DE3722805A1 - Verfahren und vorrichtung zur messung des schlupfes an asynchron-motoren - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung des Betriebszustandes der im untertägigen Bergbau ein­ gesetzten Asynchon-Motoren, insbesondere durch Ermitt­ lung der Drehzahl unter Berücksichtigung der Dreh­ zahl-Drehmoment-Leistungskennlinie. Die Erfindung be­ trifft außerdem eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Aus Gründen der Betriebsüberwachung werden auch an den im untertägigen Bergbau eingesetzten Motoren Messungen kontinuierlich oder in Abständen durchgeführt. Diese Überwachung ist an den, vor allem im untertägigen Berg­ bau eingesetzten, Asynchron-Motoren um so wichtiger ge­ worden, als die Hersteller zugunsten der vorteilhaften kompakten Bauform auf eine hohe Überlastbarkeit ver­ zichten. Daraus ergibt sich eine besondere Überempfind­ lichkeit dieser Aggregate auch gegenüber kurzzeitiger Überlastung. So bewirkt eine Temperaturerhöhung von beispielsweise 10% eine zu erwartende Lebensdauer der Isolation von nur noch 50%. Die Kenntnis der Betriebs­ daten ist daher von größter Bedeutung. Nach der Reihen­ folge ihrer Wichtigkeit sind dies die Ständertempe­ ratur, Läufertemperatur, Lagerzustand, Drehzahl, Strom- oder Leistungsaufnahme. Da die Drehzahl einer Asyn­ chron-Maschine große Aussagekraft über den jeweiligen Betriebszustand bei Kenntnis der Drehzahl-Drehmo­ ment-Leistungskennlinie hat, wird meist nur die Dreh­ zahl gemessen, um den Meßaufwand in vertretbarer Grö­ ßenordnung zu halten.

Die Anbringung der im untertägigen Bergbau zugelassenen Näherungsinitiatoren zur Messung der Drehzahl an den Untertagemaschinen stößt aufgrund der beengten Verhält­ nisse bzw. der ungünstigen Umweltbedingungen häufig auf Schwierigkeiten. Bei verschiedenen Motorbauformen und auch bei verschiedenen Einsatzorten ist es überhaupt nicht möglich, ein derartiges Meßverfahren anzuwenden.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein ge­ naues und einfach durchzuführendes Verfahren zur Be­ stimmung des Betriebszustandes von Asynchron-Motoren und eine entsprechende Vorrichtung zu schaffen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Frequenz des Läuferstromes durch Erfassung des mag­ netischen Streufeldes außerhalb der Motorkapsel be­ stimmt und das Frequenzsignal aufbereitet und je nach Einsatzfall zusammen mit der am Motoranschluß gemesse­ nen Netzspannung weitergegeben und ausgewertet wird.

Dabei macht sich die Erfindung die Tatsache zunutze, daß das Ständerdrehfeld eines Asynchron-Motors in der Läuferwicklung eine Spannung erzeugt. Der durch die in­ duzierte Spannung im Läufer erzeugte Strom baut seiner­ seits ein niederfrequentes Magnetfeld auf. Dieses In­ duktionsfeld des Motors wird erfindungsgemäß durch einen geeigneten Fühler ermittelt, woraufhin die ermit­ telte Frequenz bzw. das entsprechende Signal aufberei­ tet und für die verschiedensten Zwecke verwendet werden kann. Das Induktionsfeld des Motors wird dabei wie er­ wähnt von außerhalb der Motorkapsel ermittelt, so daß vorteilhaft auf alle rotierenden Teile verzichtet wer­ den kann, um über die induktive Schlupfmessung auf die Drehzahl zu schließen.

Zur Durchführung des Verfahrens dient eine Vorrichtung die sich dadurch auszeichnet, daß außen am Motorgehäu­ se, vorzugsweise an einer Motorstirnseite ein mecha­ nisch geschützter Sensor angeordnet und mit einer Meß­ wertverarbeitung gekoppelt ist, die zugleich mit einem die Spannung am Motoranschluß ermittelnden Geber ver­ bunden ist. Die hierdurch mögliche Schlupfmessung an Asynchron-Motoren führt zu einer erheblichen Vereinfa­ chung und gleichzeitig zu einer Verbesserung der Unter­ suchungen an Antriebsaggregaten im Nennbetrieb und für die allgemeinne Überwachung. Dabei kann der Sensor je­ weils an einer Stelle angeordnet werden, wo er für wei­ tere Arbeiten nicht hinderlich ist bzw. wo er umgekehrt optimal das Induktionsfeld des Motors erfassen kann. Durch Ermittlung der Spannung kann so dann über die elektronische Verarbeitung schnell und genau die elek­ trische Leistung ermittelt werden.

