DE19623808A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Messung von charakteristischen Zustandsgrößen des Erregersystems der Läuferwicklung einer elektrodynamischen Maschine - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Messung von zumindest einer charakteri­ stischen Zustandsgröße des Erregersystems der Läuferwicklung einer elektrodynamischen Maschine, insbesondere eines Genera­ tors.

Bei dynamoelektrischen Maschinen ist es generell erforderlich den allgemeinen Betrieb, insbesondere aber auch das Erreger­ system des Läufers zu überwachen. Abweichungen von vorbe­ stimmten Sollwerten bezüglich der Stromstärke, der Spannung und möglicher Erdschlüsse können die Funktionsweise der dyna­ moelektrischen Maschine negativ beeinflussen und sogar gra­ vierende Auswirkungen auf den Betrieb haben, bis hin zur Be­ schädigung einzelner Baukomponenten der elektrodynamischen Maschine.

Um diese Probleme zu vermeiden, wird bei der Erregung des Läufers darauf geachtet, daß Mindest- und Höchstwerte genau eingehalten werden. Eine Überwachung charakteristischer Größen, wie zum Beispiel Stromstärke und Spannung des Erre­ gersystems während des Betriebes wird dadurch erschwert, daß der Läufer sich im Inneren der dynamoelektrischen Maschine befindet. Insbesondere bei Läufern mit rotierendem Erregersy­ stem gibt es daher keine Möglichkeit für direkte Messungen während des Betriebes. Bei der Fertigung eines Läufers und nach Beendigung der Fertigung werden Tests durchgeführt, um eine Aussage über das wahrscheinliche Verhaltens des Läufers während des Betriebes machen zu können. Da die einzelnen Kom­ ponenten der dynamoelektrischen Maschine während des Betrie­ bes jedoch extremen Fliehkräften ausgesetzt sind, und da es durch diese hohen Beanspruchungen zu machanischen Veränderun­ gen kommen kann, kann sich das Verhalten des Läufers auch mit der Zeit ändern und so zu Störungen des gewünschten Betriebs führen. Es ist daher erforderlich, eine Überwachung des Läu­ fers bezüglich charakteristischer Größen, wie Erregerstrom­ stärke und Erregerspannung, und auch bezüglich des möglichen Auftretens von Erdschluß während des Betriebes zu ermögli­ chen.

Die Wahl solcher Überwachungsmittel muß berücksichtigen, daß sich der Läufer während des Betriebes in Bewegung beziehungs­ weise Rotation befindet. Da sich das Erregersystem im Inneren des Läufers befindet, muß bei der Bereitstellung einer Über­ wachung außerdem eine Übertragung von Informationen von einem rotierenden Bauteil auf ein festliegendes Bauteil erfolgen.

Aus der DE 28 46 583 C2 ist eine Vorrichtung zur Übertragung von Meßsignalen bekannt, die mittels induktiver Kopplung ei­ nerseits die Übertragung einer Versorgungsspannung von einem festliegenden Teil zu einem rotierenden Teil und andererseits die Übertragung eines Meßsignals von dem rotierenden Teil zu dem festliegenden Teil ermöglicht. Die Übertragung des Meßsi­ gnals wird dadurch erreicht, daß eine in ihrer Frequenz dem Meßwert proportionale Spannung übertragen wird. In einem be­ vorzugten Ausführungsbeispiel wird diese Spannung mittels In­ duktion von einer an dem rotierenden Teil angeordneten Spule, die einen Kern umgibt, an eine an dem feststehenden Teil an­ geordnete Spule übertragen. Aus der Spannung beziehungsweise ihrer Frequenz wird dann der Meßwert bereitgestellt.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Überwa­ chung charakteristischer Zustandsgrößen des Erregersystems des Läufers einer elektrodynamischen Maschine bereitzustel­ len, welche während des Betriebs der Maschine eine Aussage bezüglich mindestens einer seiner Zustandsgrößen ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch die Vorrichtung gemäß dem Anspruch 1 bzw. das Verfahren gemäß dem Anspruch 11 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den jeweils abhängigen Ansprüchen an­ gegeben und werden anhand der Zeichnung näher erläutert.

