die Prüfspule 50 innerhalb der Statornut 23 ersetzt wird, wird die Prüfspule 50 kein Hindernis zu der Zeit, wenn der Rotor 30 angebracht/abgenommen wird, und auch wird sie nicht direkt dem Kühlluftstrom ausgesetzt, der mit hoher Geschwindigkeit in dem Spalt 40 einhergehend mit der Rotation des Rotors 30 zirkuliert.
Daher braucht die Prüfspule 50 keine komplizierte Sonde vom beweglichen Typ, und auch benötigt sie keine starke große Sonde, die der Vibration infolge eines Kühlluftstroms widerstehen kann. Beispielsweise kann die Prüfspule 50 als eine simple Sonde konfiguriert werden, indem sie von einer harzverstärkten dünnen Platte geschützt wird und dann am Statorkeil 24 beispielsweise durch Adhesion oder dergleichen fixiert wird. Folglich kann die Kurzschluss-Detektionseinrichtung 100 einen Kurzschluss der Feldwicklung 32 des Rotors 30 zuverlässig detektieren, während sie eine kleine und simple Konfiguration aufweist.
In einem Fall, in dem die Prüfspule 50 und der Statorkeil 24 weit voneinander entfernt sind, kann eine Fixierlehre zwischen den Statorkeil 24 und die Prüfspule 50 gefügt werden.
Innerhalb der Statornut 23 wird die Prüfspule 50 in einem solchen Bereich angeordnet, dass der Abstand zur Radialrichtungs-Position des Zahn-Endes 21A kleiner als die maximale Magnetflussdichte am Zahn-Ende 21A des Stators 20 wird, und zwar weil die Rotation des Rotors 30 größer wird. Daher ist es selbst bei einer Betriebsbedingung des elektrischen Turbinengenerators 10, bei der die Magnetflussdichte groß ist, möglich, die Position in der Umfangsrichtung um den Rotor 30 herum zuverlässig zu detektieren, wo der Kurzschluss der Feldwicklung 32 aufgetreten ist.
Die Prüfspule 50 wird in einem solchen Bereich angeordnet, dass das Verhältnis (y/d) des Radialrichtung-Abstands y zu der Position der Prüfspule 50 relativ zum Radialrichtung-Abstand d zu der Fläche der Multiphasenwicklung 22 von dem Zahn-Ende 21A als Referenz der Radialrichtungs-Position innerhalb 0 bis 100% liegt und durch die Funktion f(x) der maximalen Magnetflussdichte x begrenzt ist. Das heißt, indem die Prüfspule 50 in dem Positionsbereich Sxy platziert wird, der in 3 gezeigt ist, kann eine zuverlässige Kurzschluss-Detektion für die Feldwicklung 32 leicht und zuverlässig durchgeführt werden.
In Ausführungsform 1 sind die Anzahl von Statornuten 23, die Anzahl von Rotornuten 33, die Anzahl von Magnetpolen 36, 37 und der Rotornut-Abstandswert Sp nicht auf die obigen Beispiele beschränkt.
Beispielsweise in einem Fall, in dem die Anzahl von Magnetpolen größer als zwei ist, kann die Kurzschluss-Detektionseinheit 65 eine Differenz-Wellenform wie folgt erzeugen. Zunächst teilt die Kurzschluss-Detektionseinheit 65 das Spannungssignal, das von der Signal-Umwandlungseinheit 64 umgewandelt wird, in Spannungssignale für die jeweiligen Umfangsrichtungs-Winkel um den Rotor 30, die jeweils der Mehrzahl von Magnetpolen des Rotors 30 entsprechen. Dann kann die Kurzschluss-Detektionseinheit 65 eine Differenz-Wellenform zwischen den Spannungssignale entsprechend den angrenzenden Magnetpolen unter der Mehrzahl von Magnetpolen erzeugen.
In Ausführungsform 1 ist ein Rotornut-Abstandswert Sp vorhanden. Es kann jedoch auch eine Mehrzahl von Rotornut-Abstandswerten Sp vorhanden sein. In einem Fall, in dem eine Mehrzahl von Rotornut-Abstandswerten Sp vorhanden sind, können die Ordnung der Spannungskomponente entsprechend dem größten Rotornut-Abstandswert Sp, d. h. eine Nut-Harmonische für die kleinste Ordnung unter der Mehrzahl von Nut-Harmonischen, als eine Grundordnung einer Nut-Harmonischen angesehen werden, und ein Schwellenwert kann entsprechend vorgegeben werden. Folglich können Frequenzkomponenten entsprechend sämtlichen Rotornut-Abstandswerten Sp entfernt werden.
