DE3722805C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie 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 Bergbau eingesetzten, Asynchron-Motoren um so wichtiger geworden, als die Hersteller zugunsten der vorteilhaften kompakten Bauform auf eine hohe Überlastbarkeit verzichten. Daraus ergibt sich eine besondere Überempfindlichkeit 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 Betriebsdaten ist daher von größter Bedeutung. Nach der Reihenfolge ihrer Wichtigkeit sind dies die Ständertemperatur, Läufertemperatur, Lagerzustand, Drehzahl, Strom- oder Leistungsaufnahme. Da die Drehzahl einer Asynchron-Maschine große Aussagekraft über den jeweiligen Betriebszustand bei Kenntnis der Drehzahl-Drehmoment-Leistungskennlinie hat, wird meist nur die Drehzahl gemessen, um den Meßaufwand in vertretbarer Größenordnung zu halten.

Aus Sovpel, V.B; Litvinov, A.E.; Galkin, V.D.: Unsymmetrische und nicht vollphasige Zustände von Asynchron-Motoren und ihre schutztechnische Erfassung. In: Elektrie 1985, Nr. 6, S. 215-218, werden die Ausfälle von Drehstromanlagen in elektrischen Industrienetzen untersucht. Es werden Schutzeinrichtungen zum Schutz solcher Drehstromanlagen vorgeschlagen, die auf dem Phasenprinzip beruhen. Dementsprechend werden die Phasenverschiebungen zwischen den Strömen als Primärinformation des Schutzes ausgenutzt, da sie unsymmetrische Betriebsarten der Elektromotoren charakterisieren. Hierzu wird der Strom an den drei Leitern der Netzzuführung direkt gemessen, wobei sich aus den Meßergebnissen insbesondere die unsymmetrischen Betriebsarten rechtzeitig erkennen lassen.

Aus Bunzel, E.; Hauptmann, M.; Kunckel, K.-H.; Paulig, E.; Schubert, P.: Ausgewählte Probleme bei Messungen an elektrischen Maschinen. In: Elektrie 1984, Nr. 6, S. 227 bis 230, werden vier verschiedene Meßtechniken an elektrischen Maschinen beschrieben, um zu verdeutlichen, wie verschiedenartig und komplex Messungen an solchen Maschinen sind. Eine dieser Meßtechniken ist die magnetische Messung an rotierenden elektrischen Maschinen, über die elektrische und mechanische Kennwerte bestimmt werden sollen. Hierbei wird unter anderem eine Methode zur Messung des magnetischen Feldes im Luftspalt elektrischer Maschinen mittels einer Hallsonde und direkt angebrachter Meßspulen erläutert.

Die DE 35 28 540 A1 schließlich beschreibt eine Läuferstrommessung an einem Schleifringmotor mit einer einstellbaren Schaltschwelle für die Alarmabgabe im Überlastungsfall. Bei den genannten Verfahren und Vorrichtungen stellt sich als Nachteil heraus, daß damit der Betriebszustand von Asynchronmotoren nicht mit der notwendigen Einfachheit und Sicherheit ermittelt bzw. überwacht werden kann.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein genaues und einfach durchzuführendes Verfahren zur Bestimmung des Betriebszustandes von Asynchron-Motoren und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zu schaffen.

Die Aufgabe wird verfahrensmäßig durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 und vorrichtungsgemäß durch die im Anspruch 3 angegebenen Merkmale gelöst. Dabei macht sich die Erfindung die Tatsache zu Nutze, daß das Ständerdrehfeld eines Asynchronmotors in der Läuferwicklung eine Spannung erzeugt. Der durch die induzierte Spannung im Läufer erzeugte Strom baut seinerseits ein niederfrequentes Magnetfeld auf. Dieses Induktionsfeld des Motors wird erfindungsgemäß durch einen geeigneten Fühler ermittelt, woraufhin die ermittelte Frequenz bzw. das entsprechende Signal aufbereitet und für die verschiedensten Zwecke verwendet werden kann. Das Induktionsfeld des Motors wird dabei wie erwähnt von außerhalb der Motorkapsel ermittelt, so daß vorteilhaft auf alle rotierenden Teile verzichtet werden kann, um über die induktive Schlupfmessung auf die Drehzahl zu schließen.

