DE2456833B2

DE2456833B2 - Verfahren und anordnung zur ermittlung des lastwinkels eines reluktanz- motors

Info

Publication number: DE2456833B2
Application number: DE19742456833
Authority: DE
Original assignee: Fisiko-energetitscheskij institut Akademii Nauk Latwijskoj SSR, Riga (Sowjetunion)
Priority date: 1973-12-03
Filing date: 1974-12-02
Publication date: 1977-04-21
Also published as: US3980950A; FR2253303A1; DE2456833A1; FI57847C; FI57847B; CS172745B3; FR2253303B1; SE405923B; SE7415077L; FI344974A; DD115535A1; HU170821B

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Ermittlung des Lastwinkels eine; Reluktanz-Motors gemäß dem Oberbegriff der Patent ansprüche 1 und 4.

Die erfindungsgemäße Anordnung zur Durchführung des angegebenen Verfahrens zur Ermittlung de; Lastwinkels kann erfolgreich in allen Fällen angewendet werden, wenn die Welle des zu kontrollierender elektrischen Motors aus irgendwelchen Gründen niehl ohne weiteres zugänglich ist

Wie schon angegeben, kann das besonders beim Betrieb von Reluktanz-Motoren zusammen mit einem Kernreaktor der Fall sein.

Zur Zeit mißt man den Lastwinkel eines im Bremsbetrieb arbeitenden Reluktanz-Motors mit Hilfe eines Winkelmessers, der aus einem an der Welle des zu untersuchenden Motors befestigten Zeiger und einem ir geometrische oder elektrische Grade geteilten Skalenring besteht

Ein solches Verfahren zur Ermittlung des Lastwinkels ist nur anwendbar, wenn die Welle des Motors frei zugänglich ist

Anhand des gemessenen Lastwinkels kann man das statische Moment an der Welle des Motors erminteln und den Zustand d<^ Antriebs, insbesondere des Zahnstangenantriebs eines Kernreaktors, kontrollieren. Während des Betriebes muß man das Vorhandensein bzw. Ausbleiben einer Kassette mit einer Ladung an der Zahnstange des Antriebes kontrollieren, den Bestand bzw. Vorrat an bestimmter Ladung vom Eigengewicht der Kassette bis zum sogenannten »Auftauchen« ermitteln. Zur Zeit ist zur Kontrolb des Zustandes dieses Antriebes das Stillsetzen des Kernreaktors und dessen Enthermetisierung notwendig, was mit einer Störung des Betriebs des Kernkraftwerkes, mit dem Aufhören der elektrischen Energieerzeugung und mit der Ausführung von komplizierten und umständlichen Arbeitsgängen in der Zone erhöhter Radioaktivität verbunden ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unter Beseitigung der angegebenen Nachteile ein Verfahren zur Ermittlung des Lastwinkels eines Reluktanz-Motors zu schaffen, der im Bremsbetrieb arbeitet und vorzugsweise als Stellmotor eines Zahnstangenantriebs des Steuer- und Schutzsystems von Leistungs-Kernreaktoren dient, das die Ermittlung des Lastwinkels von Reluktanz-Motoren in Kanälen des Steuer- und Schutzsystems von Kernreaktoren ermöglicht, deren Welle für die Befestigung eines Winkelmessers oder von speziellen Gebern unzugänglich ist, um dadurch die Kontrolle der Größe des statischen Momentes an der Welle des Motors zu gewährleisten, das ferner eine Vereinfachung des Vorganges und die Erhöhung der Genauigkeit der Ermittlung des Lastwinkels ermöglicht, das weiter eine Verbesserung der Arbeitsbedingungen für das Bedienungspersonal von Kernkraftwerken ermöglicht sowie erlaubt, ohne Arbeiten in der Zone

erhöhter Radioaktivität auszukommen, das außerdem, insbesondere für einen Motor, der mit pulsierendem, durch zwei in Reihe geschaltete Ständcr-Phasenarbeitswicklungen fließendem Strom gespeist wird, einen einfachen und betriebstüchtigen Aufbau hat, d.h. keine speziellen Stellungsgeber des Läufers, keine Gleitkontakte und dergleichen störanfällige Konstruktionselemente enthält, und schließlich eine Anordnung für die Ermittlung des Lastwinkels zu schaffen, die außer der bereits angegebenen Anwendung auch die Kontrolle der Qualität bei der Herstellung von Läufern elektrischer Maschinen ermöglicht

