DE3603740A1 - Einrichtung zur ueberwachung des zustandes von elektrischen maschinen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Über­ wachung des Zustandes von elektrischen Maschinen, und ins­ besondere von Kommutatormaschinen, mit Bürsten, Schleif­ ringen, Gleitkontakten etc.

Bei elektrischen Kommutatormaschinen, beispielsweise Elek­ tromotoren oder Generatoren kann beispielsweise durch die Abnutzung der Bürsten erhöhtes Bürstenfeuer hervorgerufen werden, durch das beispielsweise der Kommutator bleibend geschädigt wird. Der Kommutator bzw. Kollektor ist in der Regel das empfindlichste Teil einer elektrischen Maschine, so daß es selbst bei weniger teuren elektrischen Maschinen lohnenswert ist, eine Einrichtung zur Überwachung des Zu­ standes der Maschine und insbesondere zur Überwachung des Kollektors bzw. des Bürstenfeuers vorzusehen. Gerade bei Scheibenläufer-Motoren, wie sie beispielsweise in hochdy­ namischen Antrieben von Industrierobotern verwendet wer­ den, kann zu starkes Bürstenfeuer zum Totalausfall der Ma­ schine führen, da die Läufer derartiger Motoren nur eine geringe Wärmekapazität haben und die Läufer teilweise über eine Wicklung und einen Kollektor verfügen, die in gedruckter Technik ausgeführt sind.

Es sind in der Vergangenheit die verschiedensten Methoden vorgeschlagen worden, den Zustand von elektrischen Maschi­ nen und insbesondere der Bürsten zu überwachen. Bei­ spielsweise werden sogenannte "Meldebürsten" (Meldekohlen) verwendet, die den Verschleiß der Bürsten an Überwachungs­ schaltungen melden. Hierzu wird beispielsweise auf die DE- PS 5 60 232 verwiesen.

Nun ist der Verschleiß von Bürsten alleine noch kein hin­ reichendes Stillsetzkriterium, da zu starkes Bürstenfeuer nicht nur durch Bürstenverschleiß, sondern auch durch eine Reihe anderer Fehler hervorgerufen werden kann:

Beispielsweise können ein zu niedriger Anpreßdruck der Bürsten, ein unrunder Kommutator- bzw. Kollektorlauf in­ folge Verschleiß etc., eine Verschmutzung oder Oxidation des Kommutators, eine Verstellung der Bürsten, eine Unter­ brechung an den Kommutatorlamellen, eine falsche Maschi­ nenbelastung und/oder eine fehlerhafte Stromversorgung die Ursache für zu starkes Bürstenfeuer sein.

Es ist deshalb in der DE-OS 24 49 935 vorgeschlagen wor­ den, das Bürstenfeuer mittels eines opto-elektronischen Wandlers zu überwachen. Es ist jedoch schwierig, opto­ elektronische Wandler in elektrischen Maschinen mit Gleit­ kontakten derart anzuordnen, daß sie zuverlässig die Intensität des Bürstenfeuers erfassen. Zudem verschmutzen opto-elektronische Wandler insbesondere unter rauhen Be­ dingungen schnell. Durch die hierdurch hervorgerufenen Funktionsstörungen ist es nicht mehr möglich, zu starkes Bürstenfeuer zuverlässig zu erfassen.

Gemäß einem weiteren Vorschlag wird deshalb die Temperatur des Kommutators (Kollektors) überwacht, um thermische Überbeanspruchungen zu erfassen. Die Erfassung thermischer Überbeanspruchungen ist jedoch nur eine Erfassung von Wir­ kungen, nicht jedoch der Ursache. Hinzu kommt, daß infol­ ge der Masse des Kommutators Temperaturerhöhungen nur ver­ zögert infolge von Bürstenfeuer auftreten. Deshalb kann bereits eine gewisse Schädigung des Kommutators eingetre­ ten sein, bevor eine thermische Überbeanspruchung erfaßt und die Maschine stillgesetzt wird.

