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Anordnung zum Überwachen der Läufertemperatur
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elektrischer Maschinen
Beschreibung Die Erfindunq
bezieht sich gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 auf eine Anordnung zum
Überwachen der Läufertemperatur elektrischer Maschinen.
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Beim Betrieb elektrischer Maschinen, speziell der Asynchron-Maschine,
treten bei bestimmten Betriebsfällen gegenüber dem normalen Dauerbetrieb erhöhte
Verluste im Ständer und Läufer der Maschine auf. Solche Betriebsfälle sind blockierter
Läufer , Schweranlauf, elektrisches Bremsen, Schaltbetrieb mit Einfluß des Anlaufes,
Versorgungsspannung mit hohem Oberschwingungsgehalt, Unterspannung, erhöhte Umgebungstemperatur
usw. Diese erhöhten Verluste bewirken einen Anstieg der Temperatur im Ständer und
Läufer, was unter anderem zur dauerhaften Beschädigung einzelner Teile, Herabsetzung
der Lebensdauer oder beim Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen zu einer Zündung
des explosiven Gemisches führen kann.
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Aus den vorstehenden Gründen war es seit Einführung dieser Maschinen
das Bestreben, diese beim Auftreten kritischer Temperaturen zu schützen, was im
allgemeinen mit der Abschaltun vom Versorgungsnetz erfolgt.
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Die Überwachung der Ständerwicklungstemperatur stellt heute kein Problem
dar und erfolgt vor allem mit Kaltleiterfühlern, Heißleiterfühlern oder Thermoelementen.
Bei einem Großteil der Asynchron-Maschinen, vor allem bei Mittel- und Großmotoren,
erreichen jedoch Teile des Läufers bei den bereits erwähnten Betriebsfällen schneller
ihre kritische Temperatur als dies die Überwachungselemente im Ständer und deren
nachgeschalteten Auslöseorganen verhindern können -
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hier von "läuferkritischen" Motoren -, so daß bei diesen Maschinen die Läufertemperatur
überwacht werden muß. Dies bereitet jedoch wegen der Drehbewegung des Läufers Schwierigkeiten,
insbesondere wenn eine Signalübertragung über Schleifringe und Bürsten vermieden
werden soll, weil diese den Prinzipien der Asynchron-Maschine, einfacher Aufbau
und Wartungsarmut, widersprechen würde.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Anordnung für den im Oberbegriff
des Anspruchs 1 genannten Zweck zu schaffen, die zum einen für die Signalübertragung
keine Schleifringe, Bürsten oder dergleichen benötigt und sich zum anderen durch
eine umfassende Funktionstüchtigkeit bei hoher Zuverlässigkeit und einfachem Aufbau
auszeichnet, so daß beim Auftreten einer kritischen oder unzulässig hohen Temperatur
ein weiterer Temperaturanstieg wirksam auf einfache Weise verhindert wird.
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Die vorgenannte Aufgabe wird durch die im Kennzeichnungsteil des Anspruchs
1 genannten Merkmale gelöst.
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Bei der erfindungsgemäßen Anordnung entsteht durch die mit dem Erreichen
der kritischen Temperatur an der überwachten Stelle des Läufers einhergehende, plötzliche
Änderung der Lastverhältnisse im Sekundärkreis des Übertragers in dessen Primärkreis
zuverlässig ein eindeutiges Signal, wobei mit den EIN-AUS-Schaltern und dem übertrager
nur robuste, störungssichere sowie einfache Elemente von hoher Lebensdauer zur Anwendung
gelangen. Die Unteransprüche betreffen bevorzugte vorteilhafte Ausführungsformen
des Gegenstandes des Anspruchs 1. Die Maßnahmen gemäß Anspruch 2 und 3 empfehlen
sich insbesondere, wenn an mehreren Stellen des Läufers kritische Temperaturen auftreten
können und nicht von vornherein feststeht, an welcher dieser Stellen der
kritische
Zustand zuerst erreicht wird.