Mit anderen Worten, es ist Aufgabe der Erfindung ein Verfahren und eine Anordnung zur Ermittlung des Lastwinkels eines Reluktanz-Motors, der im Bremsbetrieb arbeitet, mit pulsierendem, durch zwei in Reihe geschaltete Ständer-Phasenarbeitswickiungen fließendem Strom gespeist wird und vorzugsweise als Stellmotor eines Zahnstangenantriebes des Steuer- und Schutzsystems von Kernreaktoren dient, zu entwickeln, die insbesondere der Ermittlung des Lastwinkels dieses Motors ohne Zugang zur Motorwelle anhand der gemessenen Leiterspannungen zwischen der freien Phasenwicklung und jeder der Arbeitsphasenwicklungen des Ständers sowie die Ermittlung des Lastwinkels eines derartigen Motors, der einen nach außen geführten Nullpunkt der Ständerwicklung besitzt, anhand der gemessenen Phasenspannungen der Arbeitsphasenwicklungen ermöglichen.

Die Aufgabe wild bei einem Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 erfindungsgemäD gelöst durch den kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die Ermittlung des Lastwinkels von Motoren, die im Bremsbetrieb arbeiten und deren Welle unzugänglich ist, was z. B. bei den Motoren des Zahnstangenantriebs von Steuer- und Schutzsystemen von Kernreaktoren der Fall ist

Anhand des gemessenen Lastwinkels kann man wiederum das statische Moment an der Welle des Motors ermitteln und über den Zustand des Zahnstangenantriebs als Ganzes urteilen.

Außerdem ermöglicht die Erfindung eine Vereinfachung des Vorganges und eine Erhöhung der Genauigkeit der Ermittlung des Lastwinkels sowie eine Verbesserung der Arbeitsbedingungen für das Bedienungspersonal von Kernkraftwerken.

Die Erfindung wird weitergebildet durch die Lehre nach dem Patentanspruch 2.

Diese Weiterbildung ermöglicht die Durchführung des Verfahrens zur Ermittlung des Lastwinkels von Motoren, die im Bremsbetrieb arbeiten und deren Welle unzugänglich ist anhand der gemessenen Leiterspannungen zwischen der freien Phasenwicklung und jeder der Arbeitsphasenwicklungen des Ständers des betreffenden Motors.

Eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird durch die Lehre nach dem Patentanspruch 3 erreicht

Diese Ausgestaltung ermöglicht die Durchführung des Verfahrens zur Ermittlung des Lastwinkels von Motoren, die im Bremsb^trieb arbeiten und deren Welle unzugänglich ist anhand der gemessenen Phasenspannungen der Arbeitsphasenwicklungen des Ständers des Motors.

Eine Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens nach dem Oberbegriff des PatentanSpruchs 4 ist erfindungsgemäß gekennzeichnet durch den kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 4.

Die erfindungsgemäße Anordnung wird durch die Lehre nach dem Patentanspruch 5 ausgestaltet

Diese Ausgestaltung ermöglicht die Ermittlung des statischen Momentes an dar Welle des Motors und die Überwachung des Zuslandes des Zahnstangenantriebs als Ganzes.

