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Anordnung zur meßtechnischen Erfassung und Überwachung
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von Unsymmetrien in rotierenden elektrischen Induktionsmaschinen Die
Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur meßtechnischen Erfassung und Überwachung
von Unsymmetrien in rotierenden elektrischen Induktionsmaschinen, durch Erfassung
von in Spulen im Ständer induzierten Spannungen, die einem Anzeigegerät und/oder
einer Oberwachungseinrichtung zugeführt werden.
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Eine derartige Anordnung ist aus der DE-OS 29 21 724 bekannt. Bei
der bekannten Anordnung sind eine oder mehrere in Reihe geschaltete Meßspulen aus
einer oder mehreren Windungen in der dem Luftspalt zugewandten Bohrungsfläche des
Ständerblechpaketes angeordnet, deren Weite so gewählt ist, daß das Maschinenhauptfeld,
die Wicklungsoberfelder und die Zahnsättigungsfelder in ihr keine Spannung, die
durch elektrische Lä.uferunsymmetrien hervorgerufenen zusätzlichen Luftspaltfelder
hingegen eine maximale Spannung induzieren. Die Bemessung und Anordnung der Meßspule
bzw. Meßspulen ergibt sich dabei aus einer Analyse des Luftspaltfeldes. Die in diesen
Meßspulen infolge einer Läuferunsymmetrie induzierte Spannung wird dann einem Anzeigegerät
und/oder einer Überwachungseinrichtung zugeführt. Diese bekannte Anordnung erfordert
also zum Feststellen der Läuferexzentrizitäten das Vorhandensein einer oder mehrerer
in bestimmter Weise bemessenen Meßspulen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zur Erfassung
von Unsymmetrien zu schaffen, die keine gesondert anzubringende Meßspule erfordert.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine Anordnung der eingangs beschriebenen
Art gemäß der Erfindung so ausgebildet, daß bei einer als Spulenwicklung ausgeführten
Ständerwicklung zwischen den Spulen und zumindest an einem Strangende eines oder
aller Stränge der Ständerwicklung Anzapfungen vorgesehen sind, die über eine Wicklung
zumindest eines Meßwandlers geführt so verbunden sind, daß die in den Spulen induzierten
Spannungen, die durch Unsymmetrien verursacht werden, bei der Summation im Meßwandler
einen von Null verschiedenen Wert, während die Spannungen, die durch das Maschinengrundfeld
verursacht werden, den Wert Null ergeben und daß die andere Wicklung des Meßwandlers
mit dem Anzeigegerät und/oder der Überwachungseinrichtung verbunden ist.
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Zur Überwachung der Unsymmetrien werden also die Spulen der Ständerwicklung
selbst genutzt, so daß nur Anzapfungen und Verbindungsleitungen gelegt werden müssen,
aber keine besonderen Meßspulen vorgesehen. Durch die besondere Schaltung dieser
zwischen den Anzapfungen liegenden Spulen derart, daß von den in ihnen induzierten
Spannungen die durch das Grundfeld der Maschine induzierten Spannungen bei der Summation
im Meßwandler Null ergeben, erfaßt man allein die in Einzel spulen über alle Stränge
verursachten, von der zu überwachenden Unsymmetrie abhängigen symmetrischen Komponenten
des induzierten Spannungssystems, insbesondere das Nul lsystem und/oder die in den
Einzel spulen eines Stranges induzierten, allein von der zu überwachenden Unsymmetrie
abhängigen Einzelspannungen eines Spannungssterns, und diese werden ausgekoppelt
und summiert zu einer von der Unsymmetrie
abhängigen Meßspannung,
die dem Anzeigegerät und/oder der Überwachungseinrichtung zugeführt wird. Es lassen
sich dabei exentrische Verlagerungen des Läufers, Schäden an der Käfigwicklung,
wie Stab- oder Ringbrüche, und auch Schäden an Spulenwicklungen im Läufer oder Ständer,
wie Unterbrechungen oder Windungsschlüsse, nachweisen.
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Zur Begrenzung der Größe der Meßströme ist es zweckmäßig, daß in den
Verbindungsleitungen zwischen den Anzapfungen jeweils untereinander gleiche Widerstände
vorgesehen sind. Durch diese ohmschen oder kapazitiven Widerstände werden Kurzschlüsse
der einzelnen angezapften Spulen vermieden.