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Die Maßnahme gemäß Patentanspruch 4 gestattet es, in die Überwachung
des Temperaturanstiegs an der Meßstelle auch einen oder mehrere vorkritische Zustände
einzubeziehen und z.B. ein Vorwarnsignal auszulösen, wenn eine bereits gefährliche
Temperatur erreicht worden ist, die jedoch noch unter der kritischen Temperatur
liegt. In einem solchen Falle geben die zusätzlich zu dem das Abschaltsignal liefernden
Übertrager vorgesehenen weiteren übertrager das Vorwarnsignal bzw. die ggf. mehreren
Vorwarnsignale mit steigender Temperatur schon vor Erreichen der kritischen Temperatur
an eine Vorwarneinrichtung ab, damit ggf. schon vor Erreichen der kritischen Temperatur
Gegenmaßnahmen getroffen werden können, mit denen die Abschaltung verhindert werden
kann.
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Ebenso wie für das Auslösesignal können auch für das Vorwarnsignal
bzw. die Vorwarnsignale der weitere'bzw. die weiteren übertrager jeweils mehreren
Meßstellen zugeordnet sein.
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Ein besonders deutliches Vorwarn- bzw. Abschaltsignal wird mit der
Maßnahme gemäß Anspruch 5 erreicht, die mit den besonderen EIN-AUS-Schaltern nach
Anspruch 6 oder 7 realisierbar ist. Eine weitere Steigerung des die unterschiedlichen
Lastzustände kennzeichnenden Signalunterschiedes ist mit der Maßnahme nach Anspruch
8 erreichbar. Gemäß Anspruch 9 wird auch der Zustand eines eventuellen Leitungsbruchs
in die Überwachung mit einbezogen.
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Der Anspruch 10 kennzeichnet eine für die erfindungsgemäße Überwachung
besonders günstige konstruktive Gestaltung des übertragers.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung an Ausführungsbeispielen
noch näher erläutert. In der Zeichnung zeigt:
Fig. 1 den prinzipiellen'Aufbau
der Anordnung mit parallelgeschalteten EIN-AUS-Schaltern, Fig. 2 eine Variante zu
Fig. 1, bei der die EIN-AUS-Schalter in Reihe geschaltet sind, Fig. 3 die konstruktive
Gestaltung des an dem Läufer angeordneten Übertragers in Ansicht von der Seite sowie
teilweise im Längsschnitt, wobei auch zwei EIN-AUS-Schalter schematisch dargestellt
sind, Fig. 4 die Vorderansicht des übertragers aus Fig. 3, und Fig. 5 das Schaltbild
der Primärseite des übertragers mit einen Kondensator aufweisender Beschaltung.
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Die in der Zeichnung dargestellte Anordnung zum Überwachen der Läufertemperatur
weist bei allen Ausführungen einen übertrager (Fig. 1,3) und temperaturabhängige
EIN-AUS-Schalter (Fig. 1,2,3) auf.
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Der Primärteil 1 des Übertragers ist stationär befestigt, während
der Sekundärteil 2 auf der Welle 6 des Läufers sitzt und mitrotiert. Beide Übertragerteile
sind durch einen Luftspalt getrennt. Die Enden C, D der Sekundärwicklung 9 sind
mit einem oder mehreren temperaturabhängigen EIN-AUS-Schaltern (Fig. 1,2) wie Thermokontakten,
Bimetallen etc. verbunden.
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Bei der Ausführung nach Fig. 1 sind die EIN-AUS-Schalter Schließkontakte,
die parallelgeschaltet sind und schließen, wenn an der von ihnen überwachten Stelle
des Läufers eine kritische Temperatur auftritt. Bei der Ausführung nach Fig. 2,
die ansonsten der Ausführung nach Fig. 1 entspricht, sind
die EIN-AUS-Schalter
in Reihe geschaltete öffnungskontakte 4, die öffnen, wenn sich an der von ihnen
überwachten Stelle des Läufers eine kritische Temperatur einstellt. Der oder die
temperaturabhängige(n) Schalter 3,4 befinden sich an den Stellen des Läufers mit
der höchsten Temperatur.
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Bei Anlegen einer konstanten Wechselspannung auf der Primärseite des
übertragers (Fig. 1,3, Klemmen A und B), fließt bei der Verwendung von Schließkontakten
3 und einer Läufertemperatur kleiner der Schalttemperatur der Leeraufstrom des übertragers.