Gemäß der vorliegenden Erfindung umfaßt die Meßvorrichtung eine Erzeugungseinrichtung, die mit der Wicklung des Läufers rotiert. Diese Erzeugungseinrichtung erzeugt ein magnetisches Feld, das proportional zu der zu messenden Zustandsgröße des Erregerssystems des Läufers ist. Die Meßvorrichtung umfaßt ferner eine feststehende Aufnahmeeinrichtung, in der mittels Induktion aus dem von der Erzeugungseinrichtung erzeugten, magnetischen Feld ein Signal erzeugbar ist, daß proportional zu der Zustandsgröße des Erregersystems ist.

Erfindungsgemäß kann die Erzeugungseinrichtung entweder eine Überwachungseinrichtung oder mehrere Überwachungseinrichtun­ gen aufweisen, die jeweils eine der folgenden Funktionen er­ füllen: Stromüberwachung, Spannungsüberwachung oder Erd­ schlußüberwachung.

Die Stromüberwachungseinrichtung weist erfindungsgemäß einen Kern auf, der aus einem ferromagnetischen Material gefertigt ist. Der Kern ist so angeordnet, daß er von der Erregerzulei­ tung umgeben ist, so daß die Erregerzuleitung als Spule um den Kern angesehen werden kann. Die Länge des Kerns ent­ spricht annähernd dem Durchmesser des Wellenschenkels Erfin­ dungsgemäß ist es bevorzugt, eine weitere Spule vorzusehen, wobei die Spule den Kern entweder über seine ganze Länge oder nur in bestimmten Bereichen umwickeln kann und an ihren Enden mit dem Erregersystem der Läuferwicklung verbunden ist, um so zu erreichen, daß durch Anlegen einer Spannung beziehungs­ weise eines Stromes durch Zusammenwirken mit dem ferromagne­ tischen Kern ein magnetisches Feld entsteht.

Die Spannungsüberwachungseinrichtung weist erfindungsgemäß zwei aus einem ferromagnetischen Material gefertigte Kerne auf. Diese Kerne sind bevorzugterweise diametral zueinander entlang eines Durchmessers der Läuferwicklung angeordnet und sind jeweils von einer Spule umwickelt. Die Spulen sind an einem Ende miteinander verbunden und am jeweiligen anderen Ende an das Erregersystem der Läuferwicklung angeschlossen. Hierbei ist wiederum erfindungsgemäß vorgesehen, daß durch Zusammenwirken der Spule und der Kerne ein magnetisches Feld erzeugt wird.

Die Erdschlußüberwachungseinrichtung weist ebenfalls erfin­ dungsgemäß zwei aus einem ferromagnetischen Material gefer­ tigte Kerne, die diametral zueinander entlang eines Durchmes­ sers der Läuferwicklung angeordnet und jeweils von einer Spule umwickelt sind. Die zwei Spulen sind an einem Ende mit­ einander verbunden, jedoch am anderen Ende nicht mit dem Er­ regersystem der Läuferwicklung verbunden, sondern an Masse angeschlossen. Auch bei dieser Überwachungseinrichtung ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß durch das Zusammenwirken der Spulen und der Kerne ein magnetisches Feld erzeugt wird.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung sind die Kerne der Spannungsüberwachungseinrichtung und der Erd­ schlußüberwachungseinrichtung in der Nähe des Umfangs des Wellenschenkels angeordnet.

Erfindungsgemäß sind die Überwachungseinrichtungen, wenn die Erzeugungseinrichtung mehr als nur eine Überwachungseinrich­ tung aufweist, nicht in der gleichen Ebene und/oder nicht in der gleichen Winkelstellung angebracht. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die einzelnen Überwachungseinrich­ tungen im gleichen Winkelabstand zueinander angeordnet, das heißt, wenn zwei Überwachungseinrichtungen vorgesehen sind, dann jeweils in einem Winkel von 90° zueinander, und wenn drei Überwachungseinrichtungen vorgesehen sind sie in einem Winkel von 60° zueinander angeordnet, usw.