Ein im Aufbau einfacher und voll wirksamer Sensor ist erfindungsgemäß lösbar mit dem Motorgehäuse verbunden und weist eine Spule mit 6000 Windungen, einem Innen­ widerstand von 400 Ohm, einen Kupferdraht von 0,15 mm und ein Gewicht von rund 220 Gramm auf. Die magnetische Empfindlichkeit steigt mit der Windungszahl. Die oben­ genannten Daten stellen einen guten Kompromiß dar zwi­ schen den ausreichenden Empfindlichkeit und dem Gewicht bzw. der Größe des Sensors. Für die Befestigung am Mo­ torgehäuse ist ein Permanentmagnet hoher Haftkraft aus nicht entmagnetisierbarem Material oder eine Klemmvor­ richtung vorzusehen.

Eine wirksame Schutzbeschaltung für den Sensor wird er­ findungsgemäß dadurch geschaffen, daß er eine Schutzbe­ schaltung von mehreren Dioden aufweist. Damit ist ein sehr widerstandsfähiger Sensor geschaffen, der gerade für den untertägigen Einsatz die notwendigen Vorausset­ zungen erfüllt.

Nach einer zweckmäßigen Weiterbildung der Erfindung sind Sensor und Meßwertverarbeitung über eine unge­ schirmte Leitung, die am Sensor beidseitig steckbar ge­ führt ist, miteinander verbunden. Die Leitung ist im mobilen Gerät beidseitig steckbar ausgeführt, um Lei­ tungslängen flexibel an die Einsatzbedingungen anpassen zu können. Eine ungeschirmte Ausführung ist vorteilhaft möglich, weil das Signal des Läuferdrehfeldes sich am Spulenausgang praktisch als Störsignal mit unterlager­ tem Nutzsignal darstellt. Mit zunehmender Motorbela­ stung verbessert sich das Verhältnis vom Nutzsignal zur Brummspannung zugunsten des Nutzsignales.

Eine weitere Aufbereitung des Nutzsignales erfolgt vor­ teilhaft dadurch, daß die Meßwertverarbeitung einen 12-Bit-Binärzähler aufweist, dem ein Doppel-T-Filter mit steiler Charakteristik und ein Tiefpaßfilter höhe­ rer Ordnung vorgeschaltet sind. Dadurch gelingt es, die Netzfrequenz, ihre harmonischen Schwingungen und andere Störsignale aus dem Mischsignal, d.h. dem Nutzsignal herauszufiltern. Durch gleichzeitige 1000-fache Ver­ stärkung in den Filtern wird das Nutzsignal für die weitere Verarbeitung gewonnen.

Weiter ist vorgesehen, daß den Filtern ein gegen Off­ set-Drift kompensierter Nullspannungsschalter nachge­ schaltet ist, um Meßwertverfälschungen zu vermeiden. In dieser Triggerstufe wird das Signal weiter verstärkt. Der Nullspannungsschalter gibt am Ausgang ein Rechteck­ signal mit der Schlupffrequenz als Takt für die nach­ folgende Periodendauermessung ab.

Um die erfindungsgemäße Vorrichtung, d.h. das Meßgerät auch für langfristige Einsätze verwendbar zu machen, ist vorgesehen, daß dem 12-Bit-Binärzähler eine dem je­ weiligen Anwendungsfall angepaßte Ausgangsschnittstelle zugeordnet ist, z.B. in Form einer LCD-Anzeige, eines Digital-Analog-Wandlers oder eines Bit parallelen Aus­ gangs. Auch ist es möglich, zur Fernübertragung der Schlußffrequenz die bekannten Tonfrequenzkanäle unmit­ telbar anzusteuern, um so das Rechtecksignal mit der Schlupffrequenz mittels der heute noch sehr häufig vor­ zufindenden üblichen Tonfrequenzanlagen fernzuübertra­ gen.

Um möglichst störende, elektrische Signalstreuungen in der Elektronik hinter den Filtern zu vermeiden, ist die Meßwertverarbeitung insgesamt in einem Gehäuse aus nicht rostendem Stahl untergebracht. Dieses Gehäuse schützt gleichzeitig vor Schlagbeanspruchungen, so daß hohe Standzeiten derartiger Vorrichtungen gegeben sind.