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Mit dem Erreichen der Schalttemperatur und dem Schließen eines Schließkontaktes
3 wird die Sekundärseite des Übertragers kurzgeschlossen, und es fließt auf der
Primärseite der sogenannte Kurzschlußstrom des übertragers, der größer ist als der
Leerlauf strom und dessen Größe von der konstruktiven Ausführung der Anordnung abhängt.
Dieser Unterschied bzw. der höhere Kurzschlußstrom dient als Signal "Läufer hat
kritische Temperatur erreicht. Mit nachgeschalteten Auslöseorganen kann somit die
Maschine abgeschaltet werden. Ein Überschreiten einer bestimmten Läufertemperatur,
eine unzulässige Beeinträchtigung der Lebensdauer oder gar eine Zerstörung von Teilen
der Maschine wird damit auf einfache Weise verhindert.
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Nach dem Abkühlen des Läufers unter die Abschalttemperatur, verbunden
mit dem Öffnen des oder der Kontakte 3, kann die Maschine wieder betrieben werden.
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Bei Verwendung von EIN-AUS-Schaltern in Form von Offnungskontakten
4 nach Fig. 2 fließt im Betriebszustand "Läufer hat kritische Temperatur nicht erreicht"
andauernd der größere Signalstrom (Übertragerkurzschlußstrom). Beim Betriebszustand
"Läufer hat kritische Temperatur erreicht, der mit dem öffnen eines Öffnungskontaktes
4 verbunden ist, stellt sich der kleinere Signalstrom (Übertragerleerlaufstrom)
ein. Diese Schaltung zeichnet sich dadurch aus, daß auch der mögliche Fall eines
Leitungsbruches mit in die Überwachung einbezogen
wird, weil sich
der Leitungsbruch in der gleichen Weise äußert wie das Öffnen eines öffnungskontaktes
4.
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Der Betrieb des übertragers erfolgt im ungesättigten Teil seiner Magnetisierungskennlinie.
Die temperaturabhängigen Schalter 3,4 können am Kurzschlußring 15, an den Kurzschlußstäben
16 oder auch am Eisenpaket 14 angebracht werden (Fig. 3), wobei auSguten Wärmeübergang
zu achten ist. Bei niederpoligen Maschinen kann durch entsprechende Dimensionierung
der Kurzschlußringe 15 der Läufer "ringkritisch" gemacht werden. Es würde somit
die Anbringung eines oder mehrerer Schalter 3,4 am Ring 15 ausreichen. Bei stabkritischen
Läufern erfolgt der Einbau am Stab 16. Auf jeden Fall ist dafür zu sorgen, daß sich
mindestens ein Schalter an der Stelle des Läufers befindet, die am schnellsten die
kritische oder unzulässig hohe Temperatur erreicht.
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Von besonderem Vorteil ist es, daß die Größe der beiden Signale Leerlauf-
und Kurzschlußstrom von der Drehzahl des Läufers unabhängig ist.
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Um die Abmaße des Primärteils 1 des Übertragers (Fig.l,3) möglichst
klein halten zu können und/oder um einen möglichst großen Luftspalt zwischen den
beiden übertragerteilen 1,2 zu erhalten, empfiehlt es sich, gemäß Fig. 5 auf der
Primärseite einen Kondensator in Reihe zur Primärwicklung 11 zu schalten. Diese
Schaltung entspricht einem Reihenschwingkreis (Fig. 5). Der Scheinwiderstand des
Übertragers ist dabei in einen induktiven Blindanteil jXL und einen Wirkanteil R
zerlegt.