Die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Vorrichtung sieht fer­ ner vor, daß die Aufnahmeeinrichtung mindestens einen nicht rotierenden, aus einem ferromagnetischen Material gefertigten Aufnahmekern und einen um diesen Aufnahmekern gewickelte Spule aufweist. Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel umfaßt zwei aus einem ferromagnetischen Material gefertigten Auf­ nahmekerne, die jeweils mit Spulen umwickelt sind. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die zwei Aufnahmekerne symmetrisch zur Rotationsachse des Läufers angeordnet. Ein weiteres Aus­ führungsbeispiel sieht vor, daß wenn mehr als nur eine Über­ wachungseinrichtung vorgesehen sind, entsprechend der Anzahl der Überwachungseinrichtungen Aufnahmekernpaare mit entspre­ chenden Spulen vorgesehen sind, welche entsprechend der Über­ wachungseinrichtungen symmetrisch zur Rotationsachse des Läu­ fers angeordnet sind. Die Anordnung der Aufnahmekerne bezie­ hungsweise der Aufnahmekernpaare bezüglich der Rotationsachse des Läufers ist beliebig, hierbei ist nur zu beachten, daß zwischen den benachbarten Aufnahmekernen genügend Abstand vorgesehen ist, um das zu einer Zustandsgröße proportionale magnetische Feld, das durch die Erzeugungseinrichtung erzeugt wird, zu erfassen.

Erfindungsgemäß wird durch das Zusammenwirken der Erzeugungs­ einrichtungen und der Aufnahmekerne und der diese umgebenden Spulen ein Signal erzeugt, das proportional zu der Zustands­ größe ist. Dieses Signal wird mittels Induktion aus dem ma­ gnetischen Feld erzeugt und von dem rotierenden Läufer auf die feststehenden Aufnahmekerne übertragen, von wo aus es weitergeleitet werden kann.

Erfindungsgemäß sind die Aufnahmekerne entweder paarweise oder alle mit einem aus einem ferromagnetischen Material ge­ fertigten Joch verbunden.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Mes­ sung mindestens einer charakteristischen Zustandsgröße des Erregersystems vorgesehen, gemäß dem ein magnetisches Feld erzeugt wird, das mit der Läuferwicklung rotiert und, das proportional zu der zu messenden Zustandsgröße des Erregersy­ stems ist. Dieses magnetische Feld bewirkt dann mittels In­ duktion, daß in einer feststehenden Aufnahmeeinrichtung ein der Zustandsgröße proportionales Signal erzeugt wird.

Erfindungsgemäß ist ferner vorgesehen, daß weitere magneti­ sche Felder erzeugt werden können, die proportional zu einer weiteren zu messenden Zustandsgröße sind, und daß diese ma­ gnetischen Felder ihrerseits mittels Induktion in der selben feststehenden Aufnahmeeinrichtung oder einer zweiten festste­ henden Aufnahmeeinrichtung ein Signal erzeugen, das propor­ tional zur zu messenden Zustandsgröße ist.

Im nachfolgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung anhand der Zeichnung näher beschrie­ ben. Es zeigen:

Fig. 1 eine Querschnittsansicht einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,

Fig. 2 ein Schema der Verschaltung der einzelnen Meß­ systeme,

Fig. 3 eine vergrößerte Seitenansicht der Stromüber­ wachungseinrichtung entsprechend der vorliegenden Erfindung und

Fig. 4 eine Seitenansicht der Spannungs- bzw. Erd­ schlußüberwachungseinrichtung gemäß der vorlie­ genden Erfindung.