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Bei der durch die Erfindung gegebenen Anordnung zur meßtechnischen
Erfassung und überwachung von Unsymmetrien in rotierenden elektrischen Induktionsmaschinen
kann man mit Vorteil die Tatsache ausnutzen, daß die unsymmetrieabhängigen Drehfeldwel
len ein Null spannungssystem hervorrufen, d. h. eine für alle drei Stränge der Ständerwicklung
in Betrag und Phase gleiche Größe. Die von diesen Drehfeldwellen induzierten Spannungen
summieren sich im allgemeinen über alle Spulen eines Stranges zu Null und können
deshalb nicht in den Klemmenspannungen identifiziert werden. In Einzelspulen sind
aber -diese induzierten Spannungen von Null verschieden und können deshalb zum Nachweis
der exzentrizitätsabhängigen Drehfeldwellen ausgewertet werden. Dazu kann mit Vorteil
jeweils eine Anzapfung in der Mitte jedes Stranges der Ständerwicklung und eine
Anzapfung am maschinenseitigen Strangende vorgesehen sein, die untereinander über
die Wicklung des Meßwandlers verbunden sind. Man erfaßt dadurch das Nullspannungssystem
über die halbe Spulenzahl eines Stranges.
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Dabei empfiehlt es sich für den Fall, daß die Wicklungs-
stränge
der Ständerwicklung zu einem Sternpunkt verbunden sind, auch die von den mi tt i
gen Anzapfungen kommenden Leitungen zum Stern zu schalten, wobei dann die Wicklung
des Meßwandlers zwischen dem Sternpunkt der Ständerwicklung und dem Sternpunkt der
Leitungen liegt. Handelt es sich dagegen um eine Ständerwicklung mit offenen maschinenseitigen
Strangenden, so ist es zweckmäßig, jede Verbindung zwischen den Anzapfungen des
Stranges über eine separate Wicklung des Meßwandlers zu führen. Durch diese Schaltungen
wird der bei Auftreten einer Unsymmetrie fließende Nut strom erfaßt, der durch das
in den Strangmitten erfaßbare Nullspannungssystem verursacht wird. Der Meßkreis
ist sowohl über die eventuell vorhandenen Sternpunkte als auch über die galvanische
Trennung durch den Wandler ohne zusätzlichen Aufwand ausreichend vom Hochspannungspotential
der Maschine getrennt.
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Die Phasenlage der durch Unsymmetrien entstehenden Felder ist auch
von der räumlichen Lage der Unsymmetrie abhängig, somit also auch die Phasenlage
der von diesen Feldern induzierten Spannung. Somit kann der Betrag der resultierenden
Spannung zwischen bestimmte Anzapfungen eines Stranges außer von der Größe der Unsymmetrie
auch noch von dere räumlicher Phasenlage abhängig sein. Soll nun eine solche gemessene
Spannung oder die Differenz solcher Spulenspannungen eines Stranges unbhängig von
der räumlichen Lage der Läuferexzentrizität sein, so müssen zwei Spannungssysteme
aus zwei Spulensystemen, die um6( /2 räumlich gegeneinander verschoben sind, gewonnen
und addiert werden oder die Differenzen von Spannungen um2 gegeneinander verschobener
Spulen. Dazu ist es zweckmäßig, die Spannungen zweier Spulensysteme, die räumlich
um /2 versetzt sind, über mindestens einen Meßwandler summiert zu erfassen.
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Da die unsymmetrieabhängigen Felder außer dem in Teil-
spulen
der drei Ständerwicklungsstränge induzierten Nullspannungssysteme in allen Spulen
eines Stranges einen symmetrischen Spannungsstern induzieren, läßt sich die Meßspannung
grundsätzlich auch über einen einzigen Strang der Ständerwicklung durch Erfassung
der Differenzspannung von geeignet ausgesuchten Spulen ermitteln. Dazu empfiehlt
es sich, daß bei einer Ständerwicklung mit mindestens vier Spulen pro Strang oder
Vielfachen davon jeweils zwischen vier symmetrisch über den Strang verteilten Spulen
oder Spulengruppen und an beiden Strangenden eines Stranges Anzapfungen vorgesehen
sind, wobei jeweils die Anzapfungen am Spulenanfang und am Spulenende über eine
Wicklung eines Meßwandlers verbunden sind und jeweils die Verbindungen der gegenüber
liegenden Spulen über denselben Meßwandler geführt sind und die an den Meßwandlern
abgegriffenen Spannungen addiert werden. Man erhält somit drei symmetrisch über
den Strang verteilte, jeweils um ein Viertel des Stranges versetzte Anzapfungen
und je eine Anzapfung an den Strangenden. Diese Schaltung erfordert somit zwei Meßwandler,
in denen jeweils die gegenphasigen Ströme der unsymmetrieabhängigen Spannungen gegenüberliegender
Spulen addiert und die gleichphasigen Ströme der Grundwellenspannung subtrahiert
werden.