Das Verfahren und die Anordnung gemäß der

ίο Erfindung zur Ermittlung des Lastwinkels können außerhalb ihres direkten Anwendungsbereiches zur Kontrolle der Qualität bei der Herstellung der Läufer von elektrischen Maschinen eingesetzt werden, z. B. zur Gütekontrolle bei der Herstellung des Dämpferkäfiges von Synchronmaschinen und des Kurschlußkäfiges von Asynchronmaschinen. Die Anwendung der Anordnung kann in diesem Falle zu einer wesentlichen Beschleunigung und Vereinfachung der Gütekontrolle führen, wie nachfolgend erläutert wird.

zo Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 ein Schaltbild für die Speisung eines Reluktanz-Motors, der im Bremsbetrieb arbeitet

F i g. 2 eine Winkelkennlinie eines Reluktanz-Motors, der im Bremsbetrieb arbeitet

Fig.3 Funktionen U_n = f{£); U₂₃ = f (Δ); (Nennstrom Id= 10A) U₃ = f (Δ) eines Reluktanz-Motors, der im Bremsbetrieb arbeitet,

Fig.4 Funktionen (U_n - U₂₃) = f (Δ) Reluktanz Motors (bei Nennstrom /^=IO A), der im Bremsbetrieb arbeitet

Fig.5 eine Messung der Änderung des Lastwinkels mit Hilfe eines Winkelmessers,
F i g. 6 das Funktionsschaltbild eines Ausführungsbeispiels der Anordnung zur Ermittlung des Lastwinkels eines Reluktanz-Motors, der im Bremsbetrieb arbeitet und

F i g. 7 das Funktionsschaltbild eines Ausführungsbeispiels der Anordnung zur Ermittlung des Lastwinkels eines Reluktanz-Motors, der mit herausgeführtem Nullpunkt der Ständerwicklung versehen ist und im Bremsbetrieb arbeitet

Durch Arbeitsphasenwicklungen 1, 2 (Fig. 1) eines Ständers eines Reluktanz-Motors, der eine freie Phasenwicklung 3 aufweist und im Bremsbetrieb arbeitet, wird ein pulsierender Strom I₉ oder ein gleichgerichteter Strom I_r geschickt der sowohl eine Gleichstromkomponente U als auch eine Wechselstromkomponente /,aufweist

Die Gleichstromkomponente der magnetomotorischen Kraft (MMK) Fd ■ /,/erzeugt eine Gleichkomponente des Induktionsflusses.

In Wechselwirkung mit dem Strom Id hält der Induktionsfluß den Läufer 4 des Motors in einer bestimmten Lage fest. Wirkt auf die Welle des Motors ein statisches Belastungsmoment M_& so dreht sich der Läufer 4 unter der Wirkung dieses Momentes um einen solchen Lastwinkel Δ (F i g. 1), daß das vom Motor dabei entwickelte Drehmoment M_c das angelegte statische Moment Mjder Belastung ausgleicht, d.h. M_s = Abgilt. Aus tier Theorie der Reluktanz-Motoren, die bei einer gegebenen Stromstärke l_d in der Ständerwicklung betrieben werden, ist die Beziehung

Mc s Id¹Sm 2 Δ

bekannt d. h, das elektromagnetische Moment M_c ist bei bekannten Hauptparametern des Reluktanz-Motors» und gegebener Stromstärke zum Sinus des Hnnnpltpn

Lastwinkels Δ proportional, weshalb man, indem man den Winkel Δ mißt, den Wert M_e ermitteln kann.

In Fig.2 sind eine mechanische Winkelkennlinie 5 eines Reluktanz-Motors, der im Bremsbetrieb arbeitet, und ein Grenzwert 6 seines stabilen statischen Betriebs gezeigt.

Gleichzeitig erzeugt die Wechselkomponente des Stromes einen Spannungsabfall U\ und U₂ (Fig. 1) an den Arbeitsphasenwicklungen 1, 2 des Ständers und induziert eine elektromotorische Kraft (EMK) E₃ in der ₎₀ freien Phasenwicklung 3 (F i g. 1).

Die Phasenspannungen Uu lh, Ih = E₃ sind bei gegebenen Werten der Gleichkomponente U und der Wechselkomponente /, des Stromes von der Lage der Längsachse d-d des Läufers 4 gegenüber der Richtundes Achse Fdder MMK abhängig, und zwar U\ = ί(Δ), U₂ = ί(Δ) und Ui = ί(Δ). Die Leiterspannungen U\₃ und Un (F i g. 1) sind ebenfalls vom Winkel Δ abhängig.