Fig. 1 zeigt einen Querschnitt des Wellenschenkels 13 eines Läufers 10, der gemäß der vorliegenden Erfindung mit einer Strom-, Spannungs- und Erdschlußüberwachungseinrichtung ver­ sehen ist. Die Stromüberwachungseinrichtung enthält einen Kern 21, der aus einem ferromagnetischem Material gefertigt ist. Dieser Kern 21 ist von den Erregerzuleitungen 11 umge­ ben. Der Kern 21, umgeben von einer Isolierhülse 22, er­ streckt sich durch eine Aussparung 12 über den gesamten Durchmesser des Wellenschenkels 13 und ist an seinen Enden mittels Verschraubungen 23, die aus einem unmagnetischen Ma­ terial gefertigt sind, in der Aussparung 12 gehalten. Die den Kern 21 umschließende Erregerzuleitung 11 bildet eine Spule mit einer Windung für den Kern 21. Es entsteht ein Magnetfeld in Längsachse des Kerns abhängig vom Erregerstrom.

Um einen Winkel von 60° zu dieser Längsachse versetzt, ist eine Erdschlußüberwachungseinrichtung 40 angeordnet. Diese Einrichtung weist zwei Kerne 41, 42 auf, die jeweils von ei­ ner Spule 43, 44 umwickelt sind. Wie sich aus Fig. 2 ergibt, sind die Spulen 43, 44 jeweils mit einem Ende an die positive und negative Erregerzuleitung und mit dem anderen Ende an Masse angeschlossen.

Eine Spannungsüberwachungseinrichtung 30 ist um einen weite­ ren Winkel von 60° zu der Erdschlußüberwachungseinrichtung 40 versetzt angeordnet. Diese Spannungsüberwachungseinrichtung 30 weist ebenfalls zwei Kerne 31, 32 und zwei jeweils um die Kerne gewickelte Spulen 33, 34 auf. Wie sich wiederum aus Fig. 2 ergibt, sind die Spulen 33, 34 der Spannungsüberwa­ chungseinrichtung 30 an einem Ende miteinander verbunden und mit dem jeweils anderen Ende an die Erregerzuleitung 11 der Läuferwicklung 10 angeschlossen.

Außerhalb des Wellenschenkels 13 ist, wie in Fig. 1 gezeigt, eine Aufnahmeeinrichtung 50 angeordnet, die zwei Kerne 51, 53 und darum gewickelte Spulen 52, 54 aufweist. Die Kerne 51, 53 sind an einem Joch 55 angeordnet, so daß sich ein magneti­ scher Kreis bildet. Ferner sind die Kerne 51, 53 mit dem Kern 21 der Stromüberwachung und den Kernen 31, 32 in einer Ebene angeordnet, so daß die in den Spulen 52, 54 induzierten Span­ nungspulse synchron mit der Drehzahl auf Strom, Spannung und Erdschluß auswertbar sind. Das Joch 55 ist gegen Streuimpulse aus dem Wellenschenkel 13 mittels einer Abschirmung 60 iso­ liert.

Wie bei der Stromüberwachungseinrichtung wird bei der Span­ nungs- und der Erdschlußüberwachungseinrichtung ein magneti­ sches Feld erzeugt. Das magnetische Feld, das durch das Zu­ sammenwirken des Kerns 21 und der Erregerzuleitungen 11 er­ zeugt wird, ist zum Erregerstrom der Läuferwicklung propor­ tional. Das Magnetfeld, das durch die Spannungsüberwachungs­ einrichtung 30 erzeugt wird, ist zur Erregerspannung der Läuferwicklung proportional. Durch den Aufbau der Erdschluß­ überwachungseinrichtung wird die Spannung, zu dem das durch die Erdschlußüberwachungseinrichtung erzeugte magnetische Feld proportional ist, in Abhängigkeit von der Lage eines auftretenden Erdschlusses geteilt, so daß anhand der Größe der Spannung, zu der das erzeugte magnetische Feld proportio­ nal ist, eine Aussage über ein mögliches Auftreten oder Vor­ handensein eines Erdschlusses gemacht werden kann.