Die Erfindung zeichnet sich insbesondere dadurch aus, daß ein Verfahren und eine Vorrichtung geschaffen ist, mit der für den Teilbereich "Drehzahlmessung an Asyn­ chronmaschinen" eine einfache, robuste Meßwerterfassung zu ermöglichen. Die gefundene Vorrichtung stellt eine einfache, preiswerte Lösung dar, so daß mit einer hohen Akzeptanz zu rechnen ist. Durch Trennung der Komponen­ ten Fühler und Auswerteeinheit bzw. Sensor und Meßwert­ verarbeitung ist eine preiswerte Gestaltung möglich, wobei dies auch dadurch erreicht wird, daß der Fühler bzw. Sensor ohne aufwendige Sonderkonstruktion ange­ bracht werden kann. Es reicht letztlich sogar eine pro­ visorische Halterung. Bei der routinemäßigen und kurz­ zeitigen Überprüfung des Belastungszustandes von Asyn­ chron-Motoren durch Aufsichtspersonen reicht sogar eine Magnethalterung des Sensors, ohne die bei anderen Ver­ fahren notwendige Justierung dieses Meßaggregates aus.

Weitere Einzelheiten werden anhand der nachfolgenden Beschreibung der Figuren erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Prinzip des Sensors mit Schutzbeschaltung,

Fig. 2 eine Prinzipschaltung des Schlupfmeßgerätes mit vierstelliger Digitalanzeige,

Fig. 3 ein Schlupfmeßgerät mit analogem Spannungsaus­ gang,

Fig. 4 ein Schlupfmeßgerät mit Impulsausgang zur Fern­ übertragung der Schlupffrequenz, und

Fig. 5 ein Schlupfmeßgerät mit digital-parallelem Aus­ gang.

Der Sensor 1 nach Fig. 1 weist eine Spule 2, beispiels­ weise mit 6000 Windungen, und eine Schutzbeschaltung von mehreren Dioden 3 auf.

Der Fig. 2 ist zu entnehmen, daß der Meßwertverarbei­ tung 4 ein solcher induktiver Sensor 1 vorgeschaltet ist. Die Meßwertverarbeitung 4 selbst zeigt eine Schal­ tung, in der hinter dem Impulseingang 5 (Verstärker) zunächst ein Doppel-T-Filter 6 mit steiler Charakteri­ stik für die 50 Hz und 100 Hz Anteile und ein nachge­ schalteter Tiefpaßfilter 7 höherer Ordnung eingeschal­ tet sind, um die Netzfrequenz zu filtern und dabei ihre harmonischen Schwingungen und andere Störsignale aus diesem Mischsignal herauszufiltern. Das Nutzsignal wird von dort einem Nullspannungsschalter 8 zugeführt, der am Ausgang ein Rechtecksignal mit der Schlupffrequenz als Takt für die nachfolgende Periodendauermessung ab­ gibt.

Das Rechtecksignal gibt im Takt des Schlupfsignals dem 12-Bit-Binärzähler 9 die Torzeit an. Diese Art der Ver­ arbeitung - Messung der Zeit zwischen zwei Nulldurch­ gängen der Signale - wurde gewählt, um die Signalverar­ beitung zu beschleunigen. Der 12-Bit-Binärzähler 9 ist quarzgenau getaktet, seine Ausgänge sind an Adressein­ gängen programmierbarer Speicher (PROM) angeschlossen. Den gemessenen Torzeiten entsprechen Schlupfwerte, aus­ gedrückt in Prozent, oder auch die Drehzahl, ausge­ drückt in Umdrehung pro Minute. Diese Zuordnung ist in den PROM′s abgelegt und kann je nach Wunsch auf eine vierstellige LCD-Anzeige 13 nach Passieren des Decoders und Anzeigetreibers 11, 12 gegeben werden. Mit 10 ist der Generator bezeichnet. Für die Drehzahlmessung ist natürlich die vorherige Kenntnis der Polpaarzahl des Motors wichtig, wogegen für die Anzeige des Schlupfes die Polpaarzahl keine Rolle spielt. Das so geschaffene Handmeßgerät ist zur Zeit so ausgelegt, daß ein Meßwert im Bereich von 0,5 bis 9,999% Schlupf angezeigt werden kann.

Fig. 2 zeigt eine solche Vorrichtung bzw. ein solches Meßgerät.