In F i g. 3 sind beispielsweise Kurven Um, Un und U₃ dargestellt, die die Abhängigkeit der entsprechenden »0 Spannungen vom Winkel Δ eines konkreten Reluktanz-Motors, der ein Nenndrehmoment von 60 Nm (Newton meter) aufweist bei der Nennstarke des Stromes Id= 10 A und vergleichsweise bei erhöhter Stromstärke Id = 15 A veranschaulichen.

Die Funktionen l/, = f (Δ\ U₂ = f (Δ\ U₃ = f (Δ), U\₃ = f (Δ), U₂₃ = f (Δ) können zur Ermittlung des Winkels Δ herangezogen werden. Es ist aber vorteilhafter, zur Ermittlung des Winkels Δ die Funktionen (t/i3 - t/23) = f (Δ) anzuwenden, weil bei Δ = 0° die Differenz (t/13 - Un) = 0 ist, und folglich wird der Wert Null der Spannungsdifferenz dem Ausbleiben der statischen Belastung der Motorwelle entsprechen.

In Fig.4 sind als Beispiel Kurven (t/13 - U₂₃) dargestellt, die die Abhängigkeit der Spannungsdifferenz (i/13 - U₂₃) vom Winkel Δ desselben Reluktanz-Motors bei Id = 10 A und U= 15 A veranschaulichen.

Falls die Ständerwicklung des Motors einen herausgeführten Nullpunkt 0 (Fig. 1) aufweist, kann man zur Ermittlung des Winkels Δ mit gleichem Erfolg die Funktionen (t/i -U₂) = ((Δ)und U₃ = f(A) benutzen.

Die Ermittlung des Lastwinkels und der Größe des statischen Momentes M_s an der Welle des Reluktanz-Motors, der im Bremsbetrieb arbeitet und dessen Welle während des Betriebes unzugänglich ist, kann in nachstehender Reihenfolge durchgeführt werden:

a) Im Zeitintervall, während dem die Welle des Motors zugänglich ist, werden die Funktionen (t/i - U₂) = f(A) bzw. (Ux₃ -Ua) = f(A) ermit telt Dabei wird der Motor laut Schaltbild von so Fig. 1 mit pulsierendem Strom vorgegebener Stärke (z. B. Nennstromstärke) gespeist Man mißt den Lastwinkel Δ ζ. B. mit Hufe eines Winkelmessers, der aus einem an der Welle befestigten Zeiger 7 (Fig.5) und einem in Graden geeichten Skalenring 8 besteht

Gleichzeitig wird die mechanische Winkelkennlinie des Motors M_e = /aufgenommen;

b) während des Betriebes des Motors zusammen mit dem Antrieb bei der Speisung seiner Wicklungen mit pulsierendem Strom derselben Stromstärke mißt man die Spannungen Lh; U₂ oder t/13; U₂₃, und anhand der vorher aufgenommenen Funktionen (t/, - U₂) - /(d) bzw. (W₃ -U₂₃)- /(4) werden der Winkel Δ sowie anhand der Funktion M_e = / (Δ) die ■· Größe des Drehmomentes an der Motorwelle ermittelt

Zur bequemeren Durchfuhrung der Messung wird

zweckmäßig eine Anordnung zur Ermittlung des Lastwinkels des Motors verwendet, die das Vergleichen der Spannungen U\₃ und U₂₃, und zwar die Subtraktion (Un - Un),durchführen kann.

Das Funktionsschaltbild der Anordnung zur Durchführung des Verfahrens zur Ermittlung des Winke's Δ aus den Größen der Leiterspannungen i/13 — U₂₃ sowie das Anschlußbild der Anordnung an die Phasenwicklungen des Motors sind in F i g. 6 gezeigt

Die Anordnung enthält einen Vergleicher 9 (F i g. 6), ein Meßgerät 10 (F i g. 6), einen Meßbereich-Umschalter 11 (F i g. 6), eine Schutzeinheit 12 (F i g. 6) und einen Indikator 13 (Fig.6) der Polarität der Gleichkomponente der Spannung der Speisequelle.