Nach einer zweckmäßigen Ausbildung der Erfindung wird zusätzlich die Netzspannung ausgewertet, wenn die Netzspannung am Motoranschluß stark schwankt. Über diese zusätzliche Erfassung und Auswertung der Netzspannung ist es möglich, die betriebsmäßige, einfache Arbeitspunktbestimmung in der Drehmoment-Drehzahl-Kennlinie durchzuführen.

Zur Durchführung des Verfahrens dient eine Vorrichtung die sich dadurch auszeichnet, daß außen am Motorgehäuse, und zwar an einer Motorstirnseite ein mechanisch geschützter Sensor angeordnet und mit einer Meßwertverarbeitung gekoppelt ist, die zugleich mit einem die Spannung am Motoranschluß ermittelnden Geber verbunden ist. Die hierdurch mögliche Schlupfmessung an Asynchron-Motoren führt zu einer erheblichen Vereinfachung und gleichzeitig zu einer Verbesserung der Untersuchungen an Antriebsaggregaten im Nennbetrieb und für die allgemeine Überwachung. Dabei kann der Sensor jeweils an einer Stelle angeordnet werden, wo er für weitere Arbeiten nicht hinderlich ist bzw. wo er optimal das Induktionsfeld des Motors erfassen kann. Durch Ermittlung der Netzspannung kann dann über die elektronische Verarbeitung schnell und genau die elektrische Leistung bzw. entsprechende Arbeitspunkt 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 Schlupffrequenz 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 zeigt

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.

Claims (10)

1. Verfahren zur Überwachung des Betriebszustandes der im untertägigen Bergbau eingesetzten Asynchron-Motoren, durch Ermittlung der Drehzahl aus der induktiv gemessenen Schlupffrequenz gemäß Schlupf=Läuferfrequenz/Netzfrequenz und unter Berücksichtigung der vom Hersteller angegebenen Drehzahl-Drehmoment-Leistungskennlinie, dadurch gekennzeichnet, daß die Läuferfrequenz durch Erfassung des durch den Läuferwechselstrom verursachten magnetischen Streufeldes außerhalb der Motorkapsel bestimmt und das Frequenzsignal unter Herausfiltern von harmonischen Schwingungen und anderen Störsignalen elektronisch aufgearbeitet und bezüglich Schlupf oder Drehzahl ausgewertet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich die Netzspannung durch Verknüpfung mit den Drehzahl- oder Schlupfdaten in einem Rechnerprogramm ausgewertet wird.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß außen am Motorgehäuse, und zwar an einer Motorstirnseite, ein mechanisch geschützter, induktiver Sensor (1) angeordnet und mit einer Meßwertverarbeitung (4) gekoppelt ist, die zugleich mit einem die Spannung am Motoranschluß ermittelnden Geber verbunden ist.

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

5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (1) eine Schutzschaltung aufweist, die aus mehreren Dioden besteht.

6. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (1) und die Meßwertverarbeitung (4) über eine ungeschirmte Leitung, die am Sensor beidseitig steckbar geführt ist, miteinander verbunden sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßwertverarbeitung (4) einen 12-Bit-Binärzähler (9) aufweist, dem ein Doppel-T-Filter (6) mit steiler Charakteristik und ein Tiefpaßfilter (7) höherer Ordnung vorgeschaltet sind.

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

9. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßwertverarbeitung (4) in einem Gehäuse aus nichtrostendem Stahl untergebracht ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß dem 12-Bit-Binärzähler (9) eine Ausgangsschnittstelle (14) in Form einer LCD-Anzeige (13) eines Digital-Analogwandlers (15) oder eines bitparallelen Ausgangs (20) zugeordnet ist.