DE1139581B

DE1139581B - Device for monitoring and measuring the temperature of the rotating surfaces of the runners of electrical machines

Info

Publication number: DE1139581B
Application number: DES72184A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Phys Dieter Aockerblom; Dipl-Ing Kurt Fork
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1961-01-24
Filing date: 1961-01-24
Publication date: 1962-11-15

Description

Einrichtung zur Überwachung und Messung der Temperatur umlaufender Flächen der Läufer von elektrischen Maschinen Bei bestimmten elektrischen Maschinen (Synchronmaschinen) ergibt sich, daß gewisse anomale Betriebszustände, z. B. Schieflastbetrieb oder asynchroner Lauf, zu einer zusätzlichen Erwärmung, und zwar insbesondere der Oberfläche des Läufers führen.Device for monitoring and measuring the temperature circulating Surface of the rotor of electrical machines In certain electrical machines (Synchronous machines) it follows that certain abnormal operating conditions, e.g. B. unbalanced load operation or asynchronous running, to an additional heating, in particular the Guide surface of the runner.

Dies hat zur Folge, daß unter Umständen die Belastungsfähigkeit der Maschine begrenzt oder sogar die Betriebssicherheit der Maschine wegen übermäßiger Erwärmung von Oberflächenteilen gefährdet wird.As a result, the load capacity of the Machine limited or even the operational safety of the machine due to excessive Heating of surface parts is at risk.

Man kann zwar anomale Betriebszustände, wie den Schieflastbetrieb oder Asynchronbetrieb, bei Synchronmaschinen durch Messung der Ströme erfassen, jedoch ist der Aufwand verhältnismäßig groß, wenn abhängig von derartigen Meßeinrichtungen unter Berücksichtigung der betrieblichen Gegebenheiten, z. B. Kühlmitteltemperatur, Erwärmungszustand der Maschine, ein Schutz gegen unzulässige Erwärmungen und Beanspruchungen herbeigeführt werden soll. It is true that abnormal operating conditions, such as unbalanced load operation, can be observed or asynchronous operation, with synchronous machines by measuring the currents, however, the effort is relatively great when dependent on such measuring devices taking into account the operational conditions, e.g. B. coolant temperature, Heating condition of the machine, protection against impermissible heating and stresses should be brought about.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Lösung, bei der angestrebt wird, die tatsächlich eintretende Erwärmung des Läufers an seiner Oberfläche bei Schieflast, Asynchronbetrieb oder sonstigen in der Art der Belastung liegenden Störungen, z. B. durch Oberwellen, genau zu messen oder zu überwachen. Man könnte eine derartige Temperaturmessung der Oberfläche durch in derselben angeordnete Temperaturmeßelemente, z. B. Thermoelemente, vornehmen. The invention relates to a solution in which it is sought the actually occurring heating of the rotor on its surface with unbalanced load, Asynchronous operation or other disturbances in the nature of the load, e.g. B. by harmonics, to measure or monitor accurately. One could be such a Temperature measurement of the surface by temperature measuring elements arranged in the same, z. B. thermocouples.

Eine derartige Lösung führt jedoch zu großen Schwierigkeiten, einerseits im Hinblick auf die Anordnung der Wärmemeßelemente in der durch Fliehkräfte hochbeanspruchten Läuferoberfläche, andererseits durch das Erfordernis der Übertragung der Meßwerte von den umlaufenden Läufern auf eine stationär angeordnete Anzeigeeinrichtung. Praktisch scheidet daher eine derartige Lösung für die Anwendung aus.However, such a solution leads to great difficulties, on the one hand with regard to the arrangement of the heat measuring elements in the highly stressed by centrifugal forces Rotor surface, on the other hand by the need to transfer the measured values from the rotating runners to a stationary display device. Practically such a solution is therefore ruled out for the application.

Ein anderer Weg zur Messung der Oberflächentemperaturen des Läufers besteht darin, an demselben aufgetragene Schichten aus sogenannten Thermocolorfarben vorzusehen, die sich bekanntlich beim Erreichen einer bestimmten Temperatur ändern. Another way to measure the runner's surface temperatures consists in layers of so-called thermal color paints applied to the same provide which, as is known, change when a certain temperature is reached.