Die Leiterspannungen U_t3 U₂₃ (Fig.6) werden dem Eingang des Vergleichers 9 zugeführt Vom Ausgang des Vergleichers 9 gelangt ein Signal, das z. B. der Spannungsdifferenz (t/₎₃ - U₂₃) proportional ist und einem bestimmten Winkel Δ entspricht, an das Meßgerät 10.

Zum Schutz des Meßgerätes 10 und des Vergleichers 9 vor Überströmen ist die Schutzeinheit 12 vorgesehen. Der Meßbereich-Umschalter 11 ermöglicht die Anwendung einer Skala des Meßgerätes 10 für verschiedene Größen des pulsierenden Stromes.

Der Indikator 13 der Polarität ist für die Kontrolle des richtigen Anschlusses der Anordnung an die Klemmen des Motors vorgesehen.

Falls die Ständerwicklung des Motors einen herausgeführten Nullpunkt 0 (F i g. 1,7) besitzt kann man dem Eingang des Vergleichers der Anordnung auch Phasenspannungen t/, und U₂ (Fig. 7) der Arbeitsphasenwicklungen 1,2 zuführen.

Die Eichung der Anordnung wird während der Zeit durchgeführt wenn die Welle des Motors zugänglich ist, bei der Speisung der Arbeitsphasenwicklungen 1, 2 (Fig. 1, 6, 7) des Motors mit pulsierendem Strom vorgegebener Stromstärke, z. B. mit Nennstrom. Die Skala des Meßgerätes 10 kann sowohl in Einheiten des Winkels Δ als auch in Einheiten der Belastung der Motorwelle geeicht werden.

Während des Betriebes des Motors im Aggregat des Antriebes wird zur Ermittlung des Lastwinkels oder der Größe der Belastung seiner Welle der Eingang des Vergleichers 9 der Anordnung an die Wicklungen 1,2,3 (Fig.6) oder 1, 2, 0 (Fig.7) angeschlossen, und bei derselben Stärke des pulsierenden Stromes mißt man auf der Skala des Meßgerätes 10 die Größe des Winkels Δ oder der Belastung der Welle.

Außerhalb ihres direkten Anwendungszweckes können das Verfahren und die Anordnung nach der Erfindung für die Gütekontrolle bei der Herstellung der Läufer von elektrischen Maschinen angewendet werdea

Es ist z.B. bekannt daß die Funktionen (U₁₃ - Un) = f (Δ) von Reluktsnz-Motoren einer bestimmten Serie annähernd gleich sind. Eine starke Abweichung dieser Funktionen eines oder mehrerer Motoren der Serie von entsprechenden Funktionen von einwandfreien Motoren derselben Serie kann beispielsweise von einer Änderung der Läuferparaineter zeugen, was auf technologische Ursachen zurückzuführen ist

Auf die gleiche Weise kann man anhand der Funktionen (U₁₃ -U₂₃) = f(A) über die Qualität bei der Herstellung der elektrischen Maschinen anderer Typen urteilen, deren Läufer eine magnetische oder elektrische Asymmetrie aufweisen.

Bei elektrischen Maschinen mit magnetisch und

elektrisch symmetrischen Läufern, wie bei Asynchronmotoren mit Kurzschlußläufern, müssen die Spannungen L/u und i/₂3 im ganzen Änderungsbereich des Winkels A gleich sein. Stellt es sich heraus, daß diese Spannungen bei einigen Werten des Winkels Δ ungleich sind, so zeugt das von einer magnetischen oder elektrischen Asymmetrie des Läufers, was ebenfalls durch technologische Ursachen hervorgerufen werden kann.
Bei der Ermittlung der Funktionen (Un - Un) = f

(Δ) von zu untersuchenden elektrischen Maschinen ist es vorteilhaft, eine Anordnung zur Ermittlung des Lastwinkels zu benutzen, bei der an der Skala von deren Meßgerät der Anzeigebereich des Gerätezeigers aufgetragen ist, der für die jeweilige Maschinenreihe zulässig ist.