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Wird der Wert des Kondensators so gewählt, daß sich z.B. für den Fall
des sekundärseitigen Kurzschlusses die Blindanteile von Induktivität, jXLT und Kapazität,
jXc, kompensieren (Resonanz), so wird der Strom allein durch den verbliebenen
Wirkanteil
R begrenzt. Bei sekundärseitigem Leerlauf ändert sich der Wert des induktiven Blindwiderstandes
und es verbleibt neben dem Wirkanteil noch ein nichtkompensierter Blindanteil, der
zusammen mit dem Wirkanteil den Strom vermindert. Der Signalunterschied ist bei
richtiger Dimensionierung des Kondensators und einem relativ kleinen Wirkanteil
(geringe Kupfer- und Eisenverluste) wesentlich größer als bei den Schaltungen nach
Fig. 1 oder FIg. 2 ohne zusätzlichen Kondensator. Zweckmäßigerweise wird dem Kondensator
zur Entladung nach einem Abschalten der überwachungseinrichtung ein hochohmiger
Widerstand parallelgeschaltet.
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Dieser Widerstand hat auf das beschriebene Verhalten praktisch keinen
Einfluß.
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Nachstehend werden noch die einzelnen Teile des Übertragers erläutert:
Primärteil (Fig. 1, 3, 4): Die Schenkel 13 und der Rücken bestehen aus Dynamoblech.
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Die Schenkel 13 sind zur besseren magnetischen Ankoppelung nach Fig.
4 mit einer Rundung versehen. Der Spulenkörper 12 mit der Primärwicklung 11 sitzt
auf dem Rücken. Mit A und B sind die Enden der Primärwicklung 11 bezeichnet. Der
Primärteil ist entweder am Lagerschild, am Ständergehäuse oder am Ständerblechpaket
befestigt.
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Sekundärteil (Fig. 1, 3, 4): Die Halterung 7 besteht aus nicht-ferromagnetischem
Material und ist auf die Läuferwelle 6 aufgepreßt bzw. mit dieser fest verbunden.
Die Schenkel 8 sind aus Dynamoblech radial geschichtet; es empfiehlt sich, die Schenkel
8 im Gegensatz zur zeichnerischen Darstellung in Fig. 3 etwas breiter als die Schenkel
13 des Primärteils zu machen, damit auch bei
axialem Spiel des
Läufers die Übertrittsfläche nicht verkleinert wird. Zum Herausführen der beiden
Enden C und D der den Rücken 10 umschließenden Wicklung 9 dienen ein oder zwei kleine
Bohrungen knapp unterhalb der'Oberkante des dem Läuferpaket 14 nähergnlegenen Schenkels
8. Zur Verminderung eines zusätzlichen Luftspaltes wird das Dynamoblech des zwischen
den Schenkeln 8 befindlichen Rückens 10 auf die Halterung 7 aufgerollt, ist sodann
also achsparallel zur Läuferwelle 6 geschichtet. Der Rücken 10 besteht aus einem
oder mehreren Blechstreifen. Im Gegensatz zur zeichnerischen Darstellung in Fig.
3 ist die Wicklung 9 durch eine Auskleidung aus Isolationsmaterial von den Dynamoblechen
der Schenkel 8 und des Rückens 10 getrennt.
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Die Enden C, D der Sekundärwicklung 9 sind gemäß den Schaltungsmöglichkeiten
nach Fig. 1 oder 2 mit den EIN-AUS-Schaltern verbunden. Zur Vermeidung störender
Einflüsse durch Magnetfelder der Maschine werden die Verbindungsleitungen verdrillt,
ggf. auch abgeschirmt.
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An den einzelnen zu überwachenden Stellen des Läufers können auch
mehrere EIN-AUS-Schalter, z.B. zwei, eingesetzt werden, die bei unterschiedlichen
Meßtemperaturen, z.B. einer niedrigeren "Vorwarn-"Temperatur und der höheren eigentlichen
kritischen Temperatur ansprechen. In diesem Falle sind auch in entsprechender Zahl
mehrere übertrager, im angesprochenen Beispiel 2, vorhanden, wobei die "Vorwarn-"
EIN-AUS-Schalter der verschiedenen Meßstellen an den einen und die EIN-AUS-Schalter
für die Meldung des Zustandes "kritische Temperatur erreicht" an den anderen Übertrager
angeschlossen sind.
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Es versteht sich, daß im Falle mehrerer Meßstellen ebenso wie die
EIN-AUS-Schalter für "kritische Temperatur" auch die EIN-AUS-Schalter "Vorwarnung"
je nach Bedarf unterschiedliche Ansprechtemperaturen aufweisen können.
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