Zudem ist es schwierig, einen Temperaturfühler im Kommuta­ tor unterzubringen und dessen Signale zu einer Steuer-bzw. Meldeeinrichtung zu führen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrich­ tung zur Überwachung des Zustandes von elektrischen Ma­ schinen mit Bürsten, Schleifringen etc. (Gleitkontakten) anzugeben, mit der insbesondere zu starkes Bürstenfeuer sofort erkannt werden kann.

Eine erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist mit ihren Weiterbildungen in den Patentansprüchen gekennzeichnet. Erfindungsgemäß ist erkannt worden, daß ein zuverlässiges Kriterium für das Auftreten von zu starkem Bürstenfeuer und damit ein zuverlässiges Stillsetzkriterium dadurch gewonnen werden kann, daß das höherfrequente Spektrum des Stroms in den Zuleitungen der elektrischen Maschine über­ wacht wird. Hierzu ist erfindungsgemäß mindestens ein Hochfrequenzübertrager vorgesehen. Die hochfrequenten Anteile des in den Zuleitungen der elektrischen Maschine fließenden Stroms induzieren damit in der Sekundärspule des Hochfrequenzübertragers eine Spannung, deren Größe zur Erfassung des Zustandes der Maschine ausgewertet wird.

Eine besonders einfache Ausbildung der Spannungsmeßein­ richtung, die die Größe der induzierten Spannung zur Er­ fassung des Zustandes der Maschine auswertet, ergibt sich gemäß Anspruch 2, wenn zwei Primärspulen des Hochfrequenz­ übertragers derart in die Zuleitungen geschaltet sind, daß Änderungen des Betriebsstroms der Maschine keine Spannun­ gen induzieren. Erfindungsgemäß ist nämlich erkannt wor­ den, daß Hochfrequenzstörungen, die beispielsweise durch Bürstenverschleiß oder zu niedrigen Anpreßdruck der Bür­ sten hervorgerufen werden, "unsymmetrische Störungen" sind. Durch die spezielle in Anspruch 2 beanspruchte Schaltung der Primärspulen wird erreicht, daß lediglich unsymmetrische in den Zuleitungen fließende Ströme, die - wie erfindungsgemäß erkannt worden ist - durch Bürstenfeu­ er hervorgerufen werden, eine Spannung induzieren, so daß es nicht erforderlich ist, die auf eine Fehlfunktion bzw. einen schlechten Zustand der Maschine hinweisende indu­ zierte Spannung von der Spannung zu trennen, die durch den normalen Betriebsstrom induziert wird. Diese induzierten Spannungen und Ströme sind aufgrund der Tatsache unsymme­ trisch, daß die durch Bürstenfeuer an einem Bürstenpaar hervorgerufenen Störsignale hinsichtlich Amplitude, Fre­ quenz und Phase ungleich sind.

In jedem Falle ist es besonders vorteilhaft, wenn gemäß Anspruch 3 eine Spitzengleichrichterschaltung vorgesehen wird. Bei geringer Funkenbildung am Kommutator ist die Ausgangsspannung dieser Schaltung niedrig, sie steigt je­ doch schnell mit zunehmender Funkenbildung. Je nach Ma­ schinengröße und Bauart des Hochfrequenzübertragers lassen sich damit gut meßbare Spannungen im mV bis V-Bereich er­ zielen.

Verschiedene Möglichkeiten, die induzierten Spannungen auszuwerten, sind in den Ansprüchen 4 und 5 gekennzeich­ net. Im Anspruch 4 sind verschiedene Möglichkeiten angege­ ben, den zeitlichen Verlauf der induzierten Spannungen auszuwerten und aus speziellen charakteristischen Erschei­ nungen auf den Zustand der elektrischen Maschine zu schließen, die überwacht werden soll.

Natürlich ist es auch möglich, gemäß Anspruch 5 in einfa­ cher Weise die elektrische Maschine dann stillzusetzen, wenn die induzierte Spannung einen bestimmten Wert über­ schreitet.

In den weiteren Ansprüchen sind verschiedene Möglichkeiten gekennzeichnet, die erfindungsgemäße Einrichtung zur Über­ wachung des Zustandes von elektrischen Maschinen mit die­ sen Maschinen zu verbinden bzw. sie vorübergehend oder laufend zur Überwachung des Zustandes an diesen anzubrin­ gen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungs­ beispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher be­ schrieben, in der zeigen:

Fig. 1 den Schaltplan einer erfindungsgemäßen Einrichtung beim Einbau in eine Reihenschlußmaschine,

Fig. 2 den Aufbau eines erfindungsgemäß verwendeten Hoch­ frequenzübertragers, und

Fig. 3 und 4 Modifikationen der in Fig. 1 dargestellten Schaltung.

Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Überwachungseinrichtung für eine Reihenschlußmaschine. Die Reihenschlußmaschine weist in bekannter Weise Bürsten 1 und 2, einen Läufer mit Kollektor bzw. Kommutator 3 sowie eine in zwei symmetri­ sche Hälften 4 und 5 aufgeteilte Feldwicklung auf. Bei sich drehendem Läufer 3 entstehen infolge der Funkenbil­ dung am Übergang der Bürste 1 sowie der Bürste 2 zum Kol­ lektor des Läufers 3 Stromschwankungen, die ein sehr brei­ tes Frequenzspektrum bedecken. Diese Übergänge sind dem­ nach Quellen eines "Störspektrums". Von diesen Quellen werden die daran angeschlossenen Drahtverbindungen und Teile der Wicklungen 4 und 5, Teile der Wicklung im Läufer 3 mit ihren Streukapazitäten zu parasitären Schwingungen angeregt. Frequenz, Phasenlage und Amplitude dieser Schwingungen sind für die Bürsten 1 und 2 nicht gleich, da immer Unsymmetrien im Maschinen- und Wicklungsaufbau vorhanden sind.

Zur Auskoppelung dieser dem Maschinen-Betriebsstrom über­ lagerten Hochfrequenzschwingungen ist ein Hochfrequenz­ übertrager 13 vorgesehen, dessen Aufbau anhand Fig. 1 und 2 erläutert wird:

Der Hochfrequenzübertrager 13 weist zwei Primärwicklungen bzw. -spulen 6 und 7 mit gleichen Windungszahlen auf, de­ ren Wicklungssinn durch Punkte angedeutet ist. Diese Spu­ len 6 und 7 sind in die Verbindungsleitungen des Wick­ lungsteils 4 und der Bürste 1 bzw. der Bürste 2 und des Wicklungsteils 5 geschaltet. Der Hochfrequenzübertrager 13 weist ferner auf dem gleichen Kern 12 eine Meßwicklung bzw. eine Sekundärspule 8 auf, die mit einer Spitzen­ gleichrichterschaltung 14 verbunden ist. Die Spitzen­ gleichrichterschaltung 14 weist eine Diode 9, einen Kon­ densator 10 sowie einen Belastungswiderstand 11 auf. Mit den Ausgangsklemmen 15 und 16 der Spitzengleichrichter­ schaltung 14 ist eine nichtdargestellte Auswerte- und Steuerschaltung für die elektrische Maschine, die über­ wacht werden soll, verbunden.

Die vorstehend beschriebene erfindungsgemäße Überwachungs­ einrichtung arbeitet wie folgt:

Aufgrund des Aufbaus der Primärspulen 6 und 7 wird die durch den Betriebsstrom der elektrischen Maschine hervor­ gerufene Magnetisierung des Kerns 12 aufgehoben, so daß niederfrequente Schwankungen des Betriebsstroms keine Spannung in die Meßwicklung 8 induzieren können. Lediglich die hochfrequenten, durch Bürstenfeuer hervorgerufenen Ströme, die - wie vorstehend dargestellt - zwangsläufig eine gewisse Unsymmetrie aufweisen, induzieren über die Wicklungen 6 und 7 in die Sekundärspule 8 des Übertragers 13 eine hochfrequente Spannung. Diese wird mit der Diode 9 gleichgerichtet, mit dem Kondensator 10 geglättet und mit dem Widerstand 11 geringfügig belastet. Diese geringfügige Belastung verhindert ein zu schnelles Aufladen der Spit­ zengleichrichterschaltung 14 und damit Fehlmessungen bei einigen wenigen Funken, die an Schleifkontakten immer auf­ treten können. Vorteilhaft sind Zeitkonstanten des R-C- Gliedes im Sekundenbereich. Der belasteten Spitzengleich­ richterschaltung 14 kann an den Klemmen 15 und 16 eine Auswerte- und Steuerschaltung nachgeschaltet werden, die beispielsweise bei Überschreiten einer bestimmten Spannung an den Klemmen 15 und 16 die elektrische Maschine abschal­ tet.

Durch die dargestellte Spitzengleichrichterschaltung 14 wird erreicht, daß bei geringer Funkenbildung am Kollektor bzw. Kommutator die Ausgangsspannung der Schaltung 14 nie­ drig ist, die Ausgangsspannung jedoch schnell mit zuneh­ mender Funkenbildung ansteigt. Je nach Maschinengröße und Bauart des Übertragers sind Ausgangsspannungen im mV- bis V-Bereich erzielbar.

Da der Hochfrequenzübertrager Spannungen bzw. Ströme im Frequenzbereich von einigen 10 kHz bis 100 MHz und mehr übertragen soll, wird er vorteilhafterweise als Breitband­ übertrager mit Paralleldrahtwicklungen und Ferrit- oder Eisenpulver-Ringkern ausgebildet. Ein Beispiel für einen derartigen Breitbandübertrager zeigt Fig. 3. Der Ringkern 12 trägt eine Trifilarwicklung. Die Wicklungsanfänge der Wicklungen 6 und 7 sind mit Punkten gekennzeichnet. Bei der Meßwicklung 8 ist es gleichgültig, welcher Anschluß zur Diode 9 in Fig. 1 geführt wird.

Abhängig vom Kernmaterial und den Windungszahlen können bestimmte Frequenzbereiche bevorzugt übertragen werden. Ein gewisses frequenzselektives Verhalten ist dann von Vorteil, wenn die erfindungsgemäße Einrichtung nicht nur zur Bereitstellung eines Abschaltsignals, sondern auch zu einer Fehlerdiagnose der Maschine herangezogen werden soll. Bestimmte Maschinenfehler, wie beispielsweise unrun­ der Kollektor, nicht richtig aufliegende Bürste etc. er­ zeugen Störsignale, deren Maxima in unterschiedlichen Fre­ quenzbereichen liegen.

Fig. 3 zeigt eine Modifikation des in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiels, bei dem zwei Hochfrequenzübertrager 13 ₁ und 13 ₂ verwendet werden. Dabei werden für gleiche Elemente gleiche Bezugszeichen wie in Fig. 1 verwendet, so daß auf eine erneute Vorstellung verzichtet werden kann. Bei der in Fig. 3 dargestellten Schaltung sind - abhängig von dem Aufbau der Übertrager verschiedene Frequenzbe­ reiche abdeckbar. Der Übertrager 13 ₂, der den Bürsten am nächsten ist, soll den höchsten Frequenzbereich übertragen können, während der Übertrager 13 ₁ für niedrigere Frequen­ zen ausgelegt ist. Damit ist in Abhängigkeit von den Aus­ gangssignalen der Spitzengleichrichterschaltungen 14 ₁ und 14 ₂ beispielsweise eine Unterscheidung zwischen verschie­ denen Maschinenfehlern möglich.

Fig. 4 zeigt eine weitere Modifikation des in Fig. 1 dar­ gestellten Ausführungsbeispiels, bei dem der Hochfrequenz­ übertrager nicht zwischen die Feldwicklungen 4 und 5 und die Bürsten 1 und 2, sondern in die Maschinenzuleitungen eingeschleift ist, da auch auf diesen Zuleitungen noch Störspannungen ausreichender Höhe vorhanden sind. Eine derartige Schaltung eignet sich insbesondere zum vorüber­ gehenden Anbau der erfindungsgemäßen Einrichtung an elek­ trische Maschinen, um in einfacher Weise beispielsweise den Zustand der Brüsten überprüfen zu können.

Auch bei diesem Ausführungsbeispiel sind gleiche Bauele­ mente mit gleichen Bezugszeichen versehen, so daß auf eine erneute Vorstellung verzichtet werden kann.

Vorstehend ist die Erfindung anhand eines Ausführungsbei­ spiels beschrieben worden. Im Rahmen des allgemeinen Er­ findungsgedankens, zur Überprüfung der Maschinenzustandes Hochfrequenzstörungen zu analysieren und insbesondere bei einer bevorzugten Weiterbildung durch den Aufbau des Über­ tragers sicherzustellen, daß lediglich unsymmetrische Störspannungen zur Analyse des Maschinenzustandes herange­ zogen werden, sind natürlich die vielfältigsten Abwandlun­ gen möglich:

Beispielsweise kann anstelle eines Ringkern-Übertragers auch ein Übertrager mit Mehrloch-, Schalen-, E-, X-, U- und Stabkernen verwendet werden.

Zur Analyse der die Hochfrequenzstörung verursachenden Ma­ schinenfehler kann nicht nur die einfache in Fig. 3 darge­ stellte Schaltung verwendet werden, für Prüfzwecke ist selbstverständlich auch die Verwendung eines Spektrum-Ana­ lysators möglich.

Auch ist die dargestellte Überwachungseinrichtung nicht auf die Verwendung mit Reihenschlußmaschinen beschränkt. Selbstverständlich sind auf gleiche Art auch andere Ma­ schinen mit Gleitkontakten, beispielsweise Nebenschluß­ maschinen überprüfbar.

Claims (9)

1. Einrichtung zur Überwachung des Zustandes von elektri­ schen Maschinen mit Bürsten, Schleifringen, Gleitkontakten etc., dadurch gekennzeichnet, daß in Leitungen der elektrischen Maschine mindestens eine Primärspule (6, 7) eines Hochfre­ quenzübertragers (13) geschaltet ist, die in eine Sekun­ därspule (8) eine Spannung oder einen Strom induziert, deren/dessen Größe eine Spannungsmeßeinrichtung (14) zur Erfassung des Zustandes der Maschine auswertet.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Primärspulen derart in die Zuleitungen geschaltet sind, daß Änderungen des Be­ triebsstroms der Maschine keine Spannungen induzieren.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsmeßeinrichtung eine Spitzengleichrichterschaltung (14) mit definierter Entladungszeitkonstante aufweist.

4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsmeßeinrichtung Schaltungen aufweist, die Extremwerte der induzierten Störspannungen erfassen, die induzierten Störspannungen über den Frequenzbereich integrieren und/oder eine Mittel­ wertbildung ausführen.

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsmeßeinrichtung eine Schaltung aufweist, die die elektrische Maschine ab­ schaltet, wenn die induzierte Spannung einen bestimmten Grenzwert überschreitet.

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärspulen (6, 7) des Hochfrequenzübertragers in die Verbindungsleitungen der Erregerwicklungen (4, 5) und der Bürsten (1, 2) geschaltet sind.

7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärspulen (4, 5) in die Zuleitungen der elektrischen Maschine geschaltet sind.

8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß sie permanent in der zu über­ wachenden Maschine installiert ist.

9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß sie vorübergehend zu Prüf­ zwecken mit den zu überwachenden Maschinen verbindbar ist.