In Ausführungsform 1 braucht die Verringerungseinheit 63 für spezifische Frequenzkomponenten nicht notwendigerweise die Frequenzkomponenten für sämtliche ungeradzahligen Ordnungen zu verringern. Das heißt, die Verringerungseinheit 63 für spezifische Frequenzkomponenten kann Frequenzkomponenten für manche ungeradzahlige Ordnungen weglassen, ohne sie zu verringern, solange Frequenzkomponenten für geradzahlige Ordnungen detektiert werden können.
In Ausführungsform 1 braucht die Verringerungseinheit 63 für spezifische Frequenzkomponenten nicht notwendigerweise sämtliche Frequenzkomponenten für geradzahlige Ordnungen höher als der Schwellenwert zu entfernen. Das heißt, die Verringerungseinheit 63 für spezifische Frequenzkomponenten kann Frequenzkomponenten für geradzahlige Ordnungen höher als der Schwellenwert dämpfen, so lange die Scheitelwert-Wellenformen P1, P2, die breitere Bereiche als der Rotornut-Abstandswert Sp haben, in der Differenz-Wellenform in der Kurzschluss-Detektionseinheit 65 erhalten werden.
In Ausführungsform 1 zerlegt die Signalzerlegungseinheit 62 ein Spannungssignal in eine Mehrzahl von Frequenzkomponenten mit verschiedenen Ordnungen und trennt die Mehrzahl von Frequenzkomponenten in Amplitude und Phase auf. Dann führt die Verringerungseinheit 63 für spezifische Frequenzkomponenten eine Verarbeitung zum Verringern von spezifischen Frequenzkomponenten für die Amplituden durch. Das Verfahren zum Zerlegen des Signals ist darauf jedoch nicht beschränkt.
Beispielsweise kann die Signalzerlegungseinheit 62 ein Spannungssignal in eine Mehrzahl von Frequenzkomponenten mit verschiedenen Ordnungen zerlegen, und die Verringerungseinheit 63 für spezifische Frequenzkomponenten kann eine Verarbeitung zum Verringern von spezifischen Frequenzkomponenten durchführen, und zwar für die Mehrzahl von Frequenzkomponenten, die zerlegt wurden. Folglich kann die Verarbeitung der Signalzerlegung vereinfacht werden.
In Ausführungsform 1 ist der Rotor 30 auf der Innenumfangsseite des Stators 20 angeordnet. Der Rotor 30 kann jedoch auch auf der Außenumfangsseite des Stators 20 angeordnet sein.
In Ausführungsform 1 wird der elektrische Turbinengenerator 10 als die rotierende elektrische Maschine verwendet. Die rotierende elektrische Maschine kann jedoch auch ein elektrischer Generator sein, der von dem elektrischen Turbinengenerator 10 verschieden ist, oder sie kann ein Elektromotor sein.
In Ausführungsform 1 wird die Prüfspule 50 als Magnetdetektor verwendet. Der Magnetdetektor ist darauf jedoch nicht beschränkt.
Die Funktion der Signalverarbeitungseinrichtung 60 aus Ausführungsform 1 wird von einer Verarbeitungsschaltung implementiert.
10 ist ein Konfigurationsdiagramm, das ein Beispiel von Hardware zum Implementieren der Funktionen der Signalverarbeitungseinrichtung 60 zeigt. In diesem Fall wird die Signalverarbeitungseinrichtung 60 durch eine Verarbeitungsschaltung 60A gebildet, die dedizierte Hardware ist.
Die Verarbeitungsschaltung 60A ist beispielsweise eine Einzelschaltung, eine komplexe Schaltung, ein programmierter Prozessor, ein parallel-programmierter Prozessor, eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC), ein feldprogrammierbares Gate-Array (FPGA) oder eine Kombination aus diesen.