Die Anwendung eines solchen Verfahrens hat jedoch zur Voraussetzung, daß man die Anderung der Thermocolorfarben an den damit überzogenen Flächen von außen beobachten kann. In der Regel wird dies bei vielen Maschinen, z. B. den gasdicht gekapselten Generatoren, nicht oder nur in sehr begrenztem Umfange möglich sein. Man wird daher bei Anwendung von Thermocolorfarben im allgemeinen die Maschine öffnen oder den Läufer ausbauen müssen, um genaue Feststellungen über die änderung der Thermocolorfarbenanstriche durchführen zu können, was sehr umständlich ist und den Wert dieser Untersuchungsmethode stark herabsetzt.However, the use of such a procedure is subject to that the change in the thermal color inks on the surfaces covered with it from outside can observe. Usually this is the case with many machines, e.g. B. the gastight encapsulated generators, may not be possible or only to a very limited extent. The machine will therefore generally be opened when using thermal color inks or need to upgrade the runner to make precise determinations about the change the thermo-colored paints to be able to carry out, which is very cumbersome and the value of this investigation method greatly diminishes.

Die Erfindung beschreitet nun zur Lösung der Aufgabe, die Oberflächentemperatur an den Läufern elektrischer Maschinen zu bestimmen, einen anderen Weg, in dem die Strahlung umlaufender Flächen des Läufers für die Temperaturmessung herangezogen wird. Gemäß der Erfindung wird der Läufer zu diesem Zweck in definierten Bereichen, deren Oberflächentemperatur festgestellt werden soll, durch Anstrich oder Auftrag od. dgl. mit besonderen Strahlungsflächen versehen, denen gegenüber als Empfänger eine feststehende Fläche hohen Absorptionsvermögens angeordnet ist, an der die Strahlung der definierten Läuferoberfläche als ein Maß der Oberflächentemperatur gemessen wird. Die erfindungsmäße Anordnung ermöglicht es, die Temperatur an unzugänglichen Oberflächen der Läufer von elektrischen Maschinen mit einer verhältnismäßig großen Genauigkeit zu messen, ohne daß hinsichtlich der Ausbildung der Läufer, abgesehen von der Anbringung eines schwarzen Anstriches od. dgl., irgendwelche Anderungen oder besonderen Maßnahmen erforderlich sind. The invention now proceeds to solve the problem, the surface temperature on the rotors of electrical machines to determine another way in which the Radiation from circumferential surfaces of the rotor is used for temperature measurement will. According to the invention, the runner is for this purpose in defined areas, whose surface temperature is to be determined, by painting or application Od. The like. Provided with special radiation surfaces, opposite which as a receiver a fixed surface with high absorption capacity is arranged on which the radiation of the defined runner surface measured as a measure of the surface temperature will. The inventive arrangement allows the temperature to be inaccessible Surface of the rotor of electrical machines with a relatively large To measure accuracy without disregarding the training of the runner from applying black paint or the like, any changes or special measures are required.