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Bei dem Auf.bau der Meßschaltungen ist zu beachten, daß beim Betrieb
einer elektrischen Maschine auch andere Nullspannungssysteme, wie z.B. Sättigungsfelder,
auftreten oder Störspannungen durch Mit- und Gegensysteme induziert werden. Diese
Störspannungen treten aber im allgemeinen mit Frequenzen auf, die sich von der der
unsymmetrieabhängigen Nutzspannung des Nullspannungssystems oder der Spulenspannungsdifferenz
unterscheiden und somit durch elektronische Schaltungen ohne nennenswerten Aufwand
ausfilterbar sind. Der Vorteil beider für die Anordnung gemäß der Erfindung gegebenen
Schaltungs-
arten, nämlich der Erfassung des Nullspannungssystems
bzw. die Erfassung der Differenzen in den Spulenspannungen eines Stranges besteht
darin, daß durch Netzunsymmetrien die von Maschinenunsymmetrien abhängige Meßspannung
nicht beeinflußt wird.
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Im folgenden sei die Erfindung noch anhand der in den Fig. 1 bis 4
dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Diese zeigen jeweils die Schaltbilder
unterschiedlicher Meßanordnungen, wobei für gleiche Teile jeweils gleiche Bezugszeichen
beibehalten sind.
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Fig. 1 zeigt die aus drei Strängen 1, 2, 3 bestehende Ständerwicklung
4 einer elektrischen Induktionsmaschine mit einer nicht dargestellten Läuferwicklung.
Jeder Strang 1, 2, 3 besteht aus jeweils vier gleichen Spulen oder Spulengruppen.
Die Ständerwicklung 4 ist in Stern geschaltet, d. h. die maschinenseitigen Strangenden
sind zu.dem Sternpunkt 5 zusammengefaßt. In jeder Strangmitte ist jeweils eine Anzapfung
6, 7, 8 vorgesehen, die über gleich große ohmsche Widerstände 9 zu einem Sternpunkt
10 zusammengefaßt sind. Beide Sternpunkte 5 und 10 sind miteinander verbunden, wobei
die Verbindung 11 zwischen den Sternpunkten 5 und 10 über einen Wandler 12 geführt
ist, was hoch- oder niederohmig vorgenommen werden kann. Damit erfaßt der Wandler
12 den Nullstrom bzw. die Nullspannung. Dies kann an der anderen Wicklung 13 des
Meßwandlers 12 abgenommen werden und einem nicht dargestellten Anzeigegerät und/oder
einer nicht dargestellten Überwachungseinrichtung zugeführt werden.
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Fig. 2 zeigt ebenfalls eine Meßschaltung zur Erfassung des über die
halben Stränge induzierten Nullspannungssystems bei einer aus drei Strängen 1, 2,
3 bestehenden Ständerwicklung 4 einer elektrischen Induktionsmaschine.
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Hier hat die Ständerwicklung 4 einen offenen Sternpunkt, d. h. die
maschinenseitigen Strangenden X,Y,Z sind nicht
miteinander verbunden.
Aus diesem Grund ist am maschinenseitigen Strangende X die Anzapfung 14 am Strangende
Y die Anzapfung 15 und am Strangende Z die Anzapfung 16 vorgesehen.In jedem Strang
1, 2, 3 ist die Anzapfung 6,7,8 in Strangmitte über den Widerstand 9 jeweils mit
der Anzapfung 14,15,16 am Strangende verbunden, wobei die Leitungen über den Meßwandler
12 geführt sind. Durch diese Meßschaltung ergeben die auf das Grundfeld der Maschine
bezogenen Spannungen im Meßwandler 12 Null, und es wird lediglich das infolge Unsymmetrien
induzierte Nullspannungssystem erfaßt, welches an der anderen Wicklung 13 des Meßwandlers
12 abgenommen und einem nicht dargestellten Anzeigegerät und/oder einer Überwachungseinrichtung
zugeführt wird.