Das beschriebene Verfahren zur Güteprüfung bei der Herstellung von Läufern erfordert keine speziellen Prüfanlagen und ist zeitsparend. Die dabei anzuwendende Anordnung ist einfach und sicher im Betrieb.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

'•f Patentansprüche:

1. Verfahren zur Ermittlung des Lastwinkels eines Reluktanz-Motors· mit sterngeschalteter Drehstrom-Ständerwicklung, der im Bremsbetrieb mit Speisung von zwei in Reihe geschalteten Arbeitsphasenwicklungen und einer freien dritten Phasenwicklung arbeitet und vorzugsweise als Stellmotor des Antriebs von Steuer- und Schutzsystemen für Kernreaktoren dient, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst, wenn die Welle des Motors zugänglich ist, durch die Arbeitsphasenwicklungen (1,2) seines Ständers ein pulsierender Strom vorgegebener Stärke geschickt wird und die Beziehungen [(U = f (Δ\ Fig.3, 4)] zwischen einerseits dem Lastwinkel (Δ) und andererseits den Phasenspannungen (Uu U₂, U₃) und den Leiterspannungen (i/12, t/13, t/23) an den Ständerwicklungen (1, 2, 3) durch gleichzeitiges Messen des Lastwinkels und der Spannungen ermittelt werden, und daß dann während des Betriebs des Motors, wenn dessen Welle unzugänglich ist, durch die Arbeitsphasenwicklungen (1, 2) seines Ständers erneut ein pulsierender Strom mit der gleichen vorgegebenen Stärke wie bei Zugänglichkeit der Welle des Motors geschickt wird und gleichzeitig die Phasen- bzw. Leiterspannungen an den Ständerwicklungen (1, 2, 3) gemessen werden, aus denen über die vorher festgestellten Beziehungen [(U= f (Δ), Fig.3, 4)] der gesuchte Lastwinkel (Δ) ermittelt wird, der gleich dem Lastwinkel ist, der vorher bei zugänglicher Welle des Motors für den Wert der Phasenbzw. Leiterspannung gemessen wurde, der gleich dem bei unzugänglicher Welle des Motors gemessenen Spannungswert ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Leiterspannungen (t/13, U_2i) zwischen der freien Phasenwicklung (3) und jeder der Arbeitsphasenwicklungen (1, 2) gemessen werden und der Lastwinkel (Δ) anhand der festgestellten Beziehung [(U- f (Δ), Fig.3, 4)] zwischen dem Lastwinkel und den Leiterspannungen ermittelt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei zugänglichem Nullpunkt (0) der Ständerwicklung die Phasenspannungen (Uu U₂) ihrer Arbeitsphasenwicklungen (1, 2) gemessen und der Lastwinkel (Δ) anhand der festgestellten Beziehung [(U = f (Δ), Fig.3)] zwischen dem Lastwinkel und den Phasenspannungen ermittelt wird.

4. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1—3 zur Ermittlung des Lastwinkels eines Reluktanz-Motors, der im Bremsbetrieb bei Speisung von zwei in Reihe geschalteten Arbeitsphasenwicklungen aus einer Quelle pulsierenden Stromes arbeitet, dadurch gekennzeichnet, daß bei unzugänglicher Welle des Motors der Eingang eines Spannungs-Vergleichers (9) unmittelbar an die Arbeitsphasenwicklungen (1, 2) und über einen Meßbereich-Umschalter (11) an eine freie Phasenwicklung (3) angeschlossen ist, wobei der Ausgang des Vergleichers (9) über eine Schutzeinheit (12) mit einem Meßgerät (10) verbunden ist, das bei zugänglicher Welle des Motors durch Messen des Lastwinkels (Δ) bzw. der Belastung in Einheiten des Lastwinkels (Δ) bzw. der Belastung der Welle des

Motors geeicht worden ist (F i g. 6).

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekenn zeichnet, daß bei ihrem Betrieb mit einem Motor, dei einen herausgeführten Nullpunkt (0) der Ständer wicklung aufweist, der Nullpunkt (0) über der Meßbereich-Umschalter ill) an den Spannungs Vergleicher (9) angeschlossen ist (F i g. 7).