Durch die Anwendung besonderer Strahlungsflächen, die durch einen schwarzen Anstrich gebildet werden und zur Folge haben, daß sich die Strahlungsflächen angenähert wie ein schwarzer Körper verhalten, wird erreicht, daß die von anderen Maschinenteilen kommende Strahlung wegen ihrer geringen Intensität wirkungslos ist und die erforderliche Selektivität der Anzeige sichergestellt ist. Auch die als Empfänger dienende Fläche hohen Absorptionsvermögens wird zweckmäßigerweise als schwarzer Körper ausgebildet, um sicherzustellen, daß auch von der abgestrahlten Wärmemenge des Läufers möglichst wenig durch Reflexion verlorengeht. Zur Ermöglichung der Strahlungsmessung wird dem Empfänger wenigstens ein Thermoelement zugeordnet. Gemäß der weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann eine besonders günstige, hochempfindliche Meßeinrichtung dadurch erzielt werden, daß der mit mehreren Thermoelementen versehene Strahlungsempfänger, dessen Thermospannungen einem elektrischen Meßgerät zugeführt werden, einerseits einen der Läuferstrahlung ausgesetzten, als schwarzen Körper ausgebildeten Strahlungsempfänger und andererseits einen reflektierenden weißen Vergleichskörper enthält, der von dem kalten Kühlgas der Maschine umspült ist, wobei die zur Messung der aufgenommenen Strahlungsenergie als Thermospannung dienenden Thermoelemente mit ihrer warmen Lötstelle am schwarzen Strahlungsempfänger und mit ihrer kalten Lötstelle am weißen Vergleichskörper anliegen und die Thermoelemente gruppenweise gegeneinandergeschaltet sind. Through the use of special radiation surfaces, which through a black paint are formed and have the consequence that the radiation surfaces behave roughly like a black body, that of others is achieved Machine parts coming radiation because of its low intensity is ineffective and the required selectivity of the display is ensured. The high-absorbency surface serving as a receiver is also expedient designed as a black body to ensure that also from the radiated The amount of heat from the rotor is lost as little as possible through reflection. To enable At least one thermocouple is assigned to the receiver for the radiation measurement. According to the further embodiment of the invention, a particularly favorable, highly sensitive Measuring device can be achieved in that the provided with several thermocouples Radiation receiver, the thermal voltages of which are fed to an electrical measuring device are, on the one hand, exposed to runner radiation, as black bodies trained radiation receiver and on the other hand a reflective white Contains comparison body, which is surrounded by the cold cooling gas of the machine, wherein those used to measure the absorbed radiant energy as thermoelectric voltage Thermocouples with their warm solder joint on the black radiation receiver and with their cold solder joint on the white reference block and the thermocouples are switched against each other in groups.

Bei dieser Anordnung ergibt sich, daß der Temperaturunterschied zwischen dem schwarzen und dem weißen Körper ein Maß für die Erwärmung der Läuferoberfläche darstellt. Hierbei ermöglicht die Gaskühlung des Vergleichskörpers durch das Kühlgas trotz der Einfügung der Meßeinrichtung in den feststehenden Teil der Maschine, die Meßeinrichtung von den änderungen der Ständertemperatur im wesentlichen unabhängig zu machen und für die Messung eine verhältnismäßig unveränderliche Bezugstemperatur zu schaffen. With this arrangement, it follows that the temperature difference between the black and the white body a measure of the warming of the runner surface represents. This allows the comparison body to be cooled by the cooling gas despite the insertion of the measuring device in the fixed part of the machine, the The measuring device is essentially independent of the changes in the stator temperature to make and a relatively unchangeable reference temperature for the measurement to accomplish.

Diese Wirkung sei an Hand des Schaubildes der Fig. 3 näher erläutert, in dem über die Erwärmung des schwarzen Strahlungsempfängers kennzeichnenden Temperaturdifferenz für eine verschiedene Kaltgastemperatur des Kühlmittels als Parameter die aufgenommene Strahlungsenergie E in cWm2 aufgetragen ist. Hierbei ergeben sich untereinander unterschiedliche Kurven, die mit zunehmendem Temperaturunterschied immer mehr auseinanderlaufen, aber in dem in Frage kommenden Temperaturbereich des Kühlgases zwischen 20 und 500 C doch so dicht nebeneinanderliegen, daß die aufgenommene Strahlungsenergie des Strahlungsempfängers praktisch sich mit der Kaltgastemperatur nur wenig ändert, und zwar im Verhältnis 3,75 : 4,5 : 4,75, wenn die zugehörigen Kaltgastemperaturen XK 20, 40 und 500 C betragen. This effect is explained in more detail using the diagram in FIG. 3, in the temperature difference characteristic of the heating of the black radiation receiver for a different cold gas temperature of the coolant the parameter recorded Radiation energy E is plotted in cWm2. This results from each other different curves that diverge more and more as the temperature difference increases, but in the relevant temperature range of the cooling gas between 20 and 500 C are so close together that the absorbed radiant energy of the The radiation receiver practically changes little with the cold gas temperature, in the ratio 3.75: 4.5: 4.75, if the associated cold gas temperatures XK 20, 40 and 500 C.