11 ist ein Konfigurationsdiagramm, das ein weiteres Beispiel für Hardware zum Implementieren der Funktionen der Signalverarbeitungseinrichtung 60 zeigt, gemäß Ausführungsform 1. In diesem Fall weist eine Verarbeitungsschaltung 60B einen Prozessor 201 und einen Speicher 202 auf.
Die Verarbeitungsschaltung 60B implementiert die Funktionen der Signalverarbeitungseinrichtung 60 durch Software, Firmware oder eine Kombination aus Software und Firmware. Die Software und die Firmware sind als Programme beschrieben, die im Speicher 202 gespeichert sind. Der Prozessor 201 liest und führt die Programme aus, die im Speicher 202 gespeichert sind, um die Funktionen zu implementieren.
Es kann gesagt werden, dass die im Speicher 202 gespeicherten Programme dazu dienen, einen Computer zu veranlassen, eine Prozedur oder ein Verfahren jeder oben beschriebenen Einheit auszuführen. Hier ist der Speicher 202 beispielsweise ein nichtflüchtiger oder flüchtiger Halbleiterspeicher, wie z. B. ein Speicher mit wahlweisem Zugriff (RAM), ein Nur-Lese-Speicher (ROM), ein Flash-Speicher, ein löschbarer programmierbarer Nur-Lese-Speicher (EPROM) oder ein elektrisch löschbarer und programmierbarer Nur-Lese-Speicher (EEPROM). Auch können eine Magnetscheibe, eine flexible Scheibe, eine optische Scheibe, eine Compact Disc, eine Mini Disc, eine DVD oder dergleichen für den Speicher 202 verwendet werden.
Von den Funktionen der Signalverarbeitungseinrichtung 60, die oben beschrieben sind, können manche durch dedizierte Hardware implementiert werden und andere können durch Software oder Firmware implementiert werden.
Folglich kann die Verarbeitungsschaltung die Funktionen der Signalverarbeitungseinrichtung 60, die oben beschrieben sind, durch Hardware, Software, Firmware oder eine Kombination aus diesen implementieren.
Ausführungsform 2
In der obigen Ausführungsform 1 ist die Prüfspule 50 innerhalb der Statornut 23 platziert. Im elektrischen Turbinengenerator 10 kann jedoch auch ein Strömungspfad im Statorkern vorhanden sein und Kühlluft kann dort hindurchströmen, wie in Patentdokument 1. In diesem Fall kann die Prüfspule 50 im Strömungspfad angeordnet sein.
12 ist ein Konfigurationsdiagramm, das eine rotierende elektrische Maschine und eine Kurzschluss-Detektionseinrichtung gemäß Ausführungsform 2 zeigt. Der elektrische Turbinengenerator 10, der eine rotierende elektrische Maschine ist, ist der gleiche wie derjenige, der in Ausführungsform 1 gezeigt ist, außer, dass ein Strömungspfad vorhanden ist. Einige Komponenten sind in den Zeichnungen nicht dargestellt, und deren Beschreibung wird weggelassen, wenn angemessen. 12 zeigt eine Schnittansicht des elektrischen Turbinengenerators 10 in der Axialrichtung.
In Ausführungsform 2 sind im Statorkern 21 eine Mehrzahl von Strömungspfaden 80 in der Axialrichtung so angeordnet, dass sie den Statorkern 21 in der Radialrichtung durchdringen, und Kühlluft strömt durch die Strömungspfade 80.
Wie in der obigen Ausführungsform 1 weist eine Kurzschluss-Detektionseinrichtung 100A Folgendes auf: Die Prüfspule 50, die Signalverarbeitungseinrichtung 60 zur Verarbeitung eines Detektionssignals von der Prüfspule 50 sowie die Anzeigeeinrichtung 70, und sie detektiert einen Kurzschluss der Feldwicklung 32 des elektrischen Turbinengenerators 10.
Wie in 12 gezeigt, sind die Strömungspfade 80 zwischen Teile des Statorkerns 21 in der Axialrichtung gefügt, und die Prüfspule 50 ist in einem Strömungspfad 80 fixiert. Die Prüfspule 50 liegt der Feldwicklung 32 (nicht dargestellt) gegenüber, wobei der Spalt 40 dazwischenliegt.