In Abhängigkeit von der Winkelstellung der Läuferwicklung, bzw. in Abhängigkeit von der Überwachungseinrichtung, deren Kerne bzw. Kernenden den Kernen der Aufnahmeeinrichtung ge­ genüberliegen, wird mittels Induktion aus dem magnetischen Feld, das die jeweilige Überwachungseinrichtung erzeugt ein Signal in der Aufnahmeeinrichtung 50 erzeugt, das proportio­ nal zu dem magnetischen Feld und somit zu der zu messenden Zustandsgröße ist. In dem vorliegenden Fall, der in Fig. 1 gezeigt ist, wird ein Signal erzeugt, das proportional zu der Stromstärke in der Erregerzuleitung 11 der Läuferwicklung 10 ist, da sich die Stromüberwachungseinrichtung 20 in einer Meßstellung befindet. Durch Rotieren des Läufers wird daher erreicht, daß sich die jeweiligen Überwachungseinrichtungen in und aus dieser Meßstellung bewegen und jeweils, wenn sich eine Überwachungseinrichtung in dieser Meßstellung befindet, ein Signal, das proportional zu der entsprechenden Meßgröße ist, erzeugt wird. Dieses Meßsignal kann dann mittels einer in der Figur nicht gezeigten Anzeige dargestellt werden, oder mittels einer weiteren Einrichtung weiterverarbeitet werden.

Fig. 2 zeigt die relative Anordnung der einzelnen Überwa­ chungseinrichtungen 20, 30, 40 bezüglich der Läuferwicklung 10 und der Aufnahmeeinrichtung 50. Bevorzugt sind die Strom-, Spannungs- und Erdschlußüberwachungseinrichtung in der glei­ chen Ebene angeordnet. Die in den Spulen 52, 54 aufgenommenen Impulse können zeitlich nach den einzelnen Meßgrößen ausge­ wertet werden. Dabei muß das Aufnahmejoch axial so breit sein, daß es axiale Dehnungen des Läufers überdeckt.

Fig. 3 zeigt eine vergrößerte Schnittansicht der Stromüberwa­ chungseinrichtung 20. Diese Figur zeigt die einzelnen Kompo­ nenten der Stromüberwachungseinrichtung 20, nämlich den Kern 21, die Isolation 22 und die Verschraubung 23. Desweiteren ist eine den Kern umgebende unmagnetische Hülse 24 gezeigt.

Fig. 4 zeigt eine vergrößerte Schnittansicht der Spannungs­ überwachungseinrichtung bzw. der Erdschlußüberwachungsein­ richtung, die beide einen fast identischen Aufbau aufweisen. In dieser Fig. 4 ist desweiteren gezeigt, daß ein Schaltring 45 mit der Überwachungseinrichtung verbunden werden kann. Dieser Schaltring 45 dient als Verbindungsleitung für eventu­ elle Sicherungen, Vorwiderstände oder andere Anschlußmöglich­ keiten. Desweiteren ist eine Verschraubung 46 gezeigt, die den Kern in einer erwünschten Stellung hält. Diese Verschrau­ bung 46 ist aus einem unmagnetischen Material gefertigt.

Durch die vorliegende Erfindung wird somit mit einfachen Mit­ teln eine Möglichkeit geschaffen, den Erregerstrom, die Erre­ gerspannung und/oder möglichen Erdschluß der Läuferwicklung während des Betriebs zu überwachen.

Claims (12)

1. Vorrichtung zur Messung von zumindest einer charak­ teristischen Zustandsgröße des Erregersystems (11) der Läuferwicklung (10) einer elektrodynamischen Maschine, insbesondere eines Generators, wobei die Vorrichtung auf­ weist:

• - eine mit der Läuferwicklung (10) rotierende Erzeu­ gungseinrichtung, die ein magnetisches Feld erzeugt, das proportional zu der zu messenden Zustandsgröße des Erregersystems (11) ist, und
• - eine feststehende Aufnahmeeinrichtung (50), in der mittels Induktion aus dem von der Erzeugungseinrichtung erzeugten, magnetischen Feld ein der Zustandsgröße proportionales Signal erzeugbar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Erzeu­ gungseinrichtung als Stromüberwachungseinrichtung (20) ausgebildet ist, wobei die Stromüberwachungseinrichtung (20) umfaßt