Das Gerät muß verständlicherweise zunächst geeicht werden. Man kann es dabei beispielsweise auf eine Kaltgastemperatur von 400 C einstellen. Die in das Schaubild eingetragene kritische Spannung, der eine bestimmte Erwärmung des Strahlungsempfängers entspricht, schneidet die Kurven in einer Waagerechten, sie möge beim Wert 5 .10-1 liegen (strichpunktiert eingetragen), dann sieht man, daß bei einer Kaltgastemperatur von 200 C eine wesentlich stärkere Erwärmung des Strahlers zulässig ist als bei einer Kaltgastemperatur von 40 oder gar 500 C. Diese Möglichkeit, die kritische Thermospannung als Funktion der Wärmestrahlung in Beziehung zur Temperatur des Kaltgases zu ersetzen, wird möglich, wenn man gemäß der Erfindung den weißen Körper als Vergleichsstrahler einsetzt, der im Kaltgasstrom liegt.Understandably, the device must first be calibrated. One can set it to a cold gas temperature of 400 C, for example. In the the diagram entered critical voltage, which shows a certain heating of the Corresponds to the radiation receiver, intersects the curves in a horizontal line, it may be at the value 5 .10-1 (entered with dash-dotted lines), then you can see that at a cold gas temperature of 200 C, the heater heats up considerably more is permissible than at a cold gas temperature of 40 or even 500 C. This possibility, the critical thermal voltage as a function of thermal radiation in relation to temperature Replacing the cold gas becomes possible if one according to the invention the white Body used as a reference radiator, which is located in the cold gas flow.

Es sei erwähnt, daß an sich für Transformatoren bereits eine mit Ausnutzung der Strahlung arbeitende Schutzeinrichtung bekanntgeworden ist, bei der von der Wicklung ausgehende Wärmestrahlen mittels eines zylindrischen Hohlspiegels gesammelt werden und durch Aufheizen eines gespannten Leiters diesen nach dem Erreichen einer Grenztemperatur bzw. It should be mentioned that in and of itself for transformers already one with Exploitation of the radiation working protective device has become known in which Heat rays emanating from the winding by means of a cylindrical concave mirror are collected and by heating a tensioned conductor after reaching it a limit temperature or

Grenzerwärmung aufschmelzen, wodurch ein Steuervorgang durch Unterbrechung eines Relaisstromkreises durchgeführt wird. Wenn auch bei dieser bekannten Anordnung schon die Strahlung zur Betätigung einer Schutzeinrichtung verwendet wird, so läßt sich doch diese Einrichtung nicht mit der erfindungsgemäßen Meßeinrichtung für umlaufende Maschinenkörper vergleichen, bei denen es darauf ankommt, die Oberflächentemperatur örtlich begrenzter Läuferabschnitte an dem schnell umlaufenden Maschinenkörper genau zu messen. Melting limit warming, causing a control process by interruption a relay circuit is carried out. Albeit with this known arrangement the radiation is already used to operate a protective device, so leaves However, this device is not compatible with the measuring device according to the invention for rotating Compare machine bodies where it depends, the surface temperature localized rotor sections on the fast rotating machine body exactly to eat.

Aus den vielen Möglichkeiten für die Ausbildung des Strahlungsempfängers sei die in Fig. 1 dargestellte Bauform ausgewählt, die besonders zweckmäßig erscheint. From the many possibilities for training the radiation receiver let the design shown in Fig. 1 be selected, which appears particularly useful.

Der Läufer 1 mit seiner schwarzen Strahlerschicht la ist nur schematisch angedeutet. Der Strahlungsempfänger ist in den Streukanal 2 im oberen Teil der durch einen Keil 13 abgeschlossenen Nut 3 des Ständerkörpers 4 eingebaut. Seine aktiven Teile sind der schwarze Körper 5, der weiße (reflektierende) Körper 8 und die Thermoelemente 11, von denen zur Erhöhung der Thermospannung in bekannter Weise eine Mehrzahl hintereinandergeschaltet ist, wobei jeweils die warme Lötstelle dem schwarzen, die kalte Lötstelle dem weißen Körper zugeordnet ist. The runner 1 with its black radiator layer la is only schematic indicated. The radiation receiver is in the scattering channel 2 in the upper part of the through a wedge 13 closed groove 3 of the stator body 4 installed. Its active Parts are the black body 5, the white (reflective) body 8 and the thermocouples 11, a plurality of which are connected in series in a known manner to increase the thermal voltage where the warm soldering point is the black, the cold soldering point is the white Body is assigned.