Die Radialrichtungs-Position der Prüfspule 50 im Strömungspfad 80 kann auf die gleiche Weise wie die Radialrichtungs-Position in der Statornut 23 in der obigen Ausführungsform 1 bestimmt werden. Das heißt, die Prüfspule 50 ist im Positionsbereich Sxy platziert, der in 3 in der obigen Ausführungsform 1 gezeigt ist.
In der Simulation, die in der obigen Ausführungsform 1 gezeigt ist, wird auch eine Proportion des Vorhandenseins eines solchen nichtmagnetischen Teils berücksichtigt. Daher werden die gleichen Wirkungen selbst in einem Fall erzielt, in dem die Prüfspule 50 im Strömungspfad 80 angeordnet ist.
Da der Strömungspfad 80 den Statorkern 21 in der Radialrichtung durchdringt, können die Prüfspule 50 und ein Anschlussdraht dieser einfach zu der Außenseite des elektrischen Turbinengenerators 10 herausgezogen werden. Außerdem gibt es den Vorteil, dass die Prüfspule 50 kein Hindernis zur Zeit der Inspektion für den Statorkeil 24 wird, im Gegensatz zu dem Fall, in dem die Prüfspule 50 in der Statornut 23 platziert ist.
Indem die Prüfspule 50 von der Außenseite des elektrischen Turbinengenerators 10 wie notwendig eingeführt wird, ist es möglich, die Prüfspule 50 temporär später nur zu der Zeit der Kurzschluss-Inspektion für die Feldwicklung 32 zu platzieren.
Obwohl die Erfindung oben in Form von verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen und Implementierungen beschrieben ist, versteht es sich, dass die verschiedenen Merkmale, Aspekte und Funktionalitäten, die in einer oder mehreren der einzelnen Ausführungsformen beschrieben sind, in deren Anwendbarkeit nicht auf die einzelne Ausführungsform beschränkt sind, mit der sie beschrieben sind, sondern stattdessen - allein oder in verschiedenen Kombinationen - auf eine oder mehr der Ausführungsformen der Erfindung angewendet werden können.
Es versteht sich daher, dass zahlreiche Modifikationen ersonnen werden können, die nicht beispielhaft dargestellt sind, ohne vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Beispielsweise kann mindestens eine der Bestandteilskomponenten modifiziert, hinzugefügt oder beseitigt werden. Mindestens eine der Bestandteilskomponenten, die in mindestens einer der bevorzugten Ausführungsformen erwähnt ist, kann ausgewählt werden und mit den Bestandteilskomponenten kombiniert werden, die in einer anderen bevorzugten Ausführungsform erwähnt sind.
Beschreibung der Bezugszeichen

10: elektrischer Turbinengenerator (rotierende elektrische Maschine)
20: Stator
21: Statorkern
21A: Zahn-Ende
22: Multiphasenwicklung
23: Statornut
25: Zahn
30: Rotor
32: Feldwicklung
33: Rotornut
36: erster Magnetpol
37: zweiter Magnetpol
40: Spalt
50: Prüfspule (Magnetdetektor)
60: Signalverarbeitungseinrichtung
61: Signalerfassungseinheit
62: Signalzerlegungseinheit
63: Verringerungseinheit für spezifische Frequenzkomponenten
64: Signal-Umwandlungseinheit
65: Kurzschluss-Detektionseinheit
80: Strömungspfad
100, 100A: Kurzschluss-Detektionseinrichtung
f: Funktion
d, y: Radialrichtung-Abstand
Sxy: Positionsbereich
Sp: Rotornut-Abstandswert

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 2825373 B [0003]

Claims

Kurzschluss-Detektionseinrichtung für eine rotierende elektrische Maschine, die Folgendes aufweist: - einen Magnetdetektor, der so platziert ist, dass er einer Feldwicklung gegenüberliegt, die an einer Mehrzahl von Nuten eines Rotors der rotierenden elektrischen Maschine angeordnet ist; und - eine Signalverarbeitungseinrichtung zur Verarbeitung eines Signals vom Magnetdetektor, wobei die Kurzschluss-Detektionseinrichtung zum Detektieren des Kurzschlusses der Feldwicklung konfiguriert ist, wobei der Magnetdetektor innerhalb eines Stators platziert ist, der mit einem Spalt zum Rotor angeordnet