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In Fig. 3 ist eine Meßschaltung zur Erfassung der Differenzen in den
Spulenspannungen eines einzigen Stranges 1.
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der Ständerwicklung 4 einer elektrischen Induktionsmaschine dargestellt,
durch die Unsymmetrien meßtechnisch erfaßt und überwacht werden. Dieser Strang 1
mit den Strangenden U, X hat eine Anzahl von Spulen, die sich in vier gleichartige
Spulen oder Spulengruppen 17,18,19,20 unterteilen lassen. In diesem Strang 1 sind
am Anfang und am Ende jeder der Spulen oder Spulengruppen 17,18,19,20 jeweils Anzapfungen
vorgesehen, nämlich die Anzapfung 21 am Strangende U bzw. am Eingang der Spule 17,
die Anzapfung 22 zwischen den Spulen 17 und 18, die Anzapfung 23 zwischen den Spulen
18 und 19, die Anzapfung 24 zwischen den Spulen 19 und 20 und schließlich die Anzapfung
25 am Ausgang der Spule 20 bzw, am Strangende X. Die Anzapfungen am Anfang und am
Ende einer Spule sind jeweils miteinander verbunden, wobei die Verbindung über einen
Meßwandler geführt ist. Die Verbindung 26 zwischen den Anzapfungen 21 und 22 am
Eingang und am Ausgang der Spule 17 ist über den Meßwandler 27 geführt. Die Verbindung
28 zwischen den Anzapfungen 22 und 23 am Eingang und am Ausgang der Spule 18 ist
dagegen über den Meßwand-
ler 29 zugeführt. Die Verbindung 30 zwischen
den Anzapfungen 23 und 24 am Eingang und am Ausgang der Spule 19 ist wiederum über
den Meßwandler 27 und die Verbindung 31 zwischen den Anzapfungen 24 und 25 am Eingang
und am Ausgang der Spule 20 ist über den Meßwandler 29 geführt.
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In jeder der Verbindungen 26,28,30 und 31 ist jeweils ein Widerstand
9 gleicher Größe vorgesehen.
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Die Meßschaltung erfaßt die in den vier Spulen 17,18, 19,20 induzierten
Spannungen, die ein Spannungsquadrat bilden. Jeweils die im Hinblick auf das Grundfeld
der Maschine in Phase liegenden Spannungen der Spulen 17,19 bzw. 18 und 20 werden
einem Meßwandler 27,29 zugeführt, so daß sich in diesem die gleichphasigen Ströme
der Grundwellenspannung subtrahieren, während gegenphasige Ströme der unsymmetrieabhängigen
Spannungen addiert werden. Diese werden in der anderen Wicklung 32 der Meßwandler
27 bzw. 29 erfaßt, addiert und dann einem Anzeigegerät bzw. einer überwachungseinrichtung
zugeführt.
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Fig. 4 zeigt eine Abwandlung der Meßschaltung nach Fig. 3 derart,
daß ein einziger Meßwandler 33 zur Erfassung der Unsymmetrien mit Hilfe der an den
Spulen 17,18,19,20 des Stranges 1 der Ständerwickklung 4 der Induktionsmaschine
abgegriffenen Spannungen ausreicht. Dabei werden die Anzapfungen 21 und 23 über
je einen Widerstand 9 zunächst miteinander verbunden und dann über den Meßwandler
33 zur Anzapfung 22 geführt. Außerdem wird die Anzapfung 23 über einen Widerstand
9 mit der von der Anzapfung 25 über einen Widerstand 9 kommenden Leitung verbunden
und dann ebenfalls über den Wandler 33 zur Anzapfung 24 geführt. Dadurch werden
alle vier Ströme in einem einzigen Meßwandler 33 in gewünschter Weise addiert. An
der anderen Wicklung 32 des Meßwandlers 33
wird dann eine der Unsymmetrien
entsprechende Meßgröße abgenommen und einem Anzeigegerät bzw. einer Überwachungs
einrichtung zugeführt.
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7 Patentansprüche 4 Figuren