Der schwarze Körper soll eine möglichst große Strahlungsmenge und diese möglichst verlustfrei aufnehmen. Um das zu erreichen, liegt er hinter einer Linse 7 aus einem Stoff, der für Infrarotstrahlen gut durchlässig ist, wie z. B. aus einem Spezialglas, Steinsalz, Quarz oder durchsichtigem oder durchscheinendem Kunststoff, und wird hierdurch gleichzeitig gegen den Spalt zwischen Läufer und Ständer und damit gegen den warmen Kühlgasstrom abgeschirmt. Zur Halterung des Strahlungsempfängers dient eine Stützplatte 12, die außerdem die Funktion hat, den Kanal 2 nach dem Maschineninneren hin abzusperren. Es entsteht auf diese Weise ein Kanal, durch den Kaltgas hindurchströmt. Diesem Kanal zugekehrt ist der weiße Vergleichskörper 8, der gegen Wärmestrahlungen vom Maschineninneren her durch eine Reflexionsschicht 10 abgeschirmt ist. 9 ist eine weitere Wärmeisolation. The black body should have the greatest possible amount of radiation and record them with as little loss as possible. To achieve that, he's behind one Lens 7 made of a material that is well permeable to infrared rays, such as. B. from a special glass, rock salt, quartz or transparent or translucent Plastic, and is thereby at the same time against the gap between the runner and Stand and thus shielded against the flow of warm cooling gas. For holding the radiation receiver serves a support plate 12, which also has the function of the channel 2 to the inside of the machine shut off. This creates a channel through which cold gas flows. Facing this channel is the white reference body 8, which is against thermal radiation is shielded from the inside of the machine by a reflective layer 10. 9 is another thermal insulation.

Im Betrieb gelangt die der Oberflächentemperatur entsprechende Strahlung auf den schwarzen Körper 5. The radiation corresponding to the surface temperature is transmitted during operation on the black body 5.

Dieser erwärmt sich und bringt die warmen Lötstellen der Thermoelemente auf eine bestimmte Temperatur. Der weiße Körper 8 andererseits wird durch das Kaltgas ebenfalls auf einer bestimmten Temperatur gehalten, welche die Temperatur der mit dem Körper 8 verbundenen kalten Lötstellen ist. Es entsteht also eine Thermospannung bestimmter Größe.This heats up and brings the warm soldering points of the thermocouples to a certain temperature. The white body 8, on the other hand, is affected by the cold gas also kept at a certain temperature, which is the temperature of the with the body 8 connected to cold soldering points. So there is a thermal voltage certain size.

Wenn man die Thermoelemente in Gruppen gegeneinanderschaltet, so erhält man je nach der von der Läuferoberfläche abgestrahlten Wärmemenge eine bestimmte Differenzspannung, die ein Maß für die Läufererwärmung ist, und zwar, was wichtig ist, unter Berücksichtigung der Kaltgastemperatur.If you connect the thermocouples in groups against each other, you get depending on the amount of heat radiated from the rotor surface, a certain amount Differential voltage, which is a measure of the rotor heating, and what is important taking into account the cold gas temperature.

Da der Strahlungsempfänger und der diesem zugeordnete Vergleichskörper dem Magnetfeld der Maschine ausgesetzt sind, ist es erforderlich, Maßnahmen zu treffen, um Störungen durch Magnetfelder zu vermeiden. Zu diesem Zweck werden die Meßkörper wie auch die Halteteile aus einem Metall geringer elektrischer Leitfähigkeit hergestellt, beispielsweise aus einer Nickelchromlegierung. Zur weiteren Verringerung der Wirbelstromverluste empfiehlt es sich, die den schwarzen und weißen Meßkörper bildenden Plättchen zu lamellieren. Auch die Drähte der Thermoelemente sind zweckmäßig zu verdrillen. Because the radiation receiver and the reference body assigned to it are exposed to the machine's magnetic field, it is necessary to take measures to avoid interference from magnetic fields. For this purpose, the measuring body as well as the holding parts made of a metal of low electrical conductivity, for example from a nickel-chromium alloy. To further reduce eddy current losses it is advisable to close the platelets that form the black and white measuring prisms laminate. It is also advisable to twist the wires of the thermocouples.

Bei der Anwendung der Erfindung ist man nicht auf den Fall beschränkt, daß die Temperatur in einer Ringzone des Läufers erfaßt wird. Man kann die Methode auch anwenden, um die Erwärmung einzelner längs verlaufender Zonen des Läuferkörpers zu messen. Beispielsweise kann es von Interesse sein, die Keiltemperatur in bestimmten Bereichen zu bestimmen. In diesem Fall wird, wie es Fig. 2 schematisch zeigt, die Oberfläche der achsparallel angeordneten Keile 20 mit einem entsprechenden schwarzen Anstrich versehen, während die zwischen den Keilen liegenden Außenflächen der Zahnköpfe 21 ohne Anstrich bleiben, besser aber noch mit einem reflektierenden z. B. weißen Anstrich versehen werden. In diesem Fall verhält sich der Läuferkörper wie ein grauer Strahler, dessen Strahlungsenergie jedoch im wesentlichen durch die Wärmestrahlung der schwarzen Keile bestimmt ist. In applying the invention, one is not limited to the case that the temperature is detected in a ring zone of the rotor. You can do the method also apply to the heating of individual longitudinal zones of the runner's body to eat. For example, it may be of interest to determine the temperature of the wedge in certain Areas to be determined. In this case, as FIG. 2 shows schematically, the Surface of the axially arranged wedges 20 with a corresponding black Painted while the outer surfaces of the tooth tips lying between the wedges 21 remain unpainted, but better still with a reflective z. B. white Paint can be provided. In this case, the rotor body behaves like a gray one Radiator, whose radiant energy, however, is essentially due to thermal radiation the black wedges is determined.

Die Einrichtung zur Messung der Wärmestrahlung kann leicht in ein Schutzsystem eingegliedert werden, in der Weise, daß bei Erreichen der kritischen Temperatur ein Relais anspricht, das den Maschinensatz abschaltet. The device for measuring the thermal radiation can easily be integrated into a Protection system will be incorporated in such a way that when the critical Temperature responds to a relay that switches off the machine set.

Claims

PATENT CLAIMS 1. Device for monitoring and measuring the temperature Circumferential surfaces of the rotors of electrical machines, in particular of three-phase generators for unbalanced load operation or for asynchronous operation, characterized in that the Runner in defined areas, the surface temperature of which is determined is to be provided with special radiation surfaces by painting or application or the like against which a fixed surface of high absorption capacity is used as a receiver is arranged on which the radiation of the defined rotor surface as a measure the surface temperature is measured.

2. Device according to claim 1, characterized in that the measuring device (Radiation receiver) in a groove of the stator of the machine, in particular is housed in a scattering channel.

3. Device according to claim 1 or 2, characterized in that the measuring device is exposed to the rotor radiation and designed as a black body Radiation receiver and further a reflective (white) reference body, which is smeared by the cold cooling gas of the machine.

4. Device according to one of the preceding claims, characterized in that that serve to measure the absorbed radiant energy as thermal voltage Thermocouples with their warm solder joint on the black and with their cold solder joint rest on the white body, the thermocouples expediently to form a Differential voltage are switched against each other in groups.

5. Device according to claim 1, characterized in that the black Body radiation receiver is preceded by a lens that emits the radiation emitted by the runner Heat concentrated on the black body.

6. Device according to claim 5, characterized in that the lens at the same time as thermal insulation of the black body from the inside of the machine is trained.

7. Device according to claim 5 or 6, characterized in that the white reference body is shielded from thermal radiation from the rotor is.

8. Device according to claim 1, characterized in that the wires of the thermocouple are twisted.

9. Device according to claim 1, characterized in that the active Parts of the radiation receiver (black body, white body) and its supporting parts to avoid eddy current losses from a metal of low electrical power Conductivity.

10. Device according to claim 1, characterized in that the Radiant surfaces of the rotor extending in the direction of the rotor axis surfaces (e.g. wedges) and the rotor parts lying between the black areas are painted with a reflective (white) paint. ~~~~~~~ Considered Publications: German Patent No. 674 764.