ist, und die Signalverarbeitungseinrichtung Folgendes aufweist: - eine Signalerfassungseinheit, die ein Spannungssignal erfasst, das das Signal vom Magnetdetektor ist, - eine Signalzerlegungseinheit, die das Spannungssignal zerlegt, das von der Signalerfassungseinheit erfasst wird, und zwar in eine Mehrzahl von Frequenzkomponenten mit verschiedenen Ordnungen, - eine Verringerungseinheit für spezifische Frequenzkomponenten, die unter der Mehrzahl von Frequenzkomponenten eine Frequenzkomponente für eine ungeradzahlige Ordnung und eine Frequenzkomponente für eine geradzahlige Ordnung höher als einen Schwellenwert zerlegt, der auf eine Ordnung niedriger als eine Grundordnung einer Nut-Harmonischen vorgegeben ist, die eine Harmonische ist, die eine Korrelation mit dem Abstandswert der Mehrzahl von Nuten aufweist, - eine Signal-Umwandlungseinheit, die eine Mehrzahl von Frequenzkomponenten, die aus der Verringerungseinheit für spezifische Frequenzkomponenten ausgegeben werden, in ein Spannungssignal umwandelt, und - eine Kurzschluss-Detektionseinheit, die das Spannungssignal, das von der Signal-Umwandlungseinheit umgewandelt wird, in Spannungssignale für die jeweiligen Umfangsrichtungs-Winkel um den Rotor teilt, die jeweils einer Mehrzahl von Magnetpolen des Rotors entsprechen, eine Differenz-Wellenform zwischen den Spannungssignalen entsprechend angrenzenden Magnetpolen unter der Mehrzahl von Magnetpolen erzeugt, und auf der Basis der Form der Differenz-Wellenform den Kurzschluss der Feldwicklung detektiert und die Position in Umfangsrichtung um den Rotor schätzt, wo der Kurzschluss aufgetreten ist.
Kurzschluss-Detektionseinrichtung für die rotierende elektrische Maschine nach Anspruch 1, wobei der Magnetdetektor innerhalb einer Nut des Stators platziert ist.
Kurzschluss-Detektionseinrichtung für die rotierende elektrische Maschine nach Anspruch 1, wobei im Stator ein Strömungspfad für Kühlluft in Radialrichtung ausgebildet ist, und der Magnetdetektor innerhalb des Strömungspfads platziert ist.
Kurzschluss-Detektionseinrichtung für die rotierende elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Magnetdetektor an einer Radialrichtungs-Position zwischen einer Radialrichtungs-Position eines Zahn-Endes des Stators und einer Radialrichtungs-Position einer Multiphasenwicklungs-Fläche innerhalb des Stators platziert ist, und in einem solchen Bereich, dass der Abstand vom Magnetdetektor zur Radialrichtungs-Position des Zahn-Endes kleiner wird, wenn die maximale Magnetflussdichte am Zahn-Ende des Stators infolge der Rotation des Rotors größer wird.
Kurzschluss-Detektionseinrichtung für die rotierende elektrische Maschine nach Anspruch 4, wobei der Magnetdetektor in einem solchen Bereich platziert ist, dass das Verhältnis des Radialrichtung-Abstands zu einer Position des Magnetdetektor relativ zum Radialrichtung-Abstand zur Multiphasenwicklungs-Fläche vom Zahn-Ende als Referenz einer Radialrichtungs-Position innerhalb 0 bis 100% liegt und durch eine Funktion der maximalen Magnetflussdichte begrenzt ist.
Kurzschluss-Detektionseinrichtung für die rotierende elektrische Maschine nach Anspruch 5, wobei die Funktion so vorgegeben ist, dass der Kurzschluss der Feldwicklung nicht fehlerhaft detektiert wird, unter einer Bedingung bis ein Kern des Stators magnetisch gesättigt ist.
Kurzschluss-Detektionseinrichtung für die rotierende elektrische Maschine nach Anspruch 5 oder 6, wobei wenn die maximale Magnetflussdichte mit xT bezeichnet ist, die Funktion durch den folgenden Ausdruck gegeben ist: $801 \times 5,9 ((1,5 - x) (5,9)) + 3,6.$
Kurzschluss-Detektionseinrichtung für die rotierende elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Magnetdetektor eine Prüfspule ist.