• - einen aus einem ferromagnetischen Material gefertigten Kern (21), der entlang eines Durchmessers des Wellenschenkels (13) des Läufers geführt ist, wobei die Länge des Kerns (21) dem Durchmessers des Wellenschenkels (13) annähernd entspricht.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (21) über seine ganze Länge von einer Spule (22) umwickelt ist, die an ihren Enden mit den Erregerzuleitungen (11) der Läuferwicklung (10) verbunden ist.

4. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Erzeu­ gungseinrichtung als Spannungsüberwachungseinrichtung (30) ausgebildet ist, wobei die Spannungsüberwachungseinrichtung (30) umfaßt:

• - zwei aus einem ferromagnetischen Material gefertigte Kerne (31, 32), die diametral zueinander entlang eines Durchmessers der Läuferwicklung (10) angeordnet und jeweils von einer Spule (33, 34) umwickelt sind, wobei die Spulen (33, 34) an einem Ende miteinander verbunden und am jeweiligen anderen Ende an das Erregersystem (11) der Läuferwicklung (10) angeschlossen sind.

5. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Erzeu­ gungseinrichtung als Erdschlußüberwachungseinrichtung (40) ausgebildet ist, wobei die Erdschlußüberwachungseinrichtung (40) umfaßt

• - zwei aus einem ferromagnetischen Material gefertigte Kerne (41, 42), die diametral zueinander entlang eines Durchmessers der Läuferwicklung (10) angeordnet und jeweils von einer Spule (43, 44) umwickelt sind, wobei die Spulen (43, 44) an einem Ende miteinander verbunden und am jeweiligen anderen Ende an Masse angeschlossen sind.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kerne (31, 32, 41, 42) jeweils in der Nähe des Umfangs der Läufer­ wicklung (10) angeordnet sind.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4-6 mit mindestens zwei Erzeugungseinrichtungen (20, 30, 40) zur Messung von mindestens zwei Zustandsgrößen, dadurch gekennzeichnet, daß die einzel­ nen Überwachungseinrichtungen (20, 30, 40) der Erzeugungsein­ richtung, nicht in der gleiche Ebene und/oder nicht in der gleichen Winkelstellung angeordnet sind.

8. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufnah­ meeinrichtung (50) mindestens einen aus einem ferromagneti­ schen Material gefertigten Aufnahmekern (51) und eine um den Aufnahmekern gewickelte Spule (52) aufweist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Auf­ nahmeeinrichtung mindestens zwei aus einem ferromagnetischen Material gefertigten Aufnahmekerne (53) mit Spulen (54) aufweist, und daß die Aufnahmekerne symmetrisch zur Rotationsachse des Läufers angeordnet sind.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Auf­ nahmekerne (51, 53) mit einem aus einem ferromagnetischen Material gefertigten Joch (55) verbunden sind.

11. Verfahren zur Messung einer charakteristischen Zustandsgröße des Erregersystems (11) der Läuferwicklung (10) einer elektrodynamischen Maschine, insbesondere eines Gene­ rators, wobei das Verfahren die Schritte umfaßt:

• - Erzeugen eines mit der Läuferwicklung (10) rotierenden magnetischen Feldes, das proportional zu der zu messenden Zustandsgröße des Erregersystems (11) ist, und
• - Erzeugen eines der Zustandsgröße proportionalen Signals aus dem magnetischen Feld mittels Induktion in einer feststehenden Aufnahmeeinrichtung.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß den weiteren Schritt umfaßt

• - Erzeugen eines zweiten Signals, das proportional zu einer zweiten Zustandsgröße ist, aus dem magnetischen Feld mittels Induktion in einer feststehenden Aufnahmeeinrich­ tung (50) oder in einer zweiten feststehenden Aufnah­ meeinrichtung.