Für die Anwendungen im Rahmen von Meß-, Steuer- und Re­ gelanlagen müssen Ausgangsschnittstellen ausgesucht werden, die dem jeweiligen Anwendungsfall gerecht wer­ den. Für analog verarbeitende Meßanlagen wird das Bit parallele Signal des 12-Bit-Binärzählers 9 dem Digi­ tal-Analog-Wandler 15 hinter der Ausgangsschnittstelle 14 zugeführt und mit einem Treiber bzw. Impulsausgang 16 (Verstärker) an eine übergeordnete Meßanlage abgege­ ben. Die Ausgangsschnittstelle kennzeichnet den inter­ nen Signalfluß. Dieser Geräteaufbau bedingt einen ent­ sprechenden elektronischen Aufwand in der weiterverar­ beitenden Meßanlage 17 (Analogausgang), um dem hohen Genauigkeitsangebot dieser Meßmethode gerecht zu wer­ den.

Eine entsprechende Schaltung zeigt Fig. 3.

Zur Fernübertragung auch mittels der heute noch übli­ chen Tonfrequenzanlagen eignet sich das Rechtecksignal mit der Schlupffrequenz vorzüglich, da eine direkte An­ steuerung der Tonfrequenzkanäle bis etwa 20 Hz möglich ist. Hierzu dient eine Vorrichtung gemäß Fig. 4, wobei hinter dem Impulsausgang 16 bzw. dem Treiber die Fern­ übertragung 18 vorgesehen ist.

Für Steuer- und Regelanlagen mit Bit parallelen Eingän­ gen ist die direkte Übernahme des 12-Bit-Signals dann sinnvoll, wenn die Verarbeitungsbaugruppe in die Anlage integriert ist, da sonst Störungen durch Signalein­ streuungen bei der Signalübergabe auf Leitungen wahr­ scheinlich sind.

Nach Fig. 5 ist hinter dem Ausgangstreiber 19 der Bit parallele Ausgang 20 wiedergegeben.

•  1 Sensor
   2 Spule
   3 Diode
   4 Meßwertverarbeitung
   5 Impulseingang (Verstärker)
   6 Doppel-T-Filter
   7 Tiefpaßfilter
   8 Nullspannungsschalter
   9 12 Bit-Binärzähler
  10 Generator
  11 Decoder
  12 Anzeigetreiber
  13 LCD-Anzeige
  14 Ausgangsschnittstelle
  15 Digital-Analog-Wandler
  16 Impulsausgang (Verstärker)
  17 Meßanlage (Analogausgang)
  18 Fernübertragung
  19 Ausgangstreiber
  20 Bit paralleler Ausgang

Claims (9)

1. Verfahren zur Überwachung des Betriebszustandes der im untertägigen Bergbau eingesetzten Asynchron-Moto­ ren, insbesondere durch Ermittlung der Drehzahl un­ ter Berücksichtigung der Drehzahl-Drehmoment-Lei­ stungskennlinie, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz des Läuferstromes durch Erfassung des mag­ netischen Streufeldes außerhalb der Motorkapsel be­ stimmt und das Frequenzsignal aufbereitet und je nach Einsatzfall zusammen mit der motoranschlußgemä­ ßen Netzspannung weitergegeben und ausgewertet wird.

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach An­ spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß außen am Mo­ torgehäuse, vorzugsweise an einer Motorstirnseite, ein mechanisch geschützter Sensor (1) angeordnet und mit einer Meßwertverarbeitung (4) gekoppelt ist, die zugleich mit einem die Spannung am Motoranschluß er­ mittelnden Geber verbunden ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (1), der lösbar mit dem Motorgehäuse verbunden ist, eine Spule (2) mit 6000 Windungen, einem Innenwiderstand von 400 Ohm, einem Kupferdraht von 0,15 mm Durchmesser und einem Gewicht von rund 220 Gramm ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 und Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (1) eine Schutzbe­ schaltung von mehreren Dioden (3) aufweist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß Sensor (1) und Meßwertverarbeitung (4) über eine ungeschirmte Leitung, die am Sensor beidseitig steckbar geführt ist, miteinander verbunden sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßwertverarbeitung (4) einen 12-Bit-Binär­ zähler (9) aufweist, dem ein Doppel-T-Filter (6) mit steiler Charakteristik und ein Tiefpaßfilter (7) hö­ herer Ordnung vorgeschaltet sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß den Filtern (6, 7) ein gegen Offset-Drift kom­ pensierter Nullspannungsschalter (8) nachgeschaltet ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder Anspruch 3 oder einem der nachfolgenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß dem 12-Bit-Binärzähler (9) eine dem jeweiligen Anwendungsfall angepaßte Ausgangsschnitt­ stelle (14) zugeordnet ist, z. B. in Form einer LCD-Anzeige (13) eines Digital-Analogwandlers (15) oder eines bitparallelen Ausgangs (20).

9. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßwertverarbeitung (4) in einem Gehäuse aus nichtrostendem Stahl